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宽带雷达信号快速侦察分选的设计与研究

宽带雷达信号快速侦察分选的设计与研究

作者：张宇祥北方工业大学

学位级别：硕士

目前的雷达对抗发展使得现代战场上的电磁环境呈现复杂性:雷达频域范围覆盖更宽,有些信号呈现动态范围大,高脉冲密度,存在干扰脉冲,脉冲辐射源采用新体制技术的特点。因此对于雷达干扰机的接收机部分提出了诸多更高要求,如:(1)接收机需... 详细信息

目前的雷达对抗发展使得现代战场上的电磁环境呈现复杂性:雷达频域范围覆盖更宽,有些信号呈现动态范围大,高脉冲密度,存在干扰脉冲,脉冲辐射源采用新体制技术的特点。因此对于雷达干扰机的接收机部分提出了诸多更高要求,如:(1)接收机需要侦察更高带宽,这使得单位时间内的数据吞吐量激增,亟需更高算力的数字处理硬件平台;(2)新体制雷达更加精确灵敏,因此对接收机实时处理提出挑战:需要在小于us级的时间内完成对雷达信号的侦察;(3)新体制雷达的脉冲调制更加精细复杂,因此对接收机测量精度提出挑战:需要更加准确的脉冲特征识别;(4)为了适应复杂电磁环境带来的高底噪特性,需要引入新的算法来提升脉冲捕获的准确率;(5)对于战场上多个不同辐射源的情况,必须引入雷达分选系统。雷达干扰机的接收机部分亟需解决上述五点新挑战,来适应目前的新体制雷达和复杂电磁环境。本文设计并实现了一个宽带信号雷达快速侦察与分选系统,采用了(1)以XCZU27DR作为主处理芯片,芯片内集成了8个通道,4.8Gsps的ADC,作为新一代FPGA Ultra Scale+架构,内部也集成了更多的逻辑运算资源;(2)为了满足转发式干扰的快速测频特定需求,接收机优化并实现了单比特测频算法,可以在100ns的时间内完成对2.4GHz的宽带信号的测频,远小于进行64阶FFT的703ns的测频时间,测频精度满足转发式干扰的需求;(3)为了适应高信噪比的电磁环境,实现了基于时频相位变化检测和时域能量检测两个维度联合互补检测的工程创新实现:时域的信号门限检测实时性强,但受接收机宽带噪声影响大;雷达信号的频域具有短时在局部窄带内频域能量占优,相位变化呈现明显趋势,显著区别于噪声的随机性。两者优势互补,形成了自适应门限检测算法,可以优化实时性和对低信噪比环境的适应性;(4)为了缓解数字信号带宽和测量精度之间的矛盾,本文在数字信道化接收机的基础上将4.8Gsps的采样信号转成16路并行的子信道,再并行进行时频流转换,实现利用资源换取精度,结果显示相比于直接进行512点FFT的测频速度可以提升90%左右,并且测频精度提升55%左右。最后利用噪声自适应识别算法将16路子信道时频流合并,以此来提取雷达脉冲的特征参数;(5)信号分选基于模板匹配和直方图分选法,能够去除侦察部分不易区分的干扰噪声,实现从脉冲流中分离不同的辐射源信号。本文整合了上述五个模块的侦察分选系统能够在400ns内,在0d B信噪比下、有干扰信号的条件下,实现对多种调频信号的快速侦察;并且设计了后续分选算法识别截获到的脉冲信号流,经实测验证系统的准确率能够达95%。

关键词：宽带信号快速处理雷达脉冲捕获信号侦察数字信道化信号分选 FPGA实现

基于改进MUSIC算法的宽带信号DOA估计

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计算机工程 2022年第11期48卷 201-206页

作者：黎昕婷钟舜聪钟剑锋福州大学机械工程及自动化学院福州350108

现有的波达方向(DOA)估计算法在估计被动探测系统中的宽带信号方位时,存在DOA估计结果偏差大、运算复杂度高等问题,难以满足信号实时处理的要求。为提高多源信号DOA估计的空间分辨率,提出一种基于S变换且不需要预估信号源个数的多重信... 详细信息

现有的波达方向(DOA)估计算法在估计被动探测系统中的宽带信号方位时,存在DOA估计结果偏差大、运算复杂度高等问题,难以满足信号实时处理的要求。为提高多源信号DOA估计的空间分辨率,提出一种基于S变换且不需要预估信号源个数的多重信号分类改进算法。根据宽带信号的频域特征,利用S变换处理阵列接收信号,得到多分辨的时频谱矩阵,同时构建时频域的阵列信号数据模型,结合信号功率谱矩阵呈联合对角化结构的特点,设计基于S变换的子空间谱估计公式。在此基础上,通过谱峰搜索进行DOA估计,实现多源宽带信号的声源定位。仿真结果表明,在信噪比范围为-15~10 dB的条件下,该算法的估计成功率始终保持在90%以上,相比TCT、CS_TCT、CWT_MUSIC算法,其具有较优的估计性能,并且无需预估信号源数。

关键词：宽带信号波达方向估计 MUSIC算法 S变换声源定位

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分布式传声器阵列的低频宽带信号方位估计

声学技术 2023年第5期42卷 669-674页

作者：霍茹静魏明洋许志勇南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094 中国科学院声学研究所北京100190

现有的预防道路交通安全事故、治理道路交通噪声污染等问题的解决方案是从视觉维度监控重点区域并通过声音维度确定事件触发类型与位置。为了实现公路异常声源的实时监测,提出了一种基于双尺度旋转不变信号参数估计旋转不变子空间技术(E... 详细信息

现有的预防道路交通安全事故、治理道路交通噪声污染等问题的解决方案是从视觉维度监控重点区域并通过声音维度确定事件触发类型与位置。为了实现公路异常声源的实时监测,提出了一种基于双尺度旋转不变信号参数估计旋转不变子空间技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)的低频宽带声源波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计算法,该算法适用于三个矩形子阵呈三角形分布的分布式阵列。算法利用该分布式阵列具有的子阵内相邻阵元间距、相邻子阵间距两种尺度对应的空间平移不变性分别进行方向余弦估计,并利用基于阵型分布的解模糊策略实现高精度方位估计。仿真结果验证了算法的有效性,表明了基于该算法的分布式阵列DOA估计精度优于相同阵元数与阵元间距的单个均匀矩形阵,分析了估计精度与分布基线长度的关系,体现了算法的实际工程应用价值。

关键词：分布式阵列方位估计解模糊旋转不变子空间技术(ESPRIT) 宽带信号

基于等效和差波束的相控阵雷达宽带信号测角方法

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现代雷达 2023年第4期45卷 40-47页

作者：马泽强陈熙彧巫书航刘传保南京电子技术研究所江苏南京210039 盐城三新供电服务有限公司东台分公司江苏盐城224200

宽带信号可通过提取目标一维像来支持目标识别等需求,在现代雷达中的作用十分重要。然而,由于多散射点目标的宽带回波特性和相控阵雷达的宽带特性,宽带信号的检测与跟踪一直未能很好地在工程上实现。实际装备的宽带脉冲一般在窄带跟踪... 详细信息

宽带信号可通过提取目标一维像来支持目标识别等需求,在现代雷达中的作用十分重要。然而,由于多散射点目标的宽带回波特性和相控阵雷达的宽带特性,宽带信号的检测与跟踪一直未能很好地在工程上实现。实际装备的宽带脉冲一般在窄带跟踪脉冲的中间插入。在多目标和宽带需求量大的场景下,这种宽窄交替的调度方式极大增加了雷达的资源消耗,削弱了雷达多目标能力。文中提出了一种基于宽带等效和差波束的相控阵雷达宽带信号测角方法。该方法对宽带信号带内多个频点的接收和差波束做等效拟合,形成等效和差波束,进而通过等效和差波束形成宽带角敏曲线。将该方法应用于某相控阵雷达开展飞机和卫星等实际目标探测,验证了方法的有效性。

关键词：相控阵雷达宽带信号测角和差波束

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改进MUSIC算法的宽带信号DOA估计

计算机工程 2022年

作者：黎昕婷钟舜聪钟剑锋福州大学机械工程及自动化学院福建

针对被动探测系统中的宽带信号方位估计问题，同时为提高多源DOA估计的空间分辨率，提出了一种基于S变换且不需要预估信号源个数的多重信号分类改进算法。该算法首先根据宽带信号的频域特征对阵列接收信号做S变换，根据S变换的多分辨率... 详细信息

针对被动探测系统中的宽带信号方位估计问题，同时为提高多源DOA估计的空间分辨率，提出了一种基于S变换且不需要预估信号源个数的多重信号分类改进算法。该算法首先根据宽带信号的频域特征对阵列接收信号做S变换，根据S变换的多分辨率特性构建时频域的阵列信号数据模型，然后据此设计基于S变换的子空间谱估计公式，最后通过谱搜索实现DOA估计。仿真结果中，在信噪比范围为-15 dB至10 dB的条件下，算法始终保持90%以上的估计成功率。通过对该算法的分辨与误差性能分析验证了该算法的有效性，同时二维语音定位仿真实验也证实了所提出的算法具有良好的DOA估计性能。

关键词：宽带信号波达方向估计 MUSIC算法 S变换声源定位

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宽带信号方位估计的改进RSS方法

系统工程与电子技术 2010年第1期32卷 1-4页

作者：侯云山黄建国金勇西北工业大学航海学院陕西西安710072

为了降低宽带信号旋转信号子空间(rotational signal subspace,RSS)方位估计算法的运算量和分辨门限,针对中心对称阵列,将实值处理过程和信号子空间缩放MUSIC(SSMUSIC)方法引入宽带信号方位估计,提出了一种宽带信号方位估计新方法。该... 详细信息

为了降低宽带信号旋转信号子空间(rotational signal subspace,RSS)方位估计算法的运算量和分辨门限,针对中心对称阵列,将实值处理过程和信号子空间缩放MUSIC(SSMUSIC)方法引入宽带信号方位估计,提出了一种宽带信号方位估计新方法。该方法首先使用左实变换矩阵将双向平滑后的各个频率子带的数据协方差矩阵变换为实数矩阵,从而大大降低了运算量;然后使用RSS方法选取聚焦矩阵对各个频率子带的实协方差矩阵进行变换,得到同一参考频率点的数据协方差阵;最后利用基于子空间斜投影的SSMUSIC算法进行一维搜索来求得各个目标的方位角。仿真实验结果表明,该方法比常规宽带RSS方法运算量小,且具有更低的分辨门限和更小的均方误差。

关键词：宽带信号实值处理聚焦矩阵旋转信号子空间 SSMUSIC

基于GPU的宽带信号时延差与相位差估计方法

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电讯技术 2023年第11期63卷 1779-1789页

作者：毛飞龙焦义文马宏李超高泽夫王育欣航天工程大学电子与光学工程系北京101416

针对多天线信号合成系统对于宽带、高速、并行信号的实时合成需求,设计了基于图形处理单元(Graphics Processing Unit,GPU)的宽带信号时延差与相位差估计方法,对估计方法中的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、共轭相乘、累... 详细信息

针对多天线信号合成系统对于宽带、高速、并行信号的实时合成需求,设计了基于图形处理单元(Graphics Processing Unit,GPU)的宽带信号时延差与相位差估计方法,对估计方法中的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、共轭相乘、累加平均等模块进行了相应的线程并行程序设计。为充分发挥GPU的并行运算能力,利用异步流并发的方式对估计方法进一步优化,从结构层面有效提高了数据的并行处理效率。对基于GPU的宽带信号时延差与相位差估计方法进行了实验验证,多次实验测试结果表明,数据量为512000时,在保证估计正确性的基础上,该方法相比传统串行CPU估计方法约有125倍的加速比,采用该方法可实现对多天线信号参数的实时估计。

关键词：多天线信号合成宽带信号时延估计相位估计

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宽带信号子空间谱估计修正方法的研究

电子科技大学学报 2006年第4期35卷 454-457页

作者：崔怀林冯西安李志舜西北工业大学航海学院电子与通信工程系西安710072

提出了信号子空间维数估计法、噪声子空间加权法和扩展MUSIC法三种修正的宽带信号子空间谱估计方法,它们均有效地解决了宽带信号子空间谱估计法所存在的信号子空间维数扩展问题。信号子空间维数估计法用包含信号99.9%以上功率的特征值... 详细信息

提出了信号子空间维数估计法、噪声子空间加权法和扩展MUSIC法三种修正的宽带信号子空间谱估计方法,它们均有效地解决了宽带信号子空间谱估计法所存在的信号子空间维数扩展问题。信号子空间维数估计法用包含信号99.9%以上功率的特征值数目来估计信号子空间维数,正确地划分了子空间。噪声子空间加权法和扩展MUSIC法不用划分子空间,而是给噪声子空间特征向量或全空间特征向量加权,减小了子空间维数扩展的影响。仿真实验结果表明:三种修正方法是有效的,并具有良好的统计性能。

关键词：宽带子空间谱估计子空间维数扩展谱估计宽带信号

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宽带信号的数字测向算法研究

南京航空航天大学学报 2005年第3期37卷 335-340页

作者：林以猛刘渝张映南南京航空航天大学信息科学与技术学院南京210016

数字测向是电子侦察领域的一项重要内容。本文介绍了多基线测向算法,对其解模糊原理及范围作了深入分析,并给出了常见宽带信号的数字鉴相算法。该算法对这些宽带信号采用非线性变换,将其变为常规信号后进行处理,估计出该宽带信号的方向... 详细信息

数字测向是电子侦察领域的一项重要内容。本文介绍了多基线测向算法,对其解模糊原理及范围作了深入分析,并给出了常见宽带信号的数字鉴相算法。该算法对这些宽带信号采用非线性变换,将其变为常规信号后进行处理,估计出该宽带信号的方向。本算法在较低信噪比条件下仍有较高精度。

关键词：数字测向多基线测向宽带信号数字鉴相解相位模糊