基于高速數(shù)據(jù)采集的雷達(dá)對抗試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺

崔新風(fēng)，姚輝偉，聶孝亮

(中國洛陽電子信息裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引 言

在雷達(dá)對抗試驗中，由于不同類型干擾機的工作方式、干擾樣式和干擾信號內(nèi)部特征存在一定的差異，造成干擾效果也會存在不同程度的差異。為了深入分析試驗結(jié)果，需要對試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)進行采集和分析。

目前常用的方法主要有2種：一種是利用試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄取設(shè)備對試驗過程中的目標(biāo)點跡、航跡數(shù)據(jù)進行錄取，然后按時間戳對比分析有無干擾條件下的雷達(dá)探測結(jié)果，得出干擾機的干擾效果[1-3]；另一種是采用高性能示波器采集試驗過程中關(guān)鍵節(jié)點的干擾信號和回波信號[4]，然后在計算機上利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。這2種方法都存在一定的缺點，數(shù)據(jù)錄取設(shè)備錄取的點跡、航跡數(shù)據(jù)只能顯示雷達(dá)受到干擾的情況，而無法具體分析干擾信號的內(nèi)部特征；示波器由于內(nèi)存有限無法對試驗過程中的數(shù)據(jù)進行持續(xù)記錄，其采集的數(shù)據(jù)只能觀察瞬間的狀態(tài)，不能進行復(fù)盤分析，雷達(dá)對抗過程瞬息萬變，信號轉(zhuǎn)瞬即逝，且目標(biāo)信號一般都淹沒在強干擾信號中，給信號采集帶來困難，利用示波器采集的方法只能為試驗結(jié)果分析提供一定的參考，不能完全滿足試驗需求。

為了更好地進行試驗結(jié)果分析，本文設(shè)計了基于高速信號采集的雷達(dá)對抗試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺。利用高速信號采集平臺對試驗系統(tǒng)的中頻信號進行了全過程采集，利用中頻信號處理與分析軟件對錄取的數(shù)據(jù)進行處理和分析，用以完成試驗全過程中頻數(shù)據(jù)采集及處理、干擾信號特征分析、干擾效果動態(tài)分析以及仿真試驗系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視等功能。

1 系統(tǒng)組成

雷達(dá)對抗試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺主要由服務(wù)器主機、RAID磁盤陣列、高速數(shù)據(jù)采集卡、多功能接口卡以及高速數(shù)據(jù)采集軟件、試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件等組成，硬件部分組成如圖 1所示。

圖1 雷達(dá)對抗試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺組成框圖

服務(wù)器主機為板卡的承載平臺和應(yīng)用軟件的運行平臺，采用基于Intel第3代Xeon 64 bit處理器的雙CPU服務(wù)器平臺，8核16線程，緩存20 MB，主頻3.4 GHz，內(nèi)存64 GB。高速數(shù)據(jù)采集卡和多功能接口卡通過PCIe接口安裝在服務(wù)器主板上，高速數(shù)據(jù)采集板卡用于對雷達(dá)射頻前端處理后的中頻信號進行采集，為滿足信號的高速采集和傳輸，板卡采用PCIE×8總線接口，能夠提供高達(dá)4 GByte/s的數(shù)據(jù)吞吐能力，提供四通道采集，采樣率靈活可設(shè)，多功能接口卡提供參考時鐘、觸發(fā)信號、天線指向信息等輸入接口。磁盤陣列用于存儲采集的海量數(shù)據(jù)，包含8塊SSD模組，配置為RAID0模式，以提供較高的數(shù)據(jù)吞吐性能。主要應(yīng)用軟件包括數(shù)據(jù)采集記錄軟件和試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件，數(shù)據(jù)采集記錄軟件用于將采集到的數(shù)據(jù)記錄到磁盤陣列中，試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件用于對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、回放、分析、顯示等。

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 高速數(shù)據(jù)采集記錄軟件

高速數(shù)據(jù)采集記錄軟件用于將高速數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)字信號通過PCIE總線以一定的格式記錄到磁盤陣列中。采用商用的Wavepro信號采集記錄軟件完成對系統(tǒng)中所有硬件的參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)控，并提供對信號采集、信號記錄、記錄數(shù)據(jù)瀏覽以及信號概略回放等操作的人機交互控制。Wavepro軟件可提供3.2 Gbytes/s的持續(xù)信號記錄速度，能夠滿足雷達(dá)對抗試驗過程中數(shù)據(jù)的記錄與存儲需求。

Wavepro軟件將采集到的數(shù)據(jù)存儲為操作系統(tǒng)可以直接訪問的文件格式，數(shù)據(jù)使用時不需要通過轉(zhuǎn)存的方式，可使用Matlab等軟件直接進行文件的讀取，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來很大的方便。用戶使用過程中可對采集設(shè)備采樣率、信號采集方式、參考時鐘等進行設(shè)置，滿足不同采集需求。另外，采集軟件還具備對采集信號的實時頻譜顯示功能，可作為試驗中信號監(jiān)測和分析的有益補充。

2.2 試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件

試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件基于Matlab GUI開發(fā)，數(shù)據(jù)輸入為高速數(shù)據(jù)采集記錄軟件采集到的數(shù)字信號和天線指向信息，其主要功能為按照一定的信號處理算法對輸入的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理，輸出檢測目標(biāo)點跡信息，并對試驗回放過程進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)逐幀播放和分析處理。軟件設(shè)計主要包括軟件界面設(shè)計、回放過程控制設(shè)計和信號處理算法設(shè)計等3個方面。軟件界面用來提供人機交互界面、參數(shù)輸入和結(jié)果顯示。回放過程控制用來對回放的過程進行控制，包括播放、暫停、停止、前一幀、后一幀、進度條等功能。信號處理算法用來模擬試驗雷達(dá)的信號處理機對輸入信號進行信號處理和目標(biāo)檢測。試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件工作流程如圖2所示。

圖2 試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件工作流程圖

2.2.1 軟件界面設(shè)計

軟件界面采用Matlab GUI進行設(shè)計，分?jǐn)?shù)據(jù)文件路徑設(shè)置區(qū)、雷達(dá)參數(shù)輸入?yún)^(qū)、參數(shù)輸出區(qū)和試驗結(jié)果圖形顯示區(qū)等。

數(shù)據(jù)文件路徑設(shè)置區(qū)用于設(shè)置需要處理的數(shù)據(jù)文件路徑和文件名。雷達(dá)參數(shù)輸入?yún)^(qū)用于設(shè)置雷達(dá)對抗試驗中模擬雷達(dá)的工作參數(shù)。參數(shù)輸出區(qū)用于顯示雷達(dá)在各個波位的檢測結(jié)果和當(dāng)前數(shù)據(jù)文件的大小。試驗結(jié)果圖形顯示區(qū)用于顯示試驗過程中數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，主要包括試驗過程檢測結(jié)果總體顯示、當(dāng)前幀檢測結(jié)果顯示、各個波位信號的時域波形和匹配濾波后的波形、P顯顯示和檢波后功率顯示等。

2.2.2 回放過程控制設(shè)計

回放過程控制部分包括播放、暫停、停止、前一幀、后一幀、進度條等功能[5]，回放過程控制通過2個變量來實現(xiàn)。變量st用來表示每種功能的狀態(tài)，通過設(shè)置不同的值對應(yīng)不同的功能，變量用s來表示回放的進度。整個試驗回放過程通過一個循環(huán)來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)讀入時，獲取本次試驗過程錄取的數(shù)據(jù)文件長度L和每包數(shù)據(jù)的大小cell_length，據(jù)此設(shè)置循環(huán)條件。回放控制流程如圖3所示。

圖3 回放過程控制流程圖

回放開始前，需要設(shè)置雷達(dá)處理參數(shù)，選擇將要回放的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀入后處于播放狀態(tài)。

當(dāng)執(zhí)行播放功能時，會根據(jù)當(dāng)前st和s的值進行相應(yīng)的功能跳轉(zhuǎn)，當(dāng)s的值等于本次回放數(shù)據(jù)的長度時，回放停止。進度條可以用來動態(tài)顯示回放的進度，實現(xiàn)時將s的值設(shè)置為slider滾動條控件的value屬性值，滾動條會根據(jù)value的變化移動到相應(yīng)的位置。滾動條的max屬性值在數(shù)據(jù)讀入時設(shè)定為本次試驗的數(shù)據(jù)總長度。

當(dāng)執(zhí)行暫停功能時，保存當(dāng)前的進度數(shù)據(jù)s，根據(jù)用戶選擇進行上一幀、下一幀或時頻分析功能。上一幀即對第s-1幀的數(shù)據(jù)重新進行處理和顯示，下一幀即對第s+1幀的數(shù)據(jù)進行處理和顯示，時頻分析對當(dāng)前第s幀的數(shù)據(jù)進行時頻分析，顯示信號的時域波形、匹配濾波后波形和時頻分析波形。利用這3種功能可以詳細(xì)分析雷達(dá)對抗試驗過程中干擾信號和目標(biāo)回波信號之間的關(guān)系以及干擾信號的時域、頻域、時頻域特征。當(dāng)執(zhí)行播放功能時，根據(jù)當(dāng)前保留的進度數(shù)據(jù)執(zhí)行下一幀處理過程，同時將進度條從當(dāng)前處刷新。

2.2.3 信號處理算法設(shè)計

信號處理算法是試驗數(shù)據(jù)回放與分析軟件的核心部分，用來對接收到的干擾和回波數(shù)據(jù)進行處理。信號處理算法主要包括降采樣、數(shù)字下變頻、脈沖壓縮、恒虛警檢測、目標(biāo)檢測等，通過將試驗系統(tǒng)中實際使用的代碼移植到Matlab代碼實現(xiàn)，消除某些固定偏差后，可實現(xiàn)二者檢測結(jié)果基本一致。

3 實際應(yīng)用

在某次雷達(dá)干擾裝備對抗仿真試驗中，該平臺在干擾信號特征分析、干擾效果動態(tài)分析和仿真試驗系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視等方面得到了很好的應(yīng)用，為試驗結(jié)果分析和試驗順利開展提供了很大的幫助。

3.1 干擾信號特征分析

利用試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺，可以對信號進行時域、頻域、時頻域、脈壓及恒虛警檢測結(jié)果顯示，能夠直觀給出干擾信號的脈內(nèi)特征信息，便于分析不同類型干擾機的信號形式。圖4為某次仿真中，回波與干擾信號的時域波形與時頻圖，從圖中可以看出干擾信號采取的是間歇采樣的干擾方式。

圖4 干擾信號特征分析圖

3.2 干擾效果動態(tài)分析

利用試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺，可以對試驗過程中某段時間內(nèi)的對抗過程進行逐幀回放，有助于對試驗中雷達(dá)和干擾機對抗性能進行深入分析，特別是出現(xiàn)試驗結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不一致現(xiàn)象時。如試驗中，某一干擾機預(yù)期干擾效果較好，而實際干擾效果較差，利用雷達(dá)方程對試驗過程的干信比進行計算[6]，并對預(yù)期的干擾效果進行估計表明，干擾機能夠?qū)走_(dá)進行壓制，而實際干擾效果與預(yù)期不符。通過對試驗數(shù)據(jù)回放發(fā)現(xiàn)，連續(xù)4幀信號從能量的角度干擾機具有足夠能量提供用以壓制的干信比，前3幀未能做出正確的時間響應(yīng)，從而不能實現(xiàn)預(yù)期的干擾效果；而第4幀中干擾信號實現(xiàn)了對目標(biāo)信號的覆蓋，非常直觀地解釋了試驗現(xiàn)象。

3.3 試驗系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視

利用試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺，可以對試驗過程中試驗系統(tǒng)輸出的信號進行直觀的整體顯示，這樣有助于對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)視。例如，在一次試驗數(shù)據(jù)回放中發(fā)現(xiàn)，試驗過程中一段時間內(nèi)目標(biāo)信號突然發(fā)生變化，如圖5所示。通過實際排查發(fā)現(xiàn)，是由于試驗系統(tǒng)在進行幅度控制時，程控衰減器切換過程中控制碼誤碼引起的，而利用頻譜儀監(jiān)控時只能顯示當(dāng)前時刻的信號狀態(tài)，很難發(fā)現(xiàn)這種偶發(fā)的異常現(xiàn)象。

圖5 異常狀態(tài)下仿真過程信號控制

4 結(jié)束語

本文基于高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，設(shè)計實現(xiàn)了雷達(dá)對抗試驗數(shù)據(jù)回放與分析平臺，可以實現(xiàn)對雷達(dá)對抗試驗全過程數(shù)據(jù)采集錄取、回放與分析處理，在干擾信號特征分析、干擾效果動態(tài)分析以及試驗系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視等方面得到了很好的應(yīng)用。本文所述平臺為實時數(shù)據(jù)錄取，事后數(shù)據(jù)分析處理，隨著計算機計算能力的快速提升，后續(xù)可以考慮進行雷達(dá)信號處理的實時處理算法實現(xiàn)，以實時顯示處理結(jié)果。