某型岸用雷達信號處理優(yōu)化設(shè)計方法

黃湘鵬,楊　輝

(南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司,南京210038)

某型岸用雷達信號處理優(yōu)化設(shè)計方法

黃湘鵬,楊輝

(南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司,南京210038)

摘要：作為雷達的核心系統(tǒng),信號處理分系統(tǒng)決定雷達性能的優(yōu)劣。介紹了對某型岸用雷達信號處理系統(tǒng)的改進設(shè)計,提升雷達在復雜環(huán)境下對小目標的檢測能力、雜波抑制能力、抗干擾能力及系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞:幅相失真補償;高脈壓主副比;自適應(yīng)動目標濾波器;動目標顯示濾波器(MTI);速度圖(VCM)、幅度雜波圖(ACM);地雜波濾波器(GCF);動雜波濾波器(MCF)

0引言

作為一種全天候、全天時、遠距離探測傳感器,雷達在軍事和民用等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。而作為雷達的工作核心,信號處理器參與完成雷達探測的各個流程,其性能指標決定雷達裝備是否先進,處理能力是否優(yōu)秀。由于研制時間較早,某型岸用雷達信號處理分系統(tǒng)設(shè)計方法受到限制,對復雜環(huán)境下多類型且密集分布的目標檢測跟蹤、多模雜波和復合干擾的處理能力等方面與新形勢下的實際需求還存在一定的差距。同時,實現(xiàn)信號處理分系統(tǒng)功能的硬件雖采用一種可編程器件,但器件規(guī)模小,硬件品種多,系統(tǒng)可靠性不高。為了提高該型岸用雷達對小目標的檢測能力、雜波抑制能力和可靠性,對信號處理分系統(tǒng)進行了精細化的軟、硬件改進設(shè)計[1]。

1提升性能主要措施和效果

對某型雷達的信號處理分系統(tǒng)的精細化改進設(shè)計主要包括以下4個方面[4]:

(1) 對接收的信號進行幅相失真補償,改善回波信號的質(zhì)量,提高強雜波背景下小目標的檢測能力;

(2) 進行精細化的自適應(yīng)動目標檢測處理設(shè)計,提高復雜環(huán)境下多模雜波的抑制能力;

(3) 提高雷達抗干擾能力,提升非常規(guī)情況下雷達的生存能力;

(4) 采用商用計算機進行信號處理設(shè)計,極大地縮小系統(tǒng)規(guī)模,方便硬件采購,提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1.1幅相失真補償

由于雷達回波信號在發(fā)射和接收過程中經(jīng)過非線性系統(tǒng)處理不可避免地產(chǎn)生幅相失真,而較大的幅相失真會嚴重影響雷達系統(tǒng)對目標的探測。一般情況下,對幅相失真補償可以采用預失真處理和補償。

預失真處理和補償是等效地改變發(fā)射信號,使其抵消非線性系統(tǒng)的影響。由于雷達發(fā)射功率較大,發(fā)射機功放處于飽和放大狀態(tài)時對發(fā)射功放的激勵信號進行預失真幅相補償效果改善不是很顯著,改進的方法是對接收的回波進行幅相補償。幅相補償?shù)姆椒ㄊ窃黾右粋€采集通道,將發(fā)射信號耦合部分經(jīng)過下變頻后采集,并在信號處理過程中利用采集到的發(fā)射耦合信號對接收到的目標回波信號進行幅相補償。在改進型雷達信號處理中,通過幅相補償后極大地改善了雷達的脈沖壓縮主副比,由常規(guī)的38 dB提高到55 dB,能夠顯著地提高雷達對小目標的檢測能力。

1.2精細化的自適應(yīng)慢動雜波抑制

慢動雜波抑制常用的方法是動目標顯示濾波器。動目標顯示濾波器是為了提高慢動雜波抑制能力和抗干擾能力而采用的一種比較常規(guī)卻非常有效的濾波器。它區(qū)分運動目標和固定雜波的依據(jù)是它們在速度上的差別,其機理是利用目標回波和雜波相對雷達運動速度的不同而引起的多普勒差異,通過濾波來抑制雜波信號。

早期設(shè)計的兩級濾波器能夠很好地濾除固定雜波,對慢動雜波也有一定的抑制能力,但當雷達周圍環(huán)境比較復雜時,特別是空中云雨雜波較多時,甚至會出現(xiàn)仙波,此時雷達的雜波抑制能力會急劇下降。通過采集原雷達的回波數(shù)據(jù)進行分析和處理。對某型對海警戒雷達信號處理性能提升改進時,發(fā)現(xiàn)早期的動目標顯示濾波器的設(shè)計方法存在一些不足之處,不足之處和解決方法如下:

(1) 形成速度圖時,所有的信號單元均參與到速度圖中。在這種情況下,噪聲、目標信號等因素都會影響速度的估計。在改進信號處理設(shè)計中形成速度圖時,將無用噪聲和目標信號剔除掉,只采用固定雜波和慢動雜波進行速度估計,提高雜波速度的估計精度。

(2) 對運動雜波濾波通道(MFC)進行濾波時,濾波器的改善因子是固定的,這將會影響雷達對小目標的檢測。在改進信號處理設(shè)計中,通過形成表征雜波強度的幅度雜波圖,比較雜波強度,可以區(qū)分雜波區(qū)和無雜波區(qū)。在無雜波區(qū)進行正常雜波相消處理;在雜波區(qū)進行動目標濾波處理,同時通過雜波強度選擇AMTI濾波器的系數(shù)。AMTI通過動態(tài)雜波圖實時檢測雜波的存在,判定雜波強度(如超強、強、弱、無),自動產(chǎn)生或選擇濾波器加權(quán)因子,以期保證對地雜波高度抑制的前提下盡可能減少信噪比損失,提高對弱小目標的檢測能力。雜波圖中雜波的強度劃分為4檔:雜噪比50 dB以上為超強雜波區(qū),50～30 dB為強雜波區(qū),30～10 dB為弱雜波區(qū),10 dB以下為無雜波區(qū)。利用雜波圖強弱標志位不僅可以自適應(yīng)地選擇濾波器系數(shù),還可以自動地控制檢測門限。當雜波較強時將濾波器通道的門限自動加大,雜波弱時自動降低檢測門限。圖1為改進后的自適應(yīng)動目標顯示濾波器設(shè)計框圖。

圖1　改進后的自適應(yīng)動目標顯示濾波器設(shè)計框圖

圖2為改進后自適應(yīng)濾波器和改進前濾波器的處理效果對比圖。從圖中可以看出,當雷達覆蓋空域中雜波環(huán)境比較復雜時,改進后的自適應(yīng)濾波器能夠有效地濾除慢動雜波,提高雷達的雜波抑制能力和整機性能。

圖2　濾波器改進前(a)后(b)效果對比

1.3抗干擾能力設(shè)計[3]

在改進信號處理設(shè)計時,遵循的原則是在保留原有功能的基礎(chǔ)上盡量增加抗干擾方法,主要采用的方法如下:

(1) 增加旁瓣相消、旁瓣匿影、反異步處理設(shè)計

旁瓣相消、旁瓣匿影、反異步處理方法是常規(guī)且非常有效的抗干擾處理方法。但在早期的雷達設(shè)計時,由于受到器件規(guī)模和處理能力的限制,許多常規(guī)雷達在信號處理設(shè)計時此方面處理能力與實際需求相差較大。旁瓣相消可以有效地消除同頻連續(xù)波和同頻噪聲干擾,旁瓣匿影和反異步處理可以有效地降低同頻異步干擾。

在改進的信號處理設(shè)計中,旁瓣匿影的設(shè)計采用了一種比較新穎的三門限設(shè)計方法。三門限判斷準則如圖3所示。第一門限是限幅門限,主要是濾除從雷達主瓣進入的強干擾,當輔助通道的信號幅度大于第一門限GATEA時標志位FLAG1為1,否則為0。第二門限是噪聲門限,是一個能自適應(yīng)啟動旁瓣匿影的門限值,當輔助通道的信號幅度大于噪聲估值與第二門限GATEB之和時標志位FLAG2為1,否則為0。第三門限是主輔信號幅度比較門限GATEC,是判斷從天線副瓣進入的信號是否是異步干擾;當輔助通道信號的幅度大于主通道信號幅度與第三門限之和時,標志位FLAG3位1。匿影判決規(guī)則編碼是按如表1所示的方法。表中編碼結(jié)果1表示需要進行匿影,0表示主通道信號進行直通。從表中可以看出,只要干擾大于限幅門限時就需要進行匿影。當干擾小于限幅門限但大于噪聲估值與噪聲門限之和且同時輔助通道的干擾強度大于主通道信號幅度與第三門限之和時也需要進行匿影，在其他情況下則不需要進行匿影。具體設(shè)計時,考慮到濾波器、積累器的展寬效應(yīng),將匿影結(jié)果在方位和距離上各擴展了8個單元。

圖3　三門限判斷準則

標志位真值FLAG100001111FLAG200110011FLAG301010101結(jié)果00011111

(2) 信號處理和數(shù)據(jù)處理一體化聯(lián)合設(shè)計[4]

一般早期的雷達信號處理與數(shù)據(jù)處理是分開設(shè)計的,信號處理系統(tǒng)只完成信號處理的功能,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)只完成數(shù)據(jù)處理的功能。這種設(shè)計方法存在較大的缺陷,數(shù)據(jù)處理時丟失了回波信號的許多信息,如目標的速度、加速度、幅度大小、幅度變化規(guī)律、目標周圍環(huán)境信息、目標采用的濾波器種類、采用的恒虛警方式(如是臨近單元平均選大/選小/排序/平均恒虛警、噪聲恒虛警、雜波圖恒虛警、多維恒虛警等)、目標是否為飽和回波、目標是否為二次回波和目標的距離尺寸等信息。

在進行信號處理改進設(shè)計時,雷達有效地利用了進行信號處理時得到目標的有用輔助信息,而在進行數(shù)據(jù)處理時,通過目標的輔助信息來確定是否啟動海尖峰的抑制處理、TBD處理、孤點抑制等處理。將信號處理和數(shù)據(jù)處理結(jié)合在一起考慮后極大地提高數(shù)據(jù)處理的能力,降低了干擾的影響,改善了雷達P顯畫面質(zhì)量。

1.4采用商用計算機進行軟件化設(shè)計

傳統(tǒng)信號處理和數(shù)據(jù)處理大多選用專用芯片完成數(shù)據(jù)處理,導致通用性和可擴展性差,且處理算法與硬件結(jié)構(gòu)之間相關(guān)性大。處理算法的改變往往導致較大的硬件變動,導致研發(fā)成本高、周期長。

在進行信號處理改進設(shè)計時,為了滿足雷達對信號處理和數(shù)據(jù)處理的處理需求,適應(yīng)各種復雜環(huán)境下多種工作方式的需要,雷達信息處理平臺(完成信號處理與數(shù)據(jù)處理功能)采用了可編程、可重構(gòu)的、軟件統(tǒng)一架構(gòu)的且易于使用和維護的商用計算機。信息處理的硬件架構(gòu)如圖4所示,其中4臺具有復雜計算能力的商用計算機完成雷達信號處理功能,1臺作為備份進行信號處理;1臺計算機進行系統(tǒng)監(jiān)控,與千兆以太網(wǎng)交換機一起進行系統(tǒng)重構(gòu);1臺計算機完成數(shù)據(jù)處理功能。每臺計算機均包含處理能力強大的圖形化處理卡,通過圖形處理卡完成雷達的主要信號處理功能;雷達的預處理功能如接口、時序產(chǎn)生、通訊控制等由控制系統(tǒng)完成。雷達的回波信號通過A/D采集卡將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號后分別送到各信號處理計算機中進行處理。

4臺PC機完成信號處理功能時,每臺計算機處理1/4雷達作用距離的回波信號。當某臺計算機發(fā)生故障時,監(jiān)控系統(tǒng)實時地進行動態(tài)重構(gòu),由其他備用計算機代替發(fā)生故障的計算機進行信號處理。動態(tài)重構(gòu)是指在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)運行狀態(tài),接受綜合調(diào)度指令而做出的系統(tǒng)資源的實時調(diào)度和分配。雷達綜合信息處理平臺可通過綜合調(diào)度軟件進行功能重構(gòu),通過分時復用資源,提高系統(tǒng)資源的利用率,從而降低整個系統(tǒng)的規(guī)模和成本。當系統(tǒng)中某組件出現(xiàn)異常時,切換至冗余備份組件,提高整個系統(tǒng)的可靠性和可維修性。如果有多臺計算機發(fā)生故障時,通過動態(tài)重構(gòu)也可由一臺計算機完成雷達作用范圍內(nèi)的信號處理算法,只是此時降低了信號處理速率,由以前的處理速率Fs(數(shù)據(jù)速率)降低為Fs/4。

圖4　信息處理的硬件架構(gòu)

采用以上的商用計算機平臺為基礎(chǔ)的雷達信號處理平臺可以使信號處理系統(tǒng)具有拓撲結(jié)構(gòu)配置靈活、軟件設(shè)計繼承性強、體系先進開放、硬件規(guī)范統(tǒng)一、功能柔性重構(gòu)等特點,同時具有采購方便、維護和維修簡單、可靠性強等特點,極大地減輕了用戶的工作量和提升雷達的使用周期。

2結(jié)束語

本文主要介紹了信號處理進行改進設(shè)計的技術(shù)和方法。通過這些設(shè)計改進和驗證,有效地提高了雷達在復雜背景下小目標的檢測能力,提升了雜波的抑制能力,增強了雷達在復雜干擾環(huán)境下的抗干擾能力,提高了雷達信號處理分系統(tǒng)的可靠性,為用戶提供更多可靠的、有用的信息。

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Optimized design of signal processing system of a shore-based radar

HUANG Xiang-peng, YANG Hui

(Nanjing Changjiang Electronic Information Industry Group Co., Ltd., Nanjing 210038)

Abstract:As the core system of the radar, the signal processing system determines radar performance. The optimized design of the signal processing system of a shore-based radar is introduced to improve the small target detection capability, clutter suppression capability, anti-jamming capability, and system reliability in the complex environment.

Keywords:amplitude-phase distortion compensation; high pulse compression main-to-sidelobe ratio; adaptive moving target filter; MTI filter; velocity clutter map; amplitude clutter map; ground clutter filter; moving clutter filter

收稿日期:2016-02-26;修回日期:2016-03-02

作者簡介:黃湘鵬(1977-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達試驗和總體技術(shù);楊輝(1976-),男,高級工程師,研究方向:信號處理。

中圖分類號:TN911.7

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0026-04