基于某型多目標測量雷達數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)分析

趙巨波

（中國人民解放軍92941部隊裝備部，葫蘆島 125001）

某型多目標測量雷達（以下簡稱DMC雷達）為全相參高分辨力相控陣雷達，主要用于完成多目標跟蹤測量任務(wù)。DMC雷達能夠記錄參試目標的跟蹤測量之后的點跡和航跡信息，雖再現(xiàn)當時的態(tài)勢，但是無法用于試驗評估、事故判定、操作訓練等場合。DMC雷達數(shù)據(jù)采集器是針對DMC雷達設(shè)計的原始信息記錄和存儲設(shè)備。主要記錄的是DMC雷達的中/視頻信號，可供試驗進行事后準確的定量測試和評估。本文依托DMC數(shù)據(jù)采集器，基于開發(fā)的雷達中/視頻信號采集與分析系統(tǒng)，利用實測數(shù)據(jù)進行了海雜波特性分析。

1 DMC雷達數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)組成及工作原理

DMC雷達數(shù)據(jù)采集器由主控計算機、采集記錄設(shè)備以及DMC雷達數(shù)據(jù)采集接口卡組成。主控計算機采用便攜式筆記本電腦，采集記錄設(shè)備封裝了采集卡，二者通過USB電纜連接。采集記錄設(shè)備采集DMC雷達中頻/視頻回波信號，并通過筆記本電腦USB2.0接口將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦內(nèi)存中，供處理、顯示和分析。

采集記錄設(shè)備實物照片如圖1（a）、（b）所示，外場數(shù)據(jù)采集和事后數(shù)據(jù)回放情況如圖1（c）、（d）所示。

DMC雷達數(shù)據(jù)采集器工作最高頻率為100MHz，可通過對送給A/D的時鐘進行分頻來設(shè)置相應(yīng)的采集頻率。A/D的結(jié)果擴展為16位，低4位為0，高12位是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖2中虛線框部分由FPGA實現(xiàn)，F(xiàn)PGA主要完成數(shù)據(jù)采集控制與數(shù)據(jù)傳輸控制的任務(wù)。

圖1 采集記錄設(shè)備實物照片和數(shù)據(jù)采集圖片

圖2 DMC雷達數(shù)據(jù)采集器工作原理

2 實測數(shù)據(jù)的海雜波特性分析

2.1 雷達中/視頻信號采集與分析系統(tǒng)

本文開展的對實測數(shù)據(jù)的海雜波特性分析，是基于雷達中/視頻信號采集與分析系統(tǒng)的。

圖3 數(shù)據(jù)回放畫面

圖4 綜合顯示畫面

雷達中/視頻信號采集與分析系統(tǒng)主要完成雷達中頻/視頻信號的采集參數(shù)設(shè)置和采集數(shù)據(jù)的實時顯示與數(shù)據(jù)分析，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放、綜合顯示、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫管理等五項功能。

系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)抽取、坐標查表映射和DirectDraw等技術(shù)完成實時顯示［1-4］，同時采用多線程技術(shù)避免數(shù)據(jù)顯示與實時采集的沖突。系統(tǒng)應(yīng)用界面程序采用Visual C++開發(fā)環(huán)境，可以在A顯和P顯坐標下觀察采集的目標回波信號，同時將采集的雷達回波數(shù)據(jù)以二進制格式保存在計算機硬盤上，供MATLAB等軟件進一步分析使用。

2.2 數(shù)據(jù)分析

下面是對DMC雷達采集的海雜波數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。雷達天線固定不動，圓極化，重復周期為3.3ms，采集頻率為5MHz，數(shù)據(jù)格式為：每個重復周期均有500個32位的數(shù)據(jù)，前250個數(shù)據(jù)為I通道數(shù)據(jù)，后250個數(shù)據(jù)為Q通道數(shù)據(jù)。采集實驗時，雷達天線方位190度，俯仰-1度固定不動對準海面，連續(xù)采集海雜波信號，MGC（手動增益控制）為63dB。此批數(shù)據(jù)的三維圖形如圖5、圖6所示。

圖5 time-prf-voltage三維圖形

圖6 time-prf-fft三維圖形

對海雜波幅度建立擬合模型之前，首先對I、Q通道的數(shù)據(jù)進行分析，可以看到雜波幅度較強集中在大約第50～150點之間，如圖7和8所示。判斷在不同的極化條件下，其是否符合高斯分布密度函數(shù)，一般采用斜度和峰度來衡量一種分布是相對分散或是集中。斜度為正值時表明其均值右邊有不對稱的拖尾，負值時表明其均值左邊有拖尾。峰度衡量一種分布的相對尖銳或平坦程度。對于高斯分布，這兩個值都等于0，說明一種分布偏離高斯分布的程度。

圖7 第65個周期信號IQ兩路值

圖8 第65個周期信號模值

對于本批海雜波數(shù)據(jù)，表1列出了I、Q通道的斜度和峰度值。

表1 海雜波數(shù)據(jù)峰度和斜度值

由表1結(jié)果可見，在此測量單元中，I、Q通道的斜度不顯著，數(shù)值為負值，即有位于左邊的不對稱拖尾，這是造成雜波幅度有較長拖尾的原因。峰度值較小，說明數(shù)據(jù)分布相對平坦，沒有較大的概率波峰。

對數(shù)正態(tài)模型和K分布模型都有很好的擬合準確度，是最常用來描述海雜波幅度的模型。根據(jù)兩種模型的原理，在對海雜波幅度已經(jīng)進行直方統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，分別采用對數(shù)正態(tài)分布以及K分布進行擬合，并進行χ2分布檢驗。其中K分布擬合時采用Watte修正之后的方法，即采用二階、四階和六階樣本矩對K分布的參數(shù)進行估計。曲線擬合效果如圖9所示。

圖9 海雜波幅度分布擬合曲線

對對數(shù)正態(tài)分布和K分布擬合曲線分別進行χ2檢驗，在采樣區(qū)間為100時，其累計均方誤差分別為153.4302和167.9186。根據(jù)先前的規(guī)定，取其中誤差較小的一個作為雜波幅度分布的模型。這里二者的誤差相差不大，效果比較接近。相對來說，對數(shù)正態(tài)分布擬合的誤差稍小，在低幅度區(qū)域，對數(shù)正態(tài)擬合得比較準確，與K分布相差不大；而高幅度區(qū)域?qū)?shù)正態(tài)分布的效果明顯優(yōu)于K分布，即對數(shù)正態(tài)分布對海雜波尾部的擬合更好，這正是雜波處理關(guān)心的區(qū)域。因此，這里選擇對數(shù)正態(tài)分布作為海雜波幅度分布的模型。

當然，這一模型只適用于本批海雜波數(shù)據(jù)，由于海洋表面的復雜、無規(guī)律的、永無止境的運動特性以及其它因素，如地雜波，氣象雜波，熱噪聲的影響，建立統(tǒng)一的幅度分布模型還不現(xiàn)實，只有基于實際測量數(shù)據(jù)的雜波模型才具有現(xiàn)實意義。

海雜波的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度如圖10和圖11所示。

圖10 海雜波的空間自相關(guān)函數(shù)

圖11 海雜波的功率譜密度

這里僅給出了1000個重復周期所有第121個距離單元的雜波幅度擬合曲線，實際上在其它距離單元，情況多少有所不同。在極個別距離單元，擬合效果K分布要好于對數(shù)正態(tài)分布，但也是效果相差不大；絕大多數(shù)距離單元上，都是對數(shù)正態(tài)分布的效果優(yōu)于K分布。

以下為本批海雜波數(shù)據(jù)的頻譜特性統(tǒng)計結(jié)果。以海雜波的峰值（第68個距離單元處）的500個重復周期的數(shù)據(jù)來分析信號的頻譜，即做500點的FFT，如圖12所示。復信號的頻譜為單邊譜。圖中橫坐標對應(yīng)重復周期數(shù)目，第500點對應(yīng)的重復頻率為303.03Hz，縱坐標對應(yīng)信號做FFT之后的模值。為了分析不同距離單元上頻譜的差異性，以與該距離單元偏離10點以外（即第78點）的點為例，對該距離單元的500個方位進行譜分析，從圖13中可以看出，海雜波在臨近的距離單元上頻譜的一致性比較好。

圖12 復信號頻譜（第68距離單元）

圖13 復信號頻譜（第78距離單元）

將譜線進行局部放大，可以發(fā)現(xiàn)頻譜的峰值點在第29點，以頻譜的峰值點為多普勒頻移，可以計算出海雜波的多普勒頻移為

折合成海雜波的徑向運動速度為

其中λ是取雷達發(fā)射信號的中心頻率（5675MHz）計算得來，即

以電壓3dB處頻譜寬度作為海雜波的頻率分布的標準差為

可以計算出海雜波的速度分布的標準差為

3 結(jié)論

本文基于DMC雷達數(shù)據(jù)采集器開發(fā)了雷達中/視頻信號采集與分析系統(tǒng)，依托該應(yīng)用程序，利用實測數(shù)據(jù)，對高分辨力雷達和新的信號形式下的海雜波特性進行了分析和建模方法研究。后續(xù)應(yīng)建立更加豐富完善的雷達目標回波數(shù)據(jù)庫，可供事后準確的定量測試和評估，同時可開展適合新型雷達裝備的信號處理、目標檢測與識別方法的應(yīng)用研究。

［1］康偉，鄭正奇.Windows下實時數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)［J］.計算機應(yīng)用，2001，13（3）：105-107.

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