復(fù)雜多制式雷達(dá)脈沖信號(hào)自動(dòng)測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)

張馨恬，黃 響，范 斐

(1.西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院, 陜西 西安 710124；2.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

由于連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射功率受限，且無(wú)法直接獲取目標(biāo)的距離，現(xiàn)代雷達(dá)多采用脈沖體制[1]。為了應(yīng)對(duì)日趨激烈的電子戰(zhàn)和日益復(fù)雜的應(yīng)用需求，多功能、新體制的雷達(dá)近些年來(lái)不斷發(fā)展完善，雷達(dá)脈沖信號(hào)的調(diào)制方式也由傳統(tǒng)的單一制式逐漸發(fā)展為復(fù)雜多制式，比較典型的有多相編碼信號(hào)、捷變頻信號(hào)。這些信號(hào)具有不同的脈內(nèi)調(diào)制方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)幅度、頻率和相位中的一種或幾種同時(shí)調(diào)制，并且不同脈沖信號(hào)間也可以具有固定、參差和滑變等多種重頻方式[3]。傳統(tǒng)的雷達(dá)脈沖信號(hào)測(cè)試需要聯(lián)合多臺(tái)儀器，每臺(tái)儀器只能針對(duì)某些局部參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如利用頻譜儀來(lái)獲取頻域參數(shù)[5]、示波器來(lái)獲取幅度信息。這種測(cè)試方法操作復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、測(cè)量精度低，無(wú)法滿足現(xiàn)代雷達(dá)脈沖信號(hào)測(cè)試的需求。近年來(lái)，隨著信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外一些專注于測(cè)試測(cè)量的知名公司相繼推出了矢量信號(hào)分析儀器和軟件，比如安捷倫公司的8944和89600系列以及中電41所的AV5261矢量信號(hào)分析儀等[6-7]。但這些儀器及軟件往往針對(duì)的是通信信號(hào)及簡(jiǎn)單調(diào)制方式的雷達(dá)信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜調(diào)制方式的雷達(dá)脈沖信號(hào)的測(cè)量。

文獻(xiàn)[8]提出一種基于LabWindows/CVI的雷達(dá)脈沖信號(hào)分析軟件。此軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種脈內(nèi)調(diào)制雷達(dá)信號(hào)的多域分析，可有效地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)脈沖信號(hào)的分析測(cè)量。但LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)平臺(tái)是以C語(yǔ)言為編程基礎(chǔ)的，不利于接口的模塊化，給軟件后期的維護(hù)及擴(kuò)展帶來(lái)不便。在以上的研究基礎(chǔ)上，本文利用VS2010平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)脈沖信號(hào)自動(dòng)測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。它采用密度平均法、重頻直方圖法、相位差分法[9]、科恩類時(shí)頻分析法[10]等多種方法，對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的脈內(nèi)及脈間特征進(jìn)行全方位分析，并增加一鍵式自動(dòng)測(cè)量的功能以實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制方式雷達(dá)信號(hào)的自動(dòng)測(cè)試，大幅提高了測(cè)試效率。

1 軟件功能分析

軟件功能分析是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本軟件是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)雷達(dá)脈沖信號(hào)全方位、高效率、高精度的自動(dòng)化測(cè)量而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，它需要具備以下功能：

(1)可實(shí)現(xiàn)不同雷達(dá)脈沖信號(hào)的自動(dòng)化測(cè)量。自動(dòng)化測(cè)量能夠有效地提高測(cè)試效率，并且可以降低軟件的使用要求。本軟件在對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)精確測(cè)量的基礎(chǔ)上需滿足自動(dòng)測(cè)量的要求；

(2)可實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的雷達(dá)脈沖信號(hào)的測(cè)量。這些信號(hào)包括線性調(diào)頻、三角調(diào)頻、步進(jìn)調(diào)頻、捷變頻、非線性調(diào)頻、頻率編碼和相位編碼等不同調(diào)制方式。軟件需具備對(duì)每種信號(hào)的精確測(cè)量功能；

(3)可實(shí)現(xiàn)脈內(nèi)參數(shù)與脈間參數(shù)的測(cè)量。不同類型的脈沖信號(hào)具有不同的脈內(nèi)調(diào)制信息，不同脈沖間也因參差、滑變及抖動(dòng)等重頻方式具備不同的脈間特征。設(shè)計(jì)的軟件需具備對(duì)信號(hào)的脈內(nèi)參數(shù)及脈間參數(shù)全面測(cè)量的功能；

(4)可實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互性能。與其他類型的軟件不同，信號(hào)測(cè)試軟件是測(cè)試儀器的虛擬化。它要求軟件界面能夠真實(shí)地反映儀器本身，同時(shí)具有實(shí)時(shí)處理的優(yōu)良特性。良好的人機(jī)交互性能成為軟件設(shè)計(jì)必須考慮的因素。

圖1 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)思想

根據(jù)軟件功能分析，軟件采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，可分為數(shù)據(jù)接口模塊，脈沖參數(shù)分析模塊，測(cè)量顯示模塊、測(cè)量設(shè)置模塊和輔助工具測(cè)量模塊。軟件總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

軟件各功能模塊主要功能與設(shè)計(jì)思路如下：

(1) 數(shù)據(jù)接口模塊。獲取雷達(dá)脈沖信號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)，是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。采用儀器連接與文本數(shù)據(jù)兩種模式。儀器連接用于獲取信號(hào)發(fā)生器的雷達(dá)脈沖信號(hào)，可采用LAN和GPIB協(xié)議實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)獲??；文本數(shù)據(jù)用于外部信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析，可采用*.csv、*.txt、*.mat等多種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)格式；

(2) 脈沖參數(shù)分析模塊。分析雷達(dá)脈沖信號(hào)特征，是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心。脈沖參數(shù)可分為脈內(nèi)參數(shù)和脈間參數(shù)兩類，軟件可以針對(duì)不同的調(diào)制類型自動(dòng)測(cè)量所能體現(xiàn)該調(diào)制類型特點(diǎn)的參數(shù)，并通過(guò)圖表將其呈現(xiàn)。對(duì)于每種調(diào)制類型，軟件自動(dòng)配置圖表如表1所示；

表1 各調(diào)制類型信號(hào)自動(dòng)配置表

(3) 測(cè)量顯示模塊。主要用于對(duì)軟件所分析信號(hào)的結(jié)果以波形圖或表格的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。在此模塊中，為了使波形的顯示更加清晰美觀，軟件采用了TeeChart控件；為了方便用戶能夠?qū)π盘?hào)分析結(jié)果的觀察與對(duì)比，軟件通過(guò)利用MFC中有關(guān)類的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)顯示窗口的多種布局方式；

(4) 測(cè)量設(shè)置模塊。主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制類型的選取；

(5) 輔助工具測(cè)量模塊。主要包括測(cè)量標(biāo)記和門(mén)控選時(shí)兩個(gè)功能。為了便于用戶對(duì)波形圖中某一點(diǎn)的分析，軟件添加了標(biāo)記功能。用戶可以根據(jù)自己的需求，在波形圖中所需分析的位置右擊添加標(biāo)記，之后在標(biāo)記窗口中就會(huì)對(duì)所添加標(biāo)記的坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。門(mén)控選時(shí)功能則是為了便于用戶對(duì)某一段信號(hào)的觀察。軟件在所分析信號(hào)的原始信號(hào)圖中設(shè)置了兩條門(mén)限，用戶只需要通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)門(mén)限，其它圖譜就會(huì)對(duì)應(yīng)分析門(mén)限內(nèi)的信號(hào)波形。

圖2 軟件主界面

3 軟件脈沖參數(shù)分析模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 脈沖基本參數(shù)算法實(shí)現(xiàn)

脈沖的基本參數(shù)主要包括對(duì)脈沖幅度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度以及瞬時(shí)頻率等參數(shù)的測(cè)量。在脈沖幅度、脈沖個(gè)數(shù)以及脈沖寬度的測(cè)量中，對(duì)脈沖幅度的測(cè)量是基礎(chǔ)。在該軟件中，對(duì)脈沖幅度的測(cè)量采用了密度分布平均法。其實(shí)現(xiàn)的基本思想是：首先統(tǒng)計(jì)出待測(cè)信號(hào)幅度的最大值與最小值，然后以最大最小值為界限平均分成M份，記每份的間隔為Δv，并對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度落入每份區(qū)間的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記為Ni，最后計(jì)算得出待測(cè)信號(hào)脈沖的頂值和底值，計(jì)算公式為

(1)

如圖3所示，對(duì)于脈沖幅度、脈沖個(gè)數(shù)及脈沖寬度等參數(shù)的計(jì)算，軟件是通過(guò)時(shí)域參數(shù)表來(lái)進(jìn)行展現(xiàn)的。

圖3 軟件時(shí)域參數(shù)表實(shí)現(xiàn)

3.2 脈內(nèi)參數(shù)算法實(shí)現(xiàn)

對(duì)于脈沖信號(hào)脈內(nèi)特征的分析，除了通過(guò)脈內(nèi)調(diào)制參數(shù)表來(lái)進(jìn)行呈現(xiàn)之外，軟件還添加了時(shí)頻圖來(lái)對(duì)所分析信號(hào)的脈內(nèi)特征進(jìn)行整體直觀地展現(xiàn)。對(duì)于時(shí)頻圖的繪制，軟件采用了多種分析方法，如STFT(短時(shí)傅里葉變換)、Gabor變換、Wigner-Ville分布、Pseudo Wigner-Ville分布、Choi-Williams分布[12]和Cone-shaped分布等。下面以Wigner-Ville分布以及Choi-Williams分布為例進(jìn)行介紹。

(1)Wigner-Ville分布。時(shí)頻分析一般可以分為線性時(shí)頻分布和Cohen類雙線性時(shí)頻分布兩類，Wigner-Ville分布(WVD)屬于Cohen類雙線性時(shí)頻分布。其定義式可以表示為

(2)

由于WVD是信號(hào)的二次時(shí)頻，因此在對(duì)多分量的信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)會(huì)受交叉項(xiàng)的影響。但WVD也同樣具有很多優(yōu)勢(shì)，比如其具有很高的分辨率，時(shí)頻聚集性比較強(qiáng)。

(2) Choi-Williams分布。Choi-Williams分布(CWD)同樣也屬于Cohen類雙線性時(shí)頻分布的一種。它的核心思想是通過(guò)設(shè)計(jì)核函數(shù)來(lái)抑制交叉項(xiàng)的影響，其核函數(shù)定義為

φ(θ,τ)=e-θ2τ2/σ

(3)

上式中，σ(σ>0)是一個(gè)參數(shù)，若σ取大值，則CWD分布就會(huì)趨近于WVD分布。

CWD分布的時(shí)頻表達(dá)式可以表示為

(4)

CWD可以有效地抑制多分量信號(hào)產(chǎn)生的交叉項(xiàng)，可以有效地分析雷達(dá)脈沖信號(hào)的脈內(nèi)調(diào)制特征。

如圖4所示，以CWD為例對(duì)軟件的實(shí)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)。

圖4 軟件CWD時(shí)頻分析實(shí)現(xiàn)

3.3 脈間參數(shù)算法實(shí)現(xiàn)

脈間參數(shù)可反映雷達(dá)信號(hào)不同脈沖間的特征變化，主要包括脈沖的初始相位、初始頻率、脈沖寬度、脈沖寬度抖動(dòng)量和脈沖重頻等參數(shù)，其中，脈沖重頻是衡量脈間特征的重要參數(shù)。

脈沖重頻的方式共包括固定重頻、抖動(dòng)重頻、滑變重頻以及參差重頻四種。固定重頻指的是脈沖的重復(fù)頻率是固定的，基本不發(fā)生變化。抖動(dòng)重頻指的是脈沖重頻圍繞著某一值，在其一定范圍內(nèi)隨機(jī)抖動(dòng)變化?；冎仡l指的是信號(hào)的脈沖重頻按照正弦、三角波等變化規(guī)律連續(xù)的增加或者減少，當(dāng)達(dá)到某一極值后又快速返回到另一極值。參差重頻則指的是信號(hào)脈沖重頻是以一定周期進(jìn)行重復(fù)變化，又可分為固定參差和組變參差兩種。

對(duì)于脈沖重頻的計(jì)算，軟件采用了重頻直方圖法[14]，其基本原理為：首先根據(jù)所設(shè)定的時(shí)間分辨率將脈沖重頻的范圍劃分成為若干個(gè)直方小區(qū)間，然后對(duì)相鄰的脈沖到達(dá)時(shí)刻求差值，并統(tǒng)計(jì)其差值落在每個(gè)小區(qū)間的脈沖個(gè)數(shù)，最后以直方圖的形式將統(tǒng)計(jì)值表示出來(lái)，并根據(jù)直方圖來(lái)判斷可能存在的脈沖重頻值。圖5顯示了本軟件對(duì)脈間趨勢(shì)表的實(shí)現(xiàn)。

圖5 軟件脈間趨勢(shì)表實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的雷達(dá)脈沖信號(hào)自動(dòng)測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)常見(jiàn)復(fù)雜調(diào)制雷達(dá)信號(hào)的脈內(nèi)及脈間參數(shù)全面、精確、自動(dòng)化的測(cè)量，具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、擴(kuò)展能力高等優(yōu)良特點(diǎn)，在滿足了當(dāng)前對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)測(cè)量需求的同時(shí)，又使得在信號(hào)測(cè)量的效率方面有了很大的提升，為雷達(dá)信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域的工作者提供極大幫助。

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