STFT数字信道化的雷达脉冲参数测量改进算法*

丁世谱，夏厚培

(1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2.中国船舶重工集团 第七二四研究所，江苏 南京 211106)

STFT数字信道化的雷达脉冲参数测量改进算法*

丁世谱1，夏厚培2

(1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2.中国船舶重工集团 第七二四研究所，江苏 南京 211106)

数字信道化技术是现代雷达侦测系统的重要组成部分，短时傅里叶变换(STFT)算法是实现数字信道化常用的一种算法。该算法所构建的数字滤波器组具有滤波特性一致、运算量少的优点，通过测量滤波器组的输出可以确定输入脉冲信号的参数，然而该算法对于接收机截取的脉冲信号与实际脉冲信号不匹配所测量的参数误差较大。为改善参数测量精度，提出了一种基于STFT信道化的雷达脉冲参数测量的改进算法，该方法在信道化基础上引进Haar小波变换对脉冲到达时间精确提取，通过相关累加对脉冲信号幅度精确测量。通过仿真分析验证了算法的有效性。

数字信道化；短时傅里叶变换；数字滤波器组；脉冲参数测量；Haar小波变换；相关累加

0 引言

在数字化接收机[1]的设计中，信道化处理[2-4]是最重要的环节之一。常见的信道化技术有：多相滤波信道化技术[5-7]，短时傅里叶变换信道化技术[8-9]，基于短时傅里叶变换(STFT)对脉冲参数测量算法简单、易于实现、运算量少，但是由于接收机所截取的信号与实际脉冲信号出现时间不匹配等问题会对脉冲参数测量的精度有很大影响。

对于脉冲参数测量的精度问题，许多学者进行了研究。文献[10]设计了一种宽带数字接收机，应用改进的测量算法，脉冲参数的精度可以得到显著的提高，但该方法对于同时到达的多信号处理存在很大问题。文献[11]对信号做快速傅里叶变换处理，分析信号的频域参数，通过信号分离、滤波提取脉冲信号后，再利用逆快速傅里叶变换处理将信号频谱变换回时域，以进行精确的时域参数测量，但该方法运算量大，系统庞大而复杂。文献[12]提出了用2次快速傅里叶变换来精确的提取脉冲到达时间，该方法在低信噪比时其估计性能不佳。针对以上问题展开研究，本文借助文献[13]中对到达时间精确测量的思想对STFT算法进行改进，改进后的算法能够精准确定信号到达时间，运用相关累加算法[14]提高幅度测量精度，使得脉冲参数测量精度更高。仿真实验验证了算法的有效性[15]。

1 STFT数字信道化脉冲参数测量原理

图1为STFT数字信道化滤波器组的工作原理图。

图1 STFT数字信道化滤波器组Fig.1 STFT digital channelization filter banks

N点短时离散傅里叶变换滤波器组输出：

(1)

式中：k=0，1，…，N-1；i为时刻点；k为信道号；M为STFT滑动点数；w(n)为窗函数，其宽度为N。

门限检测：

(2)

(3)

式(3)中：Pn(i，k)为各子信道无信号时的输出功率，即噪声功率；Pfa为恒虚警率。

参数测量：

(4)

(5)

(6)

2 改进的STFT算法

在数字接收机中，由于辐射源信号到达时间、脉宽的随机性，会出现接收机所截取的信号与实际信号在时域上不匹配的现象，而导致在某一时间窗里面取的大部分是噪声，只有少部分是信号，由于频域检测具有抑制宽谱噪声，提高检测信噪比的优点，故很少信号也能检测出来，从而使信号到达时间测量的不准确，并且会影响后续脉冲幅度的测量精度。为解决这些问题，本文将Haar小波变换、插值运算和相关累加运用到STFT数字信道化中，得到一种改进的算法。图2为改进STFT算法的流程图。

2.1 载频估计

(7)

2.2 TOA精确测量

(8)

然后与这一时间段内的信号进行相乘，得到基带信号z(n)，对基带信号作离散小波变换：

(9)

分析信号在跳变点附近的小波变换模的变化规律，在n0+a/2≤n≤n0+M-a/2这一时间内有

(10)

2.3 幅度精准测量

将精准定位后的信号变换到基带后，对其进行相关累加取模值，并对模值进行最小二乘线性回归，将回归参数中的斜率值做为脉冲信号幅度测量的精确值。

3 仿真与结果分析

3.1 小波变换模

假设输入脉冲信号到达时间为10μs，脉冲宽度为10μs，信噪比为6dB，信号幅度为10dBm，脉内信号载频为100MHz的正弦信号，采样率为250MHz。STFT点数N=1 024点，滑动点数M=N/2=512点。

门限设置：假设发现概率为0.9，恒虚警率为10-6，统计各个子信道无信号时的噪声功率，根据公式(3)计算出频域检测门限。

信号时域参数测量：随着窗口的移动，每隔N/2点做一次FFT，图3给出第1～12次FFT滤波器输出的频谱图。

由图3可知：第4次FFT滤波器的输出超过了门限，故而信号到达了，TOA=6.14μs，到了第11次FFT滤波器信号终止了，其终止时间为20.48μs，所以PW=14.34μs。每次FFT将采样频带fs分为N个信道，寻找峰值谱线幅度位置为411信道，则f0=100.34MHz，根据公式(6)可以计算出PA=1.66mV。

分析：由于接收机所截取的信号与实际信号不匹配，使得第4次FFT时，实际取得信号很少，而噪声偏多，故求得的TOA偏小，PW偏大，后面求得的幅度也就偏小。

改进的算法：寻找峰值谱线与相邻次大谱线的幅度值位置分别为411和400信道，根据式(7)计算载频为f0=100.22MHz。由原STFT算法求得的到达时间和脉宽重新选取信号，并依照式(8)构造参考信号，将2个信号相乘变换至基带，选择合适的尺度对基带信号z(n)作Haar小波变换，并计算在该尺度下的小波变换模。图4给出对基带信号z(n)做Haar小波变换的模值波形。

从图4很明显地可以看出信号的到达时间为10.12μs、脉宽为10.07μs；依据相关累积算法求得

的精确幅度为PA=3.21 mV。

图4 基带信号小波变换模值波形Fig.4 Baseband signal wavelet transform modulus waveform

3.2 2个信号输入

假设输入信号为时域重叠但频域不重叠的2个单频脉冲信号，2个信号的脉冲到达时间分别为10 μs和12 μs，脉冲宽度分别为10 μs和6 μs，脉冲幅度均为10 dBm，信噪比均为6 dB。2个信号的载频分别为100 MHz和120 MHz，采样率为300 MHz。STFT点数N=1 226点，滑动点数M=N/2=613点。发现概率和恒虚警率与前文设计的一样，检测门限由式(3)求出。图5给出了第1～12次FFT滤波器输出的频谱图。

从图5以及式(7)很容易地求出2个信号的载频fRF1=100.22 MHz，fRF2=120.24 MHz，然后根据改进的算法求得2个信号的小波变换的模值波形图分别为图6和图7。

图6为载频为100 MHz的小波变换图，可以看出信号到达时间为9.96 μs、脉宽为10.16 μs，图7为载频为120 MHz的小波变换图，可以大约估计信号到达时间为11.91 μs、脉宽为5.94 μs，由相关累加可以计算出2个信号的幅度分别为3.16 mV，2.89 mV。

图5 第1～12次FFT滤波器输出的频谱图Fig.5 Spectrogram of the FFT filter output 1～12

图6 100 MHz小波变换模值波形Fig.6 100 MHz wavelet transform modulus waveform

图7 120 MHz小波变换模值波形Fig.7 120 MHz wavelet transform modulus waveform

4 结束语

本文对基于STFT数字信道化的雷达脉冲参数测量的算法上进行了改进，首先分析了对于不知道信号何时出现以及作FFT的点数给测量带来的误差，然后结合相关算法对脉冲的起、止时间及载频进行修正，最后求出各个参数的精确值。经过仿真结果分析，可以看到改进的算法比原算法测量的精度大大提高了，甚至在低信噪比情况下都能很准确的测出脉冲的各个参数，但由于该算法运算量较大，需要对算法进一步优化提高处理速度，是本文下一步工作的主要研究内容。

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Improved Algorithm of Radar Pulse Parameter Measurement Based on STFT-Digital Channelization

DING Shi-pu1，XIA Hou-pei2

(1.Nanjing University of Information Science & Technology，College of Electrics and Information Engineering，Jiangsu Nanjing 210044，China；2.No.724 Research Institute of CSIC，Jiangsu Nanjing 211106，China)

Digital channelization technology is an important part of modern radar detection system, short-time Fourier transform(STFT) algorithm is used for digital channelization. The digital filter banks constructed by this algorithm are characterized by the same filter characteristics and less computation. The parameters of the input pulse signal can be determined by measuring the output of the filter bank, however, the parameter error of the algorithm between the receiver intercept pulse signal and the actual pulse signal is large. To improve the parameter measuring accuracy, an improved algorithm based on STFT channelization of the radar pulse parameter measurement is proposed. In this method, the Haar wavelet transform is used to extract the pulse arrival time accurately, and an accurate measurement of pulse signal amplitude is made by correlation accumulation. The validity of the algorithm is verified by simulation analysis.

digital channelization；short-time Fourier transform(STFT)；digital filter banks；pulse parameter measurement；Haar wavelet transform；correlation accumlation

2016-07-19；

2016-09-03

丁世谱(1992-)，男，湖北嘉鱼人。硕士生，主要研究方向为雷达信号处理。

通信地址：211106 江苏省南京市江宁区水阁路长青街30号 E-mail：592008387@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.022

TN959.6；TP301.6；TP391.9

A

1009-086X(2017)-03-0133-06