雷达对抗原理第2章-对雷达信号的频率测量与频谱分析

第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2.1概述2.2频率搜索测频技术2.3比相法测频技术2.4信道化测频技术2.5线性调频变换测频技术2.6声光变换测频技术2.7对雷达信号的时频分析技术第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2.1概述2.1.1频率测量和频谱分析的作用与主要技术指标1．频率测量与频谱分析的作用频率或频谱是电磁波信号的重要特征参数。雷达发射信号的频率或频谱不仅与其用途、功能和性能等有着非常密切的关系，而且与其采用的器件、电路和工艺技术等也都具有非常密切的关系。因此在雷达设计和研制完成以后，其频率和频谱特性的变化范围和变化能力是十分有限的。频率和频谱特性既是雷达的固有特征，也是相互之间区别的重要依据。战场电磁频谱资源和装备的合理管控，也是充分发挥各种电磁信息资源能力的重要保证。精确测量雷达信号的频率和频谱，甚至能够区分同种、同批次雷达的不同个体。在当前的复杂电磁信号环境中，研究和发展快速、准确的雷达信号频率测量和频谱分析技术，对于雷达侦察信号分选、识别和辐射源检测、识别，以及引导干扰和反辐射攻击武器都具有非常重要的作用。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析对雷达信号的频率测量与频谱分析可以分为以下三种情况：(1)对单个射频脉冲的频率测量和频谱分析；(2)对给定时间内多个脉冲的频率测量和频谱分析；(3)对特定辐射源连续脉冲信号的频率测量和频谱分析。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2．雷达侦察系统中信号频率和频谱的定义对于式(1-2)所示的窄带信号，其频率的物理定义为其相位调制函数j(t)的时间变化率tttfπ2defj(2-1)它的二阶导数称为调频斜率，即(2-2)22defFMπ2tttkj对于单载频射频脉冲信号，在其脉冲宽度τPW内,(2-3)PWFM0;0,tkftf第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析相位编码调制的射频脉冲除了有限的相位跃变点以外，脉内其它时刻的频率同式(2-3)。线性调频脉冲的频率和调频斜率分别为(2-4)PWFM0;π2,π2ttkttf对于频率分集和频率编码调制的射频脉冲信号，可以看做是若干个子信号的合成，按照每一个子信号的存在时间，可以分别计算各自信号的频率和调频斜率。一般雷达对抗系统中要求测量的信号频率和调频斜率满足式(2-1)、(2-2)的定义。[t，t+τPW]时间内出现的单个射频脉冲信号，其频谱一般定义为该信号的傅立叶变换：(2-5)ftfpttftGppsftG,j1π2jdef11PWe,de,j第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析对来自同一辐射源的m个射频脉冲的频谱定义为ftjmmifpttmmiiiftGppsftG,1π2jdefe,de,PW,j(2-6)式中,ti和τPW，i分别是第i个脉冲的到达时间和脉冲宽度。显然，分析的时间越长，对信号频谱分析的精度和分辨能力越高。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析3．频率测量与频谱分析的主要技术指标1)频率测量范围ΩRF、瞬时带宽ΔΩRF、频率分辨力Δf和频率测量精度δfΩRF是指测频系统最大可测的雷达信号频率范围；ΔΩRF是指任一瞬间最大可测的雷达信号频率范围；Δf是指其能够测量和区分两个同时不同频率信号间的最小频率差；δf是指频率测量值与频率真值之间的偏差。如果ΩRF=ΔΩRF，则系统称为频率非搜索或瞬时宽开的测频系统，δf常用均值(系统误差)和均方根值(随机误差)表示。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2)无模糊频谱分析范围ΩSF、频谱分辨力ΔfSF和频谱分析误差δfSFΩSF是指频谱分析系统最大可无模糊分析的信号频谱范围;ΔfSF是指输出相邻谱线的最小频率间隔;δfSF是指频谱分析值与频谱真值之间的偏差。3)测频与频谱分析灵敏度sfmin和测频与频谱分析的动态范围Dfsfmin是指频率测量和频谱分析系统正常工作(满足战术技术指标要求)时所需要的最小输入信号功率；Df为系统正常工作时允许的最大输入信号功率sfmax与最小输入信号功率sfmin之比(以分贝表示)：(2-7)dBlg10minfmaxffssD第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析4)最小测频和频谱分析脉宽τfmin、测频时间tRF、频谱分析时间tSF和时频分辨力ΔtSFτfmin是指系统可以进行测频和频谱分析的最小输入信号脉宽；tRF是指从信号输入到输出测频结果所用的时间；tSF是指完成一次频谱分析所需要的时间；ΔtSF是指相邻两次频谱分析之间的最小时间间隔。5)频域截获概率PIF和频域截获时间TIFPIF是指在TIF时间内完成对给定信号频域测量任务的概率；TIF是指对给定信号的频域测量达到指定概率PIF所需要的时间，两者互为条件。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析6)对同时到达信号的频率测量和频谱分析能力对同时到达信号的频率测量和频谱分析能力是指在有两个或两个以上不同频率的信号同时到达测频系统时，系统能够按照上述技术指标，同时测量和分析这些信号的能力和性能。除了上述主要技术指标外，还有可靠性、尺寸、重量、成本等。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2.1.2频率测量和频谱分析技术的分类对雷达信号频率测量技术的基本分类如图2-1所示。对雷达信号频率的测量可以采用模拟接收机、数字接收机和模拟/数字混合接收机以及信号处理技术实现。一类测频技术是直接在频域进行的，包括搜索频率窗和毗邻频率窗。搜索频率窗为一可调谐中心频率的带通滤波器，其瞬时带宽ΔΩRF较小，通过ΔΩRF的通带中心频率在ΩRF内的调谐，选择和测量输入信号频率。毗邻频率窗为一组相邻的带通滤波器{ΔΩRFi}i覆盖ΩRF。另一类测频技术是将信号频率单调变换到相位、时间、空间等其它物理域，再通过对变换域信号的测量得到原信号频率。各种测频技术的基本指标和特点见表2-1。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析图2-1测频技术的分类第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析图2-2所示为雷达信号频谱分析数字接收机的基本组成，接收天线收到的雷达信号经过低噪声放大器和带通滤波器后送给混频器，与频率为fL的调谐本振信号混频，输出固定中频频率fi的基带中频信号。该信号经过中放和增益控制达到合适的功率电平(信号的幅度尽可能与模数变换器(ADC)的输入动态范围一致)，分别送给包络检波/对数视放电路和ADC采样电路。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析图2-2雷达信号频谱分析数字接收机的基本组成第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析ADC具有检测采样和盲采样两种工作方式。如果在ΩSF内对视频包络信号直接进行门限检测能够满足灵敏度sfmin的要求，则可以利用包络的门限检测输出，将有检测信号存在时的中放输出波形数据采集下来，送给数字信号处理机进行调制分析，同时也可以对包络和门限检测信号进行tTOA、τPW、AP的测量，交付数字信号处理。这种处理方法可以降低采集和处理的数据量，提高信号分析的工作效率，也是大多数频谱分析数字接收机的实际工作方式。如果直接对脉冲包络信号的门限检测不能满足sfmin的要求，则ADC的信号采样和数字信号处理都是连续进行的；只有在经过了连续、实时的信号处理以后，才能检测和判决是否存在有用信号，然后进行相应的信号分析处理，这将极大地增加信号处理的负担。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析如果对信号频谱分析的精度和分辨要求不高，则可以不做Gm(t，f)处理，只做G1(t，f)处理，而且一般并不需要对每一个射频脉冲都做G1(t，f)处理。频谱分析常用的时频分析算法如表2-2所示，其中STFT、DFT、瞬时相位差分、瞬时自相关等算法适合于采用数字逻辑器件快速计算，广泛用于各种雷达对抗系统的实时和准实时信号处理中；周期谱估计、小波分析等需要的处理时间较长，适用于由计算机支持的非实时信号处理。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2.2频率搜索测频技术2.2.1搜索式超外差测频技术1.基本工作原理搜索式超外差测频系统的基本组成如图2-3所示。雷达信号通过接收天线、低噪放进入微波预选器。信号处理机根据需要分析的输入信号频率fs设置调谐本振频率fL(t)、微波预选器当前中心频率fR(t)和通带B(t)，使它们满足下列关系：tftftftftftB,21,21iRLRFRRFR(2-8)第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析式中，fi为中放的中心频率，[fi－ΔΩRF/2，fi+ΔΩRF/2]为中放带宽。如果fs位于B(t)内，则信号可以通过微波预选器、混频器、中放、包络检波和视放等环节；如果输出视频脉冲包络信号E(t)大于检测门限，就可启动信号处理机测量信号的频率fRF，使之满足下列关系：fRF=fL(t)－fi(2-9)第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析图2-3搜索式超外差接收机方框图第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2．寄生信道干扰及其消除方法混频器是一种非线性器件，在混频过程中,fL(t)与fs将发生多次差拍，只要任何一次差拍频率满足式(2-10)，都将在中放形成输出。其中只有m=1，n=－1(超外差)时的差频为正确的测频输出(也称为主信道输出)，其余则称为寄生信道干扰。(2-10),2,1,,2,2RFiRFisLnmffnftmf由于输入信号电平一般都远低于本振电平，所以主要考虑本振及其谐波与信号基波分量的差拍，而本振的谐波一般都远离中频，故在超外差接收信道中将m=－1，n=1的寄生信道称为镜像信道。图2-4表现了超外差接收机主信道与镜像信道的关系,可见两者是以本振频率为中心，中放带宽为两边对称分布的。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析图2-4超外差接收机主信道与镜像信道的关系第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析镜像信道干扰会引起频率测量错误，在超外差接收机中，常以镜像抑制比dms来衡量系统对镜像信道干扰的抑制能力，其定义为：在相同输入功率条件下，系统主信道输出功率Pso与镜像信道输出功率Pmo之比(以分贝表示)，即(2-11)dBlg10smsodefmsPPd为了保证镜像干扰不引起测频错误，一般要求dms≥60dB。提高dms的方法主要有：(1)采用频带对准。(2)采用宽带滤波和高中频接收。提高中频，可以增加主信道与镜像信道之间的频率差2fi－ΔΩRF;如果该频率差能够满足测频范围ΩRF=[f1，f2]的要求：第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析(2-12)2RF12ifff12RFi2fff或(3)采用镜像抑制混频器。镜像抑制混频器是一种双平衡混频器，在主信道上，两个混频器的输出同相叠加；在镜像信道上反相相减，实现单信道接收。(4)采用零中频技术。即将中频降到零，使镜像信道与主信道重合，变成单一信道。这种零中频技术可使中频电路简化成视频电路，如果采用正交双通道处理，更易于采用数字技术进行无模糊测频和其它分析处理。(5)采用辅助信道逻辑识别技术。增设辅助信道，其本振频率与主信道本振相差2fi，且与主信道带宽重合，如图2-5所示。第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析图2-5采用辅助信道逻辑识别镜像信道干扰第2章对雷达信号的频率测量与频谱分析2.2.2频率搜索方式和速度的选择按照式(2-8)设置的B(t)与fL(t)，在测频范围ΩRF内调谐，称为频率搜索。频率连续可变时称为连续搜索，均匀离散可变时称为步进搜索；由低至高或由高至低单方向变化称为单程搜索，双方向变化称为双程搜索。它们都要求ΔΩRF在ΩRF内任一频率处驻留足够长的时间τf：(2-13)PRIfZZ为完成频率测量需要的脉冲数。随着近年来数字频率合成技术和数字信号处理技术的发展，越来越多的测频系统采用数控步进搜索，可以根据雷达信号频率的先验信息和实际检测过程中发生的后验信