一种新的雷达脉冲信号描述方法

一种新的雷达信号描述方法

摘要：雷达信号体制和调制样式的多样化，信号环境的复杂化，使得常规的描述信号参数很难适应实际需要，无法有效地对雷达辐射源信号进行分选识别。提出一种新的描述矢量，该矢量除脉冲信号的常规特征外还增加了描述脉内调制特性的DCT特征及BT特征。DCT 特征能够反映信号的脉内调制方式并且对噪声不敏感，BT特征能够反映出脉内有无调制及信号调制参数。实验表明采用新的描述矢量能够达到很好的聚类效果。

一、引言

信号的分选识别是电子情报系统（ELINT）、电子支援措施（ESM）和雷达威胁告警（RWR）系统中都需要解决的关键问题。电子侦察中首先需要对截获的单个脉冲进行有效的描述，然后利用描述矢量进行分选识别。传统信号分选识别中常采用到达方向（AOA）、载频（RF）、到达时间（TOA）、脉宽（PW）、脉幅（PA）及他们的变换参数（如脉冲重复周期PRＩ）描述信号。现代电磁环境日益复杂，信号源在频域上拥挤、在时域上密集而且交叠在一起，雷达信号具有形式复杂、参数多变、且变化规律复杂、变化范围大的特点。常规的信号描述方法越来越不适应现代电磁环境的需要。

随着电磁环境的复杂化，脉内特征分析受到普遍关注[]，如谱相关法、包络法[1]、时频分析法[2]。这些算法存在以下缺点：（1）只能识别出两三种调制信号；（2）不适应低信噪比的环境；（3）不适应自动分选识别。

本文提出一个描述矢量不仅包含常规特征ＡＯＡ、RF、ＴＷ还包括了DCT特征、BT 特征。DCT特征描述了信号的脉内调制方式，该特征受信噪比影响较小；BT特征不仅能够反映信号有无调制及调制的参数，还反映了雷达辐射源的功能。

二、脉内特征提取

2.1 ＤＣＴ特征

雷达辐射源信号的脉内特征主要表现在频率、相位和幅度的变化和分布上，脉内有无调制以及采用何种调制方式，将在信号的波形上直接反映出来。但直接在时域提取特征容易受噪声影响。一个时域不同的信号，它的频域也不相同（如图１）；反之，一个频域不相同的信号，它的时域特性也不相同。据此可以用信号在频域的不同来辨识不同的信号。用所有的频率系数描述信号，虽然能够区分不同类型的信号，但不利于信号的分选识别。所有的频率系数作为分类器的输入存在以下缺点：（１）仅有少部分频率系数包含信号的调制信息；（２）包含信号信息的系数之间存在很大的相关性；（3）维数太高，根据VC维问题可知，不利于分类器的设计；（4）信号系数数目不同。

1002003000100

200

300

Frequency

A m p l i t u d e

Frequency spectrum of CON 0

100200300

Frequency

A m p l i t u d e

Frequency spectrum of BPSK

100200300

010

203040Frequency

A m p l i t u d e

Frequency spectrum of LFM

100200300

Frequency

A m p l i t u d e

Frequency spectrum of NLFM

图 1各种调制类型信号的频谱图

Karhunen-Loeve(KL)变换能够最大限度地去除信号之间的相关性，并且通过选取有利于分类的系数可以解决降维的问题。但为了得到正交特征向量必须求得相关矩阵

[]T R E xx = (0.1)

其中ｘ为信号向量。

由于信号环境是未知的，不能得到相关矩阵，因此KL 变换是不能实现的。离散余弦变换（ＤＣＴ）也是有效的信号去相关方法。

长度为Ｎ的矢量x 的ＤＣＴ变换定义为：

1

(21)()()

()cos(

),0,1,12n N n n k

y k k x n k N N

πα=-

=+==-∑

(0.2)

其中

()0

k k k α==≠

DCT 特征提取步骤：

（1）截获的时域信号经FFT 转化到频域，并且对FFT 系数求模； （2）截取有效带宽内的系数，并能量归一化； （3）对能量归一后的系数进行ＤＣＴ变换。 （4）选取有利于分类的系数。 在电子战中，由于雷达辐射源脉冲信号的工作频率覆盖范围很宽，因而在时域中提取的特征易受载频变化的影响，而在频率域进行特征提取可消除这种影响。截取有效带宽内的系数的目的是排除带外噪声，使特征受信噪比变化影响较小。对能量归一化是为了消除信号能

量不同的影响。对能量归一后的系数进行ＤＣＴ变换可以理解为去除系数之间的相关性，也可以理解为系数和一组正交基本信号的相关性。Y （0）反映了信号频谱的平坦性，Y （1）表示了信号频谱的对称性，Y （2）反映了信号中心频率两侧频谱对称性之和。由于除ＮＬＦＭ信号的频谱外，其他类型信号的频谱都是对称的，实验表明利用Ｙ（０）和Ｙ（２）也能将ＮＬＦＭ分离开。因此为了减少计算量，仅仅抽取Y （0）和Y （2）。由于只需要两个系数，在特征提取时不需要计算所有的DCT 系数。我们称Y （0）为DCT0特征、Y （2）为DCT2特征。 2.2 ＢＴ特征

为了提高雷达系统的发现能力、测量精度和分辨能力，要求雷达信号具有大的时宽、带宽、能量。但是，在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下，大的信号能量只能靠加大信号的时宽来得到。常规信号(CON)的时宽和带宽乘积约等于1，大的时宽和带宽不可兼得。为了得到大的时宽和带宽，常对信号进行非线性相位调制，如脉内线性调频(LFM)、非线性调频(NLFM)、相位编码(PSK)、频率编码(FSK)等。时宽带宽积(BT)能够反映出线性调频信号的调频斜率、相位编码信号的子码数目、频率编码子码数目和载频差。 三、仿真实验

3.1 DCT 特征性能分析

仿真条件：信号载频50MHz ，采样频率250MHz ，脉宽为12.8s μ，LFM 的瞬时频率范围42.5—57.5MHz ，BPSK 采用7位Bark 码，QPSK 采用16位Frank 码，FSK 采用7位Bark 码、1245,55f MHz f MHz ==，NLFM 为3次多项式信号、瞬时频率范围42.5—57.5MHz 。对于每一种雷达辐射源信号分别在1 dB 、2 dB 、3 dB 、5 dB 、10 dB 、15 dB 的信噪比（只考虑脉内噪声）上产生30个样本。

00.10.20.30.4

0.50.60.70.80.91

DCT0

D C T 2

DCT transform feature

图 2 各种调制类型信号的DCT 特征

由图2可知不同类型信号的DCT 特征分离性较好，同类型信号聚集性较好。 3.2 基于新的描述矢量的聚类

仿真条件：假设接收到的信号经过频域粗分选和到达角的预分选后，有8部雷达参数如