馬一科　周利華

摘要：雷達(dá)信號(hào)的脈內(nèi)特征識(shí)別對(duì)雷達(dá)偵察有重要的意義。文章基于相位差分法，在僅知道單通道實(shí)中頻數(shù)據(jù)的情況下，討論了雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征識(shí)別問(wèn)題，并給出了一種有效的脈內(nèi)特征分析方法。針對(duì)相位編碼信號(hào)，采用統(tǒng)計(jì)相位分布情況的思想，給出了識(shí)別相位編碼信號(hào)的方法，并提出了碼元寬度及編碼序列的提取方法。本文所提出的脈內(nèi)特征分析方法運(yùn)算量小，易于工程實(shí)現(xiàn)，在低信噪比下有較好的區(qū)分效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

關(guān)鍵詞：脈內(nèi)分析；相位編碼信號(hào)；瞬時(shí)頻率

A Method of Intrapulse Recognition of Phase Coded Signal

Ma YikeZhou Lihua

No.38 Research Institute of CETCAnhuiHefei China230088

Abstract：Radar signal intrapulse analysis technique is important to radar reconnaissance. Based on the principle of phase difference， the problem of intrapulse recognition of radar signals is discussed in this paper， under the condition that only the real part of intermediate frequency data is known， and an effective intrapulse recognition algorithm is proposed. By using the ideal of the statisticsof phase distribution，a method of recognizing a phase coded signal is given， and at the same time， a method of how to obtain the symbol width and the phase shift keying rule is also raised up. The proposed method is easy to implement and is effective in low SNR. Simulations are given to illustrate the effectiveness of this method.

Key words：Intrapulse analysis； Phase coded signal； Instantaneous frequency

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，各種新體制雷達(dá)不斷出現(xiàn)。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜，推動(dòng)著電子偵察技術(shù)的快速發(fā)展。近年來(lái)，雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征分析技術(shù)作為電子偵察的關(guān)鍵技術(shù)之一，越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。相位編碼信號(hào)廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代雷達(dá)領(lǐng)域，對(duì)相位編碼信號(hào)的識(shí)別與特征參數(shù)的提取，是電子偵察的重要一環(huán)。雷達(dá)信號(hào)中的相位編碼信號(hào)主要包括二相編碼信號(hào)、四相編碼信號(hào)等。其中二相編碼信號(hào)最為常用，主要碼型有m序列、巴克碼等；四相編碼信號(hào)主要有泰勒碼等?？焖俣譁?zhǔn)確地獲得相位編碼信號(hào)的類型、特征參數(shù)，從而提供有效的作戰(zhàn)支援，是電子偵察的重要內(nèi)容。

目前，對(duì)相位編碼信號(hào)的分析手段主要包括：自相關(guān)法[12]、譜相關(guān)法[3]、小波變換法[45]等。這些方法對(duì)相位編碼信號(hào)都有一定的分析能力，但同時(shí)也存在各自的缺陷。自相關(guān)法容易受到噪聲的影響，在低信噪比情況下，分析效果不顯著。譜相關(guān)法可以適應(yīng)較低的信噪比，并且對(duì)具有平穩(wěn)周期的信號(hào)分析效果顯著。但是譜相關(guān)法要求對(duì)大量脈沖進(jìn)行積累。在實(shí)際偵察過(guò)程中，特別是對(duì)非合作的目標(biāo)進(jìn)行偵察時(shí)，很難對(duì)大量脈沖進(jìn)行積累。小波變換法運(yùn)算量較大，不能提供充分的實(shí)效性，難以滿足實(shí)時(shí)的工程系統(tǒng)的使用需求。

為了滿足實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的要求，在已知單通道實(shí)中頻信號(hào)的情況下，討論了雷達(dá)信號(hào)的的脈內(nèi)特征分析方法。本文采用相位差分的方法，實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)頻率信息的提取，基于直方圖統(tǒng)計(jì)的方法獲取相位分布信息，并針對(duì)相位編碼信號(hào)，給出了脈內(nèi)特征參數(shù)的提取方法。與文獻(xiàn)[6]相比，文獻(xiàn)[6]采用計(jì)算信號(hào)n次方譜的方法來(lái)區(qū)分相位編碼信號(hào)，需要進(jìn)行傅立葉變換，運(yùn)算量大，本文采用的直方圖統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算量小，算法復(fù)雜度大大降低。最后，通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的有效性。本文所提出的方法運(yùn)算速度快，脈內(nèi)特征識(shí)別效率高，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 信號(hào)模型

雷達(dá)信號(hào)可以表示為：

s（t）=A（t） cos（2π（f0t+c（t））+φ0），0≤t≤T0（1）

其中為A（t）幅度函數(shù) ，f0為載頻，φ0是初始相位，c（t）是相位調(diào)制函數(shù)，T0為脈沖寬度[2]。一般情況下，幅度A（t）相對(duì)于載頻f0隨時(shí)間的變化緩慢，因此，本文中，我們僅討論幅度為常值的情況，即：A（t）=A。當(dāng)c（t）=1/2d2（t）時(shí)，s（t）為二相編碼信號(hào)，其中d2（t）是一個(gè)二元編碼序列信號(hào)，它的碼元寬度為Tc，取值分別為0或1，碼長(zhǎng)Nc=T0/Tc；當(dāng)c（t）=1/4d4（t）時(shí)，s（t）為四相編碼信號(hào)，其中d4（t）是一個(gè)四元編碼序列信號(hào)，它的碼元寬度為Tc，取值分別為0、1、2、3中的某一個(gè)數(shù)，碼長(zhǎng)Nc=T0/Tc。

2 信號(hào)預(yù)處理

本文不依賴于復(fù)雜的計(jì)算，僅針對(duì)時(shí)頻、時(shí)相曲線的分析，識(shí)別脈內(nèi)調(diào)制類型并提取脈內(nèi)調(diào)制參數(shù)。

首先，對(duì)原I路信號(hào)做如下混頻處理：

s1（t）=s（t）*cos（2πf0t）（2）

s2（t）=s（t）*（-sin（2πf0t））（3）

（2）、（3）兩式可以重新寫為

s1（t）=1/2Acos（2πc（t）+φ0）+1/2Acos（4πf0t+2πc（t）+φ0）（4）

s2（t）=1/2Asin（2πc（t）+φ0）-1/2Asin（4πf0t+2πc（t）+φ0）（5）

由（5）、（6）兩式可以看出，混頻后的信號(hào)s1（t）與s2（t）都是由一個(gè)高頻分量以及一個(gè)低頻分量?jī)刹糠纸M成，將這兩組信號(hào)分別通過(guò)低通濾波器，濾去高頻分量，則可以得到基帶信號(hào)如下表示：

1（t）=1/2Acos（2πc（t）+φ0）（6）

2（t）=1/2Asin（2πc（t）+φ0）（7）

經(jīng)處理后的信號(hào)1（t）、2（t）依然保留著調(diào)制信息c（t），因而可以對(duì)處理后的信號(hào)1（t）、2（t）進(jìn)行分析，從而提取原始信號(hào)的脈內(nèi)調(diào)制信息。

注：在進(jìn)行混頻處理的時(shí)候，要求知道載頻f0。若載頻f0未知，可以利用文獻(xiàn)[78]提出的方法對(duì)信號(hào)載頻進(jìn)行估計(jì)。

由（6）、（7）可以求出基帶信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位，其對(duì)應(yīng)的離散形式如下表示：

φ（n）=arctan（2（n）/1（n））（8）

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)反正切函數(shù)求得的相位屬于區(qū)間-π，π，會(huì)造成相位差的不連續(xù)性，在進(jìn)行相位差分之前，需要對(duì)所得相位進(jìn)行解混疊處理。對(duì)解混疊后的相位信號(hào)φ（n）進(jìn)行差分處理可以得到信號(hào)的瞬時(shí)頻率f（n），表示如下：

f（n）=（φ（n+1）-φ（n））/2π（9）

3 調(diào)制類型識(shí)別

本節(jié)針對(duì)線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、二相編碼和四相編碼信號(hào)，進(jìn)行時(shí)頻、時(shí)相特征分析，以達(dá)到調(diào)制類型區(qū)分和識(shí)別的目的。這幾種典型的調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)頻率曲線如下圖所示：

由圖1可以看出，相位編碼信號(hào)的瞬時(shí)頻率曲線除去跳變峰值之外，是一條近似恒等的直線，而線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻信號(hào)都占有較大的頻率寬度。定義除去相位跳變之后的頻率曲線的最大、最小值之差為信號(hào)的帶寬。這樣就可以根據(jù)信號(hào)帶寬將這幾類常見的信號(hào)劃分為兩大類，即：被分為寬帶信號(hào)的線性調(diào)頻信號(hào)和非線性調(diào)頻信號(hào)，以及被分為窄帶信號(hào)的二相編碼信號(hào)和四相編碼信號(hào)。

對(duì)于寬帶信號(hào)，可以利用最小二乘的方法進(jìn)行直線擬合，求取擬合誤差作為進(jìn)一步區(qū)分的判據(jù)。若擬合誤差小于閾值則信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，反之，則為非線性調(diào)頻信號(hào)。

對(duì)于窄帶信號(hào)，可在瞬時(shí)相位曲線上進(jìn)一步提取特征，來(lái)區(qū)分二相編碼信號(hào)和四相編碼信號(hào)。二相編碼信號(hào)和四相編碼信號(hào)的瞬時(shí)相位曲線由（8）式定義，如下圖所示：

由圖2可以看出，二相編碼的瞬時(shí)相位主要集中在兩個(gè)相位點(diǎn)附近，四相編碼信號(hào)的瞬時(shí)相位主要集中在四個(gè)相位點(diǎn)附近。本文采用一種基于直方圖統(tǒng)計(jì)的方法，來(lái)統(tǒng)計(jì)瞬時(shí)相位的分布情況。將相位變化范圍（-π，π）劃分為N個(gè)均勻的小區(qū)域，統(tǒng)計(jì)信號(hào)的瞬時(shí)相位落入各個(gè)區(qū)域的個(gè)數(shù)，將統(tǒng)計(jì)出來(lái)的個(gè)數(shù)繪制成變化曲線。如下圖所示。

由圖3可以看出，二相編碼信號(hào)的相位統(tǒng)計(jì)曲線形成了兩個(gè)明顯的峰，而四相編碼信號(hào)的相位統(tǒng)計(jì)曲線形成了四個(gè)明顯的峰。選取適當(dāng)?shù)拈撝岛螅梢灾庇^且方便地統(tǒng)計(jì)出峰的個(gè)數(shù)，從而區(qū)分出二相編碼信號(hào)和四相編碼信號(hào)。

綜上所述，包含相位編碼信號(hào)的常見信號(hào)可以由以下流程進(jìn)行脈內(nèi)特征識(shí)別：

4 調(diào)制參數(shù)提取

相位編碼信號(hào)的調(diào)制參數(shù)主要包括信號(hào)的碼元寬度和編碼規(guī)律。在碼元切換的時(shí)候，瞬時(shí)頻率會(huì)形成峰值，可以統(tǒng)計(jì)瞬時(shí)頻率曲線的峰值間隔以獲得相位編碼信號(hào)的碼元寬度。由于噪聲的影響，式（9）的對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率在低信噪比下很難直接提取瞬時(shí)頻率的突變點(diǎn)信息，我們可以通過(guò)積累的方法減小噪聲的影響，利用多階差分法得到瞬時(shí)頻率的新估計(jì)值。M階差分法[910]對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率由（10）式給出。

f（n）=1/2πM（∑Mi=1φ（n+i）-∑Mj=0φ（n-j））（10）

圖5所示的是由一階差分法求得的瞬時(shí)頻率和由多階差分法求得的瞬時(shí)頻率（二十階）的對(duì)比示意圖。圖中可以看出，在信噪比較低的時(shí)候，一階差分對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率存在大量虛假尖峰，很難直接提取出真正的因相位跳變引起的頻率突變點(diǎn)信息。而采用多階差分的方法后，噪聲的影響明顯降低，信號(hào)的瞬時(shí)頻率突變信息變得明顯，設(shè)定適當(dāng)閾值后，很容易提取突變點(diǎn)信息。圖 5表明，多階差分法可以有效降低噪聲影響，利于提取瞬時(shí)頻率突變點(diǎn)信息。

采用多階差分法重新估計(jì)信號(hào)瞬時(shí)頻率后，提取突變點(diǎn)信息，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)突變點(diǎn)之間的間距的最小值，便可以得到相位編碼信號(hào)的碼元寬度信息。

在獲取碼元寬度信息后，要提取相位編碼信號(hào)的碼元規(guī)律信息，需要準(zhǔn)確地知道碼元的突變幅度信息。由二相編碼信號(hào)的定義可知，其對(duì)應(yīng)的相位突變幅度為{π，-π}，多階差分頻率值對(duì)應(yīng)的突變幅度為{0.5，-0.5}；同理，四相編碼信號(hào)的相位突變幅度為{1.5π，π，0.5π，-0.5π，-π，-1.5π}，其多階差分頻率值對(duì)應(yīng)的突變幅度為{0.75，0.5，0.25，-0.25，-0.5，-0.75}。雖然編碼信號(hào)的初相往往是未知的，但初相的實(shí)際值并不影響相位編碼信號(hào)的的編碼規(guī)律。可以假設(shè)初相為0，從多階差分瞬時(shí)頻率途中提取相位突變的幅度信息，并依次累加并修正到值域范圍，便可以獲取實(shí)際的碼元幅度信息，從而獲取相位編碼序列。

5 仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提出脈內(nèi)分析方法的有效性，本文對(duì)線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、二相編碼和四相編碼信號(hào)進(jìn)行仿真試驗(yàn)如下：

設(shè)置采樣頻率為100MHz，脈沖載頻為25MHz，脈寬為50us，相位差分重?cái)?shù)為20，分別在信噪比為15db、10db、8db的情況下，對(duì)四種調(diào)制類型的信號(hào)進(jìn)行100次重復(fù)試驗(yàn)，其識(shí)別正確率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表所示：

表格表明，當(dāng)信噪比大于8dB時(shí)，各類調(diào)制信號(hào)的識(shí)別準(zhǔn)確率基本大于90%，本文所提出的方法具有良好的識(shí)別效果，具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。

6 結(jié)語(yǔ)

文章在僅知道單通道實(shí)中頻數(shù)據(jù)的情況下，給出了一套可行的脈內(nèi)特征識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾種常見類型的調(diào)制信號(hào)的識(shí)別。基于相位差分法提取頻率特征，易于實(shí)現(xiàn)，基于直方圖統(tǒng)計(jì)的方法提取相位分布信息，計(jì)算量小，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。此外，文章針對(duì)相位編碼信號(hào)，采用高階差分的方法，提取了碼元寬度和編碼規(guī)律等脈內(nèi)特征參數(shù)信息。計(jì)算機(jī)仿真表明在信噪比大于8dB的情況下，該方法對(duì)常見的調(diào)制脈沖信號(hào)有良好的區(qū)分效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉東霞，趙國(guó)慶.雷達(dá)信號(hào)脈沖調(diào)制的分析技術(shù)[J].航天電子對(duì)抗，2003，（1）1721.

[2]何明浩.雷達(dá)對(duì)抗信息處理.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3]史建鋒，朱良學(xué)，馮輝.基于循環(huán)譜包絡(luò)的BPSK碼元速率估計(jì)算法研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2007，29（2）186189.

[4]董暉，魏棟，姜秋喜.基于連續(xù)小波變換的脈內(nèi)調(diào)制類型識(shí)別技術(shù)[J].航天電子對(duì)抗，2007，23（1）4245.

[5]韓俊，何明浩，冒燕，等.低信噪比下雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)特征的提取[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2007，5（3）220223.

[6]馬一科，張什永. 一種脈內(nèi)特征分析算法[J].電子技術(shù)，2016，（03）4850.

[7]王戈，嚴(yán)俊.一種基于功率譜估計(jì)的盲載頻估計(jì)新算法.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（13）114117.

[8]付仕平，楊麗，李靜.幾種載頻估計(jì)方法在信號(hào)調(diào)制識(shí)別中的應(yīng)用.電子技術(shù)，2011，38（3）8182.

[9]王明，柳桃榮.相位編碼信號(hào)脈內(nèi)特征分析與識(shí)別[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，（13）5254.

[10]鄒夢(mèng)然，陳永游，曾德國(guó)，李志鵬.基于相位差分算法的多相編碼信號(hào)實(shí)時(shí)脈內(nèi)識(shí)別技術(shù)[J].航天電子對(duì)抗，2015，31（02）5660.