CN112799053B - 一种单脉冲信号的实时配对分选方法 - Google Patents

一种单脉冲信号的实时配对分选方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单脉冲信号的实时配对分选方法，属于雷达脉冲信号分选技术领域。本发明首先利用主、副站接收信号的时差范围，构造时差窗，实现对主、副站接收的脉冲之间的粗匹配，缩小了脉冲匹配的范围，降低了分选的计算量；然后联合多参数信息对粗脉冲对序列进行精确配对，改善了以往分选高重频脉冲信号的模糊问题和分选超低重频脉冲信号困难的问题；利用接收同一辐射源同一脉冲的时差不变性对精脉冲对进行分选，保证了分选的正确率。此外本发明仅对主站实时接收的单个脉冲进行分选，克服了以往多站时差分选需要进行时差累积构建时差直方图而导致无法进行实时分选的缺点，为信号实时分选提供了有效的途径。

Description

一种单脉冲信号的实时配对分选方法
技术领域
本发明涉及一种单脉冲信号的实时配对分选方法，属于雷达脉冲信号分选技术领域。
背景技术
现代战场电磁环境高度复杂，一方面，脉冲信号在时域、空域、频域参数发生不同程度的重叠，信号漏批、增批现象越来越严重；另一方面，脉冲重复间隔的统计规律呈现随机非平稳性，给电子侦察第三方接收造成极大困难；此外，信号环境高度密集，造成分选处理的计算量变大，难以实时地进行分选。如何将各部雷达的脉冲信号从随机交叠的脉冲流中实时且正确地分离出来，是实现雷达辐射源快速识别和无源定位的必要条件，是进行电子侦察的重要一环。
针对雷达信号分选问题，传统单站的脉冲分选方法都是基于TOA和PRI的算法，针对复杂脉间调制的脉冲信号，难以进行有效和实时地分选；多站时差直方图分选方法虚警率、漏警率高，时差和多参数联合分选定位方法依赖定位解算，以上各算法均需要获取足够时长的观测信号才可以进行分选操作而导致的实时性差。为此，有人提出了新的分选配对方法，名称为《约束准则下扩展时差直方图脉冲分选配对方法》(作者：刘智鑫，赵拥军，2019年12月发表于西安电子科技大学学报)的论文公开了一种单脉冲的分选配对方法，该方法先引入约束准则对脉冲参数进行参数匹配，然后采用扩展和递归运算完成各辐射源脉冲的分选。引入多参数约束准则虽然提高了扩展时差直方图方法分选的正确率，但是却增加了算法的复杂性，算法实时性较差。
因此，针对复杂调制雷达脉冲信号分选，现有方法分选精度差，实时性差，以及难以对复杂调制脉冲信号进行分选的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单脉冲信号的实时配对分选方法，以解决目前分选方法存在的算法复杂、实时性差的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种单脉冲信号的实时配对分选方法，该配对分选方法包括以下步骤：
1)确定主站和各副站之间的时差范围，并将其作为时差窗；
2)利用确定的时差窗将主站实时接收的单个脉冲信号分别与位于时差窗内各副站接收的脉冲信号流进行粗匹配，得到主站单脉冲与各副站脉冲流匹配的粗脉冲对序列；
3)基于主站和副站接收同一辐射源同一脉冲信号的脉内参数具有相似性的特点，联合多参数信息对各主站与副站之间的粗脉冲对序列进行筛选，得到主站与各副站的精脉冲对；
4)计算主站与不同副站的精脉冲对之间的时差，并将与两个不同副站的精脉冲对的时差作为时差对，根据同一辐射源同一脉冲信号到达各站的时差具有不变性的特点，在误差容限内，利用时差对精脉冲对进行分选。
本发明利用主、副站接收信号的时差范围，构造时差窗，实现对主、副站接收的脉冲之间的粗匹配，缩小了脉冲匹配的范围，降低了分选的计算量；联合多参数信息对粗脉冲对进行精确配对，改善了以往分选高重频脉冲信号的模糊问题和分选超低重频脉冲信号困难的问题；利用接收同一辐射源同一脉冲的时差不变性对精脉冲对进行分选，保证了分选的正确率。本发明的整个分选过程简单，实时性高。
进一步地，为了提高时差范围的确定精度，所述步骤1)中主站与副站之间时差范围为：
Σ(nA)为主站A接收的第nA个脉冲对应的时差范围，为主站A接收的脉冲流中第nA个脉冲的到达时间，σ为表示电磁波从副站传播到主站A所需要的时间，μ为主站A和副站运动在侦收信号的时长内相对位置变化带来误差。
进一步地，为保证对粗脉冲对的精确配准，所述步骤3)中精脉冲对筛选的过程如下：
A.计算粗脉冲序列中各粗脉冲对的参数距离；
B.根据参考距离和各粗脉冲对的参数距离计算主站和副站各粗脉冲对之间多参数相似度匹配因子；
C.选取多参数相似度匹配因子大于设定阈值的粗脉冲对作为精脉冲对。
进一步地，所述步骤A中粗脉冲对的参数距离的计算公式为：
其中，为主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲之间的参数距离，主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲与一个粗脉冲对，||·||表示求2-范数，W为加权矩阵，采用对称矩阵，为主站A第nA个脉冲的脉内参数，/>为副站第nB个脉冲的脉内参数。
进一步地，所述步骤B中多参数相似度匹配因子的计算公式为：
其中，r0是参考距离，表示主站A和副站B脉冲之间不相关时的最小多参数距离；，为主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲之间的参数距离，主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲与一个粗脉冲对。
进一步地，所述的设定阈值大于0.5小于1。
进一步地，所述步骤4)的分选过程包括以下步骤：
a.将主站与两个不同副站的精脉冲对的时差形成时差对；
b.分别计算形成的时差对与各分选好的脉冲序列对应时差对之间的距离，选取其中最小距离，若最小距离小于误差容限，将该时差对对应的脉冲对归入到最小距离对应的分选好的脉冲序列；若最小距离不小于误差容限，新建一个脉冲序列，将该时差对对应的脉冲对归入到新建的脉冲序列中。
进一步地，为了准确实现分选，所述步骤b中距离的计算公式为：
其中，di为时差对到已分选出的第i个脉冲源下脉冲序列对应时差对之间的距离，为主站A接收到的脉冲nA的时刻，tCnc为副站C接收到的脉冲nc的时刻，/>为副站B接收到的脉冲nB的时刻，(DTOAiAB,DTOAiAC),i＝1,2,…,m为已分选出的各辐射源下各脉冲对对应时差对的算术平均值，m为辐射源的个数。
附图说明
图1是本发明单脉冲信号的实时配对分选方法的流程图；
图2是本发明实施例中各站接收到的雷达脉冲描述字示意图；
图3是本发明实施例中各站接收机接收到的雷达脉冲流示意图；
图4是本发明实施例中各站接收机与目标雷达的位置示意图；
图5是本发明实施例中主站A第nA个脉冲的时差窗示意图；
图6是本发明实施例中基于时差对的分选示意图；
图7是本发明实施例中匹配成功的脉冲对时差分布示意图；
图8-a是本发明实施例中辐射源E1的分选结果示意图；
图8-b是本发明实施例中辐射源E2的分选结果示意图；
图8-c是本发明实施例中辐射源E3的分选结果示意图；
图8-d是本发明实施例中辐射源E4的分选结果示意图；
图8-e是本发明实施例中辐射源E5的分选结果示意图；
图8-f是本发明实施例中辐射源E6的分选结果示意图；
图8-g是本发明实施例中辐射源E7的分选结果示意图；
图8-h是本发明实施例中辐射源E8的分选结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明针对的是一个主站和多个个副站之间的信号分选，首先确定主站和各副站之间的时差范围，将该时差范围作为时差窗，基于该时差窗将主站实时接收的单个脉冲信号分别与位于时差窗内各副站接收的脉冲信号进行粗配对，得到两个可能与主站单脉冲正确配对的“脉冲对”序列；然后利用主、副站接收同一辐射源同一脉冲信号的脉内参数具有相似性的特点，分别对上述脉冲对序列里的脉冲对进行脉冲的精确匹配，获得两个与主站单脉冲真实配对的“脉冲对”，计算两真实“脉冲对”各自对应的时差并将两时差构成“时差对”；利用同一辐射源同一脉冲信号到达各侦察站的时差具有不变性的特点，在误差容限内，利用“时差对”实现对单脉冲信号的实时分选。该方法的实现流程如图1所示，具体实现过程如下。
1.确定主站和各副站之间的时差范围，并将其作为时差窗。
如图4所示，本实施例针对多站雷达接收系统包括主站A、副站B和副站 C，目标雷达D进行雷达脉冲的发射，各站接收到的脉冲如图3所示。一个主站两个副站是实现本发明所需的最少布站数量，本发明只是以一个主站两个副站为例，因而该方法也适用于一个主站两个以上副站的情况。
每个脉冲采用描述字表征，每个脉冲描述字如图2所示，主站A、副站B、副站C和目标雷达均是运动的，设单次侦察时长为T，主、副站运动速度矢量分别为vA,vB,vC，目标辐射源运动速度矢量为vD，辐射源到主、副站距离分别是DA，DB，DC。雷达脉冲以光速c传播到达主、副站，tA,tB,tC分别是同一脉冲信号到达主、副站所需的时长，大小如式(1)所示：
tA＝DA/c,tB＝DB/c,tC＝DC/c (1)
由图4中三站电子侦察系统位置可知，主、副站与目标辐射源的位置之间构成一个三角形，由三角形三边关系可得
联合上述式(1)和式(2)，可得：
其中，σ表示电磁波从副站B传播到主站A所需要的时间，ρ表示电磁波从副站C传播到主站A所需要的时间。由于主、副站可能运动，位置信息会存在一定的误差，误差大小取决于主、副站在侦收信号的时长内相对位置变化大小，误差大小的上限可以通过式(4)得到：
其中，v1＝||vA-vB||或者v2＝||vA-vC||，μ表示误差。因而，式(3)可调整为：
由式(5)可以分别确定主站和两副站之间的时差范围，在不采用同步信号时，可以通过主、副站侦测结束时的位置信息和两站的运动速度求出时差范围，进而可以缩小主、副站间脉冲配对的时间范围，提高分选的实时性。
对本实施例而言，主站A接收信号的脉冲流中第nA个脉冲的到达时间记为副站B接收信号的脉冲流中可能与/>时刻主站A接收脉冲来自同一辐射源发射的同一个脉冲信号的到达时间范围为：
Σ(nA)确定的时间范围即为主站A在时刻接收的脉冲对应的时差窗，如图5所示。
2.利用确定的时差窗将主站实时接收的单个脉冲信号分别与位于时差窗内各副站接收的脉冲信号进行粗配对。
对本实施例而言，对时差窗Σ(nA)内副站B的脉冲进行脉冲检测，检测得到的脉冲均可能与nA来自同一辐射源的同一脉冲，从而实现了主站A在时刻接收的单脉冲与副站B接收脉冲流间的粗匹配。
假设在时差窗Σ(nA)内副站B分别在时刻存在(L+1)个脉冲，则经过粗匹配可以得到(L+1)个脉冲对/>构成的序列，简称为粗脉冲对序列。
同理对时差窗Σ(nA)内副站C的脉冲进行脉冲检测，实现了主站A在时刻接收的单脉冲与副站C接收脉冲流间的粗匹配，得到(K+1)个“脉冲对”/>叫做作为粗脉冲对序列。如图5所示为主站A在/>时刻接收的单脉冲对应的时差窗Σ(nA)，以及利用时差窗Σ(nA)分别实现了对主站 A在/>时刻接收的单脉冲与副站B和副站C的脉冲流进行粗匹配，可得到各自对应的粗脉冲对。
3.对步骤2得到的粗簇脉冲对进行筛选，得到精脉冲对。
利用时差窗进行粗匹配得到的副站脉冲有可能是干扰脉冲、其它辐射源发射的脉冲以及与主站A在时刻接收的单脉冲来自同一辐射源的同一脉冲，因此，需要进一步地对粗脉冲对进行精确匹配。下面以主站A和副站B为例对精确匹配的过程进行详细说明。
主站A在时刻接收的脉冲与副站B在/>时刻接收的脉冲除TOA以外多参数距离为：
其中，||·||表示求2-范数，W为加权矩阵，一般为对称矩阵。若脉冲描述字中的和/>各自参数互相独立，则W为对角矩阵，对角元素取值的大小与测量误差的方差成反比。由于/>和/>包括载频、脉幅、脉宽等脉内参数，则W对角元素大小为相关参量对应量纲下测量误差方差的倒数。
为了表示主站A和副站B脉冲之间的相关程度，引入多参数相似度匹配因子
其中，r0是参考距离，表示主站A和副站B脉冲之间不相关时的最小多参数距离。设多参数匹配门限为ε，ε∈[0,1]，用作判别两脉冲是否来自同一辐射源发射的同一脉冲，由于来自同一辐射源的同一脉冲被两站接收到时相同参数之间差异小，ε一般被设定大于0.5，比如ε＝0.7。若参数匹配成功，记配对成功的“脉冲对”为/>否则，参数匹配不成功。通过上述过程可对粗脉冲对进行进一步筛选，筛选出的脉冲对叫做精脉冲对。
同理，对主站A在时刻接收的脉冲与副站C在/>时刻接收到的位于时差窗Σ(nA)内的脉冲进行精确配对，若多参数匹配成功，记配对成功的“脉冲对”为/>即得到A站和C站的精脉冲对。
4.计算两精脉冲对各自对应的时差，并将两时差作为时差对，利用时差对实现对单脉冲信号的实时分选。
对于时刻主站A接收到的脉冲nA，经过粗配对和精确配对，得到精脉冲对和/>记两“脉冲对”的时差分别为
根据式(9),可以得到两精脉冲对和/>对应“时差对” (DTOAAB,DTOAAc)。在对单脉冲信号实时分选的过程中，记已分选好的不同辐射源对应脉冲序列分别为Ψ1,Ψ2,Ψ3,…,Ψm，对应的时差对分别为 (DTOA1AB,DTOA1AC),(DTOA2AB,DTOA2AC),(DTOA3AB,DTOA3AC),……,(DTOAmAB,DTOAmAC) 。其中，(DTOAiAB,DTOAiAC),i＝1,2,…,m为已分选出的各辐射源各“脉冲对”对应“时差对”的算术平均值。分别以脉冲到达主站A和副站B的时间差DTOAAB为横轴、脉冲到达主站A和副站C的时间差DTOAAC为纵轴建立二维平面直角坐标系，分选出的不同辐射源对应的脉冲序列分布可以表示为图6所示。
分别计算时差对与各分选好的脉冲序列对应时差对之间的距离，选取其中最小距离，若最小距离小于误差容限，将该时差对对应的脉冲对归入到最小距离对应的分选好的脉冲序列；若最小距离不小于误差容限，新建一个脉冲序列，将该时差对对应的脉冲对归入到新建的脉冲序列中。其中采用的距离计算公式为：
记Δ＝dimin，如果Δ≤δ，δ为同一辐射源时差对误差容限，则将脉冲对存入序列Ψi，并通过将新序列里所有的精脉冲对对应的时差对取平均值更新(DTOAiAB,DTOAiAC)；否则，新建脉冲序列Ψm+1，将脉冲对/>存入Ψm+1。从而实现对于主站/>时刻接收的单个脉冲进行实时配对分选。
以脉冲到达主站A和副站B的时间差DTOAAB为X轴、脉冲到达主站A和副站C的时间差DTOAAC为Y轴、脉冲到达主站A的时间为Z轴建立三维坐标系，配对分选完成的脉冲对的在该坐标系下时差分布如图7所示。
通过上述过程，本发明能够实现对各个雷达辐射源进行分选，本实施例对 8个辐射源进行分选，这8个辐射源脉冲信号参数如表1所示。
表1
分选结果如图8-a、图8-b、图8-c、图8-d、图8-e、图8-f、图8-g和图8-h 所示，可以看出，本发明不仅能够对高重频和常规重频脉冲信号进行分选，而且能够对超低重频脉冲进行分选，没有出现虚假辐射源，具有很高的分选正确率。

Claims (5)

1.一种单脉冲信号的实时配对分选方法，其特征在于，该配对分选方法包括以下步骤：
1)确定主站和各副站之间的时差范围，并将其作为时差窗，主站与副站之间时差范围为：
Σ(nA)为主站A接收的第nA个脉冲对应的时差范围，为主站A接收的脉冲流中第nA个脉冲的到达时间，σ为表示电磁波从副站传播到主站A所需要的时间，μ为主站A和副站运动在侦收信号的时长内相对位置变化带来误差；
2)利用确定的时差窗将主站实时接收的单个脉冲信号分别与位于时差窗内各副站接收的脉冲信号流进行粗匹配，得到主站单脉冲与各副站脉冲流匹配的粗脉冲对序列；
3)基于主站和副站接收同一辐射源同一脉冲信号的脉内参数具有相似性的特点，联合多参数信息对各主站与副站之间的粗脉冲对序列进行筛选，得到主站与各副站的精脉冲对；
4)计算主站与不同副站的精脉冲对之间的时差，并将与两个不同副站的精脉冲对的时差作为时差对，根据同一辐射源同一脉冲信号到达各站的时差具有不变性的特点，在误差容限内，利用时差对精脉冲对进行分选，分选过程包括以下步骤：
a.将主站与两个不同副站的精脉冲对的时差形成时差对；
b.分别计算形成的时差对与各分选好的脉冲序列对应时差对之间的距离，选取其中最小距离，若最小距离小于误差容限，将该时差对对应的脉冲对归入到最小距离对应的分选好的脉冲序列；若最小距离不小于误差容限，新建一个脉冲序列，将该时差对对应的脉冲对归入到新建的脉冲序列中；距离的计算公式为：
其中，di为时差对到已分选出的第i个脉冲源下脉冲序列对应时差对之间的距离，为主站A接收到的脉冲nA的时刻，tCnc为副站C接收到的脉冲nc的时刻，/>为副站B接收到的脉冲nB的时刻，(DTOAiAB,DTOAiAC),i＝1,2,…,m为已分选出的各辐射源下各脉冲对对应时差对的算术平均值，m为辐射源的个数。
2.根据权利要求1所述的单脉冲信号的实时配对分选方法，其特征在于，所述步骤3)中精脉冲对筛选的过程如下：
A.计算粗脉冲序列中各粗脉冲对的参数距离；
B.根据参考距离和各粗脉冲对的参数距离计算主站和副站各粗脉冲对之间多参数相似度匹配因子；
C.选取多参数相似度匹配因子大于设定阈值的粗脉冲对作为精脉冲对。
3.根据权利要求2所述的单脉冲信号的实时配对分选方法，其特征在于，所述步骤A中粗脉冲对的参数距离的计算公式为：
其中，为主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲之间的参数距离，主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲是一个粗脉冲对，||·||表示求2-范数，W为加权矩阵，采用对称矩阵，/>为主站A第nA个脉冲的脉内参数，/>为副站第nB个脉冲的脉内参数。
4.根据权利要求2所述的单脉冲信号的实时配对分选方法，其特征在于，所述步骤B中多参数相似度匹配因子的计算公式为：
其中，r0是参考距离，表示主站A和副站B脉冲之间不相关时的最小多参数距离；为主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲之间的参数距离，主站A第nA个脉冲与副站第nB个脉冲是一个粗脉冲对。
5.根据权利要求2所述的单脉冲信号的实时配对分选方法，其特征在于，所述的设定阈值大于0.5小于1。
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