復(fù)雜密集電磁環(huán)境下低重頻雷達信號分選技術(shù)

童智靖，陳 臻

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

隨著現(xiàn)代無線電磁技術(shù)的開發(fā)推廣以及普遍應(yīng)用，還有各種新體制雷達投入戰(zhàn)場，造成了現(xiàn)代電磁環(huán)境越來越復(fù)雜密集、交錯以及多變[1]，特別是高重頻雷達信號以及無線通信信號的存在，導(dǎo)致了電子偵察系統(tǒng)工作環(huán)境的信號密度已經(jīng)高達幾十萬甚至上百萬的量級，這就給電子偵察系統(tǒng)造成了巨大的困擾，對電子偵察系統(tǒng)的信號處理能力也將要求得更加苛刻[2]。特別是在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下，低重頻雷達信號的丟失概率會大大增加，這也就造成了系統(tǒng)對低重頻雷達分選識別的難度[3]。因而，低重頻雷達信號在復(fù)雜密集電磁環(huán)境中的分選以及識別，是電子偵察工作中迫切需要解決的問題。

目前常規(guī)的電子偵察系統(tǒng)是采用數(shù)字信號處理器(DSP)+現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片的工作模式，實現(xiàn)對偵察信號的分選識別功能。首先FPGA從偵收信號中獲得載頻(RF)、脈寬(PW)、脈沖到達時間(TOA)、脈沖幅度(PA)以及偵收的通道等，并將這些參數(shù)整理打包形成脈沖描述字(PDW)，將打包后的PDW送入DSP的緩存空間。上述工作是信號分選中的預(yù)處理步驟，主要在FPGA中實現(xiàn)。然后DSP從緩存空間中取得FPGA上傳的PDW數(shù)據(jù)，并且在DSP中針對PDW的參數(shù)進行處理，實現(xiàn)對偵收信號的分選和識別匹配功能。上述DSP處理過程是信號分選的主處理過程[4]。然而，由于DSP芯片在處理高速數(shù)據(jù)方面的能力不足，而在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下，需要處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，有可能造成DSP不能及時處理緩存空間中所有的PDW數(shù)據(jù)，導(dǎo)致PDW數(shù)據(jù)溢出丟失。這種情況下，電子偵察系統(tǒng)雖然能夠識別出高重頻的信號，但是對于低重頻雷達信號存在很大的隱患，非常容易丟失信息，導(dǎo)致低重頻雷達信號不連續(xù)，從而DSP無法對其分選識別，造成漏警。

針對目前電子偵察系統(tǒng)在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下容易對低重頻雷達信號造成漏警的問題，本文提出一種復(fù)雜密集電磁環(huán)境下分選識別低重頻信號的自適應(yīng)電子偵察系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過DSP處理判斷原始數(shù)據(jù)是否超出系統(tǒng)的處理能力，如果存在數(shù)據(jù)溢出，則DSP將通過控制FPGA，調(diào)節(jié)傳輸?shù)紻SP緩存空間的原始數(shù)據(jù)，去除大量冗余重復(fù)的高重頻信息數(shù)據(jù)，大幅度減少DSP需要處理的數(shù)據(jù)量，增加低重頻信號的數(shù)據(jù)比率，這樣可以較好地解決復(fù)雜密集的電磁環(huán)境下低重頻雷達信號分選識別容易漏警的現(xiàn)象。

1 雷達信號分選算法論述

雷達信號分選算法是電子偵察系統(tǒng)中信號處理的重要組成部分。雷達信號分選算法可以分為單參數(shù)分選算法以及多參數(shù)分選算法。單參數(shù)分選算法中具有代表性的是直方圖統(tǒng)計算法，該算法主要根據(jù)信號的脈沖重復(fù)周期(PRI)參數(shù)實現(xiàn)雷達信號分選功能，但是在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下，單參數(shù)分選算法的性能并不突出。而多參數(shù)分選算法因為其可靠性高、適應(yīng)性強等特點應(yīng)用頻率越來越高，特別是在復(fù)雜密集的電磁環(huán)境中，分選性能尤為突出。常用的多參數(shù)分選算法有小盒分選算法和多參數(shù)聚類算法。小盒分選算法根據(jù)雷達數(shù)據(jù)庫開多個小盒對信號的偵收通道、PW以及RF等信息進行匹配，匹配成功的信號則認(rèn)為該信號分選完成。該算法的缺陷十分明顯，就是只能識別已知的雷達信號，不能分選識別雷達數(shù)據(jù)庫以外的信號。

文中選用電子偵察系統(tǒng)采用的是一種多參數(shù)聚類分選算法。該算法根據(jù)信號的偵收通道、PW、TOA以及RF等信息作為分選條件，首先根據(jù)信號的偵收通道、PW以及RF信息將偵收到的信號進行分類；然后對同一類中信號利用TOA累積差值直方圖的方法計算出該類信號中可能存在的PRI值；最后統(tǒng)計各個類別中是否存在PRI，從而判斷是否完成信號分選工作。該算法功能主要在DSP中實現(xiàn)。但是在復(fù)雜密集的電磁環(huán)境中，由于需要處理分類的數(shù)據(jù)量非常大，導(dǎo)致該算法面臨著工作效率低下以及對低重頻信號不敏感等問題，需要進一步完善對偵收信號的預(yù)處理工作。

2 常規(guī)電子偵察系統(tǒng)

目前常規(guī)的電子偵察系統(tǒng)信號處理主要是利用FPGA和DSP相結(jié)合來完成的。系統(tǒng)工作的流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)電子偵察系統(tǒng)信號處理流程

系統(tǒng)利用FPGA具有實時高速處理能力的優(yōu)勢，將外界偵收信號的處理打包形成PDW，然后將打包后的PDW數(shù)據(jù)包發(fā)送到DSP緩存空間，DSP從緩存中取出后對數(shù)據(jù)進行分選識別處理。然而相對FPGA而言，DSP的處理速度有限，當(dāng)外界電磁環(huán)境比較簡單時，該系統(tǒng)可以正常工作，不過當(dāng)外界電磁信號達到一定上限時，特別是存在大量高重頻信號時，就會使得DSP無法及時從緩存空間中取出數(shù)據(jù)，造成緩存空間數(shù)據(jù)溢出，丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)。而且緩存的數(shù)據(jù)中存在著大量高重頻信號的信息，對于DSP分選識別處理算法而言，這些高重頻數(shù)據(jù)大部分都是重復(fù)冗余的信息，DSP只需要其中的一小部分就可以完成對高重頻信號的分選識別工作。所以，DSP需要花費大量的資源和時間對這些數(shù)據(jù)進行甄別，選出其中的低重頻信號的信息，從而造成了DSP資源大量的浪費。

3 低重頻信號自適應(yīng)系統(tǒng)

針對常規(guī)電子偵察系統(tǒng)在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下存在的上述問題，提出一種在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下的自適應(yīng)電子偵察系統(tǒng)，用于提高電子偵察系統(tǒng)在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下對低重頻信號的分選識別能力，并且在實驗應(yīng)用中對該系統(tǒng)進行了驗證。

3.1 自適應(yīng)系統(tǒng)信號處理方法

本文提出的自適應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)FPGA在一定時間內(nèi)傳送一小部分高重頻信息到DSP中，完成對高重頻信號的分選識別工作，這樣既不影響系統(tǒng)對高重頻信號的識別能力又可以提高在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下系統(tǒng)對低重頻信號的分選識別能力。

首先系統(tǒng)對初始的PDW數(shù)據(jù)進行分選統(tǒng)計，然后在此基礎(chǔ)上，DSP針對當(dāng)前的數(shù)據(jù)量進行評估，判斷偵收到的數(shù)據(jù)是否超過系統(tǒng)處理能力的上限。如果偵收到的數(shù)據(jù)量沒有超過系統(tǒng)處理能力的上限，系統(tǒng)按照原先的處理方案進行后續(xù)的分選處理；反之，則系統(tǒng)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)FPGA上報的數(shù)據(jù)信息，減少數(shù)據(jù)中高重頻信號的數(shù)據(jù)量。下面介紹在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下的信號處理過程。

自適應(yīng)系統(tǒng)在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下的信號處理流程如圖2所示。在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下，偵收到的數(shù)據(jù)量已經(jīng)超過了系統(tǒng)處理能力的上限，所以必須在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少高重頻的信息，增加低重頻的信號。首先根據(jù)DSP的初始分選結(jié)果，選擇需要減少信息量的高重頻信號；其后系統(tǒng)將該高重頻信號的參數(shù)下發(fā)至FPGA中，F(xiàn)PGA根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的參數(shù)識別出高重頻信號；然后在規(guī)定時間內(nèi)最多上報一定量該高重頻信號的數(shù)據(jù)；最后在規(guī)定時間后重復(fù)該操作，既保障系統(tǒng)對高重頻信號的實時分選功能，又能提高系統(tǒng)對低重頻信號的分選識別能力。

圖2 復(fù)雜密集電磁環(huán)境下自適應(yīng)系統(tǒng)信號處理過程

3.2 實驗驗證

為了評估上述系統(tǒng)的有效性，在某電子偵察設(shè)備基礎(chǔ)上對比原先的設(shè)計和本文提出的改進措施。在實驗室里利用2臺雷達信號模擬器、1臺安捷倫的多信號波形發(fā)生器以及4臺信號源模擬20個不同頻率常規(guī)脈沖信號同時存在的工作環(huán)境。利用天線輻射方式進行對比試驗，DSP將分選結(jié)果傳輸至主機上，主機將分選結(jié)果在電腦顯示器上顯示，并在一定時間后進行刷新。設(shè)置信號的重頻、脈寬等參數(shù)如表1所示。

由圖3可見：為改進前系統(tǒng)在復(fù)雜密集環(huán)境下對各個信號的分選結(jié)果，從告警次數(shù)分析原系統(tǒng)對重頻在180 μs以下的高重頻信號的分選識別能力比較強，而對重頻為870 μs、1 200 μs以及5 000 μs等低重頻信號分選識別存在很大的漏警情況。而且從圖3中發(fā)現(xiàn)，還存在著信號分選增批的現(xiàn)象，產(chǎn)生虛警情況，1 200 μs附近的幾個分選結(jié)果以及7 800 μs的分選結(jié)果都是由于系統(tǒng)對低重頻信號倍重頻造成的。而圖4給出了偵察設(shè)備使用本文提出的自適應(yīng)系統(tǒng)后的分選識別結(jié)果。從圖4中可以看出，設(shè)備雖然對重頻為1 200 μs和5 000 μs的低重頻信號分選仍然存在著漏警的情況，但是效果有很大的改善，特別是對1 200 μs的低重頻信號漏警概率大大降低，而且信號增批現(xiàn)象也減少了很多。

表1 設(shè)置模擬信號的參數(shù)

圖3 原系統(tǒng)的信號分選結(jié)果

通過上述實驗測試發(fā)現(xiàn)本文提出的自適應(yīng)系統(tǒng)在復(fù)雜密集的電磁環(huán)境中能夠大大提高對低重頻信號的分選識別能力。

4 結(jié)束語

本文針對電子偵察系統(tǒng)在復(fù)雜密集電磁環(huán)境下面臨低重頻信號分選存在漏警的問題，提出一種自適應(yīng)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過DSP判斷緩存空間是否有數(shù)據(jù)溢出，根據(jù)情況自適應(yīng)地選擇調(diào)節(jié)高重頻信號通過的功能，減少DSP需要處理的數(shù)據(jù)，從而提高低重頻信號的比例，提高DSP對低重頻信號的分選能力。通過實驗室模擬復(fù)雜密集的電磁環(huán)境進行對比測試，實驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以適應(yīng)復(fù)雜密集的電磁環(huán)境，而且大大提高了設(shè)備對低重頻信號的分選識別能力，具有一定的工程應(yīng)用價值。