一種被動雷達(dá)系統(tǒng)測向處理機設(shè)計及技術(shù)實現(xiàn)＊

劉 博 祁 嶺

（1.海裝航空技術(shù)保障部 北京 100071）（2.海軍駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室 洛陽 471009）

1 引言

隨著現(xiàn)代電子戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，為了可以精確攻擊各種雷達(dá)目標(biāo)，要求被動雷達(dá)測向系統(tǒng)拓寬頻率覆蓋范圍，但這會帶來被動測向系統(tǒng)如何從數(shù)量多、分布密度大、分布范圍廣、信號交疊嚴(yán)重的復(fù)雜信號環(huán)境中準(zhǔn)確地提取出輻射源目標(biāo)的問題［2］，本文根據(jù)實際工程應(yīng)用中被動測向技術(shù)面臨的問題，研究了一種采用DSP＋FPGA＋FLASH結(jié)構(gòu)的被動雷達(dá)測向處理機，對天線信號實際相位差的恢復(fù)、延遲線的控制、通道不平衡性的校正方法［3］等測角關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，并闡述了其硬件實現(xiàn)框圖和工作流程，較好地實現(xiàn)了被動雷達(dá)中至關(guān)重要的角度測量和控制等工作。

2 系統(tǒng)概述

該雷達(dá)測向處理機設(shè)計基于反輻射導(dǎo)彈等載體的被動雷達(dá)信息處理系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)由信號分選跟蹤機、窄帶數(shù)字接收機及測向處理機三部分組成［4］，測向處理器接收信號跟蹤分機輸出的寬波門、信號流及載頻碼信息、窄帶數(shù)字接收機輸出的預(yù)處理數(shù)據(jù)，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將處理所得控制延遲線信號輸出給控制系統(tǒng)和窄帶數(shù)字接收機，通過與信號分選處理分機的數(shù)據(jù)接口，將處理所得角度信息輸出到信號分選跟蹤分機。通過各分機的數(shù)據(jù)處理和分機間通信，即可完成輻射源信息采集與處理，并輸出控制信息給雷達(dá)載體，完成對輻射源的跟蹤。

3 測向處理機方案設(shè)計

3.1 測向處理機功能

測向處理分機完成閉環(huán)、開環(huán)測向算法、延遲線的數(shù)字控制并具有與信號分選跟蹤機的通信功能：

1）閉環(huán)模式，即沒有威脅目標(biāo)的雷達(dá)數(shù)據(jù)庫，被動雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)一定的算法，分析信號脈寬、載頻、重頻的規(guī)律，依據(jù)一定威脅判斷準(zhǔn)則找出威脅等級最高的雷達(dá)，然后通過跟蹤器跟蹤該部雷達(dá)，并給出跟蹤波門［5］。在閉環(huán)模式下，由于對相位差的SIN函數(shù)的積分不涉及相位突變，可以采用硬件積分，硬件積分在窄帶數(shù)字接收機中實現(xiàn)，以縮小測量到控制量的延時。測向處理機接收窄帶接收機輸出的雷達(dá)載體極坐標(biāo)數(shù)字控制信號u′g后，輸出9bit數(shù)字量去控制延遲線；將u′g進(jìn)行D／A變換得到u′g的模擬量ug對雷達(dá)載體進(jìn)行控制，同時將ug送到窄帶數(shù)字接收機，用于接收機求取方位角信號αfw。

2）開環(huán)模式，即被動雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先裝訂的威脅目標(biāo)雷達(dá)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分選和跟蹤，并給出跟蹤波門。在開環(huán)工作模式下，窄帶數(shù)字接收機接收兩路中頻信號IF1、IF2，進(jìn)行數(shù)字鑒相后，得到相位差Δφ，測向處理器對其進(jìn)行數(shù)字積分得到數(shù)字信號u′g，通過求取u′g的極大極小值之差，即可求出信號與被動雷達(dá)載體夾角βy；通過比較模擬信號ug和參考信號ufRE之間的相位差，則可以求取αfw。根據(jù)方位角αfw和夾角βy，進(jìn)行角度計算和轉(zhuǎn)換，給出被動雷達(dá)載體偏航角θ、俯仰角φ的誤差信號。

3）采用DSP之間的串口（McBSP）實現(xiàn)與分選處理機通信功能。

4）實現(xiàn)延遲線的數(shù)字控制。

3.2 系統(tǒng)接口示意圖

測向處理機接口關(guān)系如圖1所示。

圖1 測向處理機接口示意圖

3.3 測角關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 兩路信號實際相位差的確定

在開環(huán)和閉環(huán)兩種測角方案中兩路天線信號實際相位差的確定是關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)式干涉儀測向公式

1）對鑒相器輸出的相位差直接積分來恢復(fù)實際相位差

對鑒相器輸出的相位差直接積分來恢復(fù)實際相位差，即指測向處理機對數(shù)字接收機輸出的數(shù)字相位差信號直接進(jìn)行積分從而恢復(fù)實際相位差值。（數(shù)字接收機將（－π，π）區(qū)間的信號進(jìn)行9bit量化，量化精度為360／512＝0.7031°）。由于信號的相位差是周期性變化的，只要脈沖重復(fù)周期足夠高，以每兩個脈沖期間的相位差變化值來判斷相位變化的趨勢是可行的［7］。如前所述，采用數(shù)字積分的方式就可以恢復(fù)出實際相位差。

（1）對數(shù)字接收機輸出相位差進(jìn)行數(shù)字積分恢復(fù)實際相位差

數(shù)字積分器的實現(xiàn)采用軟件的方式，下面分析采用DSP軟件實現(xiàn)數(shù)字積分方法。

當(dāng)脈沖信號到來時，延遲一小段時間后數(shù)字接收機將輸出被折疊到（－π，π）內(nèi)的相位差信號，DSP在外部脈沖信號中斷的控制下，將該相位差信號儲存在相應(yīng)的數(shù)組中。數(shù)字接收機輸出的相位差信號在時序上是不連續(xù)的，但前后兩次接收到的相位差的變化量可以確定［8］。因此DSP可以根據(jù)所有在一個周期內(nèi)接收的相位差信號計算得到相應(yīng)的每一次信號的累加值，兩個數(shù)組如表1所示。

表1 軟件數(shù)字積分?jǐn)?shù)組變量對應(yīng)關(guān)系

可見最大相位差必須在天線旋轉(zhuǎn)一周以后才能獲得，因此系統(tǒng)應(yīng)給測向處理器預(yù)留一定的搜索時間。

因此根據(jù)最大相位差可以得到相應(yīng)的最大延遲時間，延遲時間表示為

（2）限幅積分的必要性

由于積分起始點可能出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)過程中的任意一個位置，因此積分的結(jié)果就不會總是以相位差為0的橫軸線對稱，可能會出現(xiàn)的情況如圖2所示。

不能將該積分得到的相位差直接作為延遲線或被動雷達(dá)載體駕駛儀的控制信號，同時在開環(huán)系統(tǒng)中也要求積分結(jié)果相對于相位差為橫軸線對稱。必須通過限幅將曲線調(diào)整為對相位差為0軸對稱后才可作為輸出的控制信號。

圖2 數(shù)值積分初始值不同時積分輸出曲線比較

根據(jù)在天線旋轉(zhuǎn)第一圈內(nèi)計算得到的最大相位差φmax，將該值作為限幅門限，即將后續(xù)積分結(jié)果都限制在［－φmax，φmax］范圍內(nèi)后再去控制延遲線。這個過程需要1個天線旋轉(zhuǎn)周期T時間就可以調(diào)整完成。如圖3所示。

圖3 限幅積分示意圖

當(dāng)限幅達(dá)到φ（t）關(guān)于橫軸對稱后，可以取消限幅功能，即使由于雷達(dá)載體擾動使夾角βy值變大，也不會再產(chǎn)生φ（t）關(guān)于橫軸不對稱的情況。

根據(jù)理論分析，在一個相位重疊周期（－π，π）內(nèi)至少需要兩個采樣點數(shù)據(jù)才能夠確定在這一周期內(nèi)的變化規(guī)律［9］，因此下面對恢復(fù)實際相位差時輸入信號脈沖重復(fù)頻率應(yīng)滿足的條件進(jìn)行分析。

2）延遲線的控制

理論分析結(jié)果是延時線瞬時值具有和全相位φ（i）或ug一樣的函數(shù)關(guān)系，即

由上式可以看出，用ug或φ（t）可以調(diào)整延時線，經(jīng)分析延時線的控制方法有以下兩種：

3）通道不平衡性的校正方法

（1）開環(huán)測角需采用精確的直流偏置測量技術(shù)。擬采用對模擬ug波形密集采樣，用積分方法計算一個周期內(nèi)的平均值，即為波形的直流偏置。計算出對應(yīng)的不平衡相位誤差Δφ，修正測量的全相位值，再計算角度。

（2）閉環(huán)直接輸出ug到被動雷達(dá)載體駕駛儀，采用良好的帶通濾波器濾除直流分量和由天線隨彈體轉(zhuǎn)動帶來的隨機相位變化，同時用精確的測量直流偏置的技術(shù)對輸出ug進(jìn)行測量，將其化為延時線誤差，調(diào)整延時線消除此誤差。

（3）列表補償通道不一致性

在系統(tǒng)測試階段，使βy＝0°，記錄各個頻率點下系統(tǒng)測得的相位差作為該頻點的通道誤差校正值，將該測量結(jié)果以頻率為地址偏移存儲起來。在系統(tǒng)實際工作中根據(jù)信號的頻率來查表找到該頻率點下的系統(tǒng)通道誤差校正值，對某頻點下某角度測得的相位差進(jìn)行校正。

3.3.2 開環(huán)算法中的相關(guān)問題分析

在開環(huán)算法中，關(guān)于控制量ug的處理方式與閉環(huán)跟蹤法相同，不再敘述。

1）仰角βy的確定

2）對方位角αfw的確定

整個系統(tǒng)只采用兩根天線，即兩個接收通道。對中頻接收機信號進(jìn)行A／D采樣，I、Q提取和計算兩通道相位差，利用被動雷達(dá)載體旋轉(zhuǎn)的數(shù)字積分來解模糊。數(shù)字積分是一個與雷達(dá)載體選轉(zhuǎn)角速度ωr和信號與雷達(dá)載體軸夾角βy有關(guān)的余弦函數(shù)，即其周期為2π／ωr，幅度正比于兩天線波程差（2πLsinβy／λ），其初始相差為αfw可用積分結(jié)果與參考信號比相來確定，這樣就得到了XYZ坐標(biāo)系下，方位角αfw和仰角βy信息，從而計算得到偏航角θ和俯仰角φ。

獲取αfw的關(guān)鍵在于要對ufre、ug同步采樣。由于天線旋轉(zhuǎn)頻率較低，對于ufre、ug的采樣不需要很高的采樣速率［11］。但是由于系統(tǒng)對相位差進(jìn)行數(shù)字積分有一定的延時，且ug是積分后數(shù)字量經(jīng)D／A變換后得到的模擬量，因此ufre、ug在時間上會存在一固定的微小誤差。由于天線旋轉(zhuǎn)速度僅為10Hz，ug在時間上的微小誤差可以忽略。

3）偏航角和俯仰角度計算

根據(jù)前面處理的得到的βy，αfw可以計算出偏航角θ和俯仰角φ。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：tanθ＝cotβsinα，tanφ＝cotβcosα。式中β＝90°－βy，α＝αfw。

根據(jù)偏航角和俯仰角的正切函數(shù)值查表或計算可以得到相應(yīng)的偏航角θ、俯仰角φ。數(shù)據(jù)由測向DSP經(jīng)McBSP串口送到分選處理器，由分選處理器將該數(shù)據(jù)上報。

3.4 測向處理器的工作流程圖

根據(jù)前面的分析過程，測向處理器的DSP的主工作流程設(shè)計如圖4。

4 結(jié)語

本文提出了一種工程上實用的測向處理機設(shè)計方案，采用高速采樣ADC、高性能FPGA芯片和軟件無線電思想［13］，系統(tǒng)先進(jìn)，集成度高，基于本設(shè)計思想開發(fā)的測向處理機已在某被動雷達(dá)信息處理系統(tǒng)中試用，具有實時處理性強、可靠穩(wěn)定的優(yōu)點。

圖4 測向處理器工作流程

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