CN114545342B - 利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，其实现方案为：1)处理接收到的雷达脉冲信号；2)构建融合脉冲信号序列；3)剔除融合脉冲信号序列中的虚假脉冲；4)构建每个信道对应的先验波形信息序列；5)构建每个信道对应的目标函数；6)获取目标函数最小化时的空域参数；7)获取高信噪比的雷达脉冲序列；8)估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的时域参数；9)估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频域参数。本发明提升高了对雷达脉冲信号时、频、空域参数的测量精度和对侦察接收机资源的利用效率。本发明方法可用于对雷达脉冲信号的时、频、空域参数进行准确测量，为后续信号处理、生成高性能电子情报提供重要前提。
Description
技术领域
本发明属于雷达通信技术领域，更进一步涉及电子对抗技术领域中的一种利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法。本发明可用于在多辐射源电磁环境下对雷达脉冲信号参数进行相对更准确的测量。
背景技术
雷达脉冲信号参数测量是电子侦察的重要环节。获取目标区域电磁环境内所截获雷达辐射源脉冲信号准确的参数测量与分析结果，可为正确识别辐射源类型、有效判断辐射源位置及威胁等级等信息，即生成高性能电子情报提供重要支撑。但现有参数测量技术不足以支撑密集且复杂的电磁环境对参数测量精度需求的变化，还存在脉冲丢失和虚假脉冲的问题，影响雷达脉冲信号的参数测量结果，导致失去电磁主动权，因此提出克服上述问题的雷达脉冲信号参数测量方法就显得尤为重要。
丁世谱在其发表的论文“STFT数字信道化的雷达脉冲参数测量改进算法”(《现代防御技术》,2017,45(3):133-138)中提出了一种基于改进STFT数字信道化的雷达脉冲信号参数测量方法。该方法首先利用STFT算法粗略估计出信号的起、止时间及载频；然后通过插值运算获取雷达脉冲信号频域参数的精估计值；接着利用Haar小波变换对雷达脉冲信号起、止时间进行精估计并求得脉宽，并且利用相关累加法得到雷达脉冲信号幅度的精确值，即获取雷达脉冲信号时域参数的精估计值；最后根据雷达脉冲信号的时、频域估计值进行空域参数测量。该方法仍存在不足之处，该方法通过增加信道数的方式改善了频域参数测量精度，但参数测量精度仍受限于待测量雷达脉冲信号的信噪比，无法适应密集且复杂的电磁环境对参数测量精度需求变化的问题。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法”(申请号202010789723.X，申请公开号：CN 112014810 A)中公开了一种基于FPGA与频域脉冲检测法的雷达脉冲信号参数测量方法。该方法首先将检测门限设置方式和固定门限值参数以及雷达侦察信号经模数转换器得到的原始数字信号传输至FPGA，对信号进行多路数据缓存；然后对原始数字信号进行分帧处理，对每帧数据做短时傅里叶变换获取对应频域数据，选取频率功率谱的峰值与判决门限做比较，判断目标信号是否存在；接着对于存在目标信号的频域数据，进行脉冲上升沿时刻和下降沿时刻的检测，据此得到雷达脉冲信号到达时间、脉宽、脉冲重复周期参数的测量值；同时，根据频率功率谱得到粗测频率值，并利用缓存的原始数字信号及设计的滤波器组得到雷达脉冲信号频域参数的测量值；之后利用滤波器输出最大能量值开方得到雷达脉冲信号幅度的测量值；最后按照通信协议将雷达脉冲描述字发送给上位机。该方法仅对单个通道的脉冲信号进行检测，不能正确地分离各雷达辐射源脉冲信号与电磁环境和接收机内部的噪声，存在脉冲丢失和虚假脉冲问题。
综上所述，对于雷达脉冲信号参数测量方法在现有电子对抗中的应用，目前已有的方法测量效果不理想，受限于待测量雷达脉冲信号的信噪比，存在无法适应密集且复杂的电磁环境对参数测量精度需求变化的问题；同时，不能正确地分离各雷达辐射源脉冲信号与电磁环境和接收机内部的噪声，存在脉冲丢失和虚假脉冲的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，用于解决现有的雷达脉冲信号参数测量方法中受限于待测量雷达脉冲信号的信噪比，无法适应密集且复杂的电磁环境对参数测量精度需求变化，忽略脉冲丢失和虚假脉冲影响的问题。
实现本发明目的具体思路是：本发明根据所有天线各信道的子频带信号构建各信道的目标函数，使用交替非线性最小二乘算法和交替线性最小二乘算法最小化各信道的目标函数，使雷达脉冲信号的信号特征尽可能得到最大化利用，得到高信噪比脉冲信号序列，解决了现有技术受限于待测量雷达脉冲信号的信噪比，存在无法适应密集且复杂的电磁环境对参数测量精度需求变化的问题。本发明根据所有天线的脉冲检测信号序列按照脉冲融合原则构建融合脉冲信号序列，使多通道侦察接收机的各天线通道具有互补性，各天线的脉冲检测信号序列互补生成更全面的脉冲检测结果，克服脉冲丢失问题，并利用序列差直方图算法从融合脉冲信号序列中提取出脉冲组，使虚假脉冲得到筛选和剔除，生成更准确的脉冲检测结果，克服虚假脉冲问题。
为实现上述目的，发明采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1，处理接收到的雷达脉冲信号：
(1a)对侦察接收机的每个天线在s秒内接收的雷达脉冲信号，以fs的采样频率进行等间隔采样，得到每个天线对应的采样序列，其中，所述雷达脉冲信号为单载频信号，s表示满足侦察接收机实时处理的要求在[0,1]范围内选取的一个实数值，fs≥2fh，fh表示侦察接收机接收信号的最大频率；
(1b)利用短时傅里叶变换法，对每个天线所对应的采样序列进行数字信道化，将每个采样序列均分为D个信道，其中，D＝2H,H表示根据雷达脉冲信号的频域测量精度要求选取的一个正整数；
(1c)计算各天线对应的每个信道的检测门限；
(1d)判断各天线对应的每个信道的子频带信号在每个时刻点的功率是否大于或等于该信道的检测门限，若是，则将该时刻记为“1”，否则，记为“0”，得到该信道的0-1检测信号序列，将每个天线所有信道的检测信号序列按照信道序号顺序和时刻对应的原则组成该天线的脉冲检测信号序列，将每个脉冲检测信号序列中至少连续出现V个“1”的脉冲信号视为该序列中的合并脉冲信号，其中，V表示根据采样频率与侦察接收机的接收时长选取的一个正整数；
步骤2，构建融合脉冲信号序列：
按照脉冲融合原则，将所有天线的脉冲检测信号序列按照天线序号顺序组成一个融合脉冲信号序列，将融合脉冲信号序列中至少连续出现V个“1”的脉冲信号视为融合脉冲信号；
步骤3，剔除融合脉冲信号序列中的虚假脉冲：
利用序列差直方图SDIF算法，将融合脉冲序列中脉冲重复间隔相同的融合脉冲信号组成一个脉冲组，得到脉冲重复间隔不同的多个脉冲组，将剩余的融合脉冲信号和脉冲组内脉冲信号数小于U的脉冲组中融合脉冲信号均视为虚假脉冲，将所有虚假脉冲在融合脉冲信号序列中对应时刻的“1”改为“0”，其中，U表示根据侦察接收机的接收时长选取的一个正整数；
步骤4，构建每个信道对应的先验波形信息序列：
从第1个天线中提取每个融合脉冲信号对应信道的子频带信号，将每个子频带信号在该融合脉冲信号的脉冲到达时间TOA之前的E个时刻与脉冲结束时间TOE之后E个时刻的信号幅度均更新为零，将更新信号幅度后每个信道的子频带信号作为该信道的先验波形信息序列，得到每个信道的先验波形信息序列，其中，E的取值与采样序列的长度有关；
步骤5，构建每个信道对应的目标函数如下：
其中，Ak表示第k个信道对应的目标函数，||·||F表示取Frobenius范数操作，Yk表示由所有天线的第k个信道的子频带信号组成的子频带信号矩阵，B(θk,γk)表示由所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的角度特征向量θk和复幅度特征向量γk组成的角度与复幅度综合特征矩阵，Sk表示从所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的信号特征向量组成的信号特征矩阵，ΔSk表示从所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的未知偏差特征组成的未知偏差特征矩阵，该矩阵中包含测量误差和多普勒频移因素；
步骤6，获取目标函数最小化时的空域参数：
利用交替非线性最小二乘NLS算法和交替线性最小二乘LS算法，对每个信道的目标函数做最小化处理，得到每个信道对应的角度估计值序列、复幅度估计值序列和未知偏差估计值序列；
步骤7，获取高信噪比的雷达脉冲序列：
(7a)将每个信道的先验波形信息序列与其对应信道的复幅度估计值序列和未知偏差估计值序列，组成该信道的校正先验波形信息序列，将所有信道的校正先验波形信息序列按信道序号顺序组成一个高信噪比脉冲序列；
(7b)按照脉冲序列分段原则，将高信噪比脉冲序列划分为多个高信噪比的雷达脉冲序列；
步骤8，估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的时域参数：
(8a)对每个雷达脉冲序列取模后得到该雷达脉冲序列的脉冲包络序列；
(8b)对每个脉冲包络序列进行自卷积，将所有自卷积结果的最大值所对应的时刻作为该脉冲包络序列中雷达脉冲信号中点所在的时刻；
(8c)将每个脉冲包络序列从对应的雷达脉冲信号中点处分为左半部分和右半部分，利用模型变化MCD算法，分别得到每个脉冲包络序列左、半部分中直流电平的跳变时刻；
(8d)将每个脉冲包络序列左半部分中直流电平的跳变时刻作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲到达时间估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲到达时间估计值；
(8e)将每个脉冲包络序列左、右两部分直流电平跳变时刻的时刻差作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲宽度估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲宽度估计值；
(8f)将每个脉冲包络序列在左、右两个直流电平跳变时刻之间的所有时刻的包络幅度取平均值作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲幅度估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲幅度估计值；
步骤9，估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频域参数：
(9a)计算每个雷达脉冲序列的延迟自相关结果；
(9b)利用坐标旋转数字CORDIC算法从每个雷达脉冲序列的延迟自相关结果中解调出该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的相位，用相位除以延迟点数得到该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频率估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频率估计值。
本发明与现有技术相比有以下优点：
第1，本发明构建信道目标函数，通过最小化信道目标函数使雷达脉冲信号的信号特征尽可能得到最大化利用，得到高信噪比脉冲信号序列，解决了现有技术受限于待测量雷达脉冲信号的信噪比，存在无法适应密集且复杂的电磁环境对参数测量精度需求变化的问题，使得本发明同时提升了时、空、频域的参数测量精度，可以支撑复杂电磁环境对参数测量精度更高的要求，应用场景更加广泛。
第2，本发明构建融合脉冲信号序列，多通道侦察接收机的各天线通道互补生成更全面的脉冲检测结果，克服了现有技术中存在的脉冲丢失问题，筛选并剔除了融合脉冲信号序列中的虚假脉冲，克服了现有技术中存在的虚假脉冲问题，使本发明中侦察接收机的各天线通道具有互补性，掌握了更全面、准确的敌方雷达信息，提高了对侦察接收机资源的利用效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的仿真结果图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图作作进一步的详细描述。显而易见地，下面描述中的附图和实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
参照图1，对本发明的具体实施步骤做进一步详细描述。
步骤1，处理接收到的雷达脉冲信号。
第1步，按照下式，对侦察接收机的每个天线在s秒内接收的雷达脉冲信号，以fs的采样频率进行等间隔采样，得到每个天线对应的采样序列，其中，所述雷达脉冲信号为单载频信号，s表示满足侦察接收机实时处理的要求在[0,1]范围内选取的一个实数值，fs≥2fh，fh表示侦察接收机接收信号的最大频率。
所述每个天线对应的采样序列是由下式得到的：
xa＝[xa(0),xa(1/fs),...,xa((L-1)/fs)]
其中，xa表示第a个天线在s秒内接收的雷达脉冲信号等间隔采样后的采样序列，xa(0)表示第a个天线接收的雷达脉冲信号在第0时刻的采样值，xa(1/fs)表示第a个天线接收的雷达脉冲信号在第1/fs时刻的采样值，L表示采样序列的长度，L＝round(s·fs)，round(·)表示四舍五入取整操作，xa((L-1)/fs)表示第a个天线接收的雷达脉冲信号在第(L-1)/fs时刻的采样值。
第2步，利用短时傅里叶变换法，对每个天线所对应的采样序列进行数字信道化，将每个采样序列均分为D个信道，其中，D＝2H,H表示根据雷达脉冲信号的频域测量精度要求选取的一个正整数。
第3步，按照下式，计算各天线对应的每个信道的检测门限：
其中，ηa,k表示第a个天线对应的第k个信道的检测门限，k表示信道的序号，k＝1,2,...,D，Q表示信道内子频带信号的时刻点的总数，Q＝Lc，Lc表示信道长度，Lc＝ceil(L/M)，ceil(·)表示向上取整操作，M表示短时傅里叶变换滑动窗口的滑动点数，∑表示求和操作，i表示信道内子频带信号的时刻点的序号，i＝1,2,...,Q，P表示侦察接收机的检测信道总数，其值是根据侦察接收机检测性能选取的一个正整数值，e表示侦察接收机检测信道的序号，e＝1,2,...,P，N表示短时傅里叶变换滑动窗口内子频带信号的时刻点总数，n表示短时傅里叶变换滑动窗口内子频带信号的时刻点的序号，n＝1,2,...,N，|·|表示取模操作，wn表示窗函数系数序列中的第n个系数，其取值是根据汉明窗的表达式在[0,1]范围内选取的一个数，sa(n+iM)表示第a个天线对应的采样序列在第n+iM个时刻的采样值，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，T表示第a个天线对应的第k-1个信道的子频带信号未过门限的时刻点的总数，b表示第a个天线对应的第k-1个信道的子频带信号未过门限时刻点的序号，b＝1,2,...,T，|Fa(k-1,b)|2表示第a个天线对应的第k-1个信道的子频带信号在第b个未过门限时刻的功率，|Fa(k-1,b)|2＜ηa,k-1，ηa,k-1表示第a个天线对应的第k-1个信道的检测门限。
第4步，判断各天线对应的每个信道的子频带信号在每个时刻点的功率是否大于或等于该信道的检测门限，若是，则将该时刻记为“1”，否则，记为“0”，得到该信道的0-1检测信号序列，将每个天线所有信道的检测信号序列按照信道序号顺序和时刻对应的原则组成该天线的脉冲检测信号序列，将每个脉冲检测信号序列中至少连续出现V个“1”的脉冲信号视为该序列中的合并脉冲信号，其中，V表示根据采样频率与侦察接收机的接收时长选取的一个正整数；
步骤2，构建融合脉冲信号序列：
按照如下脉冲融合原则，将所有天线的脉冲检测信号序列按照天线序号顺序组成一个融合脉冲信号序列，将融合脉冲信号序列中至少连续出现V个“1”的脉冲信号视为融合脉冲信号。
所述脉冲融合原则指的是，取脉冲到达时间TOA的最小值、取脉冲结束时间TOE的最大值、取脉冲幅度PA的平均值和脉冲频率RF的平均值；所述脉冲到达时间TOA是根据至少V个连续出现1值的合并脉冲信号其第一个1值所对应的时刻确定的；所述脉冲结束时间TOE是根据至少V个连续出现1值的合并脉冲信号其最后一个1值所对应的时刻确定的；所述脉冲幅度PA是根据脉冲到达时间TOA、脉冲结束时间TOE及该天线对应的采样序列确定的；所述脉冲频率RF是根据合并脉冲信号所对应信道的序号确定的。
步骤3，剔除融合脉冲信号序列中的虚假脉冲。
利用序列差直方图SDIF算法，将融合脉冲序列中脉冲重复间隔相同的融合脉冲信号组成一个脉冲组，得到脉冲重复间隔不同的多个脉冲组，将剩余的融合脉冲信号和脉冲组内脉冲信号数小于U的脉冲组中融合脉冲信号均视为虚假脉冲，将所有虚假脉冲在融合脉冲信号序列中对应时刻的“1”改为“0”，其中，U表示根据侦察接收机的接收时长选取的一个正整数。
步骤4，构建每个信道对应的先验波形信息序列。
从第1个天线中提取每个融合脉冲信号对应信道的子频带信号，将每个子频带信号在该融合脉冲信号的脉冲到达时间TOA之前的E个时刻与脉冲结束时间TOE之后E个时刻的信号幅度均更新为零，将更新信号幅度后每个信道的子频带信号作为该信道的先验波形信息序列，得到每个信道的先验波形信息序列，其中，E的取值与采样序列的长度有关。
步骤5，构建每个信道对应的目标函数如下：
其中，Ak表示第k个信道对应的目标函数，||·||F表示取Frobenius范数操作，
Yk表示由所有天线的第k个信道的子频带信号组成的子频带信号矩阵，B(θk,γk)表示由所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的角度特征向量θk和复幅度特征向量γk组成的角度与复幅度综合特征矩阵，Sk表示从所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的信号特征向量组成的信号特征矩阵，ΔSk表示从所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的未知偏差特征组成的未知偏差特征矩阵，该矩阵中包含测量误差和多普勒频移因素。
步骤6，获取目标函数最小化时的空域参数。
利用交替非线性最小二乘NLS算法和交替线性最小二乘LS算法，对每个信道的目标函数做最小化处理，得到每个信道对应的角度估计值序列、复幅度估计值序列和未知偏差估计值序列。
步骤7，获取高信噪比的雷达脉冲序列。
第1步，将每个信道的先验波形信息序列与其对应信道的复幅度估计值序列和未知偏差估计值序列，组成该信道的校正先验波形信息序列，将所有信道的校正先验波形信息序列按信道序号顺序组成一个高信噪比脉冲序列。
第2步，按照如下脉冲序列分段原则，将高信噪比脉冲序列划分为多个高信噪比的雷达脉冲序列。
所述脉冲分段原则指的是，取相邻融合脉冲信号中前一个融合脉冲信号的脉冲结束时间TOE和后一个融合脉冲信号的脉冲到达时间TOA的中间时刻作为高信噪比脉冲序列的每个分段点。
步骤8，估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的时域参数。
第1步，对每个雷达脉冲序列取模后得到该雷达脉冲序列的脉冲包络序列。
第2步，对每个脉冲包络序列进行自卷积，将所有自卷积结果的最大值所对应的时刻作为该脉冲包络序列中雷达脉冲信号中点所在的时刻。
第3步，将每个脉冲包络序列从对应的雷达脉冲信号中点处分为左半部分和右半部分，利用模型变化MCD算法，分别得到每个脉冲包络序列左、半部分中直流电平的跳变时刻。
第4步，将每个脉冲包络序列左半部分中直流电平的跳变时刻作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲到达时间估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲到达时间估计值。
第5步，将每个脉冲包络序列左、右两部分直流电平跳变时刻的时刻差作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲宽度估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲宽度估计值。
第6步，将每个脉冲包络序列在左、右两个直流电平跳变时刻之间的所有时刻的包络幅度取平均值作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲幅度估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲幅度估计值。
步骤9，估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频域参数：
第1步，按照下式，计算每个雷达脉冲序列的延迟自相关结果：
其中，Rg(τ)表示第g个雷达脉冲序列的延迟自相关结果，τ表示延迟点数，其值是根据频域测量精度要求选取的一个正整数，C表示第g个雷达脉冲序列的时刻点总数，a0表示第g个雷达脉冲序列的时刻点序号，a0＝1,2,...,C，rg(a0)表示第g个雷达脉冲序列在第a0个时刻的数据，rg *(a0-τ)表示第g个雷达脉冲序列在第a0-τ个时刻的共轭数据，*表示取共轭操作；
第2步，利用坐标旋转数字CORDIC算法从每个雷达脉冲序列的延迟自相关结果中解调出该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的相位，用相位除以延迟点数得到该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频率估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频率估计值。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i5 7200U CPU，主频为2.5GHz，内存4GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB 2020a。
本发明仿真实验所使用的输入参数如下：
1)雷达参数：
在本仿真中部署一个由3部雷达组成的雷达目标区域，三部雷达信号参数与位置参数如表1所示。
表1三部雷达的雷达参数表
2)侦察接收机参数：
侦察接收机中频为60MHz，带宽为150MHz，采样率为240MHz，共设置4个天线实现雷达信号接收，以所设置的第一个天线作为参考，其余三个天线的间距依次为0.45、1.5、5.0，间距以信号波长为单位。
3)其它参数：
侦察接收机的接收时长为0.75ms，短时傅里叶变换窗长为128，短时傅里叶变换滑动窗口的滑动点数为32。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明仿真实验是采用本发明和一个现有技术(基于STFT数字信道化的改进雷达脉冲信号参数测量方法)分别在0到20dB的范围内的不同信噪比下进行20次实验，得到了20次实验中平均雷达脉冲信号的时、频、空域参数估计值在每个信噪比下的均方根误差值，其结果如图2所示；同时，得到了20次实验中脉冲检测结果在每个信噪比下的平均脉冲丢失率，其结果如图2所示。
在仿真实验中采用的一个现有技术是指，丁世谱等人在其发表的论文“STFT数字信道化的雷达脉冲参数测量改进算法”(《现代防御技术》,2017,45(3):133-138)中提出的基于STFT数字信道化的改进雷达脉冲信号参数测量方法。
下面结合图2的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。
图2(a)为侦察接收机接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用本发明的方法和现有的方法分别对雷达脉冲信号的时域参数脉冲到达时间进行测量，得到的脉冲到达时间的均方根误差曲线图。图2(a)中的横坐标表示接收的雷达脉冲信号的信噪比，纵坐标表示脉冲到达时间的均方根误差。图2(a)中圆标线表示采用现有技术的仿真结果，星标线表示采用本发明方法的仿真结果。
图2(b)为侦察接收机接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用本发明的方法和现有的方法分别对雷达脉冲信号的时域参数脉冲宽度进行测量，得到的脉冲宽度的均方根误差曲线图。图2(b)中的横坐标表示接收的雷达脉冲信号的信噪比，纵坐标表示脉冲宽度的均方根误差。图2(b)中圆标线表示采用现有技术的仿真结果，星标线表示采用本发明方法的仿真结果。
图2(c)为侦察接收机接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用本发明的方法和现有的方法分别对雷达脉冲信号的时域参数脉冲幅度进行测量，得到的脉冲幅度的均方根误差曲线图。图2(c)中的横坐标表示接收的雷达脉冲信号的信噪比，纵坐标表示脉冲幅度的均方根误差。图2(c)中圆标线表示采用现有技术的仿真结果，星标线表示采用本发明方法的仿真结果。
图2(d)为侦察接收机接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用本发明的方法和现有的方法分别对雷达脉冲信号的频域参数脉冲频率进行测量，得到的脉冲频率的均方根误差曲线图。图2(d)中的横坐标表示接收的雷达脉冲信号的信噪比，纵坐标表示脉冲频率的均方根误差。图2(d)中圆标线表示采用现有技术的仿真结果，星标线表示采用本发明方法的仿真结果。
图2(e)为侦察接收机接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用本发明的方法和现有的方法分别对雷达脉冲信号的空域参数脉冲到达角进行测量，得到的脉冲到达角的均方根误差曲线图。图2(e)中的横坐标表示接收的雷达脉冲信号的信噪比，纵坐标表示脉冲到达角的均方根误差。图2(e)中圆标线表示采用现有技术的仿真结果，星标线表示采用本发明方法的仿真结果。
从图2(a)～(c)中可以看出，在接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用本发明方法的时域参数均方根误差在0到20dB的范围内的每个信噪比下均小于采用现有方法的时域参数均方根误差，说明本发明方法较现有方法对雷达脉冲信号时域参数的测量性能有较大的提升。
从图2(d)中可以看出，在接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用现有方法的脉冲频率均方根误差曲线随着信噪比的升高而降低，在12dB时趋于稳定，达到14MHz左右，采用本发明方法的脉冲频率均方根误差曲线在10dB时趋于稳定，达到5kHz左右，说明本发明方法较现有方法对雷达脉冲信号频域参数的测量性能有较大的提升。
从图2(e)中可以看出，在接收的雷达脉冲信号相同的条件下，采用现有方法的脉冲到达角均方根误差曲线随着信噪比的升高而降低，在12dB时趋于稳定，达到2.6°左右，采用本发明方法的脉冲到达角均方根误差曲线在10dB时趋于稳定，达到0.01°左右，说明本发明方法较现有方法对雷达脉冲信号空域参数的测量性能有较大的提升。
以上仿真实验结果表明，在接收的雷达脉冲信号相同的条件下，本发明方法得到的雷达脉冲信号时、频、空域参数均方根误差小于现有方法得到的雷达脉冲信号时、频、空域参数均方根误差；本发明进一步提升了雷达脉冲信号时、空、频域的参数测量性能，是一种精度更高的雷达脉冲参数测量方法。
Claims (6)
1.一种利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，其特征在于，该参数测量方法利用多通道侦察接收机的脉冲检测结果构建融合脉冲信号序列，实现脉冲确认与虚假脉冲剔除，并利用先验波形信息构建高信噪比脉冲序列，获取雷达脉冲信号的时频空多域参数估计值；该方法具体步骤包括如下：
步骤1，处理接收到的雷达脉冲信号：
(1a)对侦察接收机的每个天线在s秒内接收的雷达脉冲信号，以fs的采样频率进行等间隔采样，得到每个天线对应的采样序列，其中，所述雷达脉冲信号为单载频信号，s表示满足侦察接收机实时处理的要求在[0,1]范围内选取的一个实数值，fs≥2fh，fh表示侦察接收机接收信号的最大频率；
(1b)利用短时傅里叶变换法，对每个天线所对应的采样序列进行数字信道化，将每个采样序列均分为D个信道，其中，D＝2H,H表示根据雷达脉冲信号的频域测量精度要求选取的一个正整数；
(1c)计算各天线对应的每个信道的检测门限；
(1d)判断各天线对应的每个信道的子频带信号在每个时刻点的功率是否大于或等于该信道的检测门限，若是，则将该时刻记为“1”，否则，记为“0”，得到该信道的0-1检测信号序列，将每个天线所有信道的检测信号序列按照信道序号顺序和时刻对应的原则组成该天线的脉冲检测信号序列，将每个脉冲检测信号序列中至少连续出现V个“1”的脉冲信号视为该序列中的合并脉冲信号，其中，V表示根据采样频率与侦察接收机的接收时长选取的一个正整数；
步骤2，构建融合脉冲信号序列：
按照脉冲融合的原则，将所有天线的脉冲检测信号序列按照天线序号顺序组成一个融合脉冲信号序列，将融合脉冲信号序列中至少连续出现V个“1”的脉冲信号视为融合脉冲信号；
步骤3，剔除融合脉冲信号序列中的虚假脉冲：
利用序列差直方图SDIF算法，将融合脉冲序列中脉冲重复间隔相同的融合脉冲信号组成一个脉冲组，得到脉冲重复间隔不同的多个脉冲组，将剩余的融合脉冲信号和脉冲组内脉冲信号数小于U的脉冲组中融合脉冲信号均视为虚假脉冲，将所有虚假脉冲在融合脉冲信号序列中对应时刻的“1”改为“0”，其中，U表示根据侦察接收机的接收时长选取的一个正整数；
步骤4，构建每个信道对应的先验波形信息序列：
从第1个天线中提取每个融合脉冲信号对应信道的子频带信号，将每个子频带信号在该融合脉冲信号的脉冲到达时间TOA之前的E个时刻与脉冲结束时间TOE之后E个时刻的信号幅度均更新为零，将更新信号幅度后每个信道的子频带信号作为该信道的先验波形信息序列，得到每个信道的先验波形信息序列，其中，E的取值与采样序列的长度有关；
步骤5，构建每个信道对应的目标函数如下：
其中，Ak表示第k个信道对应的目标函数，||·||F表示取Frobenius范数操作，Yk表示由所有天线的第k个信道的子频带信号组成的子频带信号矩阵，B(θk,γk)表示由所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的角度特征向量θk和复幅度特征向量γk组成的角度与复幅度综合特征矩阵，Sk表示从所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的信号特征向量组成的信号特征矩阵，ΔSk表示从所有天线的第k个信道的子频带信号中提取的未知偏差特征组成的未知偏差特征矩阵，该矩阵中包含测量误差和多普勒频移因素；
步骤6，获取目标函数最小化时的空域参数：
利用交替非线性最小二乘NLS算法和交替线性最小二乘LS算法，对每个信道的目标函数做最小化处理，得到每个信道对应的角度估计值序列、复幅度估计值序列和未知偏差估计值序列；
步骤7，获取高信噪比的雷达脉冲序列：
(7a)将每个信道的先验波形信息序列与其对应信道的复幅度估计值序列和未知偏差估计值序列，组成该信道的校正先验波形信息序列，将所有信道的校正先验波形信息序列按信道序号顺序组成一个高信噪比脉冲序列；
(7b)按照脉冲序列分段原则，将高信噪比脉冲序列划分为多个高信噪比的雷达脉冲序列；
步骤8，估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的时域参数：
(8a)对每个雷达脉冲序列取模后得到该雷达脉冲序列的脉冲包络序列；
(8b)对每个脉冲包络序列进行自卷积，将所有自卷积结果的最大值所对应的时刻作为该脉冲包络序列中雷达脉冲信号中点所在的时刻；
(8c)将每个脉冲包络序列从对应的雷达脉冲信号中点处分为左半部分和右半部分，利用模型变化MCD算法，分别得到每个脉冲包络序列左、半部分中直流电平的跳变时刻；
(8d)将每个脉冲包络序列左半部分中直流电平的跳变时刻作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲到达时间估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲到达时间估计值；
(8e)将每个脉冲包络序列左、右两部分直流电平跳变时刻的时刻差作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲宽度估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲宽度估计值；
(8f)将每个脉冲包络序列在左、右两个直流电平跳变时刻之间的所有时刻的包络幅度取平均值作为该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲幅度估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的脉冲幅度估计值；
步骤9，估计每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频域参数：
(9a)计算每个雷达脉冲序列的延迟自相关结果；
(9b)利用坐标旋转数字CORDIC算法从每个雷达脉冲序列的延迟自相关结果中解调出该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的相位，用相位除以延迟点数得到该雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频率估计值，得到每个雷达脉冲序列中雷达脉冲信号的频率估计值。
2.根据权利要求1所述的利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，其特征在于，步骤(1a)中所述每个天线对应的采样序列是由下式得到的：
xa＝[xa(0),xa(1/fs),…,xa((L-1)/fs)]
其中，xa表示第a个天线在s秒内接收的雷达脉冲信号等间隔采样后的采样序列，xa(0)表示第a个天线接收的雷达脉冲信号在第0时刻的采样值，xa(1/fs)表示第a个天线接收的雷达脉冲信号在第1/fs时刻的采样值，L表示采样序列的长度，L＝round(s·fs)，round(·)表示四舍五入取整操作，xa((L-1)/fs)表示第a个天线接收的雷达脉冲信号在第(L-1)/fs时刻的采样值。
3.根据权利要求2所述的利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，其特征在于，步骤(1c)中所述各天线对应的每个信道的检测门限是由下式得到的：
其中，ηa,k表示第a个天线对应的第k个信道的检测门限，k表示信道的序号，k＝1,2,...,D，Q表示信道内子频带信号的时刻点的总数，Q＝Lc，Lc表示信道长度，Lc＝ceil(L/M)，ceil(·)表示向上取整操作，M表示短时傅里叶变换滑动窗口的滑动点数，∑表示求和操作，i表示信道内子频带信号的时刻点的序号，i＝1,2,...,Q，P表示侦察接收机的检测信道总数，其值是根据侦察接收机检测性能选取的一个正整数值，e表示侦察接收机检测信道的序号，e＝1,2,...,P，N表示短时傅里叶变换滑动窗口内子频带信号的时刻点总数，n表示短时傅里叶变换滑动窗口内子频带信号的时刻点的序号，n＝1,2,...,N，|·|表示取模操作，wn表示窗函数系数序列中的第n个系数，其取值是根据汉明窗的表达式在[0,1]范围内选取的一个数，sa(n+iM)表示第a个天线对应的采样序列在第n+iM个时刻的采样值，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，T表示第a个天线对应的第k-1个信道的子频带信号未过门限的时刻点的总数，b表示第a个天线对应的第k-1个信道的子频带信号未过门限时刻点的序号，b＝1,2,...,T，|Fa(k-1,b)|2表示第a个天线对应的第k-1个信道的子频带信号在第b个未过门限时刻的功率，|Fa(k-1,b)|2＜ηa,k-1，ηa,k-1表示第a个天线对应的第k-1个信道的检测门限。
4.根据权利要求1所述的利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，其特征在于，步骤2中所述脉冲融合原则指的是，取脉冲到达时间TOA的最小值、取脉冲结束时间TOE的最大值、取脉冲幅度PA的平均值和脉冲频率RF的平均值；所述脉冲到达时间TOA是根据至少V个连续出现1值的合并脉冲信号其第一个1值所对应的时刻确定的；所述脉冲结束时间TOE是根据至少V个连续出现1值的合并脉冲信号其最后一个1值所对应的时刻确定的；所述脉冲幅度PA是根据脉冲到达时间TOA、脉冲结束时间TOE及该天线对应的采样序列确定的；所述脉冲频率RF是根据合并脉冲信号所对应信道的序号确定的。
5.根据权利要求1所述的利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，其特征在于，步骤(7b)中所述脉冲分段原则指的是，取相邻融合脉冲信号中前一个融合脉冲信号的脉冲结束时间TOE和后一个融合脉冲信号的脉冲到达时间TOA的中间时刻作为高信噪比脉冲序列的每个分段点。
6.根据权利要求1所述的利用多通道侦察接收机的雷达脉冲信号参数测量方法，其特征在于，步骤(9a)中所述每个雷达脉冲序列的延迟自相关结果是由下式得到的：
其中，Rg(τ)表示第g个雷达脉冲序列的延迟自相关结果，τ表示延迟点数，其值是根据频域测量精度要求选取的一个正整数，C表示第g个雷达脉冲序列的时刻点总数，a0表示第g个雷达脉冲序列的时刻点序号，a0＝1,2,...,C，rg(a0)表示第g个雷达脉冲序列在第a0个时刻的数据，rg *(a0-τ)表示第g个雷达脉冲序列在第a0-τ个时刻的共轭数据，*表示取共轭操作。
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