雷达辐射源信号分析与处理

《雷达辐射源信号分析与处理》以电子侦察为背景，介绍雷达辐射源信号分析与处理方面的专业知识。主要特色如下：
（1）以雷达辐射源信号为分析处理对象，基于长期的一线业务实践，梳理理论方法，总结研究成果，紧贴一线需求。
（2）瞄准近年来广泛出现的低截获概率和复杂调制雷达信号的分析识别，内容针对性强，符合*的技术发展脉络。
（3）可供电子信息领域（尤其是电子侦察方向）的高年级本科生、研究生作为教学参考书；也可作为一本重要的参考书，供广大军工科研人员参考。

 

本书针对雷达辐射源信号分析与处理，结合该领域的*发展，介绍雷达辐射源信号分析与处理的背景、概念、理论和方法，重点内容包括雷达辐射源信号调制方式、检测方法、参数估计方法、基于时频图像、高阶统计量的特征提取与识别等。
本书适用于高等院校信号分析与处理、雷达信号处理、电子信息工程等相关方向的高年级本科生或研究生，也可以为从事电子侦察、雷达工程、信号处理等领域的广大专业技术人员提供参考。

目录

第1章电子侦察概述

1.1电子情报基本概念

1.1.1电子侦察

1.1.2电子侦察的分类

1.1.3电子侦察与电子战

1.1.4电子情报

1.1.5电子情报的获取

1.2雷达侦察信号特点

1.2.1雷达频率

1.2.2雷达命名规则

1.2.3信号环境的特点

1.2.4信号环境的参数

1.3雷达侦察系统

1.3.1雷达侦察设备的组成

1.3.2雷达侦察设备的技术
特点

1.3.3雷达侦察设备的技术
指标

1.4雷达侦察信号分析处理

1.4.1主要问题

1.4.2雷达信号截获技术

1.4.3信号常规特征参数

1.4.4信号脉内特征

1.5本书的主要内容和架构

参考文献

第2章电子侦察作用距离与参数
限制
2.1本章引言

2.2电子侦察作用距离

2.2.1简单侦察方程

2.2.2系统损耗和损失

2.2.3电波传播过程中各种因素

对侦察作用距离的影响

2.3LPI雷达

2.4雷达信号的约束条件

2.4.1与带宽相关的距离
分辨率

2.4.2运动目标和积累时间的

限制

2.4.3时间带宽积或脉冲压缩比的

限制

2.4.4多普勒分辨率的限制

2.4.5频率捷变

2.4.6脉冲重复间隔捷变

2.4.7功率限制

2.5本章小结

参考文献

第3章雷达信号波形与重复间隔

3.1本章引言

3.2雷达信号波形

3.2.1雷达信号模糊函数

3.2.2典型雷达脉内信号

3.3脉冲重复间隔变化

3.3.1脉冲重复间隔

3.3.2PRI调制方式及特点

3.4本章小结

参考文献

第4章信号分析处理数学基础

4.1本章引言

4.2时频分析工具

4.2.1短时傅里叶变换

4.2.2魏格纳威尔时频分布

4.2.3Cohen类时频分布

4.2.4重排类时频分布

4.3高阶统计量

4.4MCMC方法

4.4.1蒙特卡洛方法

4.4.2马尔科夫链

4.4.3蒙特卡洛马尔科夫链

方法

4.5支持向量机分类器

4.5.1样本线性可分情况

4.5.2样本线性不可分情况

4.5.3多类样本分类情况

4.6本章小结

参考文献

第5章雷达侦察信号检测

5.1本章引言

5.2检测原理

5.3多相滤波器组实现信道化

5.4峰值功率检测

5.5非相干积累检测

5.6频域检测

5.7RAT检测

5.8本章小结

参考文献

第6章雷达信号参数估计

6.1本章引言

6.2线性调频信号参数提取

6.2.1线性调频信号的贝叶斯

估计模型

6.2.2MCMC算法

6.2.3仿真实验

6.3相位编码信号参数提取

6.3.1信号载频估计

6.3.2码元宽度估计

6.3.3仿真实验

6.4伪码线性调频复合信号参数

估计

6.4.1参数估计算法

6.4.2性能分析与仿真实验

6.5FSK/PSK复合信号参数

估计

6.5.1算法原理

6.5.2信号预处理

6.5.3FSK调制参数估计

算法

6.5.4PSK调制参数估计

算法

6.5.5仿真实验

6.6雷达辐射源信号瞬时频率

估计

6.6.1基于时频峰值检测的IF

估计方法

6.6.2基于时频图像形态学的IF

估计

6.7本章小结

参考文献

第7章基于时频图像特征的雷达信号
识别
7.1本章引言

7.2时频分布Rényi熵特征提取
与识别

7.2.1时频分布Rényi熵

7.2.2支持向量机分类器

7.2.3时频分布Rényi熵特征识别

性能实验及结果分析

7.3时频形状特征的提取与
识别

7.3.1时频图像形状特征

提取

7.3.2时频图像预处理

7.3.3中心矩特征

7.3.4伪Zernike矩特征

7.3.5时频图像形状特征识别

性能实验及结果分析

7.4时频图像LBP纹理特征提取

与识别

7.4.1时频图像预处理

7.4.2LBP纹理描述子

7.4.3时频图像LBP纹理特征识

别性能实验及结果分析

7.5本章小结

参考文献

第8章基于高阶统计量的雷达信号
识别
8.1本章引言

8.2基于双谱的雷达辐射源信号

识别

8.2.1双谱

8.2.2双谱的估计

8.2.3对角积分双谱特征

提取

8.2.4仿真实验及分析

8.3基于循环双谱的雷达辐射源

信号识别

8.3.1循环双谱

8.3.2基于循环双谱的特征

提取

8.3.3仿真实验及分析

8.4本章小结

参考文献

前言
电子侦察是现代战争的重要组成部分，是获取电子情报的重要手段，也是电子对抗执行行动的前提条件。由于以雷达信号为代表的电子信号广泛地应用于各种武器平台，长期以来，对雷达的侦察和情报处理在电子战中占据着重要地位。因此，雷达辐射源信号的精确分析与处理受到了广泛的关注，产生了一系列技术研究成果。
本书以电子侦察为背景，对雷达辐射源信号的分析与处理进行了深入讨论。本书是作者所在研究团队近年来在电子侦察信号分析领域研究工作的总结和梳理，介绍了该领域的一些基本原理和研究结果，供读者参考使用。全书分为8章。第1章主要介绍了电子情报侦察的基本概念和主要问题； 第2章主要介绍了电子侦察方程和雷达参数设计的特点； 第3章主要介绍了雷达信号的常见形式； 第4章主要介绍了开展雷达信号分析的主要数学工具； 第5章主要介绍了常见的雷达侦察信号检测方法； 第6章是雷达信号参数估计方法的介绍和讨论； 第7章是基于时频图像特征的雷达信号识别方法介绍； 第8章介绍了基于高阶统计量的雷达信号识别方法。
本书由胡德秀、赵拥军、陈世文、黄东华共同编著，集中了研究团队近年来所取得的主要研究成果，在此特别感谢白航、雷恒恒、肖乐群、沈伟等研究生提供的大量素材。黄洁教授和赵闯、党同心副教授对书稿的撰写提供了大量的指导与帮助，研究生刘智鑫、赵勇胜、刘亚奇、姜宏志对书稿进行了大量修订工作。在本书的编写过程中也得到了战略支援部队信息工程大学五院各级领导和同事的帮助和指导，在此深表感谢。本书得到国家自然科学基金（61703433）的资助，在此表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在一些缺点和不足，殷切希望广大读者批评指正。
著者
2019年4月于郑州

第3章雷达信号波形与重复间隔
3.1本章引言
本章从主动雷达的角度，对雷达信号的波形以及脉冲重复规律进行深入的介绍，它们是进行雷达侦察信号分析与处理的必要基础。本章首先对现代雷达常见的信号波形进行了分析，从频谱、时频图等特征入手，对信号的脉内调制特征进行分析； 在此基础上，介绍了现代雷达常见的脉冲重复间隔变化规律。
3.2雷达信号波形
3.2.1雷达信号模糊函数

在对雷达信号波形进行设计时，不仅需要考虑信号的低截获特性，还需要考虑信号本身所具有的分辨率、探测精度等问题，而模糊函数正是对雷达信号进行分析研究和波形设计的一个有效工具，模糊函数定义为信号复包络的时间频率复合自相关函数，以χ(τ,fd)表示，即：
χ(τ,fd)=∫∞-∞u(t)u*(t τ)ej2πfdtdt（31）
式中，τ为回波延迟，fd为多普勒频移。根据模糊函数绘制的三维图称为模糊图，理想的模糊图是一个在原点处的冲激函数，表示只有当两个目标完全重合并且速度一致时，才无法分辨。所以，在实际的波形设计中，期望在原点处获得高的尖峰，以获得高的速度和距离分辨率。除原点尖峰外，模糊图还有可能在其他地方出现尖峰，因此模糊函数可以说明信号的混淆情况。在原点附近，等强度的轮廓线是一个区域，区域的大小决定了目标观测的精度，因此希望模糊图尽可能尖锐，以提高探测精度。模糊函数还可以说明信号的抗干扰性能，当雷达的杂波区域图与信号模糊图重叠时，根据其相对位置关系判断该信号对该杂波是否具有良好的杂波抑制特性。
基于以上考虑，常用来作为雷达信号波形的信号有线性调频(LFM)信号、非线性调频(NLFM)信号、伪码调相(PSK)信号、频率编码(FSK)信号以及多种方式进行复合调制信号，如伪码线性调频信号、FSK/PSK信号等。

3.2.2典型雷达脉内信号
为了适应现代战争的需求，科研人员设计出了多种复杂的雷达波形和灵活多变的调制方式。常规脉内无调制的脉冲信号在当前电子战环境中所占的比重越来越小，复杂体制雷达辐射源迅速增加并逐渐占据主导地位，这给雷达辐射源信号侦察及后续的分选识别带来了新的挑战。脉内调制是雷达信号设计者为了实现某种特定的功能，人为在信号脉冲内部进行调制。由于信号发射设备峰值功率的限制，使得大的时宽和带宽不可兼得，从而导致雷达系统的测距精度、距离分辨率与测速精度、速度分辨率与作用距离之间存在不可调和的矛盾［1］。由模糊函数理论可知，对宽脉冲信号加入脉内调制能提供大的时间带宽积，可以有效解决这一矛盾。脉冲压缩雷达正是根据这一原理而设计的，因此脉压体制是现代雷达，特别是军用雷达广泛采用的一种体制，如美国的ACWAR雷达信号采用相位编码脉冲压缩形式，主要用来截获和跟踪目标； 意大利的PILOT雷达信号采用线性调频脉冲压缩形式，主要用于海上导航； 美国的SANCTUAY雷达信号采用相位编码脉冲压缩形式，主要利用双基地体制完成远程监视与跟踪； 美国休斯公司的AN/APQ181雷达信号采用脉冲编码压缩，主要装备在B2隐身轰炸机上。
雷达信号的脉内调制方式通常包括幅度调制、相位调制、频率调制以及混合调制等，如表31所示。由于雷达信号多为短脉冲制式，信号能量决定了其检测能力的大小，为充分利用雷达发射机的功率，一般不采用脉内幅度调制，而主要使用频率调制和相位调制，同时这两种体制也是具有大时间带宽积的脉冲压缩雷达主要的信号形式［2］。

表31常见的雷达辐射源信号脉内调制方式

调 制 方 式信 号 类 型信 号 描 述

频率调制

线性调频信号频率随时间呈线性变化

频率编码信号频率随时间呈阶梯状分布

非线性调频信号余弦调频

正切调频

反正切调频

双曲线调频

偶二次调频频率是时间的余弦函数

频率是时间的正切函数

频率是时间的反正切函数

频率是时间的双曲线函数

频率是时间的偶二次函数

V型调频信号频率随时间呈V型分布

线性步进频率编码频率随时间呈阶梯状分布

相位调制

二相编码信号编码调制函数离散，瞬时频率出现多个相同峰值

多相编码信号编码调制函数离散，瞬时频率出现多个不同峰值

混合调制

二相编码与线性调频组合调制信号码元间隔内频率呈线性变化，信号波形与二相编码信号相同

频率编码与二相编码组合调制信号每频率内呈现二相编码频率，信号波形为多频率分布

频率编码与四相编码组合调制信号每频率内呈现四相编码频率，信号波形为多频率分布
理论上雷达信号的调制方式可以随意改变，但为了满足雷达系统特定功能的需求，雷达信号波形设计必须遵循一定的规则部分规则已在第2章进行了介绍。如为满足动目标跟踪的要求，雷达工作频率、脉宽、幅值等必须具有高度的短期稳定性； 为了同时兼顾测距精度、距离分辨率与测速精度、速度分辨率，需要采用脉冲压缩体制的大时宽、带宽积信号； 为了削弱多普勒频移的影响，需要采用LFM信号； 为了获得很高的时延和多普勒分辨能力，需要采用相位调制信号［3］。因此在一定条件下，为了满足雷达的作战性能需求，必须选择与之相适应的信号形式和参数。一旦雷达系统的用途和功能确定，相应的雷达信号调制方式和参数也基本上能确定下来，从而使得提取相对稳定的辐射源信号调制特征成为可能。
设侦察接收机接收信号的模型为：
x(t)=s(t) v(t),0≤t≤T(32)
式中，s(t)为雷达信号，v(t)为高斯白噪声，T为脉冲宽度。
信号的功率为
Ps=1N∑N-1t=0|s(t)|2
(33)
噪声的功率为
σ2=1N∑N-1t=0|v(t)|2(34)

信噪比(SNR)定义为
SNR=10log10(Ps/σ2)(35)