一种外雷达源探测的时序恢复方法研究

但晓东

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

0 引 言

近年来,关于外辐射源探测系统的辐射源研究热点由民用信号逐步转向雷达信号。相比以调频广播为代表的民用信号,雷达信号作为外部辐射源具备以下探测优势[1]:

(1)信号发射功率高,具备更远的探测能力。调频广播信号发射功率一般在3 kW,数字电视信号功率一般在1 kW,两者对目标探测主要通过长时间积累来获取得益,但雷达信号的功率一般在百千瓦量级,高发射功率代表更远的探测能力。

(2)定制化的信号形式,更适用于雷达探测。调频广播、数字电视主要用于通过无线方式传递信息,其信号调制方式主要考虑信息传输,而非雷达探测。雷达信号经过专门设计,比如较为常见的线性调频信号,在获取高距离分辨率和多普勒分辨率方面具有独特优势,更适用于目标探测。

雷达信号虽然具有一定的优势,但在实际使用时也面临较为尖锐的问题,比如接收站接收到的雷达信号无发射时序信息,导致无法对回波数据进行分段相参处理及测距。鉴于此,本文提出一种利用回波数据研究恢复雷达时序的方法,以便实现对雷达资源的利用。

1 外雷达源探测时序恢复方法设计

1.1 外雷达源系统概念

如图1所示,外辐射源探测系统一般构型为TNR系统[2],其发射站可能有多个,具体根据同时利用频点数、辐射源种类数的不同而定。

图1 外辐射源探测系统

以民用信号为辐射源的探测系统[3],其接收站一般由两组天线构成:一组为阵面天线,负责接收目标反射的回波信号;另一组为直达波天线,用于接收直达波信号。直达波信号的用处如下:一是用于对阵面接收的回波信号进行直达波消除;二是作为“脉压”处理的时序基准,标定探测的“零距离单元”。

以雷达信号作为辐射源的探测系统与以民用信号作为辐射源的探测系统构成相似,区别在于信号处理方面。相较于民用信号的连续波形式,雷达信号一般为脉冲信号,在做外源信号处理时,其时序由发射端唯一确定,无法通过直达波信号标定“零距离单元”。

外雷达源探测系统的常规处理流程:首先利用获取的直达波恢复时序,然后将回波信号按照恢复出的时序提取数据,最后按照波位、脉组的信息进行匹配处理。

1.2 时序恢复方法

本文的时序恢复方法可分为两步:先通过直达波参数测量,获取每个脉冲的到达时间及结束时间,从而得到脉冲宽度及脉冲重复周期;然后将参测获取的脉冲串信息与系统预设的辐射源波形库内模板进行匹配,获取发射脉冲的时序信息。

1.2.1 参数测量

雷达参数主要是时空频三维参数,又称为脉冲描述字:时域参数主要包括脉冲到达时间、脉冲重复周期和脉冲宽度;空域参数主要体现在到达角;频域参数主要指脉冲频率。数字化接收机具备动态范围大、灵敏度高等优势,是现代雷达侦察系统中接收系统的优选设计。以数字化接收为基础,数字信道化参数测量方法的实现流程如图2所示:将整个工作带宽划分为多个信道,数字接收机接收的宽带信号在信道化处理模块内信道化后,在每个信道内对进入的信号同步进行滤波、检测,从而得到各信道内的脉冲到达时间、脉冲结束时间和脉冲频率等脉冲描述字信息。

图2 参数测量实现

时域参数测量方法[4]包括门限检测法、能量检测法、自相关检测法等;频域参数测量方法包括过零点检测法、相位差分法、快速傅里叶变换法等;空域参数测量方法包括比幅测向、干涉仪测向等。

1.2.2 模板匹配

受接收的脉冲信噪比限制,脉冲参测存在测量精度差和丢失脉冲的情况,会进一步导致发射时序恢复不准确、目标探测结果偏差大甚至错误。为了准确恢复时序,将参测得到的脉冲串与系统预设的辐射源波形库内模板进行匹配,按照适当的匹配准则,即可在一定程度上基于参测获取的“不完整”脉组恢复出准确的发射脉冲信息。

实际工程中常用的匹配准则有全脉冲匹配准则和N/M准则。

(1)全脉冲匹配准则

按照发射波形库里预设的模板逐脉冲匹配接收到的脉冲串,若接收的脉冲串与预设的模板完全一致,则判定当前脉冲串的时序为模板时序。该准则的时序恢复准确率最高,主要适用于接收站接收到的脉冲信噪比较高、参数测量丢脉冲较少的场景。

(2)N/M准则

在多数场景下,从直达波获取的脉冲串都存在丢脉冲的情况。此时,若仍采用全脉冲匹配方法,满足匹配准则的脉冲串较少,时序恢复结果不理想,导致探测丢帧、航迹不连续、航迹丢批及航迹无法起始等情况。

为了使匹配准则具有更好的鲁棒性,提出一种N/M匹配准则:若在一个发射脉组的M个脉冲中,检测出N个脉冲(N

为了保证时序恢复的准确性,对参数测量模块得到的时间信息的精确性提出了较高的要求。为此,提出一种秒脉冲同步+本地高精度恢复的时间同步方法,如图3所示。

图3 高精度时间实现方式

系统配备的北斗授时设备能够给出精确的1 pps秒脉冲及绝对时间报文,通过解析获取精确到秒的时间;时序接口板内部采用高速时钟,对输入的秒脉冲进行分割计数,得到精确到纳秒的绝对时间,并同步将时间送入参数测量模块;参数测量模块对直达波数据进行测量,检测到脉冲后同步将时间信息记入,得到脉冲到达/结束时间,进而获取脉宽、周期等参数。

1.3 试验验证

为了验证方法的可行性,构建一套基于外雷达源探测的测试系统,如图4所示。试验采用一部UHF波段雷达作为发射站,布设在30 km外,并采用相扫方式进行目标探测,接收系统采用同时多波束方式同步接收空中目标对雷达发射的反射信号。

图4 试验布站构型

系统工作频率设定600 MHz,发射的波形参数如表1所示。

表1 波形参数汇总表

按照所述方法进行时序恢复及匹配,并提取回波数据完成处理,得到结果如图5所示。

图5 脉压结果图

在提取的回波数据中分析得到两批目标,对应的双基地距离和分别为125.9 km、149 km,表明本文方法能够完成时序恢复及匹配,实现外雷达源探测功能。

2 结束语

本文从工程应用中遇到的问题为出发点,提出一种外雷达源探测的时序恢复方法,并搭建了试验系统对所提方法开展试验验证,试验结果表明:该方法能够在一定程度上解决外雷达源探测时的时序恢复及匹配问题,对外雷达源探测的推广应用具有重要意义。