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1、第4章 雷达侦察的信号处理,4.1 概述 4.2 对雷达信号时域参数的测量 4.3 雷达侦察信号的预处理 4.4 对雷达信号的主处理 4.5 数字接收机与数字信号处理,4.1 概 述,雷达侦察系统是一种利用无源接收和信号处理技术,对雷达辐射源信号环境进行检测和识别、对雷达信号和工作参数进行测量和分析,从中得到有用信息的设备。实现对雷达辐射源信号环境进行侦察的典型过程如下:,(1)由雷达侦察系统的侦察天线接收其所在空间的射频信号,并将信号馈至射频信号实时检测和参数测量电路。由于大部分雷达信号都是脉冲信号,所以典型的射频信号检测和测量电路的输出是对每一个射频脉冲以指定长度(定长)、指定格式(定格)
2、、指定位含义(定位)的数字形式的信号参数描述字,通常称为脉冲描述字PDW(Pulse Discreption Word)。从雷达侦察系统的侦察天线至射频信号实时检测和参数测量电路的输出端,通常称为雷达侦察系统的前端。,(2)将雷达侦察系统前端的输出送给侦察系统的信号处理设备,由信号处理设备根据不同的雷达和雷达信号特征,对输入的实时PDW信号流进行辐射源分选、参数估计、辐射源识别、威胁程度判别和作战态势判别等。信号处理设备的输出结果一般是约定格式的数据文件,同时供给雷达侦察系统中的显示、存储、记录设备和有关的其它设备。从雷达侦察系统的信号处理设备至显示、存储、记录设备等,通常称为雷达侦察系统的后
3、端。,随着高速数字电路和数字信号处理(DSP)技术的发展,已经能够将宽带信号直接进行A/D变换、保存和处理(数字接收机),使传统的测向、测频技术等与数字信号处理技术紧密地结合到了一起,不仅改善了当前系统的性能,并且具有良好的发展前景。 本章在讨论前端对脉冲信号到达时间(tTOA)、脉宽(PW)和幅度(AP)检测与测量的基础上,着重讨论雷达侦察系统中的后端对PDW信号流的信号处理过程、原理和方法,最后简要讨论与数字接收机技术有关的数字信号处理技术。,4.1.1 信号处理的任务和主要技术要求 雷达侦察系统中信号处理设备的主要任务是:对前端输出的实时脉冲信号描述字流PDWii=0进行信号分选、参数估
4、计、辐射源识别,并将对各辐射源检测、测量和识别的结果提供给侦察系统中的显示、存储、记录和其它有关设备。 雷达侦察系统前端输出的PDWii=0的具体内容和数据格式取决于侦察系统前端的组成和性能。在典型的侦察系统中，,(41),式中,AOA为脉冲的到达方位角,fRF为脉冲的载波频率;tTOA为脉冲前沿的到达时间;PW为脉冲宽度,AP为脉冲幅度或脉冲功率;F为脉内调制特征;i是按照时间顺序检测到的射频脉冲的序号。,对信号处理设备的主要技术要求有: 1.可分选、识别的雷达辐射源类型和可信度 雷达辐射源的类型一般分为信号类型和工作类型。信号类型是按照雷达发射信号的调制形式进行分类的,各种典型的雷达信号调
5、制形式如图41所示。工作类型是指雷达的功能、用途、工作体制和工作状态等。雷达侦察系统所能够分选、识别的雷达辐射源类型主要取决于侦察系统的功能和用途。通常,电子情报侦察系统(ELINT)可分选、识别的雷达辐射源类型较多,以便广泛掌握各种雷达的作战信息;,电子支援侦察系统(ESM)可分选、识别的雷达辐射源类型主要是当前战场上对我方具有一定威胁的敌方雷达;雷达寻的和告警系统(RHAW)可分选、识别的雷达辐射源类型主要是对我形成直接威胁的火控、近炸、制导和末制导雷达。 可信度是考核信号处理设备分选、识别结果的质量指标。,图41 各种典型的雷达信号调制形式分类,2.可测量和估计的辐射源参数、参数范围和估
6、计精度 雷达侦察系统可测量和估计的辐射源参数包括由分选后的脉冲描述字PDW中直接统计测量和估计的辐射源参数,对PDW序列进行各种相关处理后统计测量和估计的辐射源参数。这些参数的种类、范围和精度是与雷达侦察系统的任务、用途密切相关的。典型雷达侦察系统可测量和估计的辐射源参数、参数范围和估计精度如表41所示。,表41 典型雷达侦察系统可测量和估计的辐射 源参数、参数范围和估计精度,3.信号处理的时间 雷达侦察系统信号处理的时间分为:对指定雷达辐射源的信号处理时间Tsp和对指定雷达辐射源信号环境中各雷达辐射源信号的平均处理时间 。 Tsp是指从侦察系统前端输出指定雷达辐射源的脉冲描述字流PDWii=
7、0,到产生对该辐射源分选、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。,是对指定雷达辐射源信号环境中N部雷达辐射源处理时间的加权平均值,其中加权系数Wi可根据各辐射源对雷达侦察系统的重要程度分别确定。,(42),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,以后再作非实时的信号处理;ESM系统往往需要介入战场的作战指挥、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。RHAW系统必须对各种直接威胁作出立即的反应,其信号处理的时间更短。,雷达侦
8、察系统的信号处理时间主要是对辐射源信号分选、识别和参数估计的处理时间。显然,其可分选和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,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,先验信息和先验知识越多,它们的可信度越高,则处理时间就越短。 侦察系统实际所能够达到的信号处理时间除了其本身的能力之外,也取决于其所在的雷达辐射源信号环境,辐射源越多,信号越复杂,相应的信号处理时间也越长。,4.可处理的输入信号流密度 可处理的输入信号流密度是指在不发生PDW数据丢失的条件下,单位时间内信号处理机允许前端最大可输入的PDW
9、ii=0平均数max。雷达侦察机前端输出的信号流密度主要取决于信号环境中辐射源的数量,侦察系统前端的检测范围、检测能力以及每个辐射源的脉冲重复频率、天线波束的指向和扫描方式等。通常,星载、机载的ELINT系统,所要求的max可达数百万个脉冲/秒,机载ESM、RHAW系统的max为数十万个脉冲/秒,地面或舰载侦察设备的max为数万至数十万个脉冲/秒。,4.1.2 信号处理的基本流程和工作原理 雷达侦察系统信号处理的基本流程如图42所示,其中各部分的基本工作原理如下。 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主要特征和未知雷达辐射源的先验知识,完成对实时输入PDWii=0的预分选
10、。预处理的过程是:首先将实时输入的PDWii=0与已知的m个雷达信号特征(已知雷达的数据库)Cjmj=1进行快速匹配,从中分离出符合Cjmj=1特征的已知雷达信号子流PDWi,jmj=1,分别放置于m个已知雷达的数据缓存区,由主处理单元按照对已知雷达信号的处理方法作进一步的分选、识别和参数估计;然后再根据已知的一般雷达信号特征的先验知识Dknk=1,对剩余部分 再进行预分选,并由Dknk=1的预分选产生n个未知雷达信号的子流PDWi,knk=1,另外放置于n个未知雷达的数据缓存区,由主处理单元按照对未知雷达信号的处理方法进行辐射源检测、识别和参数估值。预处理的速度应与PDWini=0的流密度相
11、匹配,以求尽量不发生PDWii=0流的数据丢失。,图42 侦察信号处理的基本流程,2. 信号主处理 信号主处理的任务是对输入的两类预分选子流PDWi,jmj=1和PDWi,knk=1作进一步的分选、识别和参数估计。其中对已知雷达辐射源子流PDWi,jmj=1的处理是根据已知雷达信号序列PDWi,jmj=1的相关性,对PDWi,jmj=1进行数据的相关分选,并对相关分选后的结果进行已知辐射源的检测(判定该已知辐射源是否存在),再对检测出的雷达信号进行各种参数的统计估值。一般情况下,在对PDWi,jmj=1进行主处理的过程中,被主处理分选滤除出来的数据,将依照对未知辐射源Dknk=1的预分选方法补
12、到对应的PDWi,knk=1中。,对未知雷达辐射源子流PDWi,knk=1的处理主要是根据对一般雷达信号特征的先验知识,检验PDWi,knk=1中的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、判决结果的可信度,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值。无论是已知还是未知的雷达信号,只要检验的结果达到一定可信度,都可以将其实际检测、估计的信号特征修改、补充到Cjmj=1、Dknk=1中,使Cjmj=1、Dknk=1能够自动地适应于实际面临的信号环境。,其中识别出原来的未知雷达信号,将其特征补充到已知雷达信号Cjmj=1中尤为重要,它不仅提高了整
13、个信号处理的速度、质量,也可以获得更大的信息量和宝贵的作战情报。 信号处理的时间紧,任务重,要求高,所以现代的侦察信号处理机往往是一个多处理机系统,采用高速信号处理软件和开发工具编程,并可通过多种人机界面交互各种运行数据和程序信息,接受人工控制和处理过程的人工干预。信号主处理的输出是表现对当前雷达信号环境中各已知和未知雷达辐射源的检测、识别结果、可信度与各项参数估计的数据文件。,4.2 对雷达信号时域参数的测量,对雷达射频脉冲到达方位角(AOA)和载波频率(fRF)的检测、测量分别由雷达侦察系统的测向天线、测向接收机和测频天线、测频接收机完成。雷达射频脉冲的时域参数主要是指脉冲的到达时间(tT
14、OA) ,脉冲宽度(PW)和脉冲幅度(AP)。在具有脉内调制分析处理能力的侦察系统中,还可测量脉内调制特征(F)。,4.2.1 tTOA的测量 雷达侦察系统中对tTOA的测量原理如图43所示,其中输入信号si(t)经包络检波、视频放大后为sv(t),将sv(t)与检测门限UT进行比较,当sv(t)UT时,从时间计数器中读取当前的时间t进入锁存器,产生本次tTOA的测量值。实际的时间计数器往往采用N位二进制计数器级联,经时间锁存的tTOA输出值为,(43),图 43,式中,Dmod(T,t,t)为求模、量化函数;t为时间计数器的计数脉冲周期;T=t2N为时间计数器的最大无模糊计数范围;t为sv(
15、t)发生过门限的时间。,(44),函数INT(x)为求取实变量x的整数值。由于时间计数器的位数有限,为了防止对长脉冲重复周期的雷达辐射源信号产生周期测量模糊,一般应保证: TTrmax (45) 其中,Trmax为雷达侦察系统最大无模糊可测的雷达脉冲重复周期。t取决于tTOA测量的量化误差和时间分辨力,减小t可降低量化误差,提高时间分辨力,但对于相同的T,减小t意味着提高计数器级数N,加大tTOA测量的字长,增加信号处理时数据存储和计算的负担。,sv(t)信号脉冲前沿的陡峭程度也将影响tTOA测量的准确性,而脉冲前沿既取决于输入信号si(t)本身,也取决于侦察接收机的信道带宽Bv。通常在脉冲时
16、域参数测量电路中,按照侦察系统的最小可检测脉宽 来设置Bv:,(46),tTOA的检测和测量还将受到系统中噪声的影响,特别是在脉冲前沿较平缓、信噪比较低时,系统噪声不仅影响侦察系统的检测概率和虚警概率,还将引起门限检测时间t的随机抖动t,如图44所示,t的均方根值:,(47),图44 接收机噪声对tTOA测量的影响,式中trs为检测脉冲的前沿时间,S/N为sv(t)的信噪比。由于大部分侦察系统接收的是雷达天线主瓣辐射的信号,能量比较强,所以适当地提高检测门限UT,保证大信噪比工作,不仅可以降低检测的虚警概率Pfa,也有利于提高tTOA测量的准确性。 如果在输入信号si(t)中同时存在两个信号si1(t)、si2(t),则由于信号的交调,将使合成信号si(t)的包络呈现较复杂的起伏: |si(t)
