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基于时频特性分析的雷达压制干扰信号识别

期刊:电光与控制DOI:10.3969/j.issn.1671-637x.2020.09.003

李宝鹏、彭志刚、高伟亮三位作者,来自海军航空大学青岛校区,于2020年在期刊《电光与控制》(Electronics Optics & Control)第27卷第9期上发表了题为《基于时频特性分析的雷达压制干扰信号识别》(Radar suppression jamming signal identification based on time-frequency characteristic analysis)的学术论文。这篇论文属于一项典型的、针对具体工程应用问题的原创性科学研究。

在现代电子战中,雷达系统与干扰手段之间的技术对抗日益激烈。有源压制式干扰由于其适用性强、干扰效果好,被广泛使用,严重影响了雷达对目标的正常探测。为了使雷达在复杂的电磁环境中仍能有效工作,具备智能抗干扰能力,特别是“干扰环境感知”能力变得至关重要。干扰环境感知的核心任务之一,就是对接收到的干扰信号进行快速、准确的分类识别,从而为后续选择最优的抗干扰措施提供决策依据。然而,现有的干扰识别方法,或是在低干噪比(JNR)下识别性能不佳,或是特征提取和计算过程复杂、运算量大,不利于工程实时实现。针对这些问题,本研究旨在寻找一种既能保证较高识别概率,又具有较低计算复杂度和良好工程实现前景的雷达压制干扰信号识别方法。

本研究的工作流程逻辑清晰,步骤环环相扣。研究首先聚焦于三种在电子战中常见且样式相近的压制式干扰信号:噪声调幅干扰、密集假目标干扰以及二者的复合干扰。作者为这三种干扰建立了精确的数学模型,为后续的仿真分析与特征提取奠定了基础。研究的核心步骤是系统地分析与对比这三种干扰信号在时域和频域上的特征。在时域,作者计算并分析了四种特征参数随干噪比(JNR)变化的曲线:时域矩偏度、时域矩峰度、时域包络起伏度以及归一化幅度绝对值标准差。在频域,同样分析了四种特征参数:频域矩偏度、频域矩峰度、频域包络起伏度以及归一化瞬时幅度频谱最大值。通过对这些变化曲线的深入对比,作者发现,并非所有特征参数都具有良好的区分度。例如,在时域,噪声干扰和复合干扰的时域矩偏度、时域矩峰度值非常接近,难以区分;而密集假目标干扰的这些参数值则显著不同。研究的关键在于,通过大量仿真实验,选取了那些在不同类型干扰信号之间表现出稳定且显著差异的特征参数,构建了一个高效的特征向量。具体而言,作者观察到,当JNR足够高(信号趋于稳定)时,频域矩偏度(aω1)和频域矩峰度(aω2)能有效区分噪声干扰与另外两种“密集类”干扰(密集假目标干扰和复合干扰);而归一化瞬时幅度频谱最大值(γmax)和频域包络起伏度(rω)则能有效区分密集假目标干扰与复合干扰。基于这一发现,研究构建了一个由四个关键特征参数(aω1, aω2, γmax, rω)组成的识别特征向量。

为了利用这个特征向量进行分类,本研究构建了一种基于支持向量机(SVM, Support Vector Machine)的二叉树式识别结构。由于SVM本质上是二分类器,要处理三类干扰的识别问题,需要将其转化为多个二分类问题。作者设计了一个包含两个SVM分类器(C1和C2)的级联结构。首先,分类器C1利用特征向量中的aω1和aω2这两个参数,将输入的信号区分为“噪声干扰”或“密集类干扰”(即密集假目标干扰或复合干扰)。如果C1判定为“密集类干扰”,则该信号再被送入分类器C2。C2则利用特征向量中的γmax和rω这两个参数,进一步细分为“密集假目标干扰”或“复合干扰”。这种结构简洁高效。在数据分析和实验验证阶段,作者使用MATLAB进行仿真,设置了具体的雷达信号参数和干扰参数。他们选取JNR在8-10 dB范围内的数据集来训练SVM模型(以确保特征稳定),并使用JNR在0-20 dB范围内的广泛数据集进行测试,并通过1000次蒙特卡洛实验来确保结果的统计可靠性。

研究的主要结果清晰展示了所提方法的有效性。首先,特征参数分析的结果直接支撑了特征选择的有效性。仿真曲线显示,选定的四个特征参数(aω1, aω2, γmax, rω)在JNR超过一定门限(如10 dB)后,对三类干扰呈现出稳定且差异显著的值,这从原理上解释了为什么这些参数适合用作分类依据。其次,SVM分类器的训练效果图显示,分类器C1和C2在其各自的二维特征空间中,能够找到清晰的最优分类超平面(直线),将两类样本有效地分开,尽管C1中存在少量支持向量的交叉,但这在允许的误差范围内,证明了特征的可分性。最终,整个识别系统的性能通过识别概率曲线得到了量化验证。仿真结果表明:在JNR大于4 dB后,对噪声干扰的识别概率稳定在1(即100%正确识别);对密集假目标干扰,在JNR大于7 dB时,识别概率已达到0.9以上;对于结构更为复杂的复合干扰,其识别难度相对较大,但在JNR大于11 dB后,识别概率也能达到0.9以上。这些结果有力地表明,基于所选时频特征和SVM分类器的识别方案,能够对这三种压制干扰实现高概率的准确识别。

基于以上研究过程和结果,论文得出了明确的结论:针对雷达面临的噪声干扰、密集假目标干扰及其复合干扰的分类识别问题,本文提出的方法——通过分析对比选取区分度大的时频特征参数构成特征向量,并构建SVM二叉树分类器——是有效且高效的。该方法不仅对这三种干扰信号具有良好的识别性能,更重要的是,其特征参数提取过程复杂度较低、运算速度快,具有良好的工程应用前景。该研究为雷达实现干扰环境感知、进而实施智能抗干扰提供了切实可行的技术路径,具有重要的应用价值。

本研究的亮点主要体现在以下几个方面:首先,在研究对象的选择上具有明确的工程针对性,聚焦于电子战中实际常用且威胁性大的三种压制干扰样式,研究目标明确。其次,研究方法的创新性体现在特征参数的“筛选”思路上,并非盲目堆砌大量复杂特征,而是通过系统的对比分析,从多个候选特征中精选出最具区分度的少数几个,这直接降低了后续处理的复杂度。第三,所构建的SVM二叉树识别结构巧妙地解决了多分类问题,结构简单,易于实现。最后,整个研究从理论建模、特征分析、分类器设计到仿真验证,流程完整,逻辑严谨,结论可靠。

此外,论文中还隐含了一些有价值的内容。例如,在识别流程中,作者首先提到了需要进行恒虚警处理(CA-CFAR)来确认干扰信号的存在,这体现了完整的雷达信号处理链思想,即识别是建立在有效检测基础之上的。同时,作者在讨论相关研究时,客观指出了前人方法的不足之处(如低JNR下性能差、运算量大等),从而凸显了本研究的改进方向和贡献所在。这些内容共同构成了一个针对实际工程问题的、完整且高质量的解决方案研究报告。

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