本发明涉及雷达
技术领域：
，尤其涉及一种面向非合作雷达辐射源的基于模板匹配的无源探测系统快速时频同步方法。
背景技术：
：现代战场环境下，雷达的效能和生存能力面临越来越严峻的考验，尤其是受到隐身目标、反辐射导弹、低空突防和电子干扰等方面的威胁。以非合作雷达为外辐射源的无源探测系统可以使用较廉价的接收机来接收耗资庞大的非合作雷达的辐射信号，以此实现对目标的定位和跟踪。与有源雷达相比，利用非合作雷达作为外辐射源的无源探测系统具有建设成本低、可防止敌方干扰攻击以及布站灵活等优点。双基地雷达中最重要的问题之一是系统同步问题，包括时间同步和频率同步，由于双基地雷达发射站和接收站分置，为了获得精确的目标信息，接收机在设计时必须与辐射源发射信号的所有参数相匹配。对于合作式无源探测系统，由于辐射源参数已知，因此可以使用稳定度高的同步时钟来实现探测系统的时间和频率同步。而对于非合作无源探测系统，为了对目标进行定位及跟踪，无源探测系统需要通过接收发射机的直达波信号来提取其参数，以此来实现系统的时间同步和频率同步，但是直达波参数未知，需要进行直达波参数估计才能实现系统时频同步，而直达波参数的提取易受干扰信号、多径等因素影响，因此，准确的实现系统时频同步比较困难。同时，如果非合作辐射源工作模式转换频繁并且发射信号无规律，则无源探测系统必须实时进行系统同步，而不能像合作式无源探测系统那样利用其工作规律进行同步。因此，对于非合作无源探测系统，由于其“非合作”的机制，使无源探测系统在时频同步技术方面面临新的难题。近年来，关于双基地雷达同步方法已有一些研究积累。时间同步方法主要有直接同步法、间接同步法和独立式同步法，其中直接同步法和间接同步法主要用于合作式雷达：直接同步法是指接收机的触发信号由发射机将同步信号经数传通道传递过来触发生成，数传通道有卫星通信、微波中继等，直接同步法精度取决于数传通信信道引入的误差；间接同步法是指在发射站和接收站设一个相同的稳定度高的时钟，通过时钟来完成时间校准，实现时间同步，通常使用gps全球定位系统进行授时；独立式同步法是指接收机直接利用非合作的辐射源进行同步，必须用一个辅助通道来接收辐射源直达波来提取时间同步信息，完成时间同步。文献1：wangwq,dingcb,liangxc.timeandphasesynchronizationviadirect-pathsignalforbistaticsarimageformation.europeanconferenceonsyntheticapertureradar(eusar),dresden,germany,2006,cdrom描述了一种直达波参数估计的方法，利用相邻直达波脉冲在延迟时间上的相互关系估计时间同步误差，但对误差没有进行精确分析，距实用化还有一定距离，文献2：espetert,walterscheidi,klarej,etal.synchronizationtechniquesforthebistaticspaceborne/airbornesarexperimentwithterrasar-xandpamir.internationalgeoscienceandremotesensingsymposium(igarss),barcelona,spain,2007:2160-2163提出，当系统接收到第一个直达波后开始进行数据采集，同时自主产生脉冲信号，但是该文没有分析发射站和接收站的脉冲重复重复频率不一致应如何解决。频率同步方法主要有直接同步法、间接同步法和独立式同步法：直接同步法是指利用专门的通信链路来实现同步，分为两种方法，第一种方法是指将辐射源的本振信号直接发送到接收机，接收机通过锁相环来实现频率同步；第二种方法是指辐射源和接收机同时向对方发送频率基准，然后同时解调，以此实现频率间的同步。间接同步法是指依靠频率源的高稳定性及高准确度来实现同步，为此需要在收发本振进行校准后才可使用。独立式同步法是指通过直达波来实现频率同步，文献3：张永胜，梁甸农，董臻.星载寄生式sar系统频率同步分析.国防科技大学学报，2006,28(2):85-87中，文章以星载双基地sar为研究对象，通过独立接收直达波信号来实现频率同步，其核心思想是，直达波信号经匹配滤波后，相位的线性成分包含频率同步误差和直达波多普勒中心两部分，去掉多普勒中心部分即得到频率同步误差。文献4：baumgartnersv,rodriguez-cassolam,nottensteinera.bistaicexperimentusingterrasar-xanddlr’snewf-sarsystem.europeanconferenceonsyntheticapertureradar(eusar),friedrichshafen,germany,2008:57-60中的实验也是基于直达波的同步补偿方法，但是没有介绍相关的技术细节。综上所述，在系统同步方面，已有很多文献取得研究成果，但由于这些文献的研究对象不是基于非合作雷达辐射源的无源探测系统，鉴于“非合作”机制给同步技术带来新的难题，因此，有必要对以非合作雷达为辐射源的无源探测系统同步技术进行研究，同时为了将算法应用于工程，必须寻找一种能够快速准确同步时频参数的方法。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于提供一种快速准确分析非合作雷达辐射源直达波参数的方法，主要针对的直达波信号为线性调频(linearfrequencymodulation，lfm)信号，需要计算的参数有脉冲到达时间、脉宽、载频以及带宽。根据计算得到的精确的时间参数和频率参数实现系统实时性的时频同步，以提高后续雷达信号和数据处理的精度。为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模板匹配的无源探测系统快速时频同步方法，主要包含以下步骤：s1.通过前期外场实验长期监控和分析非合作雷达辐射源的直达波信号，利用信号侦察技术和统计方法，确定所选非合作雷达辐射源的信号参数，包括脉宽、带宽和载频，建立信号参数模板库：脉宽模板库、带宽模板库和载频模板库；s2.对采集的待处理直达波信号采用分段自相关方法初步估计脉冲到达时间、脉冲结束时间和脉宽；s3.将s2初步估计得到的脉宽与脉宽模板库中精确的脉宽模板匹配，获得脉宽的精确值，并利用脉宽估计误差对初步估计的脉冲到达时间和结束时间进行补偿；s4.利用带宽模板库，对采集的待处理直达波信号用解线调的方法精确检测带宽并初步估计载频；s5.将s4初步估计得到的载频与载频模板库中精确的载频模板匹配，获得载频的精确值；s6.利用s3、s4和s5获得的精确的脉宽、载频、带宽参数，用匹配滤波的方法精确计算脉冲到达时间，完成时间同步和频率同步。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明充分利用前期外场实验收集的大量实测数据并制备成相应的时频参数模板，对于具体型号的非合作雷达辐射源具有很强的针对性，提高了效率。(2)设计了一套基于模板匹配的时频同步流程，充分利用了直达波自身的参数特性以及模板库提供的信息，提高了时频同步的精度。(3)本发明所提出的时频同步方法计算量小、精度高，适合实际工程实现。附图说明图1是本发明方法的简要流程框图；图2是本发明的一个具体实施例中的直达波信号波形；图3是本发明的一个具体实施例中解线调之后信号的频谱：(a)解线调后变成单频信号的频谱；(b)解线调后仍为线性调频信号的频谱。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。本发明的简要流程框图如图1所示，在收到非合作雷达辐射源的直达波信号之后，首先通过分段自相关方法初步估计直达波信号的脉冲到达时间、脉冲结束时间和脉宽，再与精确的脉宽模板匹配，获得脉宽的精确值。然后利用带宽模板并采用解线调的方法精确检测带宽并初步估计载频，再与精确的载频模板匹配，获得载频的精确值。最后利用精确的脉宽、载频、带宽参数，用匹配滤波的方法精确计算脉冲到达时间，从而实现无源系统时间和频率的同步。以下为本发明提供的方法的具体步骤。s1.通过前期外场实验长期监控和分析非合作雷达辐射源的直达波信号，利用信号侦察技术和统计方法，确定所选非合作雷达辐射源的信号参数：脉宽、带宽和载频，根据脉宽、带宽和载频这三个相对固定的参数，建立信号参数模板库：脉宽模板库带宽模板库{b(j)|j＝1，2，…，lb}，载频模板库{f(k)|k＝1,2,...,lf}，其中b(j)、f(k)为信号参数模板库中具体的脉宽模板、带宽模板和载频模板，lb、lf分别为脉宽、带宽和载频的参数个数。s2.对采集的待处理直达波信号采用分段自相关方法初步估计脉冲到达时间、脉冲结束时间和脉宽，其具体步骤如下：s2.1.以待处理直达波信号第一个点为起点截取长度为n的序列，记为x(1)，以信号第二个点为起点截取长度为n的序列，记为x(2)，依次类推。n＜＜n，n为一个调频周期内待处理直达波信号序列长度；s2.2.利用分段自相关函数计算公式计算x(1)的分段自相关函数r(1)，并采用递推公式计算之后序列的分段自相关函数，可以看到采用递推方法计算每一个r(i)仅需要一次复数乘法和一次复数加法，计算量相比直接计算要大大减少，适合硬件实时处理；s2.3.确定检测门限vt，利用双门限法，即认为只有当连续超过门限p次，才认为有目标信号，同理，只有连续低于门限q次，才认为信号结束，其中p和q的参数值由信号的信噪比决定。如果连续p个r(i)<vt且系统处于没有检测到脉冲的状态，则回到s2.2；如果连续p个r(i)>vt，则转入s2.4；s2.4.记录当前对应的时间tstart，即为脉冲到达时间的估计值；s2.5.如果连续q个r(i)<vt，则表明脉冲已结束，记录当前对应时间tend，初步估计脉宽值为接收机实时采集的一段待处理直达波信号波形如图2所示，可以看到直达波信号中有两段脉冲，两段脉冲的脉宽和幅度均不相同。针对图2中的直达波信号，采用上述步骤进行参数估计，得到两段脉冲的参数估计结果如下表：脉冲到达时间估计值(ms)脉宽估计值(ms)第一段脉冲109.84355.9981第二段脉冲133.43231.9942s3.将s2初步估计得到的脉宽与脉宽模板库中精确的脉宽模板匹配，获得脉宽的精确值，并利用脉宽估计误差对初步估计的脉冲到达时间和结束时间进行补偿。在初步估计脉冲到达时间tstart和脉宽后，通过与精确的脉宽模板匹配，将初步估计脉宽值与脉宽模板库相比较，选取脉宽模板库中与最接近的脉宽参数τ0，则τ0即为脉冲的精确脉宽值。从而得到脉宽估计误差为对脉冲到达时间和结束时间进行补偿，有针对s2中的直达波信号，通过采用模板匹配方法可以得到两段脉冲的精确脉宽、脉冲估计误差以及补偿后的到达时间和结束时间如下表：s4.利用带宽模板库，对采集的待处理直达波信号用解线调的方法精确检测带宽并初步估计载频，其具体步骤如下：s4.1.利用s3得到的精确脉宽τ0和补偿后的脉冲到达时间与结束时间截取区间为的信号s，s共包含m个点，则其中ts为信号的采样周期；s4.2.带宽参数模板库为{b(j)|j＝1，2，…，lb}，则信号可能的调频斜率为...，采用不同调频斜率分别构造参考信号:...s4.3.将s分别与不同的参考信号相乘，得到解线调后信号然后对解线调后信号进行固定点数的fft运算，得到解线调后信号的频谱s4.4.测量比较不同解线调后信号频谱的峰值，图3即为采用不同参考信号进行解线调处理后的频谱，比较得到拥有最大峰值的频谱对应的调频斜率为kmax，进而得到信号带宽的精确值为b0＝kmax·τ0，同时该频谱中峰值所对应的频率位置即为信号的初步估计载频针对s2中的直达波信号，对两段脉冲分别采用解线调的方法计算相应的带宽b0和初步估计载频结果如下表。s5.将s4初步估计得到的载频与载频模板库中精确的载频模板匹配，获得载频的精确值。在通过s4采用解线调的方法精确计算带宽b0、初步估计载频后，将初步估计的载频与精确的载频模板{f(k)|k＝1,2,...,lf}相比较，选取载频模板库中与最接近的载频参数f0，则f0即为脉冲信号的精确载频值。对于s2中的直达波信号，采用模板匹配方法，得到直达波信号中第一段脉冲的精确载频为516.5mhz，第二段脉冲的精确载频为521.375mhz。s6.利用s3、s4和s5获得的精确的脉宽、载频、带宽参数，用匹配滤波的方法精确计算脉冲到达时间，完成时间同步和频率同步。由于经过s3、s4和s5已经得到了信号的脉宽τ0、载频f0和带宽b0，构建参考信号：选取区间为的一段信号sj，其中fs为采样频率，将参考信号sr与sj匹配滤波，得到精确的脉冲到达时间toa。对于s2中的直达波信号内的两段脉冲，采用以上步骤进行时间参数和频率参数计算，最终得到的时频参数如下表：到达时间toa(ms)脉宽τ0(ms)载频f0(mhz)带宽b0(mhz)第一段脉冲109.63426516.51.25第二段脉冲133.96442521.3750.25由以上具体实施例可以看到，通过采用本发明中基于模板匹配的无源探测系统快速时频同步方法，能够对来自非合作雷达辐射源的直达波进行快速准确的时频同步，由于该方法充分利用了直达波自身的参数特性和模板库提供的信息，并且对于具体型号的非合作雷达辐射源具有很强的针对性，因此计算量小，精度高，满足硬件平台的实时处理要求，适合工程化实现。当前第1页12