基于多DSP并行處理的脈沖分選技術(shù)

呂新正，閔 威，張 敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

脈沖分選是從隨機交疊的脈沖流中將來源于不同目標(biāo)的脈沖串進(jìn)行分離，并將脈沖串按所屬目標(biāo)輻射源進(jìn)行歸類的過程。分選結(jié)果的好壞關(guān)系到后續(xù)輻射源識別、威脅判斷、干擾決策的過程，并直接影響ELINT、ESM、RWR等電子戰(zhàn)裝備的性能指標(biāo)。因此，脈沖分選技術(shù)是電子對抗領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為衡量電子戰(zhàn)偵察設(shè)備能力的重要標(biāo)志。隨著雷達(dá)技術(shù)發(fā)展和大量新體制雷達(dá)的部署應(yīng)用，雷達(dá)對抗偵察系統(tǒng)面臨的信號環(huán)境日趨密集、復(fù)雜，給傳統(tǒng)的脈沖分選架構(gòu)和分選方法帶來了巨大挑戰(zhàn)。

目前的脈沖分選技術(shù)主要分兩級處理，首先根據(jù)到達(dá)方向(DOA)、頻率(FREQ)、脈寬(PW)等參數(shù)對雷達(dá)信號進(jìn)行預(yù)處理，然后利用脈沖重復(fù)間隔(PRI)對信號進(jìn)行進(jìn)一步分選處理。預(yù)處理常采用聚類的方法實現(xiàn)脈沖信號的初步處理，根據(jù)方位、頻率、脈寬參數(shù)將大量的脈沖描述字(PDW)聚類成多個中心[1-2]。分選處理采用到達(dá)時間(TOA)進(jìn)行脈沖重復(fù)間隔估計和去交織，主要包括累積差直方圖法[3]、序列差直方圖法[4]、PRI變換方法[5]，其中直方圖統(tǒng)計的方法都是以計算脈沖到達(dá)時間的自相關(guān)函數(shù)為基礎(chǔ)，容易出現(xiàn)“諧波”，而且對抖動信號效果不理想，但因其運算速度較快，在工程中得到大量應(yīng)用。PRI變換可以抑制諧波，而且可以檢測抖動信號，但因其需要進(jìn)行大量的指數(shù)運算和復(fù)數(shù)運算，難以達(dá)到實時性要求。

本文通過對脈沖分選算法的深入研究，結(jié)合工程實際，提出了一種新的分選算法。新算法同時兼顧直方圖方法和PRI變換算法的優(yōu)點，并采用多DSP并行處理的方法提高了算法的運行速度，在實際處理中有一定的應(yīng)用價值。

1 改進(jìn)的脈沖分選算法

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，單純依靠某一種參數(shù)或者方法適應(yīng)各種信號的分選難度越來越大，因此需要采用多參數(shù)聯(lián)合分選的方法來實現(xiàn)復(fù)雜電子環(huán)境的信號分選。復(fù)雜電磁環(huán)境對信號分選的影響主要表現(xiàn)在信號的密度和信號的復(fù)雜度。信號的密度是指單位時間內(nèi)收到的脈沖數(shù)，目前的電子偵察設(shè)備需要考慮每秒上百萬脈沖的實時處理。信號的復(fù)雜度是指雷達(dá)信號的特征參數(shù)復(fù)雜多變，單一固定的特征參數(shù)雷達(dá)越來越少，取而代之的是復(fù)雜體制的雷達(dá)信號，因此需要不斷完善脈沖分選方法。

1.1 基于DOA、FREQ、PW的預(yù)處理

現(xiàn)在的電子偵察設(shè)備需要面臨高密度的電磁環(huán)境，直接采用時序處理的脈沖分選方法需要的運算量非常大，難以滿足實時性的需求。因此，在進(jìn)行時序處理之前需要對信號進(jìn)行稀釋處理。在常規(guī)的雷達(dá)處理中，由于目標(biāo)的參數(shù)固定，可以直接利用頻率或者脈寬進(jìn)行脈沖描述字的預(yù)處理，當(dāng)脈沖參數(shù)捷變時采用常規(guī)的預(yù)分選會導(dǎo)致參數(shù)的脈沖丟失，給后端的脈沖分選帶來困難。在這里，采用空間聚類的方法實現(xiàn)脈沖信號的預(yù)處理。

通常預(yù)處理中用到的參數(shù)主要有到達(dá)角(DOA)、射頻(RF)、脈寬(PW)。采用空間聚類的方法對上述3個參數(shù)進(jìn)行聚類，從而劃分不同的輻射源。具體做法如下：

(1) 尋找聚類的中心，然后尋找該中心一定半徑范圍的數(shù)據(jù)并將其劃分到該類中；

(2) 在尋找數(shù)據(jù)的過程中，對每個聚類的中心值不停地進(jìn)行更新，以保證分類的準(zhǔn)確性。

由于在分選過程中每個類的中心值都會根據(jù)該類的數(shù)據(jù)不停地進(jìn)行調(diào)整，這樣可以避免將同一類的數(shù)據(jù)分到不同的類中。具體流程如圖1所示。

1.2 基于到達(dá)時間(TOA)的時序處理

基于TOA的時序處理目前主要采用兩種方式，一種是基于直方圖的方法，另一種是基于PRI變換的方法。脈沖到達(dá)時間可以用脈沖前沿時間表示，脈沖串模型可以化為單位沖擊函數(shù)和，TOA序列可以表示為

(1)

其中，δ(·)為狄拉克函數(shù)，tn表示觀測時間T內(nèi)第n個脈沖的TOA，N表示觀測時間T內(nèi)到達(dá)脈沖的總數(shù)，則

圖1 基于DOA、FREQ、PW的預(yù)處理流程圖

f(t)的自相關(guān)函數(shù)可以寫成：

(2)

其中，τ=tm-tn，對C(τ)在區(qū)間[τ1,τ2]上進(jìn)行積分可得

(3)

由式(3)可知，h(τ1,τ2)可看作脈沖串落入[τ1,τ2]的次數(shù)。假設(shè)脈沖串的PRI固定為ψ，考慮到在觀察時間T內(nèi)輻射源脈沖數(shù)為N個脈沖，所以有(N-1)ψ≤T。在計算直方圖時，往往將觀察時間T等分為L個長度，則定義直方圖的箱長為bτ=T/L，第k個PRI箱的中心為

τk=(k-0.5)bτ

(4)

因此，直方圖門限可以設(shè)置為

(5)

其中，α為門限系數(shù)，與脈沖丟失情況和參數(shù)測量誤差有關(guān)，通常α<1。

PRI變換法可以理解為f(t)的自相關(guān)譜函數(shù)，變換結(jié)果為PRI的譜圖，在真實PRI位置會出現(xiàn)峰值，用函數(shù)可以表示為

(6)

離散化后表示為

(7)

相位因子exp[2πtn/(tn-tm)]的引入完全是為了式(2)在計算自相關(guān)時產(chǎn)生的諧波。

對于固定重頻的PRI，只要保證每個PRI 箱的寬度相同即可。對于抖動的PRI，則脈沖會分散到以真實PRI為中心的多個PRI箱內(nèi)，使得PRI譜變得平坦。因此，需要根據(jù)PRI值動態(tài)調(diào)節(jié)箱的寬度，即保證箱的寬度必須大于PRI最大抖動范圍。根據(jù)這一原則，隨著PRI中心值增大，箱的寬度也相應(yīng)增大，得

bk=(1+ε)τk

(8)

其中，ε是決定PRI箱寬度的容差參數(shù)，可以根據(jù)最大PRI抖動比進(jìn)行調(diào)整。PRI變換門限在文獻(xiàn)[6]中進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1.3 改進(jìn)的脈沖分選算法流程

從上述分析可以看出，直方圖方法估計適應(yīng)于固定重頻的檢測，重頻參差可以看作骨架周期為固定重頻的信號，適應(yīng)用直方圖方法，對于抖動信號則需要采用PRI變換的方法進(jìn)行估計。因此，從算法的通用性上看，PRI變換方法比直方圖方法在重頻估計上更有優(yōu)勢。但是，從算法的運算量上看，由于PRI變換采用可變箱的方法，而且存在指數(shù)運算，因此運算量上比直方圖方法大很多，在工程應(yīng)用上受到限制。為了保證算法性能的同時降低運算量，本文提出了一種改進(jìn)的算法，具體流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的脈沖分選算法流程圖

首先，對輸入的高密度PDW進(jìn)行預(yù)處理，大大減少每批目標(biāo)需要處理的PDW個數(shù)；其次，將固定重頻(包含參差)信號進(jìn)行直方圖估計，并進(jìn)行諧波判斷，抽取固定目標(biāo)的PDW；最后，對剩余的PDW進(jìn)行PRI變換處理，進(jìn)行抖動分析。由于對目標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理和抽取了大量的固定重頻信號，需要PRI變換的PDW數(shù)量大大降低，因此在運算量上得到了保證。

直方圖估計PRI方法最大的問題就是子諧波問題，當(dāng)脈沖存在丟失或者進(jìn)行高階差分估計重頻時均會出現(xiàn)正常PRI值的若干次諧波。因此，在進(jìn)行序列搜索之前需要對所有估計出來的PRI進(jìn)行諧波判斷(如果PRI1是PRI2的倍數(shù)，則該PRI1為子諧波)，剔除子諧波PRI值，保留正常的PRI值。當(dāng)估計出多個PRI相同的脈沖串序列，則判斷多個PRI脈沖序列之間是否交錯出現(xiàn)，如果是則可判斷為參差目標(biāo)，參差目標(biāo)子PRI為脈沖序列間的時間差。當(dāng)估計出多個不同PRI時則判斷多個PRI脈沖序列之間是否成組交替出現(xiàn)，如果是則可判斷為脈沖組變目標(biāo)，組變目標(biāo)子PRI為估計出的多個PRI值。

2 多DSP并行處理技術(shù)

為了提高脈沖分選的處理速度，本文采用多片DSP并行處理的方法提高脈沖分選的速度。目前，ADI公司TigerSHARC系列中的TS201是性能最高的浮點數(shù)字信號處理器，具有單片運行速度高和專門優(yōu)化的多DSP處理器互聯(lián)設(shè)計等突出優(yōu)點，是信號處理平臺的核心處理器。本文采用的是自行研制的通用信號處理平臺，采用4片TS201 組成，各TS201之間通過LINK口互聯(lián)。在工程設(shè)計時采用一片TS201完成脈沖描述字的接收，接收完成后進(jìn)行三維聚類預(yù)處理，預(yù)處理后的脈沖描述字通過片間LINK口送到其余3片TS201進(jìn)行脈沖分選處理，處理結(jié)束后將形成的雷達(dá)描述字通過LINK口送回到第1片進(jìn)行綜合處理，然后將綜合的結(jié)果送出。本文不采用數(shù)據(jù)分段并行處理的架構(gòu)，避免了數(shù)據(jù)分割后帶來的增批，同時也保證了同一批目標(biāo)數(shù)據(jù)的完整性。圖3為多DSP并行處理的脈沖分選裝置框圖。圖4為多DSP并行處理的脈沖分選數(shù)據(jù)流程圖。

3 仿真實驗

假設(shè)同時輸入3批目標(biāo)，目標(biāo)1：重頻固定800 μs；目標(biāo)2：重頻參差380、440、500 μs；目標(biāo)3：重頻抖動700 μs(抖動10%)。時域上3批目標(biāo)相互交錯。圖5為8階累積差分后的直方圖統(tǒng)計和過門限檢測結(jié)果。從仿真結(jié)果上看，直方圖方法可以正確估計重頻固定和重頻參差的PRI值，但存在多階諧波過門限的情況，因此需要進(jìn)行過門限諧波判斷。同時，從圖中可以看出，直方圖方法不適用于重頻抖動PRI的估計。圖6為PRI變換方法重頻估計和過門限檢測情況。從仿真結(jié)果可以看出，PRI變換方法具有通用性，可以解決直方圖方法不能估計抖動重頻的情況，而且沒有出現(xiàn)諧波情況。

圖3 多DSP并行處理的脈沖分選裝置框圖

圖4 多DSP并行處理的脈沖分選數(shù)據(jù)流程圖

圖5 直方圖統(tǒng)計法重頻估計

從脈沖分選效率上看，PRI變換法比直方圖方法優(yōu)勢明顯，但運行量則大很多。假設(shè)脈沖數(shù)量為N個，計算M階差分大約需要的MN次除法運算，而計算PRI變換則需要N的階乘次指數(shù)運算。因此，隨著脈沖數(shù)N增加，PRI變換運算量成指數(shù)增加，無法滿足實時運算需求。因此，本文在算法上采用直方圖統(tǒng)計和PRI變換相結(jié)合的方法，盡量減少PRI變換的脈沖個數(shù)，同時采用多DSP并行處理的方法提高運算速度。

圖6 PRI變換法重頻估計

4 結(jié)束語

本文根據(jù)實際的任務(wù)要求，從實時信號處理角度出發(fā)，努力尋找一種實用的雷達(dá)脈沖分選算法。文中通過對直方圖統(tǒng)計和PRI變換兩種重頻估計方法進(jìn)行分析比較，提出一種改進(jìn)的脈沖分選算法。根據(jù)新算法特點，本文提出了一種用于該算法并行處理的任務(wù)分配原則，提供了一種基于4片DSP硬件平臺的實時處理方案。本文的方案可以滿足實時系統(tǒng)的要求。