脈沖雷達(dá)中頻信號(hào)記錄與事后處理研究

史學(xué)書(shū)，　李貴新，　吳　濤

(裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

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脈沖雷達(dá)中頻信號(hào)記錄與事后處理研究

史學(xué)書(shū)，李貴新，吳濤

(裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

摘要為了在靶場(chǎng)試驗(yàn)中充分利用現(xiàn)有雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)特性測(cè)量并挖掘其測(cè)量潛力，提出一種脈沖雷達(dá)中頻信號(hào)檢前記錄和事后高精度處理結(jié)合的方案。首先，針對(duì)靶場(chǎng)脈沖雷達(dá)回波特點(diǎn)，給出一種高速、大容量中頻信號(hào)采集記錄方法；然后，研究了從現(xiàn)有脈沖雷達(dá)記錄數(shù)據(jù)中提取飛行目標(biāo)幅度反射特性的方法；最后，基于記錄數(shù)據(jù)分析了高精度相位信息提取方法并給出了相位信息提取結(jié)果。通過(guò)分析靶場(chǎng)雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明該方案增強(qiáng)了現(xiàn)有雷達(dá)性能，可以反演目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)而為靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)提供輔助判決。

關(guān)鍵詞脈沖雷達(dá)；信號(hào)記錄；目標(biāo)特性；相位測(cè)距

隨著運(yùn)載火箭、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和新型飛行器性能的快速發(fā)展，在靶場(chǎng)試驗(yàn)中對(duì)跟蹤雷達(dá)的作用距離、跟蹤精度和目標(biāo)特性測(cè)量能力等要求越來(lái)越高。為了滿(mǎn)足靶場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)飛行目標(biāo)測(cè)量精度不斷提高的需求，除了配置更多新型高增益寬帶雷達(dá)外，如何對(duì)現(xiàn)有脈沖跟蹤雷達(dá)進(jìn)行升級(jí)改造，挖掘在用靶場(chǎng)雷達(dá)的潛力也是一條經(jīng)濟(jì)合算的路線(xiàn)。基于以上背景，同時(shí)參考國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提出一種脈沖雷達(dá)中頻檢前記錄加高精度事后處理的方案。該方案不需要對(duì)現(xiàn)有脈沖雷達(dá)進(jìn)行復(fù)雜改造，只需要額外配置一臺(tái)具備高速記錄和高性能運(yùn)算的計(jì)算機(jī)便可完成雷達(dá)性能提升任務(wù)，通過(guò)靈活的信號(hào)處理算法充分挖掘靶場(chǎng)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的幅度和相位信息量，提高脈沖雷達(dá)的測(cè)量精度和目標(biāo)特性識(shí)別能力。

1雷達(dá)信號(hào)記錄分析

目前，應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)采集存儲(chǔ)方面的設(shè)備非常豐富，國(guó)外有代表性的商業(yè)現(xiàn)貨有美國(guó)NI公司系列采集設(shè)備[1]，其產(chǎn)品線(xiàn)在中、低速高精度采集領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，在雷達(dá)、通信等應(yīng)用中的高速采集也可以找到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品。在專(zhuān)業(yè)高速信號(hào)記錄回放產(chǎn)品領(lǐng)域Signate公司和美國(guó)Conduant公司是業(yè)界代表性的基于磁盤(pán)存儲(chǔ)與回放設(shè)備制造商[2]，其系列產(chǎn)品可以滿(mǎn)足目前雷達(dá)測(cè)控系統(tǒng)高性能和大容量存儲(chǔ)的要求，持續(xù)數(shù)據(jù)率超過(guò)1TB/s。國(guó)內(nèi)很多公司、高校和研究廠(chǎng)所也研制了一些比較成熟的雷達(dá)信號(hào)記錄系統(tǒng)[3]?，F(xiàn)有的商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品通用性比較好，但其接口時(shí)序和信號(hào)控制機(jī)制與現(xiàn)有靶場(chǎng)脈沖雷達(dá)不匹配，直接應(yīng)用于靶場(chǎng)信號(hào)采集會(huì)導(dǎo)致記錄信息不完全，降低了其事后數(shù)據(jù)處理和提取目標(biāo)特性的能力。例如在靶場(chǎng)脈沖雷達(dá)記錄應(yīng)用中有2個(gè)比較典型的需求[4]：記錄設(shè)備采集時(shí)序需要根據(jù)回波和波門(mén)關(guān)系，具備適應(yīng)距離模糊和避盲特性的能力；在記錄中頻回波信號(hào)的同時(shí)，還需要逐幀插入各種低碼速率雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)如距離值、PRF(Pulse Recurrence Frequency)參數(shù)、IRIG-B時(shí)間碼、AGC(Automatic Gain Control)增益等。另外為了方便事后數(shù)據(jù)分析，需要記錄設(shè)備具備直接訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)能力，并利用多線(xiàn)程技術(shù)、GPU處理技術(shù)、并行處理技術(shù)提高系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性需求。

根據(jù)以上現(xiàn)狀分析，利用成熟的貨價(jià)式產(chǎn)品，構(gòu)建了一套適用于靶場(chǎng)脈沖雷達(dá)檢前信號(hào)記錄和事后處理平臺(tái)。該平臺(tái)已經(jīng)配置于靶場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)中，通過(guò)多次任務(wù)檢驗(yàn)，完成了幅度和相位信息提取和測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證了檢前記錄加事后高精度處理這條技術(shù)路線(xiàn)的可行性，在未來(lái)靶場(chǎng)試驗(yàn)中具有推廣價(jià)值。

2脈沖雷達(dá)中頻信號(hào)記錄方案

記錄平臺(tái)設(shè)計(jì)基于數(shù)字化處理和存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)中頻回波信號(hào)的高速采集、同步脈沖時(shí)間間隔測(cè)量、同步脈沖與波門(mén)脈沖時(shí)間間隔測(cè)量、波門(mén)脈沖前沿IRIG-B碼絕對(duì)時(shí)解算，以及上述數(shù)據(jù)和AGC控制電壓的組幀，并對(duì)組幀后的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行大容量實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)和事后軟件回放及高精度事后分析。

2.1信號(hào)記錄與處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

記錄與事后數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以一臺(tái)4U標(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱式高性能服務(wù)器為主體。機(jī)箱內(nèi)部安裝一塊服務(wù)器主板、雙Intel處理器、32G內(nèi)存、PCI-E高速信號(hào)采集板、800GB固態(tài)硬盤(pán)陣列板。為進(jìn)一步增強(qiáng)事后數(shù)據(jù)處理的并行計(jì)算能力，在通用服務(wù)器中安裝了一塊NVIDIA GPU(通用圖像處理器)。脈沖雷達(dá)記錄平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　脈沖雷達(dá)記錄平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

回波幀數(shù)據(jù)通過(guò)PCI-E總線(xiàn)以DMA(Direct Memory Asset)的方式送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，在系統(tǒng)控制軟件的統(tǒng)一控制下，寫(xiě)入磁盤(pán)陣列。平臺(tái)服務(wù)器選用Windows操作系統(tǒng)，具有完善的操作、控制、自檢和狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，記錄數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)記，能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理和交換。

2.2記錄數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

根據(jù)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)位置的不同，靶場(chǎng)脈沖雷達(dá)工作于3種不同的工作狀態(tài)[5]：正常觸發(fā)、“解距離模糊”和“避盲”狀態(tài)。當(dāng)雷達(dá)處于正常觸發(fā)狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)發(fā)射的主脈沖周期是固定的，但當(dāng)雷達(dá)“解距離模糊”和“避盲”時(shí)，雷達(dá)發(fā)射的主脈沖周期是不斷改變的，這就導(dǎo)致所有雷達(dá)信號(hào)在時(shí)間位置上的關(guān)系也不斷改變。所以在設(shè)計(jì)編幀方式的時(shí)候，需要綜合考慮各種回波信號(hào)組合方式，選擇一種合理的幀數(shù)據(jù)方式。針對(duì)靶場(chǎng)脈沖雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了靈活的編幀技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)導(dǎo)前波門(mén)脈沖觸發(fā)一次數(shù)據(jù)編幀，每幀數(shù)據(jù)由幀頭和采樣數(shù)據(jù)組成，如果在一個(gè)雷達(dá)周期中有2個(gè)回波，則記錄為2幀數(shù)據(jù)。幀頭數(shù)據(jù)主要包括幀頭標(biāo)識(shí)、幀號(hào)、距離值、采樣波門(mén)間隔、主脈沖和導(dǎo)前波門(mén)脈沖的時(shí)延信息、連續(xù)2個(gè)發(fā)射脈沖的時(shí)延信息、中頻采樣數(shù)據(jù)、IRIG-B碼解調(diào)信息、雷達(dá)接收機(jī)AGC增益、PRF標(biāo)志位等。

2.3高精度事后處理模式

為了提高事后數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性，硬件處理平臺(tái)采用了CPU + GPU的異構(gòu)并行處理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)控信號(hào)的事后軟件處理[6]。CPU執(zhí)行單元在事后處理中用于復(fù)雜邏輯控制和分支預(yù)測(cè)。GPU提供了大量執(zhí)行單元來(lái)運(yùn)行更多相對(duì)簡(jiǎn)單的線(xiàn)程，能夠?qū)崿F(xiàn)很強(qiáng)的計(jì)算能力和很高的存儲(chǔ)器帶寬，在事后處理中用于大塊數(shù)據(jù)處理，如濾波和快速傅里葉變換。在傳統(tǒng)硬件處理機(jī)中，原始信號(hào)的生命周期呈現(xiàn)瞬時(shí)性特點(diǎn)，進(jìn)入接收機(jī)的緩存信號(hào)在處理完畢得到結(jié)果后該信號(hào)就被丟棄了，與此不同，事后處理模式中由于數(shù)據(jù)記錄于磁盤(pán)中方便讀取，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行反復(fù)迭代可以提高信號(hào)處理性能，更多的挖掘隱匿于雷達(dá)信號(hào)中的信息量。

3目標(biāo)幅度信息提取

目前，靶場(chǎng)跟蹤測(cè)量雷達(dá)只具備測(cè)角和測(cè)距功能，試驗(yàn)中獲取的測(cè)量信息不具備目標(biāo)特性測(cè)量要求[7]。利用雷達(dá)中頻信號(hào)記錄系統(tǒng)可以有效提取回波信號(hào)幅度變化信息，有助于在導(dǎo)彈助推段進(jìn)行事件分析和低分辨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別。下面給出目標(biāo)幅度信息提取方法和處理結(jié)果。

3.1幅度信息提取

在提取信息前首先進(jìn)行幀頭檢測(cè)，系統(tǒng)以幀號(hào)是否連續(xù)來(lái)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)的正確性，同時(shí)檢驗(yàn)每幀數(shù)據(jù)的距離采樣點(diǎn)。在助推段，大部分時(shí)間波門(mén)內(nèi)只有一個(gè)脈沖回波，當(dāng)特征事件發(fā)生后每一幀數(shù)據(jù)中有多個(gè)脈沖目標(biāo)，包括彈體、推進(jìn)體和殘骸等。根據(jù)某型脈沖雷達(dá)特性，記錄文件回波采樣數(shù)據(jù)為線(xiàn)性調(diào)頻脈沖信號(hào)，脈沖壓縮和濾波處理由GPU完成。提取出每一幀中對(duì)應(yīng)目標(biāo)脈沖回波信號(hào)的包絡(luò)平均峰值，并讀取幀頭記錄的內(nèi)AGC和雷達(dá)接收機(jī)AGC值，計(jì)算出原始信號(hào)的幅度變化。

彈道目標(biāo)沿軌道運(yùn)動(dòng)時(shí),其姿態(tài)相對(duì)于雷達(dá)視線(xiàn)不斷發(fā)生變化，從而可獲得其幅度隨視角變化的數(shù)據(jù)，其中的變化規(guī)律反映了目標(biāo)的形體結(jié)構(gòu)和物理特性。圖2為某跟蹤目標(biāo)相對(duì)幅度信息提取結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)分離過(guò)程中，彈體有姿態(tài)變化，反射信號(hào)有一段時(shí)間強(qiáng)烈波動(dòng)，之后逐漸穩(wěn)定。通過(guò)觀察殘骸回波幅度有近似周期的幅度峰值變化，而且殘骸峰值幅度大于彈體。

圖2　目標(biāo)的相對(duì)幅度變化曲線(xiàn)

3.2幅度信息可視化

我說(shuō)：“好吧！我讓你依靠！”我的話(huà)剛說(shuō)完，你就猛地?fù)溥M(jìn)我懷里，痛哭起來(lái)，哭得那么凄涼，哭得那么傷悲，就像一只受傷的小鳥(niǎo)在無(wú)助地啼鳴！

利用記錄數(shù)據(jù)提取的幅度信息可以繪制特征時(shí)刻分離特性，下面利用平臺(tái)記錄的靶場(chǎng)數(shù)據(jù)，給出脈沖壓縮后級(jí)間分離過(guò)程中的距離-時(shí)間-幅度變化曲線(xiàn)，如圖3所示。

通過(guò)對(duì)記錄數(shù)據(jù)可視化處理，原本功能單一的跟蹤測(cè)量雷達(dá)具備了目標(biāo)特性觀測(cè)和分析能力。通過(guò)分析幅度信息可以觀測(cè)到助推器殘骸翻滾引起回波幅度劇烈起伏，而彈體采用姿控技術(shù)回波幅度變化平穩(wěn)，通過(guò)幅度序列的起伏特性可以判別分離后的彈體和助推器殘骸。同時(shí)，利用距離-時(shí)間-幅度變化曲線(xiàn)可以觀測(cè)分離目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以清晰地分辨級(jí)間分離、艙體分離以及彈頭分離過(guò)程等特征事件。

a) 級(jí)間分離過(guò)程b) 末級(jí)助推器殘骸以及火箭分離后產(chǎn)生的碎片圖3　回波信號(hào)距離-時(shí)間-幅度變化曲線(xiàn)

4目標(biāo)相位信息提取

目前在靶場(chǎng)試驗(yàn)中大部分脈沖跟蹤雷達(dá)是低重頻體制，雷達(dá)存在嚴(yán)重的速度模糊，一般不提供測(cè)速功能[8]。利用雷達(dá)記錄和事后處理平臺(tái)，通過(guò)解算相位信息可以得到高精度的速度測(cè)量值，以及其他運(yùn)動(dòng)特性(包括距離、加速度、自旋速度等)。記錄系統(tǒng)直接對(duì)檢前中頻信號(hào)進(jìn)行采集記錄，數(shù)據(jù)中包含有豐富的相參相位信息量，可以提取到的目標(biāo)信息主要包括：載波相位、多普勒、多普勒變化率，其中多普勒對(duì)應(yīng)于目標(biāo)的徑向速度、載波相位直接反映了目標(biāo)的距離變化。

4.1相位信息提取方法

直接利用相位信息存在嚴(yán)重模糊，而距離、速度和加速度屬于宏觀運(yùn)動(dòng)，通過(guò)有效的目標(biāo)平動(dòng)補(bǔ)償可以克服相位模糊影響，得到目標(biāo)微動(dòng)特性，同時(shí)反演出目標(biāo)宏觀運(yùn)動(dòng)參數(shù)。下面給出導(dǎo)彈在加速段，雷達(dá)信號(hào)的相位變化模型

(1)

式中,b為加速度引起的多普勒變化；c為加速度變化(加加速度)。事后處理下變頻參考信號(hào)為

相位參數(shù)估計(jì)方法描述如下：

1) 首先利用粗略估計(jì)的速度、加速度和加加速度參數(shù)a′、b′、c′，進(jìn)行下變頻處理得到Δφ。

(2)

2) 根據(jù)脈沖間相位相參特性，對(duì)Δφ(t)進(jìn)行逐幀差分，Δφ′(t)=Δφ(t+T)-Δφ(t)，其中T為脈沖重復(fù)頻率，t為脈沖內(nèi)時(shí)間t∈[0+nT,tp+nT]，tp為脈沖寬帶。

3)再對(duì)Δφ′(t)進(jìn)行逐幀差分，Δφ″(t)=Δφ′(t+T)-Δφ′(t)，最后再對(duì)Δφ″(t)進(jìn)行逐幀差分，Δφ?(t)=Δφ″(t+T)-Δφ″(t)，可以得到c′=Δφ?(t)/(12πT3)。

5) 最終反演出信號(hào)多普勒頻率fd=(a′+b′t+c′t2)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于以上相位提取方法，選擇某次試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先選擇相對(duì)時(shí)90 s開(kāi)始的一段數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)包括兩路中頻信號(hào)：線(xiàn)性調(diào)頻反射信號(hào)和單載頻應(yīng)答信號(hào)。通過(guò)迭代精確得到了彈體回波多普勒頻率模型，最終經(jīng)過(guò)平動(dòng)補(bǔ)償?shù)南辔蛔兓€(xiàn)為圖4所示，所得到的相位變化曲線(xiàn)直接對(duì)應(yīng)的是彈體的微動(dòng)特征。

再提取相對(duì)時(shí)133 s開(kāi)始的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，通過(guò)遙測(cè)指令信息得到二、三級(jí)分離時(shí)刻。提取反射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)的相位信息，觀察分離時(shí)刻的相位變化。相位變化如圖5所示。

a) 反射信號(hào) b) 應(yīng)答信號(hào)圖4　多普勒補(bǔ)償后回波信號(hào)相位

a) 反射信號(hào) b) 應(yīng)答信號(hào)圖5　回波信號(hào)相位一階差分曲線(xiàn)

從反射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)相位一階差分變化曲線(xiàn)可以得到彈體二、三級(jí)分離的時(shí)刻點(diǎn)，應(yīng)答信號(hào)得到的分離時(shí)刻更接近理論時(shí)間。另外從相位一階差分曲線(xiàn)(等效于速度變化)可以看到在彈體分離前，彈體的加速度趨近于零，分離后三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)機(jī)，彈體重新開(kāi)始加速，加速度不斷增加。從反射信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，彈體分離后相位劇烈波動(dòng)，這主要是由于彈體和二級(jí)殘骸在波門(mén)內(nèi)沒(méi)有分開(kāi)，回波信號(hào)相位為混合目標(biāo)的相位，疊加后雜亂沒(méi)有規(guī)律，2 s后彈體和二級(jí)殘骸分開(kāi)，彈體回波相位開(kāi)始穩(wěn)定。相位信息可以反演出彈體的微小特征，變化尺度為雷達(dá)波長(zhǎng)量級(jí)。通過(guò)解算速度模糊值，利用相位測(cè)距結(jié)合游標(biāo)測(cè)距方法[9]可以實(shí)現(xiàn)低重頻雷達(dá)的高精度測(cè)速和測(cè)距，大大地拓展了雷達(dá)記錄設(shè)備的功能和應(yīng)用領(lǐng)域。

5結(jié) 束 語(yǔ)

為靶場(chǎng)跟蹤雷達(dá)配置檢前記錄設(shè)備并進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理可以得到豐富的幅度和相位信息，有效提高了脈沖雷達(dá)測(cè)量精度并具備了目標(biāo)特性測(cè)量能力。提出一種基于通用計(jì)算平臺(tái)的記錄設(shè)備設(shè)計(jì)方案，并利用該記錄設(shè)備進(jìn)行了靶場(chǎng)雷達(dá)中頻數(shù)據(jù)記錄和事后高精度幅度和相位提取試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，幅度信息對(duì)應(yīng)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的RCS(Radar Cross-section)變化規(guī)律，反映了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行距離-時(shí)間-幅度分析可以觀測(cè)分離目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，清晰分辨級(jí)間分離、艙體分離以及彈頭分離過(guò)程等特征事件。對(duì)記錄數(shù)據(jù)中包含的相位信息進(jìn)行提取，可以得到更為精細(xì)的目標(biāo)特征信息和特征事件，如果進(jìn)一步采用相位測(cè)距方法可以實(shí)現(xiàn)高精度相位距離和速度值測(cè)量。

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(編輯：李江濤)

Study on Intermediate Frequency Signal Recording of Pulse Radar and Post-processing

SHI Xueshu，LI Guixin，WU Tao

(Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractTo make full use of existing radar for measurement of target characteristics in the test range and exploit this potential, the article proposes a solution of combining predetection recording of intermediate frequency signal of pulse radar with high-precision post-processing. First of all, aiming at the echo signal characteristics of pulse radar, the article gives a high-speed, large-volume intermediate frequency signal acquisition and recording method; secondly, the article discusses the method of extracting the reflection characteristics of target from recording data of existing pulse radar; at last, based on the recording data, the article analyzes the method of extracting high-precision phase information and gives results of phase information extraction. Through analysis on radar test data, the paper concludes that this method is able to strengthen performance of existing radars and retrieve the motion characteristics of targets and thus support the judgment on flight test at range.

Keywordspulse radar; radar data recording; radar target characteristic; ranging by phases

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.022

文章編號(hào)2095-3828(2016)02-0102-05

中圖分類(lèi)號(hào)TN957

作者簡(jiǎn)介史學(xué)書(shū)(1980-),男，講師，博士，主要研究方向?yàn)轱w行器測(cè)量與控制。

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271265)

收稿日期2015-07-09