一種自動識別噪聲調(diào)頻信號的方法

電子干擾是現(xiàn)代電子戰(zhàn)的重要組成部分，包括無源干擾和有源干擾，其中，有源干擾可以分為欺騙干擾和遮蔽干擾。欺騙干擾是采用假的目標(biāo)和信息作用于雷達(dá)的目標(biāo)檢測和跟蹤系統(tǒng)，使雷達(dá)不能正確的檢測真實(shí)目標(biāo)或者不能正確的測量真正目標(biāo)的參數(shù)信息，從而達(dá)到迷惑或擾亂雷達(dá)對真正目標(biāo)檢測和跟蹤的目的。遮蓋式的干擾是使用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮蓋或淹沒有用信號，阻止雷達(dá)檢測目標(biāo)信息。對于欺騙干擾可以使用與雷達(dá)信號的識別方法對其進(jìn)行檢測設(shè)別，但是對于使用噪聲調(diào)制的遮蔽干擾信號，因?yàn)槠渥陨淼膹?qiáng)隨機(jī)性，很難使用雷達(dá)信號的檢測識別方法。但是由于干擾信號是時間上連續(xù)的信號，在一定的時間內(nèi)采樣的數(shù)目可以很大；而對雷達(dá)來說，積累個數(shù)受到目標(biāo)照射時間和脈沖間隔的限制，這是干擾噪聲檢測的優(yōu)勢所在，也成為了尋求檢測遮蔽干擾信號的突破口。

1 噪聲調(diào)頻信號功率譜檢測原理
    噪聲調(diào)頻干擾信號最常見的是射頻振蕩的頻率與調(diào)制噪聲電壓ξ(t)成線性關(guān)系，為了方便把噪聲調(diào)頻，信號的時域如式(1)

   
    設(shè)調(diào)制噪聲電壓ξ(t)是高斯噪聲，其幅度概率密度分布為高斯函數(shù)

   
    由于噪聲調(diào)頻干擾的角頻率與ξ(t)呈線性關(guān)系，故瞬時角頻率或角頻偏的概率密度也應(yīng)為高斯分布，其均方根的值為

式（6）中的積分只有在mfe》1和mfe《1時才能近似求解。

當(dāng)mfe》1可以得到噪聲調(diào)頻信號的干擾帶寬（半功率帶寬）為

    對于噪聲調(diào)頻信號，由于信號的隨機(jī)性很強(qiáng)，很難在使用相關(guān)的辦法對這類噪聲調(diào)制的信號進(jìn)行檢測，所以常用的瞬時相關(guān)、時頻分布等檢測方法對其無效。但是由于接收系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時，其系統(tǒng)的熱噪聲相對比較穩(wěn)定，所以其熱噪聲功率譜也是相對穩(wěn)定的。當(dāng)由調(diào)頻干擾信號進(jìn)入接收機(jī)時，根據(jù)式(6)，其功率譜在干擾頻帶[f0一△fj／2，f0+△fj／2]內(nèi)會比無調(diào)頻干擾信號時在能量上有明顯的提高，根據(jù)這一特征，可以檢測出干擾信號。并相應(yīng)的確定帶寬和中心頻率，如圖l所示。

    圖1中噪聲調(diào)頻信號的中心頻率4．3 GHz，每伏調(diào)制為1 GHz／V，時長10 ms，為了提高檢測帶寬按單次時長100 ns做4 096采樣，循環(huán)10 000次累積處理。在實(shí)用的條件下一般會至少做到幾十毫秒的時長來進(jìn)行累計(jì)。產(chǎn)生的白噪聲調(diào)制信號首先經(jīng)過256階的帶通濾波器，用來給生成的白噪聲濾波進(jìn)行色化處理，通帶為4．29～4．31 GHz，所以視頻調(diào)頻帶寬20 MHz。經(jīng)過濾波后的隨機(jī)數(shù)帶入到式(1)，得到噪聲調(diào)頻信號，然后計(jì)算功率譜，結(jié)果如圖1(a)所示。從圖1(a)中可以看到在40 GHz的檢測帶寬中，信號的能量主要集中在4．3 GHz左右。圖1(b)為中心頻率處放大圖形，可以看出干擾信號的3 dB帶寬(即歸一化能量的0．707左右處)為0．18 GHz，10 dB帶寬(歸一化能量0．3左右處)為0．37 GHz。
    當(dāng)白噪聲累加到調(diào)頻干擾后在得到的功率譜，如圖2所示。

    從圖2中可以看出在SNR=一10 dB情況下，可以檢測處噪聲調(diào)頻干擾信號，且在中心頻率處的能量有所衰減。由于考慮仿真速度的需要此處所取時長較短，如果加長時間的積累，即相當(dāng)于增加了能量的積累，得到的檢測靈敏度會更高。對于檢測門限的設(shè)定，是在實(shí)際應(yīng)用中關(guān)心的問題。這里簡述兩種參考門限的確定方法。第一，對于系統(tǒng)的熱噪聲是在設(shè)計(jì)時所確定的固有性質(zhì)，相對外界環(huán)境要穩(wěn)定的多，在設(shè)置門限時可以考慮當(dāng)切斷外來所有的信號輸入，得到的機(jī)內(nèi)熱噪聲的功率均值數(shù)作為參考門限，這樣的好處是確保此時噪聲純凈，缺點(diǎn)是沒有考慮環(huán)境噪聲的存在，從而出現(xiàn)虛警的概率增加，這也是文中使用的方法；第二，是在偵察天線沒有對準(zhǔn)干擾源的情況下，得到內(nèi)外混合噪聲的各個頻點(diǎn)的功率均值作為參考門限，其優(yōu)點(diǎn)是能夠真實(shí)的反映實(shí)際情況，但是如果此時有其它發(fā)射機(jī)信號的輸入，則檢測出現(xiàn)漏警的概率會大大增加。

2 相似理論
    在信號與系統(tǒng)學(xué)科中，相關(guān)性是一種在時域中對信號特性進(jìn)行描述的重要方法。由于信號與其功率譜函數(shù)是一對傅里葉變換，在信號分析中往往利用它來分析隨機(jī)信號的功率譜分布，以致不少人一提到相關(guān)性馬上會聯(lián)想到信號功率譜的計(jì)算。假設(shè)得到的兩信號分別為X(t)，Y(t)?？梢赃x擇當(dāng)倍數(shù)K使KY(t)去逼近X(t)。在此可以借用誤差能量來度量波形的相似程度。

   

    其中Er代表誤差能量，K的選擇是為了使誤差能量最小，可以得出

   

    另外，可定義相對誤差能量為

   

    其中Pxy為相關(guān)系數(shù)?？梢酝瞥?/p>

   
    對于能量有限的信號而言，能量是確定的，相關(guān)系數(shù)的大小只由X(t)*Y(t)積分決定。若兩個完全不相似的信號，其幅度取值和出現(xiàn)時刻是相互獨(dú)立、彼此無關(guān)的，即X(t)*Y(t)=0，其積分結(jié)果也為0，所以當(dāng)相關(guān)系數(shù)為O時相似度最差，即不相關(guān)。當(dāng)相關(guān)系數(shù)為1時，則誤差能量為0，說明這兩個信號相似度很好，是線性相關(guān)的。因此把相關(guān)系數(shù)作為兩個信號相似性的度量完全是有理論依據(jù)的、合理的。

3 利用相似理論的噪聲調(diào)頻信號檢測
    為了討論方便，假設(shè)接收機(jī)為理想接收機(jī)，即在通帶內(nèi)，其幅頻特性為一固定值，相頻為線性，而通帶之外增益為零，中心頻率ω0為且遠(yuǎn)大于接收機(jī)帶寬△ω，并假定背景噪聲是高斯白噪聲，這種假設(shè)不失一般性，基本可以很好地描述常規(guī)接收機(jī)的檢測特性。
    在時長1 ms，信噪比從一10～10 dB進(jìn)行100次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)，其信號具體形式如第2節(jié)所述，首先得到信號和基準(zhǔn)白噪聲的各自的功率譜，然后代入式(12)中，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)?？紤]到虛警的可能性，通常認(rèn)為當(dāng)相關(guān)系數(shù)<0．8時存在噪聲調(diào)頻干擾，否則沒有噪聲干擾信號進(jìn)入。所得結(jié)果，如圖3所示。

    從圖3可以看出在信噪比一3 dB以上能夠在時長0．1 ms下做到100％的檢測。充分說明了該方法對檢測識別噪聲調(diào)頻信號是可行的。而且根據(jù)積累時長的不同，對算法檢測的靈敏度影響很大，在圖4給出了不同積累時間10次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)的檢測概率。

　

    從圖4中可以看出，隨著時長的增加不但檢測靈敏度有比較明顯的提高，同時檢測曲線更加的平滑，誤差減小。

4 結(jié)束語
    由于噪聲調(diào)頻信號的強(qiáng)隨機(jī)性，利用相關(guān)的各種檢測方法無法對此類信號做出有效的檢測。文中利用功率譜積累和相似函數(shù)的方法對噪聲調(diào)頻信號進(jìn)行了檢測，通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性，說明檢測概率與信噪比和累計(jì)時間長度的關(guān)系。