一種基于多相濾波結(jié)構(gòu)的雷達(dá)信號檢測技術(shù)

在電子戰(zhàn)環(huán)境中，信號一般都具有復(fù)雜化、密集化的特點(diǎn)，占用的頻譜越來越寬，從而對雷達(dá)信號的檢測技術(shù)也提出了更高的要求。信道化接收技術(shù)是解決寬帶信號檢測等問題的一種有效方式。信道化接收機(jī)因其具備較大的瞬時帶寬、能夠檢測和處理同時到達(dá)的信號、具有準(zhǔn)確的參數(shù)測量能力和一定的信號識別能力等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1 基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化

基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)數(shù)學(xué)模型如圖1所示。信號x(n)通過一個旋轉(zhuǎn)開關(guān)將原信號分到每個信道上，相當(dāng)于按因子D進(jìn)行下采樣，經(jīng)過每一路的子濾波器濾波后，通過一個D點(diǎn)的DFT，使不同頻率的信號在不同的頻帶輸出。

其中，hk(m)是由高階的低通濾波器原型h(n)分解得到；h(n)按照每個信道的帶寬來設(shè)計，h(n)與hk(n)滿足關(guān)系hk(n)=h(k+nD)，k=0，1，…，D-1。實際中常選擇D為2的N次冪，以便用FFT算法代替DFT。

設(shè)信道數(shù)為D，原型低通濾波器階數(shù)為N，當(dāng)每個信道都輸出一個數(shù)據(jù)時，多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)所需的乘法運(yùn)算量為

S=D×(N／D)+(D／2)×log2D (1)

經(jīng)運(yùn)算可知，此類接收機(jī)的運(yùn)算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)，在實際應(yīng)用中具有更高的效率。

2 多相濾波結(jié)構(gòu)的雷達(dá)信號檢測技術(shù)

隨著信號產(chǎn)生和處理技術(shù)的發(fā)展，一部雷達(dá)往往能根據(jù)需要產(chǎn)生多種不同樣式的波形，而且現(xiàn)代雷達(dá)信號環(huán)境日益復(fù)雜，信號形式多變，在同一時間可能有多個信號同時出現(xiàn)。利用多相濾波信道化的方法，將時域重疊但頻域不重疊的信號劃分到各個子信道上，可以實現(xiàn)對此類信號的檢測。信道劃分形式的示意圖如圖2所示。

由圖2可以看出，信道交疊處設(shè)計有特定的信道阻帶衰減帶，相鄰?fù)ǖ辣仨氂幸粋€重疊區(qū)域，這可以通過設(shè)置濾波器的帶寬和過渡帶來實現(xiàn)。但這種設(shè)計方法會導(dǎo)致一個窄帶信號的輸出跨越一個或多個輸出通道，這種情況在分析任意帶寬和任意中心頻率譜時經(jīng)常發(fā)生，因此必須采用一定的判定方法對信號進(jìn)行檢測。

對于同時在信道中出現(xiàn)的信號，說明信號的到達(dá)時間相同，這可能是幾個同時到達(dá)的獨(dú)立信號，也可能是一個窄帶信號在兩個信道同時有輸出。若信號均在不相鄰的信道出現(xiàn)，則認(rèn)為是同時到達(dá)的幾個獨(dú)立信號；若信號在相鄰兩個信道出現(xiàn)，則認(rèn)為是一個窄帶信號在相鄰兩個信道同時有輸出。對于這種信號的判別方法有兩種：當(dāng)相鄰兩個信道的信號幅值大小相差很遠(yuǎn)時，則將幅值大的信號輸出信道作為真實信號所在的信道；當(dāng)相鄰兩個信道的信號幅值大小相近時，可以采用兩個信道中心頻率取平均的方法，即取兩個信道中心頻率之和的1／2，此時的測頻誤差為信道帶寬的1／2，只要誤差在允許范圍內(nèi)，這種方法是具有可行性的。

對于不同時在信道中出現(xiàn)的信號，說明信號的到達(dá)時間不同，這可能是幾個獨(dú)立的信號，也可能是一個跨越幾個信道的寬帶線性調(diào)頻信號。若為單個寬帶線性調(diào)頻信號，設(shè)其初始頻率為f0；調(diào)頻斜率為μ；t0時刻到達(dá)，每個子信道帶寬為B；第i個信道的中心頻率為fi，則這個信號在第i個信道的結(jié)束時間為


因為fi+1-fi=B，所以在理想情況，即濾波器為理想濾波器的情況下，有ton=toff，也就是說寬帶線性調(diào)頻信號會按時間順序依次出現(xiàn)在各子信道。但一般情況下濾波器不是理想的矩形，而會有一個過渡帶，過渡帶的大小與濾波器的具體設(shè)計有關(guān)，在此設(shè)為△B。由于過渡帶的影響，使得信號不會嚴(yán)格的按時間順序依次出現(xiàn)在各子信道，子信道內(nèi)出現(xiàn)的信號時域會有重疊部分，重疊時間△t≈△B／μ，所以若滿足|ton-toff|<△t，則可認(rèn)為是按時間順序依次出現(xiàn)在每個信道的。

由以上分析可知，若要判斷信號為單個寬帶線性調(diào)頻信號需要滿足兩個條件：一是信號應(yīng)按時間順序依次出現(xiàn)在各相鄰子信道；二是要滿足各子信道的幅值相近。若到達(dá)時間不連續(xù)或幅值有明顯差異，均認(rèn)為是兩個獨(dú)立的信號。

3 多相濾波結(jié)構(gòu)雷達(dá)信號檢測仿真

仿真中采樣率設(shè)為200 MHz，信道數(shù)為16，有效信號頻率范圍為-100～100 MHz，所以每個通道的帶寬為12．5 MHz。注意到相鄰兩個信道間會有一定的交疊，這樣設(shè)計可以保證不會丟失頻點(diǎn)，但同時也會對信號的檢測產(chǎn)生一定的影響。

圖3給出了多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)正頻域8通道的時域包絡(luò)，相應(yīng)的圖4是各通道的頻譜分析。

圖3中的包絡(luò)并非是原始包絡(luò)，因為此信號的頻域占3個輸出通道，輸出時按時間先后順序輸出，先輸出通道3，再輸出通道4，最后輸出通道5的包絡(luò)。相應(yīng)的輸出頻譜也占據(jù)了3個通道，每個通道的通帶寬度為12．5 MHz，從圖4中可以看出，信號頻域輸出與輸入信號的參數(shù)設(shè)置是一致的。圖3和圖4是理想情況下的信號檢測結(jié)果，信號沒有處于信道交疊的過渡帶。

選取窄帶信號起始頻率為33．5 MHz，帶寬100 kHz，信號的時域包絡(luò)如圖5所示。這時在第3、4通道內(nèi)均有信號輸出，但信道4內(nèi)的信號幅度明顯大于信道3內(nèi)的幅度，此時認(rèn)為信號所在真實通道為信道4。

若在相鄰兩個信道出現(xiàn)的信號幅值相近，設(shè)所加信號起始頻率為31．5 MHz，帶寬100 kHz，信號的時域包絡(luò)如圖6所示。此時在3、4通道內(nèi)出現(xiàn)兩個幅值相近的信號，無法采用上面的方法確定信號實際所在的通道，此時可采用兩信道中心頻率取平均的方法認(rèn)為測得信號的頻率約為31．25 MHz，測頻誤差為0．25 MHz。采用這種方式對頻率進(jìn)行估計不可避免會產(chǎn)生一定的測頻誤差，但也具有一定的可行性。

當(dāng)信號形式為單個寬帶線性調(diào)頻信號時，信號帶寬大于單個子信道的帶寬，理想情況下，信號會按時間順序依次出現(xiàn)在每一個子信道內(nèi)。考慮到實際濾波器中的過渡帶，各子信道內(nèi)出現(xiàn)的信號時域上會有重疊，重疊部分大小取決于濾波器過渡帶的設(shè)計。線性調(diào)頻信號在信道中出現(xiàn)的形式如圖3和圖4所示。需要注意的是，只有在各個子通道內(nèi)的信號幅值相近且按時間順序依次出現(xiàn)時的信號才認(rèn)為是線性調(diào)頻信號。

若信號只是按時間順序依次出現(xiàn)但幅值相差較大，則認(rèn)為是按時間先后順序到達(dá)的兩個信號。如圖7所示，信號在2、3、4這3個信道均有輸出，前兩個信道幅值相同且時間上連續(xù)，4信道信號雖然出現(xiàn)在3信道之后，但幅值明顯大于前兩個信道出現(xiàn)的信號，此時認(rèn)為2、3信道的信號是一個跨兩通道的線性調(diào)頻信號，而4通道是另一個線性調(diào)頻信號。

若信號幅值相近但時間上不連續(xù)，則也認(rèn)為是在不同時間出現(xiàn)的兩個相同強(qiáng)度的信號。如圖8所示，信號在2、3、4這3個信道均有輸出且幅值相近。前兩個信道在時間上連續(xù)，4信道信號雖然幅值和2、3信道相同，但出現(xiàn)時間不連續(xù)，此時認(rèn)為2、3信道的信號是一個跨兩通道的線性調(diào)頻信號，而4信道是另一個時間到達(dá)的線性調(diào)頻信號。

4 結(jié)束語

由以上研究與分析可以得出，采用多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化對進(jìn)行信號類型進(jìn)行檢測是快速且有效的，雖然信道交疊部分會對信號的時頻參數(shù)測量產(chǎn)生一定的影響，但如果按照上文所述的準(zhǔn)則進(jìn)行判定，基本可以滿足對雷達(dá)信號的儉測要求。文中所研究的基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化接收機(jī)的信號檢測方法具有運(yùn)算量小、便于系統(tǒng)硬件的實時處理等優(yōu)點(diǎn)，在工程實現(xiàn)上具有一定的意義。