基于GUI的雷達(dá)信號(hào)抗分選性能評(píng)估系統(tǒng)

摘要：為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)低截獲性能的需求，設(shè)計(jì)了雷達(dá)信號(hào)抗分選性能的評(píng)估系統(tǒng)，分析了雷達(dá)信號(hào)分選的常用算法包括累積差直方圖(CDIF)和序列差直方圖(SDIF)。模擬雷達(dá)信號(hào)環(huán)境，將設(shè)計(jì)的同步頻率捷變信號(hào)、PRI抖動(dòng)信號(hào)和PRI調(diào)制信號(hào)經(jīng)過分選評(píng)估系統(tǒng)，計(jì)算分選結(jié)果的準(zhǔn)確率、分選時(shí)間等，通過以上幾個(gè)因素的加權(quán)提出了信號(hào)復(fù)雜度的計(jì)算方法。對(duì)比信號(hào)之間的復(fù)雜度系數(shù)，達(dá)到定量評(píng)估雷達(dá)信號(hào)抗分選性能的目的，并為設(shè)計(jì)具有低截獲性能的雷達(dá)信號(hào)提供參考。運(yùn)行結(jié)果表明，軟件運(yùn)行效果好，可視化程度高，使用方便快捷。
關(guān)鍵詞：低截獲；累積差值直方圖；序列差值直方圖；復(fù)雜度

    低截獲(LPI)雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)的熱點(diǎn)，具有低截獲性能的雷達(dá)信號(hào)在電子對(duì)抗環(huán)境中不能被ESM偵察接收機(jī)截獲，即使被截獲，也不能被正確的分選識(shí)別。因此，在設(shè)計(jì)具有LPI性能雷達(dá)信號(hào)的過程中，就需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)的低截獲性能進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)估，設(shè)計(jì)一種雷達(dá)信號(hào)的LPI評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)低截獲性能的驗(yàn)證能提供很好的幫助。本文就是在這一基礎(chǔ)上，通過MATLAB的GUI設(shè)計(jì)，將雷達(dá)信號(hào)的分選算法，和雷達(dá)信號(hào)環(huán)境的設(shè)置，統(tǒng)一在人機(jī)交互界面上，計(jì)算和分選結(jié)果直觀透明，使用快捷方便。
    計(jì)算所設(shè)計(jì)的不同雷達(dá)信號(hào)抗分選性能需要兩個(gè)統(tǒng)一：分選環(huán)境的統(tǒng)一和分選算法的統(tǒng)一。這樣計(jì)算時(shí)，才能正確得出同一信號(hào)分選環(huán)境和同一分選算法上不同雷達(dá)信號(hào)抗分選性能的計(jì)算結(jié)果，復(fù)雜度因子。

1 雷達(dá)信號(hào)分選
    雷達(dá)信號(hào)分選是雷達(dá)對(duì)抗中一個(gè)重要組成部分，它處理的信號(hào)是雷達(dá)接收機(jī)送來的密集交迭的視頻脈沖流，從這種隨機(jī)交迭的脈沖流中分離出各個(gè)雷達(dá)脈沖列并選出有用信號(hào)。能夠準(zhǔn)確識(shí)別出空間中各種不同雷達(dá)以及它們的參數(shù)，并將其放入雷達(dá)庫中以便于做進(jìn)一步處理。在雷達(dá)信號(hào)分選中，使用的參數(shù)越多，分選的結(jié)果就越準(zhǔn)確。
1．1 累計(jì)差值直方圖算法(CDIF)
    累積差值直方圖(CDIF)(Cumulative Difference Histogram)是一種基于周期性脈沖時(shí)間相關(guān)原理的改進(jìn)算法，其基本原理是通過累積各級(jí)差值直方圖來估計(jì)原始脈沖序列中可能存在的PRI，并根據(jù)該P(yáng)RI來進(jìn)行序列搜索。
    首先，計(jì)算相鄰TOA的差值，即計(jì)算TOA(n)-TOA(n-1)，形成第一級(jí)差值直方圖，然后確定檢測(cè)門限，根據(jù)檢測(cè)門限對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)直方圖的自變量為τ，假定總的采樣時(shí)間為ST，則CDIF直方圖的檢測(cè)門限為：
    Tthreshold=X·(ST／τ)      (1)
    其中．x是可調(diào)系數(shù)，一般取x<1。
    其次，從最小的脈沖間隔起，將第一級(jí)差值直方圖中，每個(gè)間隔的直方圖以及二倍間隔的直方圖的值與檢測(cè)門限相比較，如果這兩個(gè)值都超過檢測(cè)門限，則以該間隔作為PRI進(jìn)行序列搜索。
    CDIF算法需要將直方圖中，每個(gè)PRI間隔的直方圖以及二倍PRI間隔的直方圖的值與門限比較，若這兩個(gè)值都超過門限，才進(jìn)行搜索。這是針對(duì)二次諧波存在的情形，即存在足夠數(shù)目的間隔為PRI的3個(gè)脈沖序列而不只是存在足夠數(shù)目的間隔為PRI的兩個(gè)脈沖序列的情形而設(shè)計(jì)。
如果序列搜索成功，此PRI序列將會(huì)從采樣脈沖列中扣除，并由剩余脈沖列從第一級(jí)差值直方圖起重新形成新的CDIF直方圖，該過程會(huì)一直重復(fù)下去直到緩沖器中沒有足夠的脈沖形成脈沖序列。如果搜索不成功，則以本級(jí)直方圖中下一個(gè)符合條件的脈沖間隔值作為PRI進(jìn)行序列檢索；假如本級(jí)直方圖中沒有符合條件的脈沖間隔值，則計(jì)算下一級(jí)的差值直方圖并與前一級(jí)差值直方圖進(jìn)行累加，然后與檢測(cè)門限相比較，重復(fù)以上步驟，直到緩沖器中沒有足夠的脈沖形成脈沖序列或者到達(dá)時(shí)間差構(gòu)成的直方圖的階數(shù)達(dá)到某一固定值為止。CDIF算法較常規(guī)分選算法具有對(duì)干擾脈沖和脈沖丟失不敏感的特點(diǎn)。
1．2 序列差值直方圖算法(SDIF)
    序列差值直方圖算法(SDIF) (Sequential Difference Histogram)是一種在累積差值直方圖算法(CDIF)基礎(chǔ)上的改進(jìn)算法，也包括PRI確定與序列檢索兩部分。
    對(duì)每一個(gè)到達(dá)時(shí)間差構(gòu)成一個(gè)序列差直方圖，計(jì)算檢測(cè)門限；子諧波檢驗(yàn)后將所有超過門限的值看作是可能的PRI值進(jìn)行序列檢索。若成功地分離出脈沖序列，則重復(fù)此過程，直到分離出所有的脈沖序列或者剩下少于5個(gè)脈沖為止。若序列檢索不能分離出脈沖序列，則計(jì)算下一級(jí)到達(dá)時(shí)間差，設(shè)立新門限，重復(fù)整個(gè)過程。

2 雷達(dá)信號(hào)分選環(huán)境模擬
    雷達(dá)截獲接收機(jī)接收到的實(shí)際信號(hào)是交錯(cuò)的脈沖列，由多部雷達(dá)信號(hào)和干擾脈沖信號(hào)、噪聲脈沖信號(hào)交錯(cuò)而成。

    交錯(cuò)脈沖列是按照到達(dá)時(shí)間(TOA)進(jìn)行排序的，令3串脈沖序列到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)的時(shí)間是：
    
    通常，電子對(duì)抗將信號(hào)分為常規(guī)信號(hào)和復(fù)雜信號(hào)兩類。常規(guī)信號(hào)指頻率、脈沖寬度、重復(fù)頻率都不變化的脈沖群信號(hào)。這里所說的頻率不變化是指在信號(hào)處理的取樣時(shí)間里同一雷達(dá)的各脈沖頻率都不變化。不同體制的雷達(dá)，例如圓周掃描的警戒雷達(dá)，扇型掃描的測(cè)高雷達(dá)，邊掃描邊跟蹤的雷達(dá)，只要其信號(hào)參數(shù)不變，都屬于常規(guī)信號(hào)。它們的不同之處只表現(xiàn)在脈沖參數(shù)和天線調(diào)制上。常規(guī)信號(hào)以外的雷達(dá)信號(hào)
都是復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)。
    文中，信號(hào)環(huán)境中加入了頻率捷變雷達(dá)信號(hào)、PRI參差雷達(dá)信號(hào)和PRI調(diào)制雷達(dá)信號(hào)3種復(fù)雜信號(hào)，一種常規(guī)雷達(dá)信號(hào)作為對(duì)比信號(hào)。

3 GUI界面設(shè)計(jì)
    GUI是Matlab中圖形用戶界面設(shè)計(jì)的一個(gè)強(qiáng)大工具，控件豐富，包括文本編輯框，靜態(tài)文本框，下拉菜單，單選框等控件。通過各種控件組成的圖形用戶界面，通過鼠標(biāo)和鍵盤的操作可以設(shè)計(jì)功能豐富的人機(jī)交互界面，輸入并且修改參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示程序運(yùn)行結(jié)果，而且可以輸出二維和三維的曲線，直觀的表示輸出結(jié)果。

    本設(shè)計(jì)的GUI窗口如圖3、4、5所示，界面主要包括雷達(dá)信號(hào)選擇、信號(hào)分選環(huán)境設(shè)置、分選結(jié)果顯示計(jì)算。文中主要對(duì)頻率捷變信號(hào)、PRI抖動(dòng)和調(diào)制信號(hào)進(jìn)行抗分選識(shí)別的計(jì)算驗(yàn)證，結(jié)果包括分選結(jié)果的表示和復(fù)雜度因子的計(jì)算。

4 分選結(jié)果表示和復(fù)雜度因子
    復(fù)雜度因子是評(píng)價(jià)雷達(dá)信號(hào)抗分選性能的量化指標(biāo)，因此復(fù)雜度因子的計(jì)算需要包含信號(hào)經(jīng)過分選所用時(shí)間、分選準(zhǔn)確率?？梢詫?fù)雜雷達(dá)信號(hào)的復(fù)雜度因子與常規(guī)雷達(dá)信號(hào)比較，衡量雷達(dá)信號(hào)的抗分選性能。驗(yàn)證平臺(tái)中復(fù)雜度越大，表明信號(hào)越難被正確分選。
    根據(jù)分選結(jié)果計(jì)算常規(guī)雷達(dá)信號(hào)的分選時(shí)間T0(單位為秒s)和分選識(shí)別程度S0(正確分選的脈沖個(gè)數(shù)與總的輸入脈沖個(gè)數(shù)比值，無量綱)，定義常規(guī)脈沖的復(fù)雜度為1。然后設(shè)定3部復(fù)雜雷達(dá)頻率捷變雷達(dá)(SIMFAR)和PRI參差雷達(dá)信號(hào)和PRI調(diào)制雷達(dá)信號(hào)，依次計(jì)算雷達(dá)信號(hào)的分選時(shí)間(T1、T2、T3)和分選準(zhǔn)確程度(S1、S2、S3)。如表1所示，計(jì)算4部雷達(dá)信號(hào)的復(fù)雜度因子，將復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)的分選準(zhǔn)確率、分選所需時(shí)間與同一部常規(guī)信號(hào)相互比較，計(jì)算復(fù)雜信號(hào)的復(fù)雜度因子，復(fù)雜信號(hào)的復(fù)雜度因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)信號(hào)的復(fù)雜度因子。

    計(jì)算信號(hào)的復(fù)雜度因子：
    

5 結(jié)束語
    雷達(dá)信號(hào)的抗分選性能是衡量雷達(dá)信號(hào)威力的關(guān)鍵指標(biāo)，所以在設(shè)計(jì)雷達(dá)信號(hào)的過程中需要實(shí)驗(yàn)仿真雷達(dá)信號(hào)的抗分選性能。而本文中采用的雷達(dá)信號(hào)分選算法是成熟的累積差和序列差直方圖算法，利用圖形用戶界面將雷達(dá)信號(hào)模擬和分選算法模擬有機(jī)的結(jié)合到一個(gè)可視化的圖形用戶界面中，分選算法可供選擇，增強(qiáng)交互能力，方便演示，同時(shí)具有通用性。通過文中計(jì)算的3種復(fù)雜信號(hào)和一種常規(guī)信號(hào)的分選準(zhǔn)確率，計(jì)算復(fù)雜度并且其衡量抗分選性能的程度，在實(shí)際的應(yīng)用中同時(shí)也可以驗(yàn)證其他雷達(dá)信號(hào)的抗分選識(shí)別的性能，并且增加其它的分選算法，比較雷達(dá)信號(hào)對(duì)抗不同的分選算法系統(tǒng)時(shí)的優(yōu)劣程度。在低截獲雷達(dá)信號(hào)的設(shè)計(jì)中能起到很好的輔助作用。