雷达对抗原理第4章-雷达侦察的信号处理

第4章雷达侦察的信号处理第4章雷达侦察的信号处理4.1概述4.2对雷达信号极化和时域参数的测量4.3雷达侦察信号的预处理4.4雷达侦察信号的主处理第4章雷达侦察的信号处理4.1概述4.1.1信号处理的主要技术指标1．可处理的辐射源类型与可信度雷达辐射源的类型一般分为信号类型和工作类型。信号类型是指发射信号的调制特性，在本书第1章中已就雷达信号振幅和相位的各种主要调制形式作了较详细的介绍，可处理能力包括对这些调制类型的正确检测识别能力和对调制参数的正确测量能力。工作类型是指雷达的功能、用途、工作体制和工作状态等，它们与信号类型和参数具有非常密切的关系，同时也需要大量的先验情报信息、数据和知识。可信度是衡量信号处理质量的重要指标，包括对辐射源的检测概率，虚警概率，正确识别和判决的概率等。第4章雷达侦察的信号处理由于雷达侦察面临的可能是一个非常复杂的电磁信号环境，有关各种辐射源及其信号类型、参数、功能等信息的先验知识和先验数据，对于侦察信号处理的能力和质量具有极其重要的影响。目前几乎所有的雷达侦察处理设备内部都具有一个表现各种先验信息的数据库和知识库。其中，ELINT系统面临的信号环境最为复杂，库容量也最大，有时甚至需要通过信息网络提供后备支持。它力求广泛、全面、准确地掌握各种雷达辐射源和相关辐射源的情报信息，同时也便于支援其它的雷达侦察系统。ESM系统和干扰引导系统主要关心和处理的是当前所在战场环境中的雷达辐射源，特别是对当前作战影响重大的敌方威胁雷达辐射源。RWR处理的辐射源类型主要是对本作战平台当前安全形成直接威胁的制导、火控、末制导和近炸雷达辐射源。引导杀伤武器的侦察信号处理一般具有明确的辐射源类型和信号形式、调制参数等，以便有针对性地选择和跟踪特定辐射源。第4章雷达侦察的信号处理2．可测量和估计的辐射源参数、参数范围和估计精度雷达侦察系统可测量和估计的辐射源参数与辐射源类型具有十分密切的关系，处理数据既可来源于{PDWi}i，也可来源于{s(n)}n。在一般情况下，对{PDWi}i的处理带宽大，辐射源数量多，信号流密度高，处理时间短，因此其处理对象全面，适应范围很大，但测量参数偏少，测量精度偏低，通常用做雷达侦察信号处理系统的粗测和对窄带数字接收机精测的引导；对{s(n)}n的处理带宽较窄，带内的辐射源数量少，信号流密度低，允许的处理时间较长，因此测量参数较多且测量精度较高，通常用做对特定辐射源信号调制参数的精确测量和分析。典型雷达侦察系统可测量和估计的辐射源参数、参数范围和精度如表4-1所示。第4章雷达侦察的信号处理第4章雷达侦察的信号处理3．信号处理时间雷达侦察系统的信号处理时间分为：对指定雷达辐射源的信号处理时间Tsp和对指定信号环境S中各雷达辐射源信号的平均处理时间Tav。Tsp是指从侦察系统前端输出指定雷达的{PDWi}i或{s(n)}n,到处理机输出辐射源分选、识别和参数估计的结果，并达到指定的正确分选、识别概率和参数估计精度所需要的时间。Tav是指对指定信号环境S中的N部雷达辐射源处理时间{Tsp(i)}i的平均值:(4-1)NiiTNT1spav1第4章雷达侦察的信号处理对雷达侦察系统信号处理时间的要求也是与侦察系统的功能和用途密切相关的。在一般情况下，ELINT系统允许有较长的信号处理时间，甚至可以将实时数据记录下来，进行事后的长时间分析处理；ESM系统要求及时进行战场的作战指挥、决策和控制，必须完成信号的实时处理，要求的信号处理时间较短；RWR系统必须对各种直接威胁做出即时的反应，其信号处理时间更短。第4章雷达侦察的信号处理雷达侦察系统的信号处理时间主要是对辐射源PDW数据或波形数据的分选、识别和参数估计的处理时间，在处理资源有限的情况下，其分选识别的辐射源类型越多，测量和估计的参数越多，范围越大，精度越高，可信度越高，则相应的信号处理时间也就越长。但影响更大的是侦察系统中有关雷达辐射源先验信息和先验知识的数量和质量。可利用的先验数据和知识越多，越可靠，信号处理的时间就越短。除了自身能力以外，雷达侦察系统实际能够达到的信号处理时间还会受到实际信号环境的严重影响，S中的辐射源越多，信号越复杂，相应的信号处理时间也越长。第4章雷达侦察的信号处理4．可处理的输入信号流密度该指标是指在不发生前端输入的{PDWi}i或{s(n)}n数据丢失的情况下，单位时间内信号处理机允许输入的{PDWi}i或{s(n)}n最大平均脉冲数——λmax。在一般情况下，雷达侦察接收机的宽带侦收前端对每一个检测到的射频脉冲均用一个固定字长和格式的PDW来描述，窄带分析前端对每一个带内的射频脉冲波形都用一个{s(n)}n数组来描述，数组长度一般取决于该脉冲的宽度。由于对{s(n)}n的处理时间一般都远大于对PDW的处理时间，因此两者对λmax的要求是不同的，应该分别给出。第4章雷达侦察的信号处理4.1.2信号处理的基本流程和工作原理1．对输入{PDWi}i信号的处理雷达侦察系统对{PDWi}i信号处理的基本流程如图4-1所示，其中各部分的基本工作原理如下。图4-1{PDWi}i信号侦察处理的基本流程第4章雷达侦察的信号处理1)信号预处理信号预处理的主要任务是根据已知雷达辐射源的PDW参数特征和未知雷达辐射源PDW的先验知识，完成对实时输入{PDWi}i的预分选。预处理的过程是：首先将实时输入的{PDWi}i与m个已知雷达数据库{Cj}mj=1进行快速匹配，从中分离出符合{Cj}mj=1特征的已知雷达信号子流{PDWi，j}mj=1，并分别放置于m个已知雷达的数据缓存区，交付信号主处理按照对已知雷达信号的处理方法作进一步的分选、检测、参数估计和识别处理等；对不符合{Cj}mj=1的剩余数据，再根据未知雷达知识库{Dk}nk=1进行快速分配，产生n个未知雷达信号的分选子流{PDWi,k}nk=1，另外放置于n个未知雷达的数据缓存区，交付信号主处理，按照对未知雷达信号的处理方法作进一步的分选、检测、参数估计和识别处理等。预处理的速度应与信号流密度λ相匹配，以求尽量不发生输入{PDWi}i数据的丢失。由于脉间信号处理的时间较长，因此预处理过程主要是直接利用{PDWi}i中射频脉冲的某些特征参数进行分选的。第4章雷达侦察的信号处理2)信号主处理信号主处理的任务是对输入的已知和未知辐射源两类预处理输出子流{PDWi,j}mj=1和{PDWi,k}nk=1作进一步的分选、检测、参数估计和识别等处理。其中对已知雷达辐射源子流{PDWi,j}mj=1的主分选是利用已知雷达的脉间特征信息，从中挑选符合已知雷达辐射源脉间信息特征的{PDWi,j′}mj=1，进行已知雷达辐射源的检测(判定该已知辐射源是否存在)。在需要的情况下，再对检测出的辐射源进行各种参数的统计估计。在一般情况下，对{PDWi,j}mj=1处理中滤除的数据，将按照{Dk}nk=1的预分选方法补充到{PDWi,k}nk=1中。对{PDWi,k}nk=1数据的处理方法主要根据一般雷达信号脉间的先验知识，检验实际数据与这些先验知识的符合程度，作出各种雷达信号模型的假设检验和判决，计算检验结果的可信度，并对达到一定可信度的检出雷达信号进行各种参数的统计估计等。无论是已知还是未知的雷达信号，只要检验结果达到一定的可信度，都可以将实际检测、估计的信号特征修改、补充到{Cj}mj=1中，使其能够不断地跟踪辐射源信号调制特征的变化，适应于实际面临的信号环境。特别是将检测到的未知雷达信号特征补充到{Cj}mj=1中，对于丰富已知雷达的先验信息、提高处理效率和质量等，都具有非常重要的意义。第4章雷达侦察的信号处理2．对输入{s(n)}n信号的处理雷达侦察系统对{s(n)}n信号处理的主要任务是分析脉内和脉间的幅相调制方式，精确测量调制参数等。详见2.7节。通过对{PDWi}i和{s(n)}n数据的处理，雷达侦察系统既可获得有关辐射源调制信息的宏观特征，又可获得其辐射信号调制信息的细节特征，如果能够达到一定的精度和分辨力，则甚至能够用于区分同类辐射源中的不同个体。雷达侦察的信号处理是在复杂电磁信号环境下非匹配的甚至是对抗性的信号处理，具有极大的难度，必须尽可能发挥侦察情报的作用。第4章雷达侦察的信号处理4.2对雷达信号极化和时域参数的测量4.2.1对雷达信号极化的测量空间电磁波的极化可以分解为两个正交的固定方向，其中水平极化和垂直极化是最常用的正交极化方向。信号极化方向的检测和测量系统组成如图4-2所示。水平、垂直极化接收天线获得的信号分别送入各自的接收机，通过带通滤波、低噪声放大、混频和中放，分别进行包络检波和彼此进行相位检波，对包络检波的输出进行门限检测，只要任何一路信号超过检测门限，都会启动包络和相位测量电路，完成对两路信号包络AH、AV的测量，经过极化测量处理机，输出信号极化测量结果。对于典型的雷达信号极化特性，其主要识别依据和参数估计如表4-2所示。第4章雷达侦察的信号处理图4-2对雷达信号极化方向的检测和测量的系统组成第4章雷达侦察的信号处理第4章雷达侦察的信号处理4.2.2tTOA测量tTOA是脉冲雷达信号重要的时域参数，雷达侦察系统中对tTOA的典型测量原理如图4-3(a)所示，其中输入信号si(t)经过包络检波、视频放大后成为sv(t)，它与检测门限VT进行比较，当sv(t)≥VT时，从时间计数器中读取当前时刻t进入锁存器，产生本次tTOA的测量值。实际的时间计数器一般采用N位的二进制计数器级联，经时间锁存器的tTOA输出值为(4-2)tTtTtttTVtsVtsttTtvvintint,,mod0,,,,modTTTOA第4章雷达侦察的信号处理式中，mod(T，Δt，t)为求模、量化函数；函数int(x)为求取实变量x的整数值；Δt为时间计数器的计数脉冲周期；T=Δt×2N,为时间计数器的最大无模糊计时范围;tTOA为sv(t)脉冲前沿过检测门限的时刻。由于时间计数器的位数有限，为了防止时间测量模糊，假设被测雷达的最大脉冲重复周期为PRImax，一般应保证TPRImax(4-3)Δt取决于测量的量化误差和时间分辨力，减小Δt可降低量化误差，提高时间分辨力，但对于同样的T，就需要提高计数器的级数N，同时增加tTOA的字长，增加tTOA数据存储和处理的负担。第4章雷达侦察的信号处理sv(t)信号的前沿时间trs以及信噪比会影响tTOA测量的准确程度。由于雷达侦察系统通常按照最小可测的雷达信号脉宽τmin设置接收机带宽Bv≈1/τmin，因此在一般情况下，影响tTOA测量误差的主要因素是雷达信号脉冲本身的上升沿时间trs，由此引起的均方根值σt为(4-4)NSt2rst第4章雷达侦察的信号处理一种改进方法如图4-3(b)所示，它将tTOA定义为sv(t)的最大值时间，在门限检测时间内对sv(t)进行连续的ADC采样，并将采样结果与最大值锁存器(检测前为零)内的数据进行比较。高于该值时，刷新最大值锁存器，并将此刻时间计数器数值写入时间锁存器。因此在检测脉冲结束后，该电路可输出脉冲幅度的最大值时刻tTOA和sv(t)脉冲包络电压的最大值。图4-3(b)的改进电路消除了检测门限对tTOA测量的影响，且充分利用了最大信噪比时刻的测量值，有利于改善噪声引起的测量误差，但需要采用较高速度的ADC和相应的处理电路。第4章雷达侦察的信号处理图4-3tTOA的测量原理第4章雷达侦察的信号处理4.2.3τPW测量τPW也是雷达信号的重要时域参数。一般雷达的脉宽本身比较稳定且种类有限，在较高的信噪比下受噪声的影响较小，往往可以直接用作信号分选识别的重要依据。在雷达侦察系统中，τPW的测量是与tTOA的测量同时进行的，如图4-4所示。在门限检测前，脉宽计数器的初值为零，在门限检测信号有效期间，脉宽计数器对时钟信号计数，门限检测信号的后沿将脉宽计数值送入脉宽锁存器，并在经过一个计数时钟周期Δt迟延后将脉宽计数器清零，等待下一