CN107966687B - 基于部分自相关谱的mimo雷达信号调制类型识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于部分自相关谱的MIMO雷达信号调制类型识别方法，主要解决现有技术利用瞬时自相关谱进行MIMO雷达信号调制类型识别计算量较大，且识别时间过长的问题。其实现方案是：根据雷达侦察接收机收到的雷达信号提取样本雷达信号，获得样本雷达信号的零时延瞬时自相关函数；对该函数进行化简和归一化运算，得到MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关谱的谱峰高度；设定门限并根据次高峰与最高峰比值对集中式MIMO雷达信号进行调制类型识别。本发明需要的MIMO雷达信号样本点较少，运算复杂度低，且识别编码雷达信号不需要其他特征参数，缩短了识别时间，实现了实时性的要求，可用于电子对抗侦察系统。

Description

基于部分自相关谱的MIMO雷达信号调制类型识别方法

技术领域

本发明属于雷达信号识别技术领域，特别涉及集中式MIMO雷达信号类型识别方法，可用于电子对抗侦察系统。

背景技术

多输入多输出MIMO雷达是近年来出现的一种新体制雷达，其与常规体制雷达相比，MIMO雷达具有优异的反隐身、高分辨、低截获和抗损毁性能，在多种应用中都展现了巨大潜力，所以成为国内外雷达领域学者专家研究热点之一。

雷达信号调制类型识别是雷达对抗侦察系统中的关键处理过程也是雷达对抗信息处理中的核心内容。早期研究人员主要采用特征参数匹配法，将振幅方差、频率方差、瞬时相位等作为特征参数。随后，研究者将雷达信号识别与基于人工智能的模式识别方法相结合，取得了一定的成果。然而，这两种方法仅采用了信号的外部特征参数，忽略了信号的脉内调制特征。

近年来，研究人员开始从雷达信号脉内细微特征入手，通过对雷达信号的脉内特征分析，完成对雷达信号调制方式的有效识别。雷达信号的脉内特征分析方法主要有时域自相关特征分析、频域谱相关分析、调制域分析等。这些方法都是首先将信号变换到某个空间，提取该空间内信号的特征差异作为识别依据，从而完成雷达信号调制类型的有效识别。2009年Petropulu.A等人利用到达角在角度空间的稀疏性，运用压缩感知CS以低采样率对MIMO雷达进行超分辨率参数估计，但是该方法需要找到雷达信号的稀疏表示空间，在实际中这一点较难实现。2013年电子科技大学王小静等人提出了一种基于信号瞬时自相关谱的识别方法，通过对完整信号进行相关分析，提取信号特征完成对MIMO雷达信号调制类型的识别，但是该方法计算量较大，且对信号侦察接收机的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于部分自相关谱的集中式MIMO雷达信号调制类型识别方法，以减小计算量，缩短识别时间。

为实现上述目的，本发明的技术关键是利用信号的部分零时延瞬时自相关谱进行识别，其步骤包括如下：

(1)从侦察接收机接收的集中式MIMO雷达信号中利用窗函数截取一部分作为样本雷达号；

(2)对样本雷达信号进行零时延瞬时自相关运算,得到样本雷达信号的部分零时延自相关函数；

(3)将零时延瞬时自相关函数展开并化简，得到样本雷达信号的零时延瞬时自相关谱中各谱峰高度；

(4)利用零时延瞬时自相关谱中谱峰高度进行集中式MIMO雷达信号调制类型识别：

(4a)用零时延瞬时自相关谱中的次高峰比上最高峰，得到样本雷达信号的特征参数R_A；

(4b)设定第一门限α和第二门限β，且α＞β，将样本雷达信号的特征参数R_A分别与α和β进行比较：

若R_A＞α，则识别为线性调频MIMO雷达信号，

若R_A＜β，则识别为相位编码MIMO雷达信号，

若β≤R_A≤α，则识别为频率编码MIMO雷达信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明采用侦察接收机收到的部分信号进行运算，大大减少了计算量，并且在识别性能和现有方法相近的情况下，缩短了识别时间。

第二，本发明只采用一个特征参数R_A就可以识别三种常用集中式MIMO雷达信号调制类型，实际应用中不需要信号的先验知识，算法实现简单，识别效果良好。

附图说明

图1为本发明的实现识别流程图；

图2为本发明中线性调频信号部分零时延瞬时自相关谱图；

图3为本发明中相位编码信号部分零时延瞬时自相关谱图；

图4为本发明中频率编码信号部分零时延瞬时自相关谱图；

图5为仿真本发明特征参数R_A随信噪比变化曲线图；

图6为仿真本发明三种集中式MIMO雷达信号的识别概率随信噪比变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，截取部分侦察接收机接收到的MIMO雷达信号作为样本雷达信号。

通过侦察接收机获得完整的MIMO雷达信号，设定窗的长度，采用加窗的方法截取雷达侦察接收机收到的信号，获得如下样本雷达信号s(n)：

s(n)＝X(N)·ω(n)，

其中，X(N)为雷达侦察接收机收到的完整信号，N为信号总长度，ω(n)为窗函数，n为窗长，对于编码信号n在一个码元宽度及以，s(n)内为样本雷达信号，本实例包括线性调频MIMO样本雷达信号、相位编码MIMO样本雷达信号和频率编码MIMO样本雷达信号三种雷达信号。

步骤2，对样本雷达信号s(n)进行零时延瞬时自相关运算,得到样本雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数。

相关分析，是在时域上研究信号不同时刻的相关性，反映了信号的特点，是信号分析和信号处理的常用方法之一。

瞬时自相关分析是相关分析中的一种，将雷达信号表达式代入瞬时自相关函数，得到雷达信号的瞬时自相关函数，本实例是将样本雷达信号s(n)代入瞬时自相关函数，得到的是雷达信号的部分瞬时自相关函数，即：

r(n,Δn)＝s(n,Δn)s^*(n)

其中，Δn为时延长度，s(n,Δn)为时延信号，s^*(n)为信号的共轭，当Δn≠0时，称r(n,Δn)为时延自相关函数，当Δn＝0时，称r(n,0)为零时延自相关函数。

本实例包括三种MIMO雷达信号部分零时延自相关函数：线性调频MIMO雷达信号部分零时延自相关函数R_L(n,0)、相位编码MIMO雷达信号部分零时延自相关函数R_P(n,0)和频率编码MIMO雷达信号部分零时延自相关函数R_F(n,0)，分别进行如下计算：

2a)计算线性调频MIMO雷达信号部分零时延自相关函数R_L(n,0)：

线性调频LFM脉冲信号常用于脉冲压缩雷达中，接收时采用匹配滤波器压缩脉冲，是最常见的雷达信号之一，侦察接收机截获的线性调频MIMO雷达信号表达式为：

其中，n为信号离散后对应点的位置，n≤N，N为信号离散后的总点数，f₀为载频，f_s为信号的采样频率，μ为调频因子，f_p为阵元发射信号的频率间隔，n/f_s为离散化的时间，

为第m根天线接收信号的初相，当MIMO雷达发射阵为均匀线阵时，

为相邻发射天线间的相位差；

将侦察接收机截获的线性调频MIMO雷达信号X_L(n)代入样本雷达信号s(n)获得线性调频MIMO雷达样本信号s(n)，然后将线性调频MIMO雷达样本信号s(n)求代入部分瞬时自相关函数r(n,Δn)，得线性调频MIMO雷达信号部分瞬时自相关函数R_L(n,Δn)为：

令延迟Δn＝0，即得到线性调频MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_L(n,0)为：

2b)计算相位编码MIMO雷达信号部分零时延自相关函数R_P(n,0)：

在脉冲压缩雷达中，相位编码信号是经常被采用的一种信号，其射频频率固定，并且相位调制函数在有限离散状态内变化，在一个子码宽度内，信号相位不发生变化；在一个脉宽内，相位在码元变化处发生突变，这种参数离散变化是编码信号和非编码信号的最大不同点。

侦察接收机截获的相位编码MIMO雷达信号为：

其中，n为信号离散后对应点的位置，n≤N，N为信号离散后的总点数，M为阵元个数，f₀为固定载频，f_s为信号的采样频率，N_pc为子脉冲数，T_p为子脉冲宽度，g(t)(0＜t＜T_p)为子脉冲矩形包络，φ_m(n_p)表示第m个阵元发射信号的第n个子脉冲的相位，

为第m根天线接收信号的初相，当MIMO雷达发射阵为均匀线阵时，

为相邻发射天线间的相位差，如果采用L相对相位编码MIMO雷达进行编码，则子码元相位φ_m(n_p)可从下面集合中选取：

相位编码信号的总带宽与其各个子脉冲的带宽很相近，即：

其中，T_p为子码宽度，T为信号脉冲宽度；

将侦察接收机截获的相位编码MIMO雷达信号X_p(n)代入样本雷达信号s(n)获得相位编码MIMO雷达样本信号s(n)，然后将相位编码MIMO雷达样本信号s(n)代入部分瞬时自相关函数r(n,Δn)，得相位编码MIMO雷达信号部分瞬时自相关函数R_P(n,Δn)为：

令延迟Δn＝0，即得到相位编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_P(n,0)为：

2c)计算频率编码MIMO雷达信号部分零时延自相关函数R_F(n,0)：

与相位编码MIMO雷达信号相似，频率编码MIMO雷达信号也是由多个子脉冲信号构成的，在一个子码宽度内，信号频率不发生变化，但在包含多个子脉冲的脉宽内，信号的频率按照编码规则会在码元跳变处发生变化，侦察接收机截获的频率编码MIMO雷达信号为：

式中，M为阵元数目，f₀为信号的载频，f_s为信号的采样频率，g(t)(0＜t＜T_p)为子脉冲矩形包络，T_p为脉冲宽度，T₁为子码宽度，N_FC为子码个数，f_m(n_F)是信号m中子脉冲n_F的频率编码，f_m(n_F)＝f_m+(n_F-1)Δf，Δf＝1/T₁,

为第m根天线接收信号的初相，当MIMO雷达发射阵为均匀线阵时，

为相邻发射天线间的相位差；

频率编码MIMO雷达信号编码f_m表示为集合的形式为：{f_m}＝{n₁Δf,n₂Δf,…,n_NΔf}，其中，集合中Δf的系数序列{n₁,n₂,…,n_N}是序列{0,1,…,N-1}的扰动，即系数序列{n₁,n₂,…,n_N}为{0,1,…,N-1}中的元素无重复的随机排序序列；

将侦察接收机截获的频率编码MIMO雷达信号X_F(n)代入样本雷达信号s(n)获得频率编码MIMO雷达样本信号s(n)，然后将频率编码MIMO雷达样本信号s(n)代入部分瞬时自相关函数r(n,Δn)，得频率编码MIMO雷达信号部分瞬时自相关函数R_F(n,Δn)为：

令延迟Δn＝0，即得到频率编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_F(n,0)为：

步骤3，将三种MIMO雷达信号部分零时延瞬时自相关函数展开并化简，得到样本雷达信号的零时延瞬时自相关谱中各谱峰高度。

3a)获取线性调频MIMO雷达信号部分零时延瞬时自相关谱中谱峰高度：

将线性调频MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_L(n,0)按l展开得：

对上面R_L(n,0)进行归一化，得到归一化后的线性调频MIMO雷达信号部分零延时瞬时自相关函数R_L归一化(n,0)为：

归一化后线性调频MIMO雷达部分零时延瞬时自相关谱中各谱线高度为式R_L归一化(n,0)中各项前的系数，仿真得到线性调频MIMO雷达信号部分零时延瞬时自相关谱，如图2所示。

3b)获取相位编码MIMO雷达信号部分零时延瞬时自相关谱中谱峰高度：

分析相位编码MIMO雷达信号部分零时延自相关函数R_P(n,0)，在同一个子码宽度内，

即瞬时自相关函数在一个子码宽度内是常数；

对

进行微分运算求得瞬时频率为0，即在零延时自相关谱中表现为零频率，即能量集中处，也就是说，相位编码雷达信号的部分零延时瞬时自相关谱仅有一个很明显的峰,其他位置谱峰高度为近似为0。

归一化后相位编码MIMO雷达部分零时延瞬时自相关谱中零频处谱线高度为1，其余部分谱线高度为0，仿真得到相位编码MIMO雷达信号部分零时延瞬时自相关谱，如图3所示。

3c)获取频率编码MIMO雷达信号部分零时延瞬时自相关谱中谱峰高度：

由频率编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_F(n,0)可知，当阵元变量m和l固定时，φ_m-φ_l变为一个固定相位即对其求微分为0，因此φ_m-φ_l对频率分布无影响，则R_F(n,0)可化简为：

将上式R_F(n,0)按l展开，得到：

根据频率编码MIMO雷达信号的频率编码f_m的集合的形式，将上式可简化为：

当m＝l，f_m-f_l＝0时，则上式化简为：

对上式R_F(n,0)归一化，得到归一化的频率编码MIMO雷达部分零时延瞬时自相关函数R_F归一化(n,0)为：

归一化后频率编码MIMO雷达部分零时延瞬时自相关谱中各谱线高度为式R_F归一化(n,0)中各项前的系数，即零频处主峰高度为1，其余谱峰高度为

仿真得到频率编码MIMO雷达信号部分零时延瞬时自相关谱，如图4所示。

步骤4利用零时延瞬时自相关谱中谱峰高度进行MIMO雷达信号调制类型识别。

4a)本发明定义特征参数R_A为信号部分零时延瞬时自相关谱的次高谱峰和最高谱峰的比值，即：

根据步骤3分析得到的三种雷达信号的部分零时延瞬时自相关谱的谱峰高度，得出三种MIMO雷达信号的特征参数R_A如下：

线性调频MIMO雷达信号的特征参数：

相位编码MIMO雷达信号的特征参数：R_A＝0；

频率编码MIMO雷达信号的特征参数：

其中，M为阵元数目，对三种不同MIMO雷达信号的特征参数R_A在不同信噪比下进行仿真，得到结果如图5；

4b)设定第一门限α和第二门限β，且α＞β，将样本雷达信号的特征参数R_A分别与α和β进行比较：

若R_A＞α，则识别为线性调频MIMO雷达信号，

若R_A＜β，则识别为相位编码MIMO雷达信号，

若β≤R_A≤α，则识别为频率编码MIMO雷达信号。

对三种不同MIMO雷达信号的识别概率在不同信噪比下进行仿真，得到结果如图6，完成对MIMO雷达信号调制类型的识别。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于部分自相关谱的MIMO雷达信号调制类型识别方法，包括：

(1)从侦察接收机接收的集中式MIMO雷达信号中利用窗函数截取一部分作为样本雷达号；

(2)对样本雷达信号进行零时延瞬时自相关运算,得到样本雷达信号的部分零时延自相关函数；

(3)将零时延瞬时自相关函数展开并化简，得到样本雷达信号的零时延瞬时自相关谱中各谱峰高度；按如下步骤进行：

(4a)对线性调频MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_L(n,0)化简并归一化，得到化简并归一化后的线性调频MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_L归一化(n,0)：

其中，M为阵元数目，n为信号离散后对应点的位置，n≤N，N为信号离散后的总点数，f_s为信号的采样频率，f_p为阵元发射信号的频率间隔，线性调频MIMO雷达信号部分零延时瞬时自相关谱中各谱峰高度为R_L归一化式中各项前的系数；

(4b)对相位编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_P(n,0)化简并归一化，得到化简并归一化后的相位编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_P归一化(n,0)：

R_P归一化(n,0)＝1

则相位编码MIMO雷达信号部分零延时瞬时自相关谱中只在频率为0时出现最高峰，其余位置谱峰高度为0；

(4c)对频率编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_F(n,0)化简并归一化，得到化简并归一化后的频率编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数R_F归一化：

其中，M为阵元数目，n为信号离散后对应点的位置，n≤N，N为信号离散后的总点数，f_s为信号的采样频率，f_m表示第m个阵元发射信号的起始频率，频率编码MIMO雷达信号部分零延时瞬时自相关谱中各谱峰高度为R_F归一化式中各项前的系数；

(4)利用零时延瞬时自相关谱中谱峰高度进行MIMO雷达信号调制类型识别：

(4a)用零时延瞬时自相关谱中的次高峰比上最高峰，得到样本雷达信号的特征参数R_A；

(4b)设定第一门限α和第二门限β，且α＞β，将样本雷达信号的特征参数R_A分别与α和β进行比较：

若R_A＞α，则识别为线性调频MIMO雷达信号，

若R_A＜β，则识别为相位编码MIMO雷达信号，

若β≤R_A≤α，则识别为频率编码MIMO雷达信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中的样本雷达信号，表示如下：

s(n)＝X(N)·ω(n)

其中，X(N)为雷达侦察接收机收到的完整信号，N为信号总长度，ω(n)为窗函数，n为窗长，s(n)为样本雷达信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2a)中对样本雷达信号进行零时延瞬时自相关运算，是根据部分瞬时自相关函数构建不同信号的自相关函数:

(3a)线性调频MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数为：

(3b)相位编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数为：

(3c)频率编码MIMO雷达信号的部分零时延瞬时自相关函数为：

其中，M为阵元数目，n为信号离散后对应点的位置，n≤N，N为信号离散后的总点数，f_s为信号的采样频率，f_p为阵元发射信号的频率间隔，k∈[-(M-1),...0,...,M-1]，

为第m根天线接收信号的初相，当MIMO雷达发射阵为均匀线阵时，

为相邻发射天线间的相位差，

表示第m个阵元发射信号的第n个子脉冲的相位，

表示第m个阵元发射信号的第n个子脉冲的频率。

4.根据权利要求1所述的方法，由步骤(4a)中得到样本雷达信号的谱峰高度，得到特征参数R_A，其表示如下：

线性调频MIMO雷达信号的特征参数：

相位编码MIMO雷达信号的特征参数：R_A＝0；

频率编码MIMO雷达信号的特征参数：

其中，M为阵元数目。

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