CN116087890A - 提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统和方法，进入搜索流程；四个接收通道设置不同的频点，切换频点；各个通道均进行时频域分析并绘制频谱能量图；通过循环处理分析每个工作频段的信号，寻找感兴趣的或威胁度较高的信号；确定感兴趣的信号所在频段或频点后，所有通道相参且工作在同一频点；四通道都进行信号检测、频率测量、脉冲到达时间测试和脉冲宽度估计，通过四单元相位干涉进行信号的到达角度测量，最终形成PDW参数；对信号脉内特征进行分析；根据配置参数的变化决定接受流程或更新参数后继续采集。本发明提供的系统运用前端本振相参设计可对四个通道进行比相测角，通过测角结果可实现对信号空域上的识别。

Description

提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统和方法

技术领域

本发明提供一种提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统和方法，属于雷达系统电子对抗技术领域。

背景技术

雷达系统在复杂战场环境中能否满足作战需求，具备良好的抗干扰能力是决定其战斗力生成的关键。在真实的战场环境中，众多的影响因素、因素间的耦合交互作用、因素的复杂多样性、大量的约束条件等都给抗干扰试验设计带来了极大的挑战。要弄清楚试验场景和作战场景的差别，除了需要弄清楚各种典型战场电磁环境的本质、特点、干扰机理、表征方法及数学模型，还需要针对性的对战场环境和试验环境进行时域、能域、频域和空域等多维度的电磁信号采集和分析，用分析结果提供场景反馈回路，来建设更加真实的战场环境。

目前并无针对雷达系统电子对抗而设计的信号采集和分析的相关方案。现在信号采集方案大多针对通信信号。其方案主要为在射频前端布置信号采集单元，组成采集模块阵列。各采集模块采集所在对应的频段、强度以及方位角的电磁信号，并将所采集数据传输至信号处理单元，信号处理单元根据所采集数据分为不同存储通道存储至存储单元，以保持数据的真实性。

现有环境信号采集方式通过由阵列式的采集模块组成的信号采集单元对电磁信号进行多通道数据采集，但由于通道之间不具备相参性，无法进行信号空间方位分析，且带宽在几十MHz，也无法满足雷达宽频带的工作的环境要求。同时其存储单元容量通常在1000GB以内，对于宽带信号来说，存储时间太短。采集后的信号分析也仅对电磁环境的动态进行监测预警，当出现较大变化时形成警示信息，而没有对信号的特性进行进一步分析。也无法自动化的更具当前环境进行有针对性的信号甄选和识别，从而形成反馈回路来指导采集系统对有效电磁环境信号进行采集分析。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统，包括主控单元、中频单元、射频单元、天线单元；

系统内设四个独立的接收采集通道，每个通道独立接收一路射频信号进行信号分析及PDW参数测量；

天线单元中，设有8组0.8GHz~18GHz辐射天线，4组天线组成垂直线阵，4组天线组成水平线阵。当进行信号侦收采集试验时，通过主控单元配置试验参数，系统通过天线单元接收雷达射频信号，射频单元通过开关切换来确定接收垂直线阵接收的四路信号还是水平线阵接收的四路信号，并将接收指定频点的射频信号变频至中频600MHz，四路中频信号数字变频至基带后同时传输至角度测量模块，进行DOA参数的测量。同时选择一路数字信号进行记录存储、实时频谱计算、PDW参数分析处理，记录的数据传输至存储阵列进行存储，计算的信号频谱传输至主控单元进行实时显示，分析的PDW参数与测得的DOA数据合成一组参数，传输至主控单元显示并记录存储；

主控单元，控制整个系统工作，主控单元完成工作流程及模式的控制、参数的配置及下发、工作状态的接收与显示、波形时频域数据的显示、记录存储文件的管理与分析功能，且具备接收远程控制能力；

中频单元，用于完成四通道信号的模数转换、PDW参数的测量、频谱数据的计算；中频单元除了PDW参数测量外，还包括了一块存储阵列，进行基带数据的存储记录，用于事后分析，具体记录的数据选择任一通道。

射频单元，用于完成射频信号下变频、功率调制、检波输出；射频单元工作频段分为0.8GHz~18GHz，四个通道为独立的通道，每个通道能设置不同的频点，四个通道能合成为4GHz瞬时带宽进行工作，每个频段的信号均能变频及信号处理。射频单元将指定频段的信号变频至600MHz±500MHz中频信号。

系统配置有大容量高速率的存储阵列，存储阵列由16块mSATA盘构成，容量共16TB，存储速率＞4.8GB/s。能够选择记录存储任一路基带信号数据。

本发明还提供提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析方法，采用上述的系统，包括以下步骤：

S1.系统开始工作，根据设置的采集频率范围和角度范围进入搜索流程；

S2.系统四个接收通道设置不同的频点，并根据一定的时间间隔进行切换频点，以保证在一定时间内，覆盖整个工作频段；

S3.系统各个通道均进行时频域分析并绘制频谱能量图；

S4.同时将系统各通道采集的信号进行记录存储；

S5.通过循环处理分析每个工作频段的信号，以寻找感兴趣的或威胁度较高的信号；

S6.确定感兴趣的信号所在频段或频点后，所有通道相参且工作在同一频点；

S7.四通道都进行信号检测、频率测量、脉冲到达时间测试和脉冲宽度估计，通过四单元相位干涉进行信号的到达角度测量，最终形成PDW参数；

S8.在形成PDW参数后，对信号脉内特征进行分析；分析结果反馈到人机交互界面，从而调制环境信号采集参数；

S9.系统根据配置参数的变化决定接受流程或更新参数后继续采集。

本发明具有的技术效果：

本发明提供的系统运用前端本振相参设计可对四个通道进行比相测角，通过测角结果可实现对信号空域上的识别。四通道射频均为1GHz带宽，通过频率扫描可对信号的频域进行全面扫描，更高带宽可是扫描速率提高40倍以上。而且频率范围也拓展到0.8GHz~18GHz，频率覆盖范围扩大近10倍，包含通信、卫星、雷达的工作频段。后端通过FPGA实现实时的时频谱分析、PDW参数检测和脉内信号分析，信号分析速度相对于传统的CPU处理从秒级缩短到毫秒级，提高了近1000倍。而环境信号存储容量也由于SATA技术的使用，从1000GB提高到16TB，提高近16倍。系统的运用高速总线和图形化分析软件，使人机交互效率提高。能够更加完整记录电子对抗环境下的电磁信号，从而在试验室恢复出电子对抗环境，运用此环境来提升雷达电子对抗性能。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明频率搜索原理图；

图3是本发明的通道频点随时间变化示意图；

图4是本发明到达时间估计流程；

图5是本发明相位差解缠绕示意；

图6是本发明雷达信号调制方式识别流程；

图7是本发明工作流程框图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统，包括主控单元、中频单元、射频单元、天线单元等模块组成。

该系统主要用于雷达电子对抗环境下的电池信号的采集存储与分析显示等处理。该系统主要有四个独立的接收采集通道。每个通道可独立接收一路射频信号进行信号分析及PDW参数测量，独立使用时不测角。

天线单元，具有8组0.8GHz~18GHz辐射天线，4组天线组成垂直线阵，4组天线组成水平线阵。当进行信号侦收采集试验时，通过主控单元配置试验参数，系统通过天线接收雷达射频信号，射频单元可通过开关切换来确定接收垂直线阵接收的四路信号还是水平线阵接收的四路信号，并将接收指定频点的射频信号变频至中频600MHz，四路中频信号数字变频至基带后同时传输至角度测量模块，进行DOA参数的测量。同时选择一路数字信号进行记录存储、实时频谱计算、PDW参数分析等处理，记录的数据传输至存储阵列进行存储，计算的信号频谱传输至主控单元进行实时显示，分析的PDW参数与测得的DOA数据合成一组参数，传输至主控单元显示并记录存储。

整个系统工作由主控单元控制，该单元主要完成工作流程及模式的控制、参数的配置及下发、工作状态的接收与显示、波形时频域数据的显示、记录存储文件的管理与分析等功能，且具备接收远程控制能力。

中频单元主要完成四通道信号的模数转换、PDW参数的测量、频谱数据的计算等功能。中频单元除了PDW参数测量外，还包括了一块存储阵列，进行基带数据的存储记录，以便事后分析，具体记录的数据可选择任一通道。

射频单元主要完成射频信号下变频、功率调制、检波输出等功能。射频单元工作频段分为0.8GHz~18GHz，四个通道为独立的通道，每个通道可设置不同的频点，四个通道可合成为4GHz瞬时带宽进行工作，每个频段的信号均可变频及信号处理。射频单元将指定频段的信号变频至600MHz±500MHz中频信号。

系统配置有大容量高速率的存储阵列，存储阵列由16块mSATA盘构成，容量共16TB，存储速率＞4.8GB/s。能够选择记录存储任一路基带信号数据。

系统的基带采样率为：1200MHz，能够处理分析瞬时带宽为1GH的基带信号（工作时钟150MHz，八路并行处理）。

系统配备一套天线阵列，能够进行信号空馈的接收与DOA的测量。垂直线阵主要完成到达俯仰角的测量，水平线阵主要完成方位角的测量。

该系统的工作原理为：

1.频率搜索

实时环境信号采集分析系统适应0.8GHz~18GHz 的宽频段信号采集处理，而在单接收通道中实现的为直接将1GHz 带宽信号正交下变频，变成基带的I/Q复信号进行存储记录和数据分析。所以为了覆盖0.8GHz~18GHz的宽频段，如图2所示，系统采用顺序步进式搜索来检测雷达信号：首先将宽频段等间隔分为5个子频段（四个通道一次搜索可以覆盖4GHz频段信号，频段共17.2GHz，分五次搜索），相邻频段之间有一定的重频频率。然后接收通道等时间间隔、周期顺序搜索5个子频段。在搜索到某个子频段存在信号后，不断调整接收机本振频率使其对准信号的中心频率。在设定好接收机频率、带宽、幅度等参数后，系统进行信号采集、测量、判决、存储。当连续一段时间未检测到信号后，系统自动重新开始上述频率搜索过程。

由于在搜索过程中，信号的频率和幅度都是未知的，并不确定当前的本振频率和幅度增益是否适合当前的信号，所以采取幅度和频率二维搜索方法，即当设定好一个接收机本振频率后，依次调整信号幅度增益，检测在当前本振频率时，不同的幅度增益的情况下，检测该频段是否存在信号；如果未检测到信号，则改变本振频率，在下一频段进行同样的搜索，直到搜索到信号。若是在指定频段内都未搜到信号，则又重新从起始频率开始搜索。如图3所示。

2.PDW参数形成

脉冲描述字（Pulse Description Word,PDW）形成是接收机的重要环节，一般应用到信道化设计后面，即根据信道化结果实现信号检测、脉冲参数测量，进而将各参数组成PDW用于后续的信号分析，如雷达信号分选。PDW一般包括脉冲到达时间（Time Of Arrival，TOA）、到达方向（Direction Of Arrival，DOA）、载波频率（Carrier Frequency，CF）、脉冲宽度（Pulse Width，PW）和脉冲幅度（Pulse Amplitude，PA）这传统的5大参数。

2.1信号检测

信号检测是实现参数测量的前提，主要是基于信道化后形成的I、Q信息完成脉冲有无的判断，并给出脉冲指示。检测方法主要有频域检测法和时域检测法两类。在频域检测法中，使用FFT得到信号的频谱。这种方法可以有效提取信号的频域信息，检测效果好，但是，由于FFT运算需要积累，实时性较差，在硬件实现时存在较大的时延且消耗大量的资源，影响系统的实时处理性能，不利于对脉冲起始时刻和脉冲宽度的估计。时域检测法有幅度检测法和自相关检测法，检测时间短，但一般抗噪性能较弱。同时由于接收机受环境包括自身接收机噪声状态、信号传播环境、信号能量大小的影响较大，实际检测时对这个阈值的选取会比较棘手。本方案采取静态问值检测方法实现信号的检测。

幅度检测法，即根据信道化后求得的I、Q信号计算出信号的幅度并与阈值比较来确定信号的有无。接收机中FPGA通过CORDIC算法得到信号的幅度和相位信息后，可以通过幅度判决提取信号脉冲。信道化接收机没有信号输入时，采样的数据中只有噪声，假设噪声为高斯白噪声，其概率密度函数服从高斯分布，噪声包络的概率密度函数服从瑞利分布，虚警概率可以写为

其中，为虚警概率，为阈值，r为信号包络幅度，为噪声方差，则上式进一步可以写为

根据上式，可以事先估计噪声，根据虚警概率来确定检测阈值。因此，静态阈值检测中噪声的估计成为关键。可以先利用接收采集到的仅含噪声的信号，估算出噪声，进而求出，将此作为固定阈值接入程序。

结合信道化数字接收，静态阈值检测依据信道化输出的频域、时域信息来检测脉冲。利用下式可以确定信号位于第k个子通道：

其中，为第k个子信道的幅度，为设定的阈值，为信道化结构子信道的有效带宽，为第k个子信道频率估计。

2.2脉冲到达时间和脉冲宽度估计

1）脉冲到达时间

如图4所示，系统中对达到时间估计的流程如下图所示。其中，输入信号经包络检波后为。将与检测门限进行比较，当时，视为存在脉冲，并检测脉冲的上升沿，即脉冲的起始部分。每次脉冲上升沿到来时，时间计数器的计数结果与上一次的累加形成新的并作为参数输出。然后清空时间计数器，重新开始计数，等待下一次脉冲上升沿的到来。上述方法为累加计时方法，也可在采集侦收时间段内保证计数器可重新清零计算后，在上升沿到达后，接收机直接锁存时间计数值，作为TOA。

2）脉宽宽度估计

首先对信号进行包络检波，得到检波脉冲。记下检波脉冲的上升沿/下降沿时刻。同一个脉冲下降沿时刻减上升沿时刻，得到脉宽。脉宽的精度与系统采用的时钟有关系。

2.3频率测量

频率测量采用相位差测频算法。相对于频域测量方法，瞬时相位差测频计算量较小，能够满足实时性要求。在模拟域中，连续信号的频率与信号相位的关系为

在模拟域中频率是相位的一阶导数，在数字域中频率是相位的一阶差分

其中，T是采样周期。因为正弦信号具有周期性，信号的瞬时相位在范围内均匀递增或递减，如果对信号进行相位差测频时选取的两个相不在同一区间内，则需要对相位上加上一个修正值，其初始值为，从而使两个相位处于同一个区间内，即需要对解缠绕处理。修正值满足下式。

如图5所示，时刻的相位小于时刻的相位值，此时需要对相位进行解缠绕处理，即在瞬时相位差后，加上修正因子。

用N点相位差的平均来减少噪声对信号测频的影响，平均后的信号频率为

2.4角度测量

角度测量即雷达信号到达角（DOA）测量，角度测量有两类，一类是单天线最大值法，另一类是多天线比较法。单天线最大值法是利用单天线的转动，比较不同天线指向时接收到的雷达信号幅度获得雷达信号的到达角；多天线比较法是利用多个天线接收信号，然后比较各天线接收信号的幅度、相位或到达时间，得出雷达信号的到达角，包括比幅测向、比相测向、时差测向。本方案采取比相测向方法。

多个天线接收的同一雷达信号具有相位差，这个相位差是由雷达信号到达不同单元天线的距离差引起的，不同到达方向的相位差不相同。比相测向法又称干涉仪测向法，是建立相位差与到达角的对应关系，通过测量相位差计算雷达信号的到达方向。系统采用横向4天线和纵向4天线，分别测量到达角的方位角和俯仰角。测角时，以第一通道为参考，分别测量其他三个通道与第一个通道的相位差。根据下式，即可得到雷达信号到达角。

式中，为各天线与参考天线接收信号的路程差；为各天线与参考天线之间的距离，即基线长度；为各天线接收信号与参考天线的相位差；为电磁波的波长。为入射角度。

3.数据存储记录

记录数据存储主要是记录的基带IQ数据，基带信号按1.2GHz采样率采样，存储位数为IQ各16bit，即单点数据32bit，则数据率为

该数据率采用DDR存储器可以满足，但DDR存储器容量较小，一般为4GB，存储时间较短。当需要更长时间的存储时，采用存储阵列进行存储，1个存储阵列由16块存储盘构成，每块存储盘容量为1TB。每块存储盘的存储速度大于300MB/s，采用16个盘并行处理，则理论速率可大于，因此当长时间存储时，采用存储阵列满足记录存储的功能要求。

4.时频显示

时频显示功能主要是用于实时信号监测与信号的人工分选等。信号时域波形实时显示由FPGA采集后的基带数据抽取后传输至上位机，上位机软件根据一定的速率，刷新显示采集到的时域波形信号。而信号频域波形则由FPGA做FFT后数据传输至上位机，上位机软件读取后进行刷新显示。

5.脉内信号分析

雷达信号的调制方式差异能够直接反映在信号的时域波形和频域频谱上，由于噪声的影响，通常情况下在时域波形上不能直观反映调制信号的波形特点。本方案采用频谱复杂度进行雷达信号识别。能够识别的信号主要包括常规信号、BPSK信号、QPSK信号、2FSK、LFM、NLFM等六种信号。具体识别流程如图6。

步骤1：对接收信号进行FFT变换，求得其频谱，对功率谱进行平滑去噪处理，利用复杂度计算方法计算平滑功率谱的复杂度C。

步骤2：根据复杂度C的大小设定一个阀值th1（可取4），将信号分为常规雷达信号和其他信号两类，其他信号包含二相编码信号、四相编码信号、线性调频信号、非线性调频信号和2FSK信号。若判断为其他信号，则进入步骤3处理。

步骤3：对平滑后的功率谱进行谱峰搜索，根据谱峰个数p的数值，对信号进行判断。由前面的信号特征分析可知，2FSK信号的谱峰数p为2，即th2间值可取2，因而判断为2FSK信号，否则判断为其他信号，进入步骤4处理。

步骤4：对原信号进行平方，求出平方处理后信号的频谱，并进行频域平滑处理，同样根据复杂度计算方法，计算出平方信号平滑频谱的复杂度square_c，由信号特征分析可知，二相编码信号平方处理后退化为常规雷达信号。根据这一特点，采取与步骤2相同的判断方法，对信号进行分类，判断信号是不是属于二相编码信号，否则进入步骤5处理

步骤5：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、线性调频信号平方后带宽为原来的两倍这些特征，可以判断出信号是否属于四相编码信号，否则进入步骤6进行处理。

步骤6：经过前面几步处理之后，剩余的未识别信号为线性调频信号和非线性调频信号。根据前面的特征分析可知，线性调频信号的瞬时频率是一条直线，因而采用最小二乘算法，求出瞬时频率的拟合直线，根据拟合直线与瞬时频率的方差ε大小，设定一个合适的阀值th3，判断信号是否属于线性调频信号，否则属于非线性调频信号。

本发明的环境信号采集分析系统的工作流程框图如图7所示：

提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析方法，包括以下步骤：

S1.系统开始工作，根据设置的采集频率范围和角度范围进入搜索流程；

S2.系统四个接收通道设置不同的频点，并根据一定的时间间隔进行切换频点，以保证在一定时间内，覆盖整个工作频段；

S3.系统各个通道均进行时频域分析并绘制频谱能量图；

S4.同时将系统各通道采集的信号进行记录存储；

S5.通过循环处理分析每个工作频段的信号，以寻找感兴趣的或威胁度较高的信号；

S6.确定感兴趣的信号所在频段或频点后，所有通道相参且工作在同一频点；

S7.四通道都进行信号检测、频率测量、脉冲到达时间测试和脉冲宽度估计，通过四单元相位干涉进行信号的到达角度测量，最终形成PDW参数；

S8.在形成PDW参数后，对信号脉内特征进行分析。分析结果反馈到人机交互界面，从而调制环境信号采集参数；

S9.系统根据配置参数的变化决定接受流程或更新参数后继续采集。

Claims (3)

1.提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统，其特征在于，包括主控单元、中频单元、射频单元、天线单元；

系统内设四个独立的接收采集通道，每个通道独立接收一路射频信号进行信号分析及PDW参数测量；

天线单元中，设有8组0.8GHz~18GHz辐射天线，4组天线组成垂直线阵，4组天线组成水平线阵；当进行信号侦收采集试验时，通过主控单元配置试验参数，系统通过天线单元接收雷达射频信号，射频单元通过开关切换来确定接收垂直线阵接收的四路信号还是水平线阵接收的四路信号，并将接收指定频点的射频信号变频至中频600MHz，四路中频信号数字变频至基带后同时传输至角度测量模块，进行DOA参数的测量；同时选择一路数字信号进行记录存储、实时频谱计算、PDW参数分析处理，计算的信号频谱传输至主控单元进行实时显示，分析的PDW参数与测得的DOA数据合成一组参数，传输至主控单元显示并记录存储；

主控单元，控制整个系统工作，主控单元完成工作流程及模式的控制、参数的配置及下发、工作状态的接收与显示、波形时频域数据的显示、记录存储文件的管理与分析功能，且具备接收远程控制能力；

中频单元，用于完成四通道信号的模数转换、PDW参数的测量、频谱数据的计算；中频单元还包括了一块存储阵列，进行基带数据的存储记录；

射频单元，用于完成射频信号下变频、功率调制、检波输出；射频单元工作频段分为0.8GHz~18GHz，四个通道为独立的通道，每个通道能设置不同的频点，四个通道能合成为4GHz瞬时带宽进行工作，每个频段的信号均能变频及信号处理；射频单元将指定频段的信号变频至600MHz±500MHz中频信号。

2.根据权利要求1所述的提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统，其特征在于，所述的天线单元中设有存储阵列，记录的数据传输至存储阵列进行存储。

3.提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统，包括以下步骤：

S1.系统开始工作，根据设置的采集频率范围和角度范围进入搜索流程；

S2.系统四个接收通道设置不同的频点，并根据一定的时间间隔进行切换频点，以保证在一定时间内，覆盖整个工作频段；

S3.系统各个通道均进行时频域分析并绘制频谱能量图；

S4.同时将系统各通道采集的信号进行记录存储；

S5.通过循环处理分析每个工作频段的信号，以寻找感兴趣的或威胁度较高的信号；

S6.确定感兴趣的信号所在频段或频点后，所有通道相参且工作在同一频点；

S7.四通道都进行信号检测、频率测量、脉冲到达时间测试和脉冲宽度估计，通过四单元相位干涉进行信号的到达角度测量，最终形成PDW参数；

S8.在形成PDW参数后，对信号脉内特征进行分析；分析结果反馈到人机交互界面，从而调制环境信号采集参数；

S9.系统根据配置参数的变化决定接受流程或更新参数后继续采集。

Images