雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)04-2015

第4章雷達(dá)偵察信號(hào)分析與處理典型處理過(guò)程：1、偵察天線——實(shí)時(shí)檢測(cè)和參數(shù)測(cè)量電路——脈沖描述字PDW脈沖描述字PDW（PulseDiscreptionWord）:對(duì)射頻脈沖以指定長(zhǎng)度（定長(zhǎng)）、指定格式（定格）、指定位含義（定位）的數(shù)字形式的信號(hào)參數(shù)描述字。雷達(dá)偵察系統(tǒng)的前端：從偵察天線到射頻信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)和參數(shù)測(cè)量電路的輸出端。2、前端輸出——信號(hào)處理設(shè)備——輻射源分選、參數(shù)估計(jì)、輻射源識(shí)別、威脅程度判別、作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)判別雷達(dá)偵察系統(tǒng)的后端：從信號(hào)處理設(shè)備至顯示、存儲(chǔ)、記錄設(shè)備。4．1概述1．信號(hào)處理的任務(wù)

偵察系統(tǒng)的前端擔(dān)任預(yù)處理任務(wù)，輸出實(shí)時(shí)脈沖描述字流{PDW}。信號(hào)處理的任務(wù)是對(duì){PDW}進(jìn)行信號(hào)分選、參數(shù)估計(jì)、存儲(chǔ)、記錄和其它任務(wù)。實(shí)時(shí)脈沖描述字流的組成和數(shù)據(jù)格式與偵察系統(tǒng)的組成和性能有關(guān)。典型情況下為：

2．信號(hào)處理的主要技術(shù)要求

1）可分選識(shí)別的雷達(dá)輻射源類型和可信度

輻射源類型分為：信號(hào)類型工作類型

信號(hào)類型：按照雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào)制類型分類，具體如下：

3/39具體如下：4/39工作類型：

雷達(dá)的功能、用途、工作體制和工作狀態(tài)等可分選和識(shí)別的輻射源類型與偵察系統(tǒng)功能和用途有關(guān)：電子情報(bào)偵察(ELINK)：可分選和識(shí)別的輻射源類型多；電子支援偵察(ESM)：主要是當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)我方有一定威脅的敵方雷達(dá)；雷達(dá)尋的和告警系統(tǒng)(RHAW)：主要是對(duì)我方形成威脅的火控、近炸、制導(dǎo)和末制導(dǎo)雷達(dá)?？尚哦龋?/p>

考核信號(hào)處理識(shí)別分選識(shí)別結(jié)果的質(zhì)量指標(biāo)。

5/392)

可測(cè)量和估計(jì)的雷達(dá)輻射源參數(shù)、參數(shù)范圍和估計(jì)精度

參數(shù)名稱計(jì)量單位參數(shù)范圍估計(jì)精度參數(shù)來(lái)源輻射源方位0～3603由分選后PDW統(tǒng)計(jì)估值信號(hào)載頻MHz500~400003由分選后PDW統(tǒng)計(jì)估值脈沖寬度s0.05~5005x10-2由分選后PDW統(tǒng)計(jì)估值脈沖重復(fù)周期ms0.01~1001x10-4由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計(jì)天線掃描周期s0.005~601x10-3由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計(jì)脈內(nèi)頻率調(diào)制見(jiàn)信號(hào)類型的頻率調(diào)制類由脈內(nèi)信號(hào)分析電路檢測(cè)脈間頻率調(diào)制檢測(cè)跳頻范圍、頻點(diǎn)和頻率轉(zhuǎn)移概率矩陣由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計(jì)脈內(nèi)相位調(diào)制見(jiàn)信號(hào)類型的相位調(diào)制類由脈內(nèi)信號(hào)分析電路檢測(cè)重復(fù)周期調(diào)制檢測(cè)調(diào)制類型、范圍和周期轉(zhuǎn)移矩陣由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計(jì)脈沖寬度調(diào)制檢測(cè)脈寬調(diào)制數(shù)值和脈寬轉(zhuǎn)移概率矩陣由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計(jì)天線掃描調(diào)制檢測(cè)掃描周期、照射時(shí)間、掃描調(diào)制方式等由分選后PDW相關(guān)統(tǒng)計(jì)6/393)

信號(hào)處理時(shí)間兩類信號(hào)處理時(shí)間：

對(duì)指定雷達(dá)信號(hào)的處理時(shí)間TSP是從前端輸出指定的脈沖描述字流開始，到產(chǎn)生對(duì)該輻射源分選和識(shí)別結(jié)果，并達(dá)到指定的分選和識(shí)別概率、參數(shù)估計(jì)精度所需要的時(shí)間。7/39對(duì)指定信號(hào)環(huán)境中各雷達(dá)信號(hào)的平均處理時(shí)間對(duì)指定的雷達(dá)輻射源信號(hào)環(huán)境中的N部雷達(dá)輻射源處理時(shí)間的加權(quán)平均：

信號(hào)處理時(shí)間要求：

ELINK：較長(zhǎng)或者非實(shí)時(shí)

ESM：實(shí)時(shí)處理，較短

RHAW：實(shí)時(shí)處理，最短

信號(hào)處理時(shí)間與信號(hào)分選、識(shí)別、參數(shù)估計(jì)精度、信號(hào)環(huán)境等因素有關(guān)。

8/394）可處理的信號(hào)流密度

可處理的信號(hào)流密度是指不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的條件下，單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)處理機(jī)允許前端輸入的最大脈沖描述字流的平均數(shù)max。

主要取決于信號(hào)環(huán)境中輻射源數(shù)量、偵察系統(tǒng)前端的檢測(cè)范圍、檢測(cè)能力以及每個(gè)輻射源的脈沖重復(fù)頻率、天線波束指向和掃描方式等。如：星載、機(jī)載的ELINK：

max＝幾百萬(wàn)個(gè)脈沖/秒機(jī)載的ESM、RHAW：

max＝幾十萬(wàn)個(gè)脈沖/秒地面、艦載偵察設(shè)備：

max＝幾萬(wàn)～幾十萬(wàn)個(gè)脈沖/秒9/393．信號(hào)處理的主要流程

信號(hào)處理包括預(yù)處理和主處理兩部分，如圖示:

10/39信號(hào)預(yù)處理11/3912/392）信號(hào)主處理13/3914/3915/394．2對(duì)雷達(dá)信號(hào)時(shí)域參數(shù)的測(cè)量脈沖到達(dá)時(shí)間（tTOA）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（AP）1、脈沖到達(dá)時(shí)間（tTOA）的測(cè)量為避免周期測(cè)量模糊，應(yīng)保證17/392、脈沖寬度（PW）的測(cè)量18/393、脈沖幅度（AP）的測(cè)量4.3雷達(dá)偵察信號(hào)的預(yù)處理4.3.1對(duì)已知雷達(dá)信號(hào)的預(yù)處理1、的生成要求：1）構(gòu)成的各維參數(shù)特征及參數(shù)的具體描述都必須與偵察接收機(jī)前端輸出的PDW參數(shù)特征及參數(shù)的具體描述保持一致。2）必須表現(xiàn)出已知雷達(dá)j在PDW的多維特征參數(shù)空間中詳細(xì)的、具體的性質(zhì)，以便于預(yù)處理能夠盡快、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)信號(hào)分選。生成原則：21/39選擇作為特征參數(shù)基的有：(1)，取決于雷達(dá)與偵察機(jī)之間的相對(duì)方位角(2)，取決于雷達(dá)的載頻變頻方式和變化能力(3)，在信號(hào)時(shí)域重合概率較低的場(chǎng)合適用(4)，脈內(nèi)調(diào)制特征主要指在單個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)的頻率、相位調(diào)制特征。不適合：：難于滿足實(shí)時(shí)性要求：平穩(wěn)性較差2、預(yù)處理的基本算法對(duì)已經(jīng)生成的，預(yù)處理的基本預(yù)分選算法：式中即4.3.2對(duì)未知信號(hào)的預(yù)處理

三參數(shù)：、、1、的生成原則除與的生成原則相同外，還應(yīng)滿足：完備性和正交性

以保證任意輸入的PDW，都必將被唯一地分選到一個(gè)中。(2)盡可能使同一部雷達(dá)、在同一種工作方式下的PDW在信號(hào)預(yù)分選后處于同一個(gè)分選子流中。24/392、常用的(1)矩形均勻分劃

優(yōu)點(diǎn)：預(yù)處理十分簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：沒(méi)有充分利用雷達(dá)信號(hào)參數(shù)非均勻分布的一般知識(shí)，顯然不是最合理的。(2)矩形非均勻分劃

工程中實(shí)際使用的非均勻分劃主要是按照原則和經(jīng)驗(yàn)制定的。3、預(yù)處理的基本算法式中是在的投影。由于滿足完備性和正交性，保證了剩余子流中的任意都將被唯一分選到某一分選數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。4．4對(duì)雷達(dá)信號(hào)的主處理4.4.1對(duì)已知雷達(dá)信號(hào)的主處理27/3928/394.4.2對(duì)未知雷達(dá)信號(hào)的主處理29/3930/394．5

雷達(dá)偵察信號(hào)的譜分析

信號(hào)譜分析在無(wú)線電偵察信號(hào)分析與處理中具有重要作用。它的主要任務(wù)是對(duì)所截獲的信號(hào)頻譜或功率譜進(jìn)行分析，以獲得無(wú)線電信號(hào)的譜結(jié)構(gòu)信息。這些關(guān)于信號(hào)譜結(jié)構(gòu)的信息，對(duì)無(wú)線電偵察中判定信號(hào)的調(diào)制種類、恢復(fù)譜對(duì)稱結(jié)構(gòu)帶通信號(hào)的載波，以及提取數(shù)字帶通調(diào)制信號(hào)的符號(hào)碼元調(diào)制速率(等于符號(hào)寬度的倒數(shù))等，都起著直接的支持作用。歸納起來(lái)，譜分析在無(wú)線電偵察中的直接用途主要是：(1)信號(hào)檢測(cè)；(2)信號(hào)調(diào)制種類識(shí)別；(3)信號(hào)帶寬估計(jì)；(4)已調(diào)信號(hào)的載波估計(jì)；(5)數(shù)字通信信號(hào)的符號(hào)調(diào)制速率估計(jì)。31/554.5.1功率譜估計(jì)概述32/5533/55英國(guó)的科學(xué)家牛頓最早給出了“譜”的概念1822年，法國(guó)工程師傅里葉提出了著名的傅里葉諧波分析理論。由于傅里葉系數(shù)的計(jì)算是一困難的工作，所以促使人們研制相應(yīng)的機(jī)器，如英國(guó)物理學(xué)家Thomson發(fā)明了第一個(gè)諧波分析儀用來(lái)計(jì)算傅里葉系數(shù)Ak，Bk。利用該機(jī)器畫出某一港灣一年的潮汐曲線約需4小時(shí)34/5519世紀(jì)末，Schuster提出用傅里葉系數(shù)的幅平方，即作為函數(shù)中功率的測(cè)量，并命名為“周期圖”（periodogram），這是經(jīng)典譜估計(jì)最早的提法，至今仍被沿用。只不過(guò)我們現(xiàn)在是通過(guò)FFT計(jì)算離散傅里葉變換，使等于該傅里葉變換的幅平方。Schuster鑒于周期圖的起伏劇烈，提出了“平均周期圖”的概念，并指出了在對(duì)有限長(zhǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算傅里葉系數(shù)時(shí)所存在的“邊瓣”問(wèn)題，這就是后來(lái)我們所熟知的窗函數(shù)的影響。35/55Schuster用周期圖計(jì)算太陽(yáng)黑子活動(dòng)的周期，以1749～1894年每月太陽(yáng)的黑子數(shù)為基本數(shù)據(jù)，得出黑子的活動(dòng)周期是11.125年，而天文文獻(xiàn)記載是11年。周期圖較差的方差性能促使人們研究另外的分析方法。Yule于1927年提出了用線性回歸方程來(lái)模擬一個(gè)時(shí)間序列，從而發(fā)現(xiàn)隱含在該時(shí)間序列中的周期性。36/55他猜想如果太陽(yáng)黑子的運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)周期分量，那么黑子數(shù)可用如下方程來(lái)產(chǎn)生，是存在于k時(shí)刻的很小的沖激序列。Yule的這一工作實(shí)際上成了現(xiàn)代譜估計(jì)中最重要的方法——參數(shù)模型法的基礎(chǔ)。Yule利用1749～1924年的年平均黑子數(shù)為數(shù)據(jù)，利用最小平方的方法估計(jì)出，估計(jì)出的黑子活動(dòng)周期為10.08年，然后對(duì)數(shù)據(jù)作移動(dòng)平均濾波，得到周期是11.43年。37/55Walker利用Yule的分析方法研究了衰減的正弦時(shí)間序列，并得出了在對(duì)最小二乘分析中常用的Yule－Walker方程。因此Yule，Walker是開拓自回歸模型的先鋒。Yule的工作使人們重新想起了早在1795年P(guān)rony提出的指數(shù)擬合法，使Prony方法形成了現(xiàn)代譜分析的又一重要內(nèi)容。38/551930年，著名的控制理論專家Wiener出版了他的經(jīng)典著作“GeneralizedHarmonicAnalysis”。在該書中首次精確的定義了一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的自相關(guān)函數(shù)及功率譜密度，并把譜分析建立在隨機(jī)過(guò)程統(tǒng)計(jì)特征的基礎(chǔ)上，即功率譜密度是隨機(jī)過(guò)程二階統(tǒng)計(jì)量自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。這就是Wiener－Khintchine定理。該定理把功率譜密度定義為頻率的連續(xù)函數(shù)，而不再是以前離散的諧波頻率的函數(shù)。39/551949年，Tukey根據(jù)Wiener－Khintchine定理提出了對(duì)有限長(zhǎng)數(shù)據(jù)作譜估計(jì)的自相關(guān)法，即利用有限長(zhǎng)的數(shù)據(jù)估計(jì)自相關(guān)函數(shù)，再用該自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換，從而得到譜的估計(jì)。Blackman和Tukey在1958年出版的有關(guān)經(jīng)典譜估計(jì)的專著中討論了自相關(guān)譜估計(jì)法，后人又把經(jīng)典譜估計(jì)的自相關(guān)法稱為BT（Blackman－Tukey）法。周期圖法和自相關(guān)法是經(jīng)典譜估計(jì)的兩個(gè)基本方法。人們把Wiener視為現(xiàn)代理論譜分析的先驅(qū)，把Tukey視為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)譜分析的先驅(qū)40/55Yule提出的自回歸方程和線性預(yù)測(cè)有密切的關(guān)系，Khintchine，Slutcky，Wold等人于1938年給出了線性預(yù)測(cè)理論的框架，并首次建立了自回歸模型參數(shù)與自相關(guān)函數(shù)關(guān)系的Yule－Walker方程。Bartlett于1948年首次提出了用自回歸模型系數(shù)來(lái)計(jì)算功率譜。自回歸模型和線性預(yù)測(cè)都用到了1911年提出的Toeplitz矩陣結(jié)構(gòu)，Levinson根據(jù)該矩陣的特點(diǎn)于1947年提出計(jì)算了Yule－Walker方程的快速計(jì)算方法，所有這些工作都為現(xiàn)代譜估計(jì)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。41/551965年，Cooley和Tukey的快速傅里葉變換問(wèn)世，這一算法的提出，也促進(jìn)了現(xiàn)代譜估計(jì)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)代譜估計(jì)的提出主要是針對(duì)經(jīng)典譜估計(jì)的分辨率低和方差性能不好的問(wèn)題。1967年Burg提出的最大熵譜估計(jì)，既是朝著高分辨率譜估計(jì)所作的最有意義的努力。雖然Bartlett在1948年，Parzem在1957年都曾建議利用自回歸模型作譜估計(jì)，但在Burg的論文發(fā)表前，都沒(méi)引起注意。42/55現(xiàn)代譜估計(jì)的內(nèi)容極其豐富，涉及的學(xué)科及應(yīng)用領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛，目前尚難對(duì)現(xiàn)代譜分析的方法作出準(zhǔn)確的分類。從現(xiàn)代譜分析的方法上，大致分為參數(shù)模型譜估計(jì)和非參數(shù)模型譜估計(jì)。前者有AR模型、MA模型、ARMA模型、PRONY指數(shù)模型等；后者有最小方差法，多分量的MUSIC方法等。43/55從信號(hào)的來(lái)源分，分為一維譜估計(jì)、二維譜估計(jì)及多通道譜估計(jì)；從所用的統(tǒng)計(jì)量分，目前大部分建立在二階矩（相關(guān)函數(shù)，方差，譜密度）基礎(chǔ)上，但由于功率譜密度是頻率的實(shí)函數(shù)，缺少相位信息，因此建立在高階矩基礎(chǔ)上的譜估計(jì)方法正引起人們的注意。從信號(hào)的特征來(lái)分，在此之前所說(shuō)的方法都是對(duì)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)而言，其譜分量不隨時(shí)間變化，對(duì)非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，其譜是時(shí)變的，近十多年，以Wigner分布代表的時(shí)－頻分析引起了人們的廣泛興趣，形成了現(xiàn)代譜估計(jì)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。44/394.5.2雷達(dá)偵察信號(hào)的經(jīng)典譜分析

1、直接法

直接法又稱周期圖法，它是把隨機(jī)信號(hào)的N個(gè)觀察點(diǎn)數(shù)據(jù)視為一能量有限信號(hào)，直接取的傅里葉變換，然后再取其幅值的平方，并除以N，作為對(duì)真實(shí)的功率譜的估計(jì)。

45/552、間接法又稱為自相關(guān)法或BT法。此方法的理論基礎(chǔ)是維納－辛欽定理。1958年Blackman和Tukey給出了這一方法的具體實(shí)現(xiàn)，即先由估計(jì)出自相關(guān)函數(shù)，然后對(duì)求傅里葉變換，得到的功率譜，即46/553、直接法與間接法的關(guān)系

47/554、直接法的改進(jìn)方法

Bartlett法、Nuttall法、Welch法48/55總結(jié)：1．經(jīng)典譜估計(jì)（直接法，間接法），都可用FFT快速計(jì)算，且物理概念明確，仍是目前較常用的譜估計(jì)方法；2．譜的分辨率較低，正比于，N為所用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；3．由于不可避免的窗函數(shù)的影響，使其真正譜在窗口主瓣內(nèi)的功率向邊瓣部分“泄漏”，降低了分辨率。較大的邊瓣可能掩蓋中較弱的成分，或是產(chǎn)生假的峰值。當(dāng)分析的數(shù)據(jù)較短時(shí)，這些影響更為突出；4．方差性能不好，不是真實(shí)功率譜的一致估計(jì)，且N增大時(shí)譜曲線起伏加??；5．周期圖的平滑和平均是和窗函數(shù)的使用緊緊相關(guān)聯(lián)的。平滑和平均主要是用來(lái)改善周期圖的方差性能，但往往又減小了分辨率和增大了的偏差。沒(méi)有一個(gè)窗函數(shù)能使估計(jì)的譜在方差、偏差和分辨率各方面都得到改善。因此，使用窗函數(shù)只是改進(jìn)估計(jì)質(zhì)量的一個(gè)技