朱永成 ，潘繼飛 ，金天祥 ，沈家煌 ，劉 鑫 ，3

（1.國防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院，合肥 230037；2.解放軍66289部隊(duì)，河北 涿州 072750；3.解放軍77627部隊(duì)，拉薩 851400）

0 引言

某些情況下，不需要對(duì)接收到的雷達(dá)脈沖流中的所有輻射源進(jìn)行識(shí)別，只需要對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境中感興趣的信號(hào)進(jìn)行快速準(zhǔn)確識(shí)別，傳統(tǒng)的雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)難以滿足需求。傳統(tǒng)的雷達(dá)對(duì)抗偵察系統(tǒng)大多是先把接收到的雷達(dá)信號(hào)作關(guān)聯(lián)分析，將各雷達(dá)輻射源發(fā)射的脈沖序列從混疊的全脈沖流中分離出來，測(cè)量雷達(dá)輻射源關(guān)鍵參數(shù)，和已知雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，雷達(dá)信號(hào)才能被識(shí)別［1-3］，如下頁圖1所示。這種處理模式下，雷達(dá)數(shù)據(jù)庫的先驗(yàn)信息在雷達(dá)信號(hào)分選過程中得不到利用，導(dǎo)致輻射源識(shí)別較為盲目，與實(shí)際作戰(zhàn)目標(biāo)識(shí)別結(jié)合不緊密。

本文結(jié)合實(shí)際需求，提出利用重點(diǎn)雷達(dá)小樣本脈沖序列模板對(duì)接收的全脈沖數(shù)據(jù)流直接進(jìn)行信號(hào)匹配的思路，繞過傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)分選環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的抽取與識(shí)別，不僅簡化了雷達(dá)輻射源識(shí)別流程，而且處理速度能夠得到有效提高［4］。

1 雷達(dá)小樣本脈沖序列模板建模

重點(diǎn)雷達(dá)電子目標(biāo)是指指揮員感興趣的雷達(dá)信號(hào)且這些雷達(dá)信號(hào)特征已被平時(shí)的情報(bào)積累所掌握。小樣本脈沖序列模型的建立需要利用已掌握的先驗(yàn)信息。

圖1 常規(guī)雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)處理流程

雷達(dá)小樣本脈沖序列是指雷達(dá)在某種或幾種工作模式下幾個(gè)脈沖的組合序列。該組合序列的參數(shù)信息是以時(shí)間為主線串聯(lián)起來的，能夠反映出雷達(dá)在工作時(shí)前后參數(shù)變化的基本特性［5-6］。圖2是某重點(diǎn)雷達(dá)一個(gè)完整周期序列的脈沖描述，假設(shè)有n個(gè)工作模式，圖中描述了4個(gè)工作模式。第i個(gè)工作模式的時(shí)間（Ti）、脈沖重復(fù)間隔（PRIi）、脈沖數(shù)（Ni）、脈寬（PWi）以及載頻（fi）。每個(gè)工作模式之間的參數(shù)可以不同，再加上脈沖到達(dá)角度和脈內(nèi)調(diào)制等參數(shù)，常規(guī)脈沖雷達(dá)信號(hào)可以用此脈沖序列描述。對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的脈沖序列進(jìn)行深入的分析，尋找典型的小樣本脈沖序列。小樣本脈沖序列1是第1個(gè)工作模式下的部分脈沖序列，序列2是第2個(gè)工作模式下的部分脈沖序列，序列3是其他兩個(gè)工作模式下的脈沖序列，序列4是完整的周期序列。序列1～4都可以作為小樣本脈沖序列，該雷達(dá)輻射源可以同時(shí)擁有幾個(gè)典型的小樣本脈沖序列組。能充分描述該雷達(dá)信號(hào)典型特征就可以作為典型小樣本脈沖序列。

圖2 某重點(diǎn)雷達(dá)一個(gè)完整周期序列的脈沖描述

假設(shè)某小樣本脈沖序列有L個(gè)脈沖，該序列表示為 SL=（P1，P2，P3，…，PL），每個(gè)脈沖用 K 個(gè)特征參數(shù)（如相對(duì)小樣本脈沖序列的第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)間、載頻、脈寬、脈內(nèi)調(diào)制方式等）對(duì)其描述，表示為Pl=［Pl（1），Pl（3），Pl（4），…，Pl（K）），l∈［1，L］。其中Pl（k）∈［pl（k）-△pl（k），pl（k）+△pl（k）］，k∈［1，K］，pl（k）表示第k個(gè)特征參數(shù)Pl（k）的中心值。其中，△pl（k）表示容差的大小，當(dāng)Pl（k）取值是一個(gè)區(qū)間時(shí)，△pl（k）＞0；當(dāng)Pl（k）取值是固定值時(shí)，△pl（k）=0。

2 基于小樣本脈沖序列匹配的快速識(shí)別處理過程

通過對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的先驗(yàn)信息進(jìn)行分析，提取出重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)的小樣本序列，利用基于小樣本脈沖序列，對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)作快速識(shí)別處理。有兩種算法處理流程，一種是串行數(shù)據(jù)處理方式，一種是并行的數(shù)據(jù)處理方式。當(dāng)數(shù)據(jù)流不是很大且急需識(shí)別的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)不多時(shí)，可以采用串行數(shù)據(jù)處理方式?，F(xiàn)在的脈沖流每秒百萬級(jí)而且感興趣的雷達(dá)電子目標(biāo)很多時(shí)，采用并行工作流程同時(shí)對(duì)多雷達(dá)電子目標(biāo)進(jìn)行快速識(shí)別［7］。多個(gè)并行處理器同時(shí)對(duì)不同的小樣本脈沖序列做匹配處理，實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)電子目標(biāo)的同時(shí)識(shí)別，某一雷達(dá)電子目標(biāo)未識(shí)別不影響其他的雷達(dá)電子目標(biāo)識(shí)別情況。對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行合并，得出結(jié)論，如圖3所示。

圖3 基于小樣本序列匹配的并行處理流程

利用典型小樣本脈沖序列對(duì)接收到的脈沖流進(jìn)行匹配。每次取等于小樣本脈沖序列時(shí)間長度的脈沖流和小樣本脈沖序列進(jìn)行匹配。只有在兩個(gè)脈沖序列中的單脈沖在時(shí)間上匹配的情況下，才對(duì)兩個(gè)單脈沖進(jìn)行其他的參數(shù)匹配，當(dāng)兩個(gè)單脈沖的參數(shù)在容差范圍內(nèi)匹配，則認(rèn)為單脈沖匹配。若小樣本脈沖序列中有大于Dthreshold（Dthreshold是門限值）的單脈沖可以與該序列進(jìn)行匹配，則該序列中包含有小樣本脈沖序列，將小樣本脈沖序列沿脈沖流序列，向后移動(dòng)一個(gè)小樣本脈沖周期作匹配處理。兩個(gè)脈沖序列的單脈沖匹配程度未達(dá)到設(shè)定的要求時(shí)，小樣本脈沖序列沿脈沖流序列，向后移動(dòng)一個(gè)脈沖作匹配處理。當(dāng)匹配的脈沖序列數(shù)大于設(shè)定值時(shí)，判定脈沖流中有重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)，輸出脈沖流中和小樣本脈沖序列匹配的脈沖序列。以下分別介紹單脈沖匹配，脈沖序列匹配。

脈沖流的每個(gè)脈沖有K個(gè)特征參數(shù)對(duì)其描述，脈沖流Q的第B個(gè)單脈沖可描述為QB=［QB（1），QB（2），QB（3），…，QB（K）］。以下是單脈沖匹配的步驟：

1）判斷兩個(gè)脈沖在時(shí)間上是否匹配。

2）時(shí)間上匹配的脈沖，進(jìn)行其他的多參數(shù)（包括載頻、脈寬、到達(dá)角度、和脈內(nèi)調(diào)制等）匹配。計(jì)算出兩個(gè)脈沖的加權(quán)歐式距離d。

3）若d≤dthreshold（dthreshold是兩個(gè)脈沖的匹配門限）時(shí)，即可判定兩個(gè)脈沖是匹配的。若d＞dthreshold時(shí)，則判定兩個(gè)脈沖不匹配。

設(shè)脈沖流 Q 的脈沖序列為 SQ=（Q1，Q2，Q3，…，QL），從第 b 個(gè)脈沖開始的脈沖序列為 SQb=（Qb，Qb+1，Qb+2，…，QN），小樣本脈沖序列為 SL=（P1，P2，P3，…，PL）。將兩個(gè)脈沖序列作匹配處理，步驟如下：

1）輸入 SQb和 SL，初始化 B=b，l=1。

2）tQBt=tQB-tQb，tPl=tPl-tP1，其中 tQB和 tQb分別指脈沖流的第B和b的到達(dá)時(shí)間。tPl和tP1分別指小樣本脈沖序列的第l和1個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間，一般情況設(shè)tP1=0。

3）比較l和L的大小。若l＞L，則脈沖序列匹配完畢，若lbiao/L≥0.7，兩個(gè)脈沖序列匹配，否則不匹配；若l≤L，繼續(xù)執(zhí)行下一步。

4）比較 tQBt和 tPl的大小。若 tQBt＞tPl，則將 l=l+1，B=b，執(zhí)行第 2）步；tQBt≤tPl，則執(zhí)行下一步。

5）將單脈沖QB和Pl作單脈沖的參數(shù)匹配處理。若兩個(gè)脈沖匹配，則 lbiao=lbiao+1，l=l+1，B=b，執(zhí)行第2）步；若兩個(gè)脈沖不匹配，B=B+1，執(zhí)行第2）步。

3 仿真分析

3.1 基于小樣本脈沖序列快速識(shí)別仿真實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)際雷達(dá)信號(hào)參數(shù)情況，仿真的脈沖流是5部雷達(dá)信號(hào)混疊的脈沖流。每個(gè)脈沖由5個(gè)參數(shù)組成，分別是：載頻（RF）、脈寬（PW）、到達(dá)時(shí)間（TOA）、到達(dá)角度（AOA）和脈內(nèi)調(diào)制（F）。一般脈內(nèi)調(diào)制采用編碼表示：1（恒載頻信號(hào)）、2（線性調(diào)頻信號(hào)）、3（相位編碼脈沖信號(hào)）、4（頻率編碼脈沖信號(hào)）。

按照前面分析的結(jié)果，5種雷達(dá)的序列，可以組合成不同的小樣本序列，不同組合，組合長度也不同，但是識(shí)別的過程是相同的，表2給出每部雷達(dá)一個(gè)典型的小樣本序列。

表1 雷達(dá)信號(hào)參數(shù)設(shè)置表

表2 小樣本脈沖序列表

經(jīng)過大量的仿真，對(duì)仿真情況總結(jié)如表3。

表3 在各種容差的匹配情況

對(duì)表3進(jìn)行分析，識(shí)別情況較合適情況的容差取值稱為較合適的容差取值情況，識(shí)別情況合適情況的容差取值稱為合適的容差取值情況。

圖4～圖6在脈沖流取一小段相同時(shí)間的仿真圖，圖7截取的時(shí)間大約是前面的十倍，包含100個(gè)完整的Radar-4脈沖重復(fù)周期。

圖4 較合適容差情況下的抽取序列

圖5 合適容差情況的抽取序列

圖6 脈沖流丟失20%且較合適容差情況的抽取序列

圖7 各種情況下小樣本4的抽取序列

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過表3、圖4和圖5分析可知，基于小樣本脈沖序列的識(shí)別，只要脈沖流不丟失且容差取較合適情況，Dthreshold的取值在適當(dāng)范圍，對(duì)整個(gè)脈沖流可以達(dá)到100%的小樣本序列識(shí)別。當(dāng)脈沖丟失越大及容差取值合適的情況下，Dthreshold取值越大，對(duì)于基于小樣本序列對(duì)脈沖流的抽取效果越不好；Dthreshold取值越小，可以抽取到的脈沖序列越多，但是考慮到抽取序列看起來的直觀性，取值不能太小。因此，取70%。在這種取值情況下，當(dāng)小樣本脈沖序列中的單脈沖數(shù)較多時(shí)，脈沖流中脈沖丟失和容差取值情況對(duì)基于該序列匹配的雷達(dá)信號(hào)識(shí)別的影響越小。

如圖6所示，小樣本4的識(shí)別效果最差。對(duì)于只有3個(gè)單脈沖的小樣本4而言，Dthreshold取70%等同于取 100%，識(shí)別結(jié)果如圖 7 所示，其中（a）～（d）中抽取的小樣本序列數(shù)分別是100、53、70和37。當(dāng)脈沖丟失20%且兩個(gè)容差都取5%時(shí)，識(shí)別的準(zhǔn)確率還可以達(dá)到37%。在單脈沖匹配中，已對(duì)每個(gè)單脈沖做嚴(yán)格的多參數(shù)匹配，仿真中沒有錯(cuò)誤識(shí)別的該小樣本序列。單脈沖數(shù)較多的其他序列在這種條件下的識(shí)別準(zhǔn)確率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于37%。在實(shí)際的識(shí)別中，為提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，Dthreshold可以適當(dāng)減小，整個(gè)序列的識(shí)別效果會(huì)更好，脈沖流中小樣本脈沖序列絕大多數(shù)都可以抽取出來，識(shí)別的準(zhǔn)確度將會(huì)很高。因此，當(dāng)脈沖的測(cè)量精度高于小樣本精度且無脈沖丟失情況下的識(shí)別效果非常好。當(dāng)兩者精度相當(dāng)且脈沖丟失嚴(yán)重情況下，本方法也是適用的。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)算法處理時(shí)間相對(duì)較長，在沒有先驗(yàn)信息的情況下，采用傳統(tǒng)的分選算法進(jìn)行盲源分類識(shí)別。想要快速識(shí)別出已知先驗(yàn)信息的重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)，采用對(duì)重點(diǎn)雷達(dá)電子目標(biāo)的快速識(shí)別，省去常規(guī)處理流程中對(duì)雷達(dá)信號(hào)的分選處理，節(jié)約了大量的分選時(shí)間。在并行的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)中，每個(gè)處理器的處理時(shí)間都是不同的，對(duì)多雷達(dá)電子目標(biāo)的處理時(shí)間是按單個(gè)處理器處理時(shí)間最長的計(jì)算。對(duì)多個(gè)重點(diǎn)電子目標(biāo)識(shí)別處理時(shí)間將會(huì)大大減小，實(shí)時(shí)性更好，將處理結(jié)果進(jìn)行合并，得出結(jié)論。仿真結(jié)果說明，基于小樣本脈沖序列匹配識(shí)別能夠在密集的雷達(dá)信號(hào)中快速、準(zhǔn)確識(shí)別出感興趣的雷達(dá)信號(hào)。在實(shí)際情況中，大多是對(duì)已知雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別，尤其需要對(duì)某些已知雷達(dá)信號(hào)的快速識(shí)別，采用本方法，符合實(shí)際需求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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