一种基于多相滤波结构的雷达信号检测技术

在电子战环境中，信号一般都具有复杂化、密集化的特点，占用的频谱越来越宽，从而对雷达信号的检测技术也提出了更高的要求。信道化接收技术是解决宽带信号检测等问题的一种有效方式。信道化接收机因其具备较大的瞬时带宽、能够检测和处理同时到达的信号、具有准确的参数测量能力和一定的信号识别能力等优点而得到广泛应用。

1 基于多相滤波结构的数字信道化

基于多相滤波结构的信道化接收机数学模型如图1所示。信号x(n)通过一个旋转开关将原信号分到每个信道上，相当于按因子D进行下采样，经过每一路的子滤波器滤波后，通过一个D点的DFT，使不同频率的信号在不同的频带输出。

其中，hk(m)是由高阶的低通滤波器原型h(n)分解得到；h(n)按照每个信道的带宽来设计，h(n)与hk(n)满足关系hk(n)=h(k+nD)，k=0，1，…，D-1。实际中常选择D为2的N次幂，以便用FFT算法代替DFT。

设信道数为D，原型低通滤波器阶数为N，当每个信道都输出一个数据时，多相滤波结构的信道化接收机所需的乘法运算量为

S=D×(N／D)+(D／2)×log2D (1)

经运算可知，此类接收机的运算量远小于传统结构的信道化接收机，在实际应用中具有更高的效率。

2 多相滤波结构的雷达信号检测技术

随着信号产生和处理技术的发展，一部雷达往往能根据需要产生多种不同样式的波形，而且现代雷达信号环境日益复杂，信号形式多变，在同一时间可能有多个信号同时出现。利用多相滤波信道化的方法，将时域重叠但频域不重叠的信号划分到各个子信道上，可以实现对此类信号的检测。信道划分形式的示意图如图2所示。

由图2可以看出，信道交叠处设计有特定的信道阻带衰减带，相邻通道必须有一个重叠区域，这可以通过设置滤波器的带宽和过渡带来实现。但这种设计方法会导致一个窄带信号的输出跨越一个或多个输出通道，这种情况在分析任意带宽和任意中心频率谱时经常发生，因此必须采用一定的判定方法对信号进行检测。

对于同时在信道中出现的信号，说明信号的到达时间相同，这可能是几个同时到达的独立信号，也可能是一个窄带信号在两个信道同时有输出。若信号均在不相邻的信道出现，则认为是同时到达的几个独立信号；若信号在相邻两个信道出现，则认为是一个窄带信号在相邻两个信道同时有输出。对于这种信号的判别方法有两种：当相邻两个信道的信号幅值大小相差很远时，则将幅值大的信号输出信道作为真实信号所在的信道；当相邻两个信道的信号幅值大小相近时，可以采用两个信道中心频率取平均的方法，即取两个信道中心频率之和的1／2，此时的测频误差为信道带宽的1／2，只要误差在允许范围内，这种方法是具有可行性的。

对于不同时在信道中出现的信号，说明信号的到达时间不同，这可能是几个独立的信号，也可能是一个跨越几个信道的宽带线性调频信号。若为单个宽带线性调频信号，设其初始频率为f0；调频斜率为μ；t0时刻到达，每个子信道带宽为B；第i个信道的中心频率为fi，则这个信号在第i个信道的结束时间为


因为fi+1-fi=B，所以在理想情况，即滤波器为理想滤波器的情况下，有ton=toff，也就是说宽带线性调频信号会按时间顺序依次出现在各子信道。但一般情况下滤波器不是理想的矩形，而会有一个过渡带，过渡带的大小与滤波器的具体设计有关，在此设为△B。由于过渡带的影响，使得信号不会严格的按时间顺序依次出现在各子信道，子信道内出现的信号时域会有重叠部分，重叠时间△t≈△B／μ，所以若满足|ton-toff|<△t，则可认为是按时间顺序依次出现在每个信道的。

由以上分析可知，若要判断信号为单个宽带线性调频信号需要满足两个条件：一是信号应按时间顺序依次出现在各相邻子信道；二是要满足各子信道的幅值相近。若到达时间不连续或幅值有明显差异，均认为是两个独立的信号。

3 多相滤波结构雷达信号检测仿真

仿真中采样率设为200 MHz，信道数为16，有效信号频率范围为-100～100 MHz，所以每个通道的带宽为12．5 MHz。注意到相邻两个信道间会有一定的交叠，这样设计可以保证不会丢失频点，但同时也会对信号的检测产生一定的影响。

图3给出了多相滤波结构的信道化接收机正频域8通道的时域包络，相应的图4是各通道的频谱分析。

图3中的包络并非是原始包络，因为此信号的频域占3个输出通道，输出时按时间先后顺序输出，先输出通道3，再输出通道4，最后输出通道5的包络。相应的输出频谱也占据了3个通道，每个通道的通带宽度为12．5 MHz，从图4中可以看出，信号频域输出与输入信号的参数设置是一致的。图3和图4是理想情况下的信号检测结果，信号没有处于信道交叠的过渡带。

选取窄带信号起始频率为33．5 MHz，带宽100 kHz，信号的时域包络如图5所示。这时在第3、4通道内均有信号输出，但信道4内的信号幅度明显大于信道3内的幅度，此时认为信号所在真实通道为信道4。

若在相邻两个信道出现的信号幅值相近，设所加信号起始频率为31．5 MHz，带宽100 kHz，信号的时域包络如图6所示。此时在3、4通道内出现两个幅值相近的信号，无法采用上面的方法确定信号实际所在的通道，此时可采用两信道中心频率取平均的方法认为测得信号的频率约为31．25 MHz，测频误差为0．25 MHz。采用这种方式对频率进行估计不可避免会产生一定的测频误差，但也具有一定的可行性。

当信号形式为单个宽带线性调频信号时，信号带宽大于单个子信道的带宽，理想情况下，信号会按时间顺序依次出现在每一个子信道内。考虑到实际滤波器中的过渡带，各子信道内出现的信号时域上会有重叠，重叠部分大小取决于滤波器过渡带的设计。线性调频信号在信道中出现的形式如图3和图4所示。需要注意的是，只有在各个子通道内的信号幅值相近且按时间顺序依次出现时的信号才认为是线性调频信号。

若信号只是按时间顺序依次出现但幅值相差较大，则认为是按时间先后顺序到达的两个信号。如图7所示，信号在2、3、4这3个信道均有输出，前两个信道幅值相同且时间上连续，4信道信号虽然出现在3信道之后，但幅值明显大于前两个信道出现的信号，此时认为2、3信道的信号是一个跨两通道的线性调频信号，而4通道是另一个线性调频信号。

若信号幅值相近但时间上不连续，则也认为是在不同时间出现的两个相同强度的信号。如图8所示，信号在2、3、4这3个信道均有输出且幅值相近。前两个信道在时间上连续，4信道信号虽然幅值和2、3信道相同，但出现时间不连续，此时认为2、3信道的信号是一个跨两通道的线性调频信号，而4信道是另一个时间到达的线性调频信号。

4 结束语

由以上研究与分析可以得出，采用多相滤波结构的信道化对进行信号类型进行检测是快速且有效的，虽然信道交叠部分会对信号的时频参数测量产生一定的影响，但如果按照上文所述的准则进行判定，基本可以满足对雷达信号的俭测要求。文中所研究的基于多相滤波结构的数字信道化接收机的信号检测方法具有运算量小、便于系统硬件的实时处理等优点，在工程实现上具有一定的意义。