基于FPGA的雷達(dá)脈沖信號(hào)分選預(yù)處理研究

韋 偉，萬 福，劉俊起

（海軍指揮學(xué)院，南京 211800）

0 引 言

在現(xiàn)代電子對(duì)抗中，雷達(dá)情報(bào)偵察所面臨的環(huán)境日趨密集和復(fù)雜［1］，在這樣復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中對(duì)雷達(dá)信號(hào)的分選識(shí)別顯得更加繁雜和困難?，F(xiàn)有的雷達(dá)偵察設(shè)備通常是根據(jù)前端送出的脈沖描述字，在后端對(duì)脈沖描述字進(jìn)行分析和處理，依據(jù)相關(guān)的分選算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的分選。

隨著信號(hào)量的不斷增大，后端的處理壓力也不斷增加，本文提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖描述字“預(yù)處理”的處理方式，通過對(duì)脈沖描述字進(jìn)行存儲(chǔ)分析，首先在接收機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)簡單分選，使得后端接收到的描述字能夠簡單反映截獲的雷達(dá)脈沖信號(hào)的關(guān)系，有效緩解后端信號(hào)分選的壓力，簡化分選算法。

1 雷達(dá)信號(hào)分選算法相關(guān)理論

雷達(dá)信號(hào)分選算法主要依據(jù)脈沖重復(fù)周期（PRI），PRI是信號(hào)分選與識(shí)別的一個(gè)重要參數(shù)［2］，決定了雷達(dá)的最大無模糊距離和最大無模糊徑向速度［3］。

雷達(dá)信號(hào)的PRI參數(shù)是雷達(dá)信號(hào)參數(shù)中工作樣式最多、參數(shù)范圍最大、變化最快的［2］。圖1分別示出了固定PRI、參差PRI、抖動(dòng)PRI、參差抖動(dòng)PRI、成組參差PRI、成組參差抖動(dòng)PRI時(shí)到達(dá)脈沖序列的波形。

常用的信號(hào)分選方法是首先估計(jì)出雷達(dá)輻射源的PRI，根據(jù)這個(gè)估計(jì)值分選出每部雷達(dá)輻射源的脈沖序列，從而得到各雷達(dá)輻射源的參數(shù)集及轉(zhuǎn)移特性。下面介紹2種最常見的分選算法：累積差值直方圖（CDIF）算法和序列差值直方圖（SDIF）算法。

1.1 CDIF算法［4］

CDIF首先通過累積各級(jí)差值直方圖來估計(jì)原始脈沖序列中可能存在的PRI，然后以此PRI來進(jìn)行序列搜索，包括直方圖估計(jì)和序列搜索2個(gè)步驟。首先計(jì)算脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）差值，形成第1級(jí)差值直方圖，然后從最小的脈沖間隔起，將第1級(jí)差值直方圖中的每個(gè)間隔直方圖值以及2倍間隔直方圖值與門限τ比較。

圖1 典型的雷達(dá)信號(hào)PRI特征

CDIF算法的檢測(cè)門限為：

式中：τ為PRI的估計(jì)值；x可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，一般取x＜1；tj為脈沖到達(dá)時(shí)間。

假如2個(gè)直方圖值超過門限，則以該間隔作為PRI值進(jìn)行序列搜索。如果搜索成功，將此PRI序列從采樣脈沖序列中扣除，并且對(duì)剩余序列重新開始計(jì)算新的差值直方圖，重復(fù)此過程直到?jīng)]有足夠的脈沖形成脈沖序列；如果搜索不成功，則以本級(jí)差值直方圖的下一符合條件的脈沖間隔作為PRI進(jìn)行搜索；假如本級(jí)差值直方圖中沒有符合條件的脈沖間隔值，則計(jì)算下一級(jí)差值直方圖值。

1.2 SDIF算法［5］

SDIF算法針對(duì)CDIF算法存在的問題作了一些改進(jìn)。首先，計(jì)算相鄰2個(gè)脈沖的TOA之差，構(gòu)成第1級(jí)差值直方圖，計(jì)算門限，然后進(jìn)行子諧波檢測(cè)，若只有1個(gè)超過檢測(cè)門限，則把該值當(dāng)作可能的PRI進(jìn)行序列搜索；當(dāng)多個(gè)輻射源同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，第1級(jí)差值直方圖可能會(huì)有幾個(gè)超過門限的PRI值，并且都不同于實(shí)際的PRI值，此時(shí)不進(jìn)行序列搜索，而計(jì)算下一級(jí)的差值直方圖，然后對(duì)可能的PRI進(jìn)行序列搜索。若能成功分離出相應(yīng)的序列，則從采樣序列中扣除，并對(duì)剩余脈沖從第1級(jí)開始形成的差值直方圖，在進(jìn)行過子諧波檢驗(yàn)后，如果不止一個(gè)峰值超過門限，則從超過門限的峰值所對(duì)應(yīng)的最小脈沖間隔進(jìn)行序列搜索，最后進(jìn)行參差鑒別。SDIF算法不對(duì)不同級(jí)的差值直方圖進(jìn)行積累，而只檢測(cè)當(dāng)前級(jí)的差值直方圖。

SDIF算法的檢測(cè)門限為：

式中：x和K為由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，通常x＜1；N為總的脈沖個(gè)數(shù)；c為到達(dá)時(shí)間差直方圖的階數(shù)。

2 基于FPGA的分選預(yù)處理方法

實(shí)際上，上述2種分選方法雖然是普遍使用的，但其在信號(hào)分選上也存在許多的局限性和困難，單單計(jì)算一級(jí)差值直方圖就需要不少的時(shí)間，而且一直到分選結(jié)束，差值直方圖就需要不斷重新計(jì)算。如果有辦法能夠在脈沖描述字送到后端之前就進(jìn)行一些簡單分選，將簡單的同源脈沖信號(hào)從復(fù)雜的脈沖群中標(biāo)記出來，抽取出來，使得原來的信號(hào)環(huán)境能夠簡化，那么后端的分選壓力將成幾何倍數(shù)遞減，分選所占用的CPU等計(jì)算機(jī)資源將減少，分選算法的運(yùn)算量也將更加簡單，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理性能進(jìn)一步提高，整個(gè)偵察接收機(jī)系統(tǒng)的偵察能力也進(jìn)一步得到加強(qiáng)。所以本文提出在硬件層首先對(duì)脈沖描述字進(jìn)行處理。

由圖2可知，本文使用的方式是讓FPGA輸出的脈沖描述字再次返回FPGA，使得FPGA對(duì)脈沖描述字進(jìn)行簡單的分選處理。本文的具體處理辦法是在FPGA上開2個(gè)存儲(chǔ)器，簡稱RAM1和RAM2，其功能是將脈沖描述字存儲(chǔ)在其中，在存儲(chǔ)RAM1時(shí)，處理RAM2上的數(shù)據(jù)（進(jìn)行預(yù)分選）；當(dāng)存儲(chǔ)RAM2時(shí)，處理RAM1上的數(shù)據(jù)，對(duì)脈沖描述字的乒乓處理，保證脈沖不丟失，如圖3所示。

圖2 加入預(yù)分選的信號(hào)處理流程

圖3 FPGA對(duì)脈沖描述字的乒乓處理

這里的預(yù)分選依據(jù)的是雷達(dá)脈沖寬度（PW）。雖然脈沖寬度在雷達(dá)分選中不可以作為主要分選依據(jù)，但可通過相鄰2個(gè)脈沖的寬度來進(jìn)行初步判別。對(duì)相鄰2個(gè)PW進(jìn)行相關(guān)度比較的具體方法，如果2個(gè)相鄰脈寬差異較大，則認(rèn)為兩者不是同一個(gè)雷達(dá)輻射源或者認(rèn)為其中一個(gè)脈沖測(cè)量發(fā)生誤差。

此處只對(duì)3個(gè)或3個(gè)以下的同源信號(hào)進(jìn)行分選，以作說明。首先在存儲(chǔ)的脈沖描述字中，選定一個(gè)作為基準(zhǔn)，與其后面相鄰脈沖的脈寬作比較，若相差在20%以內(nèi)的（可以選擇其他衡量辦法，這里暫用此種方法進(jìn)行說明），認(rèn)為是一致的，以下一個(gè)脈沖繼續(xù)作為基準(zhǔn)。若相差超過20%，與其后面一個(gè)繼續(xù)比較，直到比對(duì)3次后，如果比對(duì)中沒有分選出至少一對(duì)同源信號(hào)，選擇下一個(gè)脈沖繼續(xù)比對(duì)，依此類推。

通過此方法，如果比對(duì)的2個(gè)脈沖信號(hào)相似，則在其脈沖描述字上“打上標(biāo)簽”（圖5和圖6中“ENABLE”即為所打的標(biāo)簽號(hào)），即在脈沖描述字的保留位定義1個(gè)區(qū)間，作為比對(duì)的結(jié)果顯示。設(shè)定1個(gè)時(shí)間段范圍，比如用τ作為1個(gè)分選周期，在τ時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM1中，RAM2中的數(shù)據(jù)必須及時(shí)處理完，以便在RAM1存完時(shí)繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 脈寬比對(duì)流程圖

圖5和圖6顯示的是3組規(guī)則脈沖和不規(guī)則脈沖的分選結(jié)果。由仿真可知，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，預(yù)分選可以處理更多的維數(shù)（如果設(shè)計(jì)要求），同時(shí)所耗費(fèi)的FPGA資源也會(huì)加大。當(dāng)然，在實(shí)際的FPGA設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，需要對(duì)整個(gè)脈沖描述字再進(jìn)行處理，本文的仿真實(shí)例只是針對(duì)脈寬進(jìn)行簡單的示例說明。

3 結(jié)束語

在預(yù)分選完成后，后端的軟件分選算法還需要對(duì)預(yù)分選出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行PRI校驗(yàn)，如果符合基于PRI的分選算法的特性，則之前的預(yù)分選是正確的，如果不符合，那么預(yù)分選不正確，需在后端繼續(xù)按軟件分選算法分選。當(dāng)然，如果信號(hào)環(huán)境過于復(fù)雜，脈沖群中不同源信號(hào)過多，預(yù)分選也不能夠從復(fù)雜的信號(hào)群中實(shí)現(xiàn)同源信號(hào)的簡單分選。

本文提出的方法旨在對(duì)脈沖群進(jìn)行一次性簡化，比通常單純的軟件分選算法具有更高的效率，大約能夠提高系統(tǒng)9%左右的處理時(shí)間。實(shí)用上能夠?qū)蠖说姆诌x減輕壓力，對(duì)雷達(dá)偵察接收機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)有一定的幫助，具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 規(guī)則的3組脈沖信號(hào)的預(yù)分選

圖6 不規(guī)則3組脈沖信號(hào)分選

［1］ 趙國慶.雷達(dá)對(duì)抗原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

［2］ 張友兵，黃高明，李仙茂.雷達(dá)對(duì)抗原理［M］.武漢：海軍工程大學(xué)出版社，2009.

［3］ Wiley Richard G.ELINT：The Interception and Analysis of Radar Signals［M］.Boston：Artech House Pub-lishers，2008.

［4］ Mardia H K.New techniques for the deinterleaving of recognition［J］.IEE Proceedings，Pt F，1989，136（4）：149-154.

［5］ Milojevic D J，Popovic B M.Improved algorithm for the deinterleaving of radar pulse［J］.IEE Proceedings，Pt F，1992，139（1）：98-104.