基于GUI的雷達(dá)信號抗分選性能評估系統(tǒng)

摘要：為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場對雷達(dá)信號低截獲性能的需求，設(shè)計了雷達(dá)信號抗分選性能的評估系統(tǒng)，分析了雷達(dá)信號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)信號環(huán)境，將設(shè)計的同步頻率捷變信號、PRI抖動信號和PRI調(diào)制信號經(jīng)過分選評估系統(tǒng)，計算分選結(jié)果的準(zhǔn)確率、分選時間等，通過以上幾個因素的加權(quán)提出了信號復(fù)雜度的計算方法。對比信號之間的復(fù)雜度系數(shù)，達(dá)到定量評估雷達(dá)信號抗分選性能的目的，并為設(shè)計具有低截獲性能的雷達(dá)信號提供參考。運行結(jié)果表明，軟件運行效果好，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)信號設(shè)計是現(xiàn)代雷達(dá)信號設(shè)計技術(shù)的熱點，具有低截獲性能的雷達(dá)信號在電子對抗環(huán)境中不能被ESM偵察接收機截獲，即使被截獲，也不能被正確的分選識別。因此，在設(shè)計具有LPI性能雷達(dá)信號的過程中，就需要對雷達(dá)信號的低截獲性能進(jìn)行統(tǒng)一評估，設(shè)計一種雷達(dá)信號的LPI評估系統(tǒng)，對雷達(dá)信號低截獲性能的驗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，將雷達(dá)信號的分選算法，和雷達(dá)信號環(huán)境的設(shè)置，統(tǒng)一在人機交互界面上，計算和分選結(jié)果直觀透明，使用快捷方便。
    計算所設(shè)計的不同雷達(dá)信號抗分選性能需要兩個統(tǒng)一：分選環(huán)境的統(tǒng)一和分選算法的統(tǒng)一。這樣計算時，才能正確得出同一信號分選環(huán)境和同一分選算法上不同雷達(dá)信號抗分選性能的計算結(jié)果，復(fù)雜度因子。

1 雷達(dá)信號分選
    雷達(dá)信號分選是雷達(dá)對抗中一個重要組成部分，它處理的信號是雷達(dá)接收機送來的密集交迭的視頻脈沖流，從這種隨機交迭的脈沖流中分離出各個雷達(dá)脈沖列并選出有用信號。能夠準(zhǔn)確識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間相關(guān)原理的改進(jìn)算法，其基本原理是通過累積各級差值直方圖來估計原始脈沖序列中可能存在的PRI，并根據(jù)該PRI來進(jìn)行序列搜索。
    首先，計算相鄰TOA的差值，即計算TOA(n)-TOA(n-1)，形成第一級差值直方圖，然后確定檢測門限，根據(jù)檢測門限對統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行檢測。設(shè)直方圖的自變量為τ，假定總的采樣時間為ST，則CDIF直方圖的檢測門限為：
    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，將第一級差值直方圖中，每個間隔的直方圖以及二倍間隔的直方圖的值與檢測門限相比較，如果這兩個值都超過檢測門限，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，若這兩個值都超過門限，才進(jìn)行搜索。這是針對二次諧波存在的情形，即存在足夠數(shù)目的間隔為PRI的3個脈沖序列而不只是存在足夠數(shù)目的間隔為PRI的兩個脈沖序列的情形而設(shè)計。
如果序列搜索成功，此PRI序列將會從采樣脈沖列中扣除，并由剩余脈沖列從第一級差值直方圖起重新形成新的CDIF直方圖，該過程會一直重復(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，則以本級直方圖中下一個符合條件的脈沖間隔值作為PRI進(jìn)行序列檢索；假如本級直方圖中沒有符合條件的脈沖間隔值，則計算下一級的差值直方圖并與前一級差值直方圖進(jìn)行累加，然后與檢測門限相比較，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)分選算法具有對干擾脈沖和脈沖丟失不敏感的特點。
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。
    對每一個到達(dá)時間差構(gòu)成一個序列差直方圖，計算檢測門限；子諧波檢驗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個脈沖為止。若序列檢索不能分離出脈沖序列，則計算下一級到達(dá)時間差，設(shè)立新門限，重復(fù)整個過程。

2 雷達(dá)信號分選環(huán)境模擬
    雷達(dá)截獲接收機接收到的實際信號是交錯的脈沖列，由多部雷達(dá)信號和干擾脈沖信號、噪聲脈沖信號交錯而成。

    交錯脈沖列是按照到達(dá)時間(TOA)進(jìn)行排序的，令3串脈沖序列到達(dá)雷達(dá)接收機的時間是：
    
    通常，電子對抗將信號分為常規(guī)信號和復(fù)雜信號兩類。常規(guī)信號指頻率、脈沖寬度、重復(fù)頻率都不變化的脈沖群信號。這里所說的頻率不變化是指在信號處理的取樣時間里同一雷達(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)，扇型掃描的測高雷達(dá)，邊掃描邊跟蹤的雷達(dá)，只要其信號參數(shù)不變，都屬于常規(guī)信號。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)信號以外的雷達(dá)信號
都是復(fù)雜雷達(dá)信號。
    文中，信號環(huán)境中加入了頻率捷變雷達(dá)信號、PRI參差雷達(dá)信號和PRI調(diào)制雷達(dá)信號3種復(fù)雜信號，一種常規(guī)雷達(dá)信號作為對比信號。

3 GUI界面設(shè)計
    GUI是Matlab中圖形用戶界面設(shè)計的一個強大工具，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)計功能豐富的人機交互界面，輸入并且修改參數(shù)，實時顯示程序運行結(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)計的GUI窗口如圖3、4、5所示，界面主要包括雷達(dá)信號選擇、信號分選環(huán)境設(shè)置、分選結(jié)果顯示計算。文中主要對頻率捷變信號、PRI抖動和調(diào)制信號進(jìn)行抗分選識別的計算驗證，結(jié)果包括分選結(jié)果的表示和復(fù)雜度因子的計算。

4 分選結(jié)果表示和復(fù)雜度因子
    復(fù)雜度因子是評價雷達(dá)信號抗分選性能的量化指標(biāo)，因此復(fù)雜度因子的計算需要包含信號經(jīng)過分選所用時間、分選準(zhǔn)確率?？梢詫?fù)雜雷達(dá)信號的復(fù)雜度因子與常規(guī)雷達(dá)信號比較，衡量雷達(dá)信號的抗分選性能。驗證平臺中復(fù)雜度越大，表明信號越難被正確分選。
    根據(jù)分選結(jié)果計算常規(guī)雷達(dá)信號的分選時間T0(單位為秒s)和分選識別程度S0(正確分選的脈沖個數(shù)與總的輸入脈沖個數(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)信號和PRI調(diào)制雷達(dá)信號，依次計算雷達(dá)信號的分選時間(T1、T2、T3)和分選準(zhǔn)確程度(S1、S2、S3)。如表1所示，計算4部雷達(dá)信號的復(fù)雜度因子，將復(fù)雜雷達(dá)信號的分選準(zhǔn)確率、分選所需時間與同一部常規(guī)信號相互比較，計算復(fù)雜信號的復(fù)雜度因子，復(fù)雜信號的復(fù)雜度因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)信號的復(fù)雜度因子。

    計算信號的復(fù)雜度因子：
    

5 結(jié)束語
    雷達(dá)信號的抗分選性能是衡量雷達(dá)信號威力的關(guān)鍵指標(biāo)，所以在設(shè)計雷達(dá)信號的過程中需要實驗仿真雷達(dá)信號的抗分選性能。而本文中采用的雷達(dá)信號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)信號模擬和分選算法模擬有機的結(jié)合到一個可視化的圖形用戶界面中，分選算法可供選擇，增強交互能力，方便演示，同時具有通用性。通過文中計算的3種復(fù)雜信號和一種常規(guī)信號的分選準(zhǔn)確率，計算復(fù)雜度并且其衡量抗分選性能的程度，在實際的應(yīng)用中同時也可以驗證其他雷達(dá)信號的抗分選識別的性能，并且增加其它的分選算法，比較雷達(dá)信號對抗不同的分選算法系統(tǒng)時的優(yōu)劣程度。在低截獲雷達(dá)信號的設(shè)計中能起到很好的輔助作用。