基于矢量計(jì)算的雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)處理方法

付 林，江偉偉，陸 峻

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)中通道間的相位不一致性對(duì)數(shù)字波束形成的波束指向及方向圖副瓣電平等均會(huì)產(chǎn)生較大的影響。數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)工作時(shí)需要對(duì)通道間的相位不一致性進(jìn)行補(bǔ)償。通道間相位差的獲取求解方法有IQ正交求解法[1]、數(shù)字相關(guān)法[2]、FFT法[3]和相位差分法[4]。在各種方法的使用過(guò)程中均需要對(duì)IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算求解。但是，直接編程序?qū)Q數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，由于PowerPC主頻較低等不足，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法達(dá)到使用要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于矢量計(jì)算的雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)處理的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)處理模塊。實(shí)時(shí)雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)處理模塊分析并分解雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)處理流程，將其重新設(shè)計(jì)為基于矢量進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算流程，采用PowerPC矢量庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了高效的信號(hào)處理，可以滿足實(shí)時(shí)雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)處理的要求。

1 算法描述

本文以FFT法[3]為例對(duì)算法進(jìn)行理論描述和算法分解。

1.1 FFT法理論描述[3]

用FFT法求解通道之間的相位差的基本原理是：通過(guò)FFT得到兩路同頻信號(hào)的離散頻譜，分別求出其在最大譜線處的相位值，將求得的兩路信號(hào)相位值相減即可得到兩路信號(hào)的相位差。

設(shè)兩路信號(hào)分別為

x1(t)=A1cos(2πf0t+θ1)，

x2(t)=A2cos(2πf0t+θ2)

(1)

式中，A1、A2為信號(hào)幅度，f0為信號(hào)載頻。進(jìn)行離散化處理，采樣頻率為fs，并對(duì)信號(hào)做N點(diǎn)FFT，則信號(hào)載頻f0可以表示為

f0=(k0+δ)·Δf

(2)

式中，k0為整數(shù)；δ為泄露誤差系數(shù)，且|δ|≤0.5；Δf為頻率分辨率，且Δf=fs/N。則

x1(n)=A1cos[2π(k0+δ)·n/N+θ1]，

n=0,1,…,N-1

(3)

對(duì)x1(n)進(jìn)行傅里葉變換后得

k=0,1,…,N-1

(4)

X1(k)在k=k0處有最大譜線。只考慮正頻率成份，則有

(5)

X1(k)在k=k0處的相位φ1為

φ1=θ1+πδ-πδ/N

(6)

同理，信號(hào)x2(n)的頻譜X2(k)在k=k0處的相位φ2為

φ2=θ2+πδ-πδ/N

(7)

所以，兩信號(hào)的相位差為

φ=θ2-θ1=φ2-φ1

(8)

1.2 矢量算法

從上述理論描述中對(duì)x1(t)進(jìn)行采樣后得到x1(n)，同樣對(duì)x2(t)進(jìn)行采樣后得到x2(n)。根據(jù)式(4)需要對(duì)x1(n)和x2(n)進(jìn)行傅里葉變換。傳統(tǒng)方法需要通過(guò)for語(yǔ)句對(duì)IQ進(jìn)行復(fù)合變換為復(fù)數(shù)，即

x1C(i)=x1I(i)+j·x1Q(i),i=1,…,n

(9)

x2C(i)=x2I(i)+j·x2Q(i),i=1,…,n

(10)

而采用PowerPC矢量庫(kù)后，設(shè)計(jì)矢量計(jì)算方法則為

(11)

(12)

隨后的傅里葉變換采用FFT算法：

(13)

(14)

式(5)中需要找到X1(k)和X2(k)的最大值，同樣需要使用循環(huán)語(yǔ)句，即

X(i)A=|X(i)|,i=1,…,n

(15)

kMax=k, {X(k)A=Max[X(n)A]}

(16)

設(shè)計(jì)矢量計(jì)算方法則為

(17)

(18)

同樣的，根據(jù)式(6)、(7)可以得到φ1、φ2，利用式(8)得到相位差φ。

2 仿真分析

以兩個(gè)通道為例，在輸入相同的正弦單頻點(diǎn)測(cè)試信號(hào)時(shí)設(shè)兩通道輸出信號(hào)的初相差為10°，分別加復(fù)數(shù)形式的高斯白噪聲，采樣頻率fs=200 MHz，載頻f0=80 MHz，進(jìn)行了100次通道測(cè)量計(jì)算。分別采用矢量算法和傳統(tǒng)循環(huán)算法時(shí)仿真結(jié)果如表1所示。

表1 通道相位差測(cè)量計(jì)算時(shí)間對(duì)比

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，采用矢量算法將算法效率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，其單通道計(jì)算時(shí)間均為T(mén)<0.045 ms，當(dāng)通道數(shù)為80時(shí)計(jì)算所有通道所需時(shí)間小于3.6 ms，再對(duì)所有50個(gè)載頻進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算所需時(shí)間小于180 ms，遠(yuǎn)小于監(jiān)測(cè)流程所需的工作時(shí)間，可以滿足工程實(shí)踐要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理中大量采用PowerPC平臺(tái)。PowerPC平臺(tái)由于其CPU主頻低等特點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)常規(guī)的計(jì)算方法效率低，無(wú)法滿足雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求。本文提出的基于PowerPC矢量庫(kù)的矢量算法，充分利用CPU的流水線性能，極大地提高了計(jì)算性能，滿足了工程實(shí)踐中信號(hào)處理對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，具有工程實(shí)用價(jià)值。