从收到脉冲波形参数提取

这个示例使用:

现代飞机经常携带雷达告警接收机(RWR)。RWR检测雷达发射和警告飞行员在飞机上的雷达信号照射。一个RWR不仅可以探测雷达发射,也分析了截获信号和目录是什么样的雷达信号的来源。这个例子显示了一个RWR可以截获脉冲的参数估计。模拟一个场景的例子与地面监视雷达(发射器)和飞行飞机配备了一个RWR(目标)。RWR截获雷达信号,提取从截获的脉冲波形参数,和发射器的位置估计。提取的参数可以利用飞机采取反制措施。

这个例子需要图像处理工具箱™。

介绍

RWR是一个被动的电子战支持系统[1],为驾驶员提供及时的信息对其射频信号环境金宝app。RWR截获一个冲击信号,使用信号处理技术提取的信息截获波形特征,以及发射器的位置。此信息可以用于调用对策,如干扰避免被雷达发现。雷达和飞机之间的交互是下图中所示。

这个例子模拟一个场景RWR地面监视雷达和一架飞机。RWR检测雷达信号,提取从截获的信号波形参数如下:

脉冲重复间隔
中心频率
带宽
脉冲持续时间
到达方向
发射器的位置

RWR链由一相控阵天线,一个信道接收器,一个包络检波器,信号处理器。截获的频带信号估计的信道化接收机和包络检波器,后发现部分波段的信号的信号处理器。应用光束控制对这部分波段信号的到达方向,和波形参数估计使用伪能量变换结合霍夫变换。使用到达角和single-baseline方法,发射器的位置估计。

场景设置

假设地面监视雷达在L波段运作,和传送啁啾信号3 $μ 年代$ 持续时间的脉冲重复间隔15 $μ 年代$ 。30 MHz带宽传输的唧唧声,载波频率为1.8 GHz。监视雷达位于原点,是静止的,飞机是飞以恒定的速度200米/秒(~ 0.6马赫)。

%定义传输波形参数fs = 4 e9;%为系统采样频率(赫兹)fc = 1.8 e9;%监视雷达的工作频率(赫兹)T = 3 e-6;%唧唧声持续时间(s)脉冲重复频率= 1 / (15 e-6);%脉冲重复频率(赫兹)BW = 30 e6;%唧唧喳喳的带宽(赫兹)c = physconst (“光速”);%在空气中光的速度(米/秒)%假设监视雷达是在原点,是静止的radarPos = (0, 0, 0);%雷达位置(m)radarVel = (0, 0, 0);%雷达速度(米/秒)%承担飞机以恒定的速度运动rwrPos = (-3000; 1000; 1000);%飞机位置(m)rwrVel = [200;0;0);%的飞机速度(米/秒)%配置对象模型地面雷达和飞机的相对运动rwrPose =分阶段。平台(rwrPos rwrVel);radarPose =分阶段。平台(radarPos radarVel);

雷达的发射天线是一个8-by-8均匀矩形相控阵,间距 $λ$ / 2之间的元素。飞机从雷达信号传播和由RWR截获和分析。为简单起见,选择波形线性调频波形峰值功率为100 W。

线性调频脉冲波形%配置使用上面定义的波形参数wavGen = phased.LinearFMWaveform (“SampleRate”fs,“脉冲宽度”T“SweepBandwidth”BW,脉冲重复频率的脉冲重复频率);%配置统一的矩形数组antennaTx = phased.URA (“ElementSpacing”repmat ((c / fc) / 2, 1, 2),“大小”[8]);%为传输配置对象和雷达信号传播tx = phased.Transmitter (“获得”5,“PeakPower”,100);散热器= phased.Radiator (“传感器”antennaTx,“OperatingFrequency”、fc);envIn = phased.FreeSpace (“TwoWayPropagation”假的,“SampleRate”fs,“OperatingFrequency”、fc);

地面监视雷达不知道的方向目标,因此,它需要扫描整个空间寻找飞机。一般而言,雷达将传输一系列脉冲在每个方向移动到下一个方向。因此,不失一般性,这个例子假设雷达发射向零摄氏度方位角和仰角。下图显示的时间频率表示飞机four-pulse火车的到来。注意,尽管脉冲序列到达一个特定的延时,延时的第一个脉冲的到来RWR是无关紧要的,因为它没有知识传输时间,并不断监测其环境。

%传输脉冲的火车numPulses = 4;txPulseTrain = helperRWR (“simulateTransmission”,wavGen numPulses rwrPos,…radarPos、rwrVel radarVel、rwrPose radarPose, tx,散热器,envIn, fs, fc,脉冲重复频率);%观察信号到达RWRpspectrum (txPulseTrain fs,的谱图,“FrequencyLimits”(1.7 e9 1.9 e9),“漏”,0.65)标题(“传输脉冲序列谱图”)caxis(-90年[-110])

图包含一个坐标轴对象。标题传播脉冲序列谱图的坐标轴对象包含一个类型的对象的形象。

RWR配备一个10 *均匀矩形阵列的间距 $λ$ / 2之间的元素。它在整个l波段运作,中心频率的2 GHz。RWR听环境,不断收集到的数据在处理链。

%配置接收天线浸= phased.IsotropicAntennaElement (“BackBaffled”,真正的);antennaRx = phased.URA (“ElementSpacing”repmat ((c / 2 e9) / 2, 1, 2),“大小”(10,10),“元素”,下降);%模型雷达接收器链收集器= phased.Collector (“传感器”antennaRx,“OperatingFrequency”、fc);rx = phased.ReceiverPreamp (“获得”0,“NoiseMethod”,噪声功率的,“NoisePower”2.5 e-6“SeedSource”,“属性”,“种子”,2018);%收集海浪的接收器[~,tgtAng] = rangeangle (radarPos rwrPos);年=收集器(txPulseTrain tgtAng);年= rx(年);

RWR包络检波器

的包络检波器RWR负责检测存在的任何信号。随着RWR不断接收数据,接收链缓冲区,对接收的数据截断到50 $μ 年代$ 段。

%接收的数据截断truncTime = 50 e-6;truncInd =圆(truncTime * fs);/年= (1:truncInd,:);

自从RWR没有知识的中心频率用于传输波形,它首先使用一个过滤器,银行每个射频略有不同中心频率,将接收的数据分成部分波段。然后应用包络检波器在每个乐队检查是否存在一个信号。在这个例子中,100 MHz带宽的信号分为部分波段。这种操作的另一个好处是代替整个带宽由RWR采样,信号在每个部分波段可以downsampled采样频率为100 MHz。

%定义每个频率子带的带宽stepFreq = 100 e6;%计算数量的部分波段和配置dsp.ChannelizernumChan = fs / stepFreq;信道器= dsp.Channelizer (“NumFrequencyBands”numChan,“StopbandAttenuation”,80);

这图显示了前四个乐队由滤波器组。

%可视化前四过滤器滤波器组的创建%信道器freqz(信道器,1:4)标题(“前四过滤器放大信道器响应”0.2)xlim ([0])

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题放大信道器响应前四过滤器包含4线类型的对象。

%通过信道器将接收到的数据subData =信道器(年);

接收到的数据,subData三维空间。第一个维度代表了夏令时间,第二个维度代表了部分波段,第三维度对应接收接收数组的元素。RWR 10天线配置的使用在本例中,有100个接受元素。因为低传输能量和接收机噪声高,雷达信号与噪声区分开来。因此收到国家在这些元素总结提高signal-to-nose比(信噪比)和更好地估计在每个子带的力量。乐队所使用的最大功率是雷达。

%重新排列subData结合天线阵列通道incohsubData = pulsint(排列(subData [1、3、2),“非相干”);incohsubData =挤压(incohsubData);%绘制配电subbandPow = pow2db (rms (incohsubData, 1) ^ 2) + 30;情节(subbandPow);包含(“带指数”);ylabel (“权力(dBm)”);

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象包含一个类型的对象。

%找到最大功率的部分波段[~,detInd] = max (subbandPow);

RWR信号处理器

尽管所选波段高于邻近的乐队,乐队中的信噪比仍然较低,如下列图所示。

subData = (subData (:, detInd:));subData =挤压(subData);%调整数据以二维矩阵%可视化检测子频带的数据情节(mag2db (abs (sum (subData, 2))) + 30) ylabel (“权力(dBm)”)标题(的部分波段检测到100个频道联合语无伦次的)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象的标题部分波段检测到100个频道联合无条理地包含一个类型的对象。

%找到原来的起始频率可检测到%的信号detfBand = f * (detInd-1) / (fs / stepFreq);%更新摧毁频率的采样频率fs = stepFreq;

的subData现在是一个二维矩阵。第一个维度是夏令时间样品和第二个维度是数据在100年接收天线通道。计算发现子带起始频率检测信号的载波频率。

RWR的下一步是找到方向的无线电波到达。到达这个角的信息将被用于引导接收天线波束的方向发射器和定位发射器在地面上使用单基线的方法。RWR估计使用二维音乐估计到达的方向。光束控制使用相移beamformer达到最大信噪比的信号,从而帮助波形参数提取。

假设飞机地面是平的,平行于xy平面的坐标系统。然后,RWR可以使用飞机的高度信息从高度计数据一起到来的方向确定发射器的位置。

%配置音乐估计到达的方向%的信号doa = phased.MUSICEstimator2D (“OperatingFrequency”足球俱乐部,“PropagationSpeed”c…“SensorArray”antennaRx,“DOAOutputPort”,真的,“AzimuthScanAngles”-50:.5:50,…“ElevationScanAngles”-50:.5:50,“NumSignalsSource”,“属性”,“NumSignals”1);[mSpec, doa] = doa (subData);plotSpectrum (doa,“标题”,“二维音乐空间频谱顶视图”);视图(0,90);轴((-30 -30 0 0));

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题音乐空间二维谱前视图包含一个类型的对象的表面。

图清楚地显示了发射器的位置。

%配置beamformer对象结合之前引导光束%的渠道beamformer = phased.PhaseShiftBeamformer (“SensorArray”antennaRx,…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“DirectionSource”,输入端口的);%应用波束形成,想象光束引导辐射%的模式mBeamf = beamformer (subData、doa);%找到发射器的位置altimeterElev = rwrPos (3);d = abs (altimeterElev /信德(doa (2)));

应用光束控制后,天线的方位角和仰角的最大增益的到来的信号。这进一步提高了截获信号的信噪比。接下来,提取信号参数的信号处理器使用一个被称为伪能量变换的时频分析技术加上霍夫变换如[2]所述。

首先,推导出时间截获信号的频率表示使用能量变换。

%计算伪能量变换[tpwv t、f] = helperRWR (“pWignerVille”mBeamf, fs);%绘制伪能量变换显示亮度图像(f * 1 e-6 t * 1 e6, pow2db (abs (tpwv. / max (tpwv (:)))));包含(“频率(MHz)”);ylabel (“时间(\亩)”);-50年caxis ([0]);clb = colorbar;clb.Label。字符串=“归一化功率(dB)”;标题(“伪能量变换”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题伪能量变换包含一个类型的对象的形象。

用人类的眼睛,虽然产生的时间频率表示是嘈杂的,它不是很难区分信号和背景。每个脉冲在时间频率平面上显示为一条线。因此,使用时频线的开始和结束,你可以推出脉冲宽度和脉冲的带宽。同样,从不同的脉冲之间的时间线给出了脉冲重复间隔。

这样做自动不依赖人类的眼睛里,使用霍夫变换来识别这些台词的形象。霍夫变换可以执行在噪声的存在,和转换是一个增强的时频信号分析方法。

使用霍夫变换,需要时间频率的图像转换成一个二进制图像。以下执行一些数据平滑图像,然后使用imbinarize函数来执行转换。转换阈值可以修改基于接收者的限幅特性和操作环境。

%伪能量图像正常化twvNorm = abs (tpwv)。/ max (abs (tpwv (:)));%实现中值滤波的噪声filImag = medfilt2 (twvNorm 7 [7]);%利用阈值过滤图像转换成二进制图像BW = imbinarize (filImag. / max (filImag (:)), 0.15);显示亮度图像(f * 1 e-6 t * 1 e6, BW);colormap (“灰色”);包含(“频率(MHz)”);ylabel (“时间(\亩)”);标题(“伪能量变换- BW”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题伪能量变换- BW包含一个类型的对象的形象。

利用霍夫变换,首先转化为二进制图像伪能量峰值。这种方式,而不是检测图像的线,你只需要检测图像中的峰值。

%计算图像的霍夫变换和阴谋[H T R] =踝关节(BW);imshow (H, [],“XData”T“YData”R“InitialMagnification”,“健康”);包含(‘\θ),ylabel (‘\ρ);轴在,轴正常的,保持在;标题(“哈夫变换的图像”)

峰值位置提取使用houghpeaks函数。

%计算峰的变换,5峰值P = houghpeaks (H, 5);x = T (P (:, 2));y = R (P (: 1));情节(x, y,“年代”,“颜色”,‘g’);xlim(-50年[-90]);-5000 ylim ([0])

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题Hough变换的图像包含2图像类型的对象,线。

使用这些位置,houghlines函数可以重建原始二进制图像。然后,正如前面所讨论的,这些线的开始和结束帮助你估计波形参数。

行= houghlines (BW T R, P,“FillGap”3 e-6 * fs,的最小长度,1 e-6 * fs);coord = [(:) .point1行;行(:).point2];%画出检测线路叠加在二进制图像clf;显示亮度图像(f * 1 e-6 t * 1 e6, BW);colormap(灰色);持有在包含(“频率(MHz)”)ylabel (“时间(\亩)”)标题(“霍夫变换检测到行”)为2 = 1:2:2 *大小(线,2)情节(f (coord(:,(二))* 1 e-6, t (coord (:, ii + 1) * 1 e6,“线宽”2,“颜色”,“绿色”);结束

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象标题霍夫变换,发现行包含4图像类型的对象,线。

%计算使用线坐标参数pulDur = t (coord (2, 2)) - t (coord (1、2);%脉冲持续时间bWidth = f (coord (2,1) - f (coord (1,1));%脉冲带宽pulRI = abs (t (coord (1,4) - t (coord (1、2)));%脉冲重复间隔detFc = detfBand + f (coord (2,1));%中心频率

列出了提取波形特征。他们比赛真相很好。这些估计可以用于目录的雷达和准备必要时应对措施。

helperRWR (“displayParameters”,pulDur pulRI bWidth、detFc doa, d);

脉冲重复间隔= 14.97微秒脉冲持续时间= 2.84微秒脉冲带宽= 27 MHz中心频率= 1.8286 GHz方位角发射器= -18.5度的仰角发射器= -17.5度的发射器= 3325.5095米的距离

总结

这个例子显示了一个RWR可以截获雷达脉冲的参数估计使用信号处理和图像处理技术。

引用

[1]电子战、雷达系统工程手册2013年,海军空中作战中心武器分部点木谷,加州。

[2]史蒂文斯,丹尼尔·L。,and Stephanie A. Schuckers. “Detection and Parameter Extraction of Low Probability of Intercept Radar Signals Using the Hough Transform.”全球工程研究》杂志上2016年1月,9-25页。DOI.org (Crossref),https://doi.org/10.34257/GJREJVOL15IS6PG9。