CN113608189A - 一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，包括，求取接收信号平滑处理的功率谱，计算复杂度C；根据所述复杂度C的大小设定阈值识别常规信号，若不能识别，则搜索平滑后的功率谱谱峰；若谱峰为2，则是2FSK，若不为2，则将所述信号平方处理和功率谱平滑处理，计算所述复杂度，设置阈值识别是否为二相编码信号；若不是所述二相编码信号，则对比所述复杂度C和square_C的大小，根据四相编码信号平方退化为二相编码信号，LFM信号平方带宽为原信号两倍，判断其是否为四相编码信号；利用最小二乘法拟合瞬时频率，设置阈值根据方差大小判断是否为LFM或NLFM信号。本发明方法能够适应信号脉冲宽度在0.8us时的信号分类。

Description

一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法

技术领域

本发明涉及雷达信号识别的技术领域，尤其涉及一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法。

背景技术

随着军事电磁环境复杂度增加，雷达信号侦察系统需要不断改进，传统的雷达信号分析处理已经不能够满足雷达信号侦察的需求，在此情况下迫切需要对雷达信号脉内调制特征进行分析，但由于雷达信号体制的改变，对信号脉内调制特征分析带来了很大的挑战；包括弹载末制导雷达、机载火控雷达、地空制导雷达、地(海)面高炮炮瞄雷达、机载预警雷达、地面目标指示雷达等多种雷达包括的常见的雷达信号：相位调制信号和频率调制信号广泛应用在各种军事斗争中，在此背景下广泛开展了雷达信号调制方式识别算法的研究，对电子战争带来了重要意义。

由于通过频谱和瞬时频率特征的识别方法无法适应较小脉宽，故需要提供一种用于解决此类问题的技术方案。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，能够解决通过频谱和瞬时频率特征的识别方法无法适应较小脉宽的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，求取接收信号平滑处理的功率谱，计算复杂度C；根据所述复杂度C的大小设定阈值识别常规信号，若不能识别，则搜索平滑后的功率谱谱峰；若谱峰为2，则是2FSK，若不为2，则将所述信号平方处理和功率谱平滑处理，计算所述复杂度，设置阈值识别是否为二相编码信号；若不是所述二相编码信号，则对比所述复杂度C和square-C的大小，根据四相编码信号平方退化为二相编码信号，LFM信号平方带宽为原信号两倍，判断其是否为四相编码信号；利用最小二乘法拟合瞬时频率，设置阈值根据方差大小判断是否为LFM或NLFM信号。

作为本发明所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的一种优选方案，其中：包括，调制信号特征无法通过时域波形直观反映，根据频域角度，对所述信号的频谱复杂度特征、平方频谱特征、谱峰个数特征、最小二乘直线拟合方差特征进行分析计算。

作为本发明所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的一种优选方案，其中：包括，利用描述序列特性的指标L-Z复杂度策略对量化信号频谱、计算频谱复杂度进行分类识别；定义{s(k)}为信号的幅度频谱，k＝1,2,…,N，N为信号数据长度，对{s(k)}进行量化编码；设置量化级数为L，令a＝max{s(k)}，表示信号幅度频谱的最大值，在(0，a]的区间上把{s(k)}分成L层，则有：

其中，{r(k)}表示{s(k)}量化后具有L个符号的数字序列。

作为本发明所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的一种优选方案，其中：还包括，给定序列为r(1)，r(2)，…，r(N)，初始时向空生成池中添加r(1)，不失一般性，定义生成池中已有符号串r(1)r(2)…r(l)，l＜N，并且r1是由添加操作完成的；令P＝r(1)r(2)…r(l)，Q＝r(l+1)，判断Q是否可以从POv中复制，即Q是否为PQv中的子串，其中，PQv表示把P、Q拼接在一起，删除最末一个字符得到的字符串；若能复制，则P保持不变，Q续补一个符号，即Q＝r(l+1)r(l+2)；若不能复制，则添加Q到生成池，P＝r(1)r(2)…r(l)r(l+1)，Q＝r(rl+2)；循环迭代，直至生成池中包含所有的重构序列，统计添加操作的次数C，即为L-Z复杂度，若最后一步操作是复制，则C要加1。

作为本发明所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的一种优选方案，其中：包括，为避免噪声干扰先对信号{s(k)}进行平滑搜索处理，得到平滑频谱{s(k)}，如下，

其中，k＝1,2,…,N-step，平滑步长为step。

作为本发明所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的一种优选方案，其中：还包括，计算所述平滑频谱{s(k)}的最大值，设定一个阈值threshold＝max(S(k))/2；将{s(k)}的每一个数减去阈值threshold后，得到一个新的序列{S^*(k)}；从序列{S^*(k)}的第一个位置k＝1开始，判断当前位置k所在的数值S^*(k)是否小于0；若小于0，则将当前位置k所在的数值S^*(k)置0，直至k＝N-step截止，序列{S^*(k)}中的数值得到了更新；设初始谱峰数p＝0，搜索序列{S^*(k)}，如果当前位置k所在的数值S^*(k)大于0，并且位置k-1所在的数值S^*(k-1)小于0，则p加1，序列{S^*(k)}遍历一遍；判断p大小，如果p＝2，则表示该信号是二频编码信号，否则为其他信号。

作为本发明所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的一种优选方案，其中：包括，利用拟合直线和信号瞬时频率的方差

来判断瞬时频率是否为直线，如下，

其中，f(n)表示信号的瞬时频率，

表示最小二乘拟合直线，α表示拟合直线

的斜率，β表示拟合直线的截距，α和β为待估计参数，通过计算出α和β，得到拟合直线。

作为本发明所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的一种优选方案，其中：还包括，二相编码信号二次方、四相编码信号四次方后，退化为常规雷达信号，具有一根离散单频谱线，即其经过平方处理后，频率复杂度降低，与常规雷达信号相同，利用平方法对调相信号的频谱复杂度特征进行计算，对信号进行识别。

本发明的有益效果：本发明主要分类依据在于信号的频谱图形的差异，通过复杂度计算的思想，在信号频域上计算出信号的频谱复杂度，统计出各类信号的频谱复杂度，通过设计一个树形分层结构流程，将雷达信号一一识别出来，基于该方法能够适应信号脉冲宽度在0.8us时的信号分类。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的L-Z复杂度计算简化流程示意图；

图3为本发明第二个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的NS信号平滑幅度频谱及量化序列对比示意图；

图4为本发明第二个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的BPSK信号平滑幅度频谱及量化序列对比示意图；

图5为本发明第二个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的QPSK信号平滑幅度频谱及量化序列对比示意图；

图6为本发明第二个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的LFM信号平滑幅度频谱及量化序列对比示意图；

图7为本发明第二个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的NLFM信号平滑幅度频谱及量化序列对比示意图；

图8为本发明第二个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的2FSK信号平滑幅度频谱及量化序列对比示意图；

图9为本发明第二个实施例所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的不同信噪比下信号识别概率统计示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1和图2，为本发明的第一个实施例，提供了一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，包括：

S1：求取接收信号平滑处理的功率谱，计算复杂度C。

S2：根据复杂度C的大小设定阈值识别常规信号，若不能识别，则搜索平滑后的功率谱谱峰。

S3：若谱峰为2，则是2FSK，若不为2，则将信号平方处理和功率谱平滑处理，计算复杂度，设置阈值识别是否为二相编码信号。

S4：若不是二相编码信号，则对比复杂度C和square-C的大小，根据四相编码信号平方退化为二相编码信号，LFM信号平方带宽为原信号两倍，判断其是否为四相编码信号。

S5：利用最小二乘法拟合瞬时频率，设置阈值根据方差大小判断是否为LFM或NLFM信号。

具体的，调制信号特征无法通过时域波形直观反映，根据频域角度，对信号的频谱复杂度特征、平方频谱特征、谱峰个数特征、最小二乘直线拟合方差特征进行分析计算。

利用描述序列特性的指标L-Z复杂度策略对量化信号频谱、计算频谱复杂度进行分类识别；

定义{s(k)}为信号的幅度频谱，k＝1,2,…,N，N为信号数据长度，对{s(k)}进行量化编码；

设置量化级数为L，令a＝max{s(k)}，表示信号幅度频谱的最大值，在(0，a]的区间上把{s(k)}分成L层，则有：

其中，{r(k)}表示{s(k)}量化后具有L个符号的数字序列；

给定序列为r(1)，r(2)，…，r(N)，初始时向空生成池中添加r(1)，不失一般性，定义生成池中已有符号串r(1)r(2)…r(l)，l＜N，并且r(1)是由添加操作完成的；

令P＝r(1)r(2)…r(l)，Q＝r(l+1)，判断Q是否可以从POv中复制，即Q是否为PQv中的子串，其中，PQv表示把P、Q拼接在一起，删除最末一个字符得到的字符串；

若能复制，则P保持不变，Q续补一个符号，即Q＝r(l+1)r(l+2)；

若不能复制，则添加Q到生成池，P＝r(1)r(2)…r(l)r(l+1)，Q＝r(l+2)；

循环迭代，直至生成池中包含所有的重构序列，统计添加操作的次数C，即为L-Z复杂度，若最后一步操作是复制，则C要加1。

为避免噪声干扰先对信号{s(k)}进行平滑搜索处理，得到平滑频谱{s(k)}，如下，

其中，k＝1，2，…，N-step，平滑步长为step；

计算平滑频谱{s(k)}的最大值，设定一个阈值threshold＝max(S(k))/2；

将{s(k)}的每一个数减去阈值threshold后，得到一个新的序列{S^*(k)}；

从序列{S^*(k-)}的第一个位置k＝1开始，判断当前位置k所在的数值S^*(k)是否小于0；

若小于0，则将当前位置k所在的数值S^*(k)置0，直至k＝N-step截止，序列{S^*(k-)}中的数值得到了更新；

设初始谱峰数p＝0，搜索序列{S^*(k-)}，如果当前位置k所在的数值S^*(k)大于0，并且位置k-1所在的数值S^*(k-1)小于0，则p加1，序列{S^*(k-)}遍历一遍；

判断p大小，如果p＝2，则表示该信号是二频编码信号，否则为其他信号；

利用拟合直线和信号瞬时频率的方差

来判断瞬时频率是否为直线，如下，

其中，f(n)表示信号的瞬时频率，

表示最小二乘拟合直线，α表示拟合直线

的斜率，β表示拟合直线的截距，α和β为待估计参数，通过计算出α和β，得到拟合直线。

不难理解的是，二相编码信号二次方、四相编码信号四次方后，退化为常规雷达信号，具有一根离散单频谱线，即其经过平方处理后，频率复杂度降低，与常规雷达信号相同，利用平方法对调相信号的频谱复杂度特征进行计算，对信号进行识别。

本发明通过对六类常见信号：常规雷达信号、二相编码信号、四相编码信号、线性调频信号、非线性调频信号、二频编码信号进行理论分析和仿真验证，证明所提方法对于弹载末制导雷达、机载火控雷达、地空制导雷达、地(海)面高炮炮瞄雷达、机载预警雷达、地面目标指示雷达等威胁源目标具有良好的识别效果，综合识别正确率达90％以上，满足实际工程需要。

实施例2

参照图3～图9，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法的测试验证，具体包括：

针对常规雷达信号、二相编码信号、四相编码信号、线性调频信号、非线性调频信号和二频编码信号共6种调制类型信号进行识别实验，其基本仿真参数为：采样频率为1250MHz，载波频率为250MHz，二相编码信号采用13位巴克码，四相编码信号采用16位弗兰克码，线性调频信号最大频偏为40MHz，二频编码信号最大频差为40MHz；通过对上述6种信号的频谱波形和量化序列进行对比，并统计复杂度进行分析。

(1)频谱波形与量化频谱序列对比。

图3～图8为六种雷达信号在信噪比为3dB时的平滑幅度频谱以及对应的量化级数为16的量化频谱序列，可以看出量化频谱序列能够表征信号平滑幅度频谱的几何形状特征，并且能够抑制噪声的干扰，说明量化后的频谱序列采用复杂度计算方法得出的频谱复杂度可以表征频谱特征，从而可以对信号进行识别。

(2)信号复杂度统计。

采样频率为1250MHz，脉冲宽度大小不同的六种雷达信号的频谱复杂度统计如下表所示：

表1：不同信号频谱复杂度统计表(SNR＝3dB)。

表2：不同信号频谱复杂度统计表(SNR＝3dB)。

表3：不同信号频谱复杂度统计表(SNR＝3dB)。

表1、表2和表3分别是在脉冲宽度为1.6us(采样点数2000)、0.4us(采样点数500)和0.1us(采样点数125)时的六种雷达信号的频谱复杂度统计，能够看出，常规雷达信号的频谱复杂度最小，稳定在4左右；二相编码和四相编码信号频谱复杂度相似；LFM和NLFM信号，在脉宽为0.1us时频谱复杂度急剧下降，这是因为在给定采样频率时，信号的频率分辨率与采样点数成正比，故此时的LFM信号在短时间内可视作常规雷达信号，其频率复杂度相似，2FSK信号与相位编码信号的频谱复杂度相差不大，由于二相编码信号平方后退化为常规雷达信号，因而其频谱复杂度相同；对于LFM信号，在进行平方后带宽变为原来的2倍，故其频谱复杂度比原信号高。

(3)不同信噪比下的信号识别概率统计。

在脉冲宽度为0.8us(采样点数为1000)的情况下，对六种信号做100次蒙特卡洛实验，统计在不同信噪比下的识别概率，其结果如图9所示，参照图9，能够看出，常规雷达信号在-3dB信噪比下就可以达到100％识别率，这是由于稳定的频谱复杂度造成的；而其他信号在大于6dB的信噪比下，识别率也能达到90％；说明谱峰搜索法对信号进行识别的方法有较好的效果。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：包括，

求取接收信号平滑处理的功率谱，计算复杂度C；

根据所述复杂度C的大小设定阈值识别常规信号，若不能识别，则搜索平滑后的功率谱谱峰；

若谱峰为2，则是2FSK，若不为2，则将所述信号平方处理和功率谱平滑处理，计算所述复杂度，设置阈值识别是否为二相编码信号；

若不是所述二相编码信号，则对比所述复杂度C和square-C的大小，根据四相编码信号平方退化为二相编码信号，LFM信号平方带宽为原信号两倍，判断其是否为四相编码信号；

利用最小二乘法拟合瞬时频率，设置阈值根据方差大小判断是否为LFM或NLFM信号。

2.根据权利要求1所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：包括，调制信号特征无法通过时域波形直观反映，根据频域角度，对所述信号的频谱复杂度特征、平方频谱特征、谱峰个数特征、最小二乘直线拟合方差特征进行分析计算。

3.根据权利要求1或2所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：包括，

利用描述序列特性的指标L-Z复杂度策略对量化信号频谱、计算频谱复杂度进行分类识别；

定义{s(k)}为信号的幅度频谱，k＝1，2，…，N，N为信号数据长度，对{s(k)}进行量化编码；

设置量化级数为L，令a＝max{s(k)}，表示信号幅度频谱的最大值，在(0，a]的区间上把{s(k)}分成L层，则有：

其中，{r(k)}表示{s(k)}量化后具有L个符号的数字序列。

4.根据权利要求3所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：还包括，

给定序列为r(1)，r(2)，…，r(N)，初始时向空生成池中添加r(1)，不失一般性，定义生成池中已有符号串r(1)r(2)…r(l)，l＜N，并且r(1)是由添加操作完成的；

令P＝r(1)r(2)…r(l)，Q＝r(l+1)，判断Q是否可以从POv中复制，即Q是否为PQv中的子串，其中，PQv表示把P、Q拼接在一起，删除最末一个字符得到的字符串；

若能复制，则P保持不变，Q续补一个符号，即Q＝r(l+1)r(l+2)；

若不能复制，则添加Q到生成池，P＝r(1)r(2)…r(l)r(l+1)，Q＝r(l+2)；

循环迭代，直至生成池中包含所有的重构序列，统计添加操作的次数C，即为L-Z复杂度，若最后一步操作是复制，则C要加1。

5.根据权利要求4所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：包括，

为避免噪声干扰先对信号{s(k)}进行平滑搜索处理，得到平滑频谱{s(k)}，如下，

其中，k＝1，2，…，N-step，平滑步长为step。

6.根据权利要求5所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：还包括，

计算所述平滑频谱{s(k)}的最大值，设定一个阈值threshold＝max(S(k))/2；

将{s(k)}的每一个数减去阈值threshold后，得到一个新的序列{S^*(k)}；

从序列{S^*(k)}的第一个位置k＝1开始，判断当前位置k所在的数值S^*(k)是否小于0；

若小于0，则将当前位置k所在的数值S^*(k)置0，直至k＝N-step截止，序列{S^*(k)}中的数值得到了更新；

设初始谱峰数p＝0，搜索序列{S^*(k)}，如果当前位置k所在的数值S^*(k)大于0，并且位置k-1所在的数值S^*(k-1)小于0，则p加1，序列{S^*(k)}遍历一遍；

判断p大小，如果p＝2，则表示该信号是二频编码信号，否则为其他信号。

7.根据权利要求6所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：包括，

利用拟合直线和信号瞬时频率的方差

来判断瞬时频率是否为直线，如下，

其中，f(n)表示信号的瞬时频率，

表示最小二乘拟合直线，α表示拟合直线

的斜率，β表示拟合直线的截距，α和β为待估计参数，通过计算出α和β，得到拟合直线。

8.根据权利要求7所述的基于频谱复杂度的雷达信号调制方式识别方法，其特征在于：还包括，二相编码信号二次方、四相编码信号四次方后，退化为常规雷达信号，具有一根离散单频谱线，即其经过平方处理后，频率复杂度降低，与常规雷达信号相同，利用平方法对调相信号的频谱复杂度特征进行计算，对信号进行识别。

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