基于多相濾波結(jié)構(gòu)的雷達(dá)信號檢測技術(shù) - 全文

　　在電子戰(zhàn)環(huán)境中，信號一般都具有復(fù)雜化、密集化的特點(diǎn)，占用的頻譜越來越寬，從而對雷達(dá)信號的檢測技術(shù)也提出了更高的要求。信道化接收技術(shù)是解決寬帶信號檢測等問題的一種有效方式。信道化接收機(jī)因其具備較大的瞬時(shí)帶寬、能夠檢測和處理同時(shí)到達(dá)的信號、具有準(zhǔn)確的參數(shù)測量能力和一定的信號識別能力等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

　　1 基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化

　　基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)數(shù)學(xué)模型如圖1所示。信號x(n)通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)將原信號分到每個(gè)信道上，相當(dāng)于按因子D進(jìn)行下采樣，經(jīng)過每一路的子濾波器濾波后，通過一個(gè)D點(diǎn)的DFT，使不同頻率的信號在不同的頻帶輸出。

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　　其中，hk(m)是由高階的低通濾波器原型h(n)分解得到;h(n)按照每個(gè)信道的帶寬來設(shè)計(jì)，h(n)與hk(n)滿足關(guān)系hk(n)=h(k+nD)，k=0，1，…，D-1。實(shí)際中常選擇D為2的N次冪，以便用FFT算法代替DFT。

　　設(shè)信道數(shù)為D，原型低通濾波器階數(shù)為N，當(dāng)每個(gè)信道都輸出一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)所需的乘法運(yùn)算量為

　　S=D×(N/D)+(D/2)×log2D (1)

　　經(jīng)運(yùn)算可知，此類接收機(jī)的運(yùn)算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的效率。

　　2 多相濾波結(jié)構(gòu)的雷達(dá)信號檢測技術(shù)

　　隨著信號產(chǎn)生和處理技術(shù)的發(fā)展，一部雷達(dá)往往能根據(jù)需要產(chǎn)生多種不同樣式的波形，而且現(xiàn)代雷達(dá)信號環(huán)境日益復(fù)雜，信號形式多變，在同一時(shí)間可能有多個(gè)信號同時(shí)出現(xiàn)。利用多相濾波信道化的方法，將時(shí)域重疊但頻域不重疊的信號劃分到各個(gè)子信道上，可以實(shí)現(xiàn)對此類信號的檢測。信道劃分形式的示意圖如圖2所示。

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　　由圖2可以看出，信道交疊處設(shè)計(jì)有特定的信道阻帶衰減帶，相鄰?fù)ǖ辣仨氂幸粋€(gè)重疊區(qū)域，這可以通過設(shè)置濾波器的帶寬和過渡帶來實(shí)現(xiàn)。但這種設(shè)計(jì)方法會導(dǎo)致一個(gè)窄帶信號的輸出跨越一個(gè)或多個(gè)輸出通道，這種情況在分析任意帶寬和任意中心頻率譜時(shí)經(jīng)常發(fā)生，因此必須采用一定的判定方法對信號進(jìn)行檢測。

　　對于同時(shí)在信道中出現(xiàn)的信號，說明信號的到達(dá)時(shí)間相同，這可能是幾個(gè)同時(shí)到達(dá)的獨(dú)立信號，也可能是一個(gè)窄帶信號在兩個(gè)信道同時(shí)有輸出。若信號均在不相鄰的信道出現(xiàn)，則認(rèn)為是同時(shí)到達(dá)的幾個(gè)獨(dú)立信號;若信號在相鄰兩個(gè)信道出現(xiàn)，則認(rèn)為是一個(gè)窄帶信號在相鄰兩個(gè)信道同時(shí)有輸出。對于這種信號的判別方法有兩種：當(dāng)相鄰兩個(gè)信道的信號幅值大小相差很遠(yuǎn)時(shí)，則將幅值大的信號輸出信道作為真實(shí)信號所在的信道;當(dāng)相鄰兩個(gè)信道的信號幅值大小相近時(shí)，可以采用兩個(gè)信道中心頻率取平均的方法，即取兩個(gè)信道中心頻率之和的1/2，此時(shí)的測頻誤差為信道帶寬的1/2，只要誤差在允許范圍內(nèi)，這種方法是具有可行性的。

　　對于不同時(shí)在信道中出現(xiàn)的信號，說明信號的到達(dá)時(shí)間不同，這可能是幾個(gè)獨(dú)立的信號，也可能是一個(gè)跨越幾個(gè)信道的寬帶線性調(diào)頻信號。若為單個(gè)寬帶線性調(diào)頻信號，設(shè)其初始頻率為f0;調(diào)頻斜率為μ;t0時(shí)刻到達(dá)，每個(gè)子信道帶寬為B;第i個(gè)信道的中心頻率為fi，則這個(gè)信號在第i個(gè)信道的結(jié)束時(shí)間為

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　　因?yàn)閒i+1-fi=B，所以在理想情況，即濾波器為理想濾波器的情況下，有ton=toff，也就是說寬帶線性調(diào)頻信號會按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在各子信道。但一般情況下濾波器不是理想的矩形，而會有一個(gè)過渡帶，過渡帶的大小與濾波器的具體設(shè)計(jì)有關(guān)，在此設(shè)為△B。由于過渡帶的影響，使得信號不會嚴(yán)格的按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在各子信道，子信道內(nèi)出現(xiàn)的信號時(shí)域會有重疊部分，重疊時(shí)間△t≈△B/μ，所以若滿足|ton-toff|<△t，則可認(rèn)為是按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在每個(gè)信道的。

　　由以上分析可知，若要判斷信號為單個(gè)寬帶線性調(diào)頻信號需要滿足兩個(gè)條件：一是信號應(yīng)按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在各相鄰子信道;二是要滿足各子信道的幅值相近。若到達(dá)時(shí)間不連續(xù)或幅值有明顯差異，均認(rèn)為是兩個(gè)獨(dú)立的信號。

　　3 多相濾波結(jié)構(gòu)雷達(dá)信號檢測仿真

　　仿真中采樣率設(shè)為200 MHz，信道數(shù)為16，有效信號頻率范圍為-100～100 MHz，所以每個(gè)通道的帶寬為12.5 MHz。注意到相鄰兩個(gè)信道間會有一定的交疊，這樣設(shè)計(jì)可以保證不會丟失頻點(diǎn)，但同時(shí)也會對信號的檢測產(chǎn)生一定的影響。

　　圖3給出了多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)正頻域8通道的時(shí)域包絡(luò)，相應(yīng)的圖4是各通道的頻譜分析。

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　　圖3中的包絡(luò)并非是原始包絡(luò)，因?yàn)榇诵盘柕念l域占3個(gè)輸出通道，輸出時(shí)按時(shí)間先后順序輸出，先輸出通道3，再輸出通道4，最后輸出通道5的包絡(luò)。相應(yīng)的輸出頻譜也占據(jù)了3個(gè)通道，每個(gè)通道的通帶寬度為12.5 MHz，從圖4中可以看出，信號頻域輸出與輸入信號的參數(shù)設(shè)置是一致的。圖3和圖4是理想情況下的信號檢測結(jié)果，信號沒有處于信道交疊的過渡帶。

　　選取窄帶信號起始頻率為33.5 MHz，帶寬100 kHz，信號的時(shí)域包絡(luò)如圖5所示。這時(shí)在第3、4通道內(nèi)均有信號輸出，但信道4內(nèi)的信號幅度明顯大于信道3內(nèi)的幅度，此時(shí)認(rèn)為信號所在真實(shí)通道為信道4。

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　　若在相鄰兩個(gè)信道出現(xiàn)的信號幅值相近，設(shè)所加信號起始頻率為31.5 MHz，帶寬100 kHz，信號的時(shí)域包絡(luò)如圖6所示。此時(shí)在3、4通道內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)幅值相近的信號，無法采用上面的方法確定信號實(shí)際所在的通道，此時(shí)可采用兩信道中心頻率取平均的方法認(rèn)為測得信號的頻率約為31.25 MHz，測頻誤差為0.25 MHz。采用這種方式對頻率進(jìn)行估計(jì)不可避免會產(chǎn)生一定的測頻誤差，但也具有一定的可行性。

　　當(dāng)信號形式為單個(gè)寬帶線性調(diào)頻信號時(shí)，信號帶寬大于單個(gè)子信道的帶寬，理想情況下，信號會按時(shí)間順序依次出現(xiàn)在每一個(gè)子信道內(nèi)?？紤]到實(shí)際濾波器中的過渡帶，各子信道內(nèi)出現(xiàn)的信號時(shí)域上會有重疊，重疊部分大小取決于濾波器過渡帶的設(shè)計(jì)。線性調(diào)頻信號在信道中出現(xiàn)的形式如圖3和圖4所示。需要注意的是，只有在各個(gè)子通道內(nèi)的信號幅值相近且按時(shí)間順序依次出現(xiàn)時(shí)的信號才認(rèn)為是線性調(diào)頻信號。

　　若信號只是按時(shí)間順序依次出現(xiàn)但幅值相差較大，則認(rèn)為是按時(shí)間先后順序到達(dá)的兩個(gè)信號。如圖7所示，信號在2、3、4這3個(gè)信道均有輸出，前兩個(gè)信道幅值相同且時(shí)間上連續(xù)，4信道信號雖然出現(xiàn)在3信道之后，但幅值明顯大于前兩個(gè)信道出現(xiàn)的信號，此時(shí)認(rèn)為2、3信道的信號是一個(gè)跨兩通道的線性調(diào)頻信號，而4通道是另一個(gè)線性調(diào)頻信號。

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　　若信號幅值相近但時(shí)間上不連續(xù)，則也認(rèn)為是在不同時(shí)間出現(xiàn)的兩個(gè)相同強(qiáng)度的信號。如圖8所示，信號在2、3、4這3個(gè)信道均有輸出且幅值相近。前兩個(gè)信道在時(shí)間上連續(xù)，4信道信號雖然幅值和2、3信道相同，但出現(xiàn)時(shí)間不連續(xù)，此時(shí)認(rèn)為2、3信道的信號是一個(gè)跨兩通道的線性調(diào)頻信號，而4信道是另一個(gè)時(shí)間到達(dá)的線性調(diào)頻信號。

　　4 結(jié)束語

　　由以上研究與分析可以得出，采用多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化對進(jìn)行信號類型進(jìn)行檢測是快速且有效的，雖然信道交疊部分會對信號的時(shí)頻參數(shù)測量產(chǎn)生一定的影響，但如果按照上文所述的準(zhǔn)則進(jìn)行判定，基本可以滿足對雷達(dá)信號的儉測要求。文中所研究的基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化接收機(jī)的信號檢測方法具有運(yùn)算量小、便于系統(tǒng)硬件的實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)現(xiàn)上具有一定的意義。