基于寬帶實時頻譜分析的雷達監(jiān)測方法

摘" 要：為了對試驗場區(qū)進行電磁環(huán)境監(jiān)測，文章主要對1 GHz瞬時帶寬的電磁信號進行實時頻譜分析的研究。使用時間片將連續(xù)時間劃分為8組，每組時間片對電磁信號進行多倍復(fù)用并行FFT，同時使用頻譜統(tǒng)計和數(shù)字熒光顯示進行實時頻譜分析。試驗表明，系統(tǒng)能對1 GHz瞬時帶寬的電磁信號實施不間斷監(jiān)測。實時頻譜統(tǒng)計技術(shù)將采樣速率從2 500 MB/s降低至不足1 MB/s，在滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下的實時頻譜監(jiān)測分析的同時，大幅度降低輸出數(shù)據(jù)傳輸壓力，擴大了系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境。

關(guān)鍵詞：實時頻譜；FFT；數(shù)字熒光；頻譜統(tǒng)計；電子對抗

中圖分類號：TN97" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）03-0001-06

Radar Monitoring Method Based on Broadband Real-time Spectrum Analysis

GONG Fei1， GONG Yuling2， SU Hang1， XU Xiaodong2， WU Honghai1

（1.Nanjing Aerospace Industry Science and Technology Co.， Ltd.， Nanjing" 210000， China;

2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Taizhou University， Taizhou" 225300， China）

Abstract： In order to monitor the electromagnetic environment of the test site， this paper mainly studies the real-time spectrum analysis of the 1 GHz instantaneous bandwidth electromagnetic signal. The time slice is used to divide the continuous time into 8 groups. Each group of time slice performs multi-multiplexing parallel FFT on the electromagnetic signal， and real-time spectrum analysis is performed using spectrum statistics and digital phosphor display at the same time. Experiments show that the system can continuously monitor the electromagnetic signal with an instantaneous bandwidth of 1 GHz. Real-time spectrum statistics technology reduces the sampling rate from 2 500 MB/s to less than 1 MB/s， which greatly reduces the transmission pressure of output data and expands the application environment of the system while satisfying the real-time spectrum monitoring and analysis in complex electromagnetic environment.

Keywords： real-time spectrum; FFT; digital phosphor; spectrum statistic; electronic countermeasure

0" 引" 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場用頻裝備數(shù)量激增、信號處理技術(shù)發(fā)展及電磁信號體制多樣，任務(wù)區(qū)域的電磁環(huán)境愈加復(fù)雜多變[1-2]。電磁信號種類繁多，包括自然界產(chǎn)生的電磁信號、廣播、藍牙等民用電磁信號，以及有特定用途的軍用電磁信號。諸多電磁信號擁擠在有限的頻譜中，面對時域上重復(fù)、頻域上交疊的復(fù)雜環(huán)境，雷達監(jiān)測設(shè)備對猝發(fā)信號、復(fù)雜雷達信號和干擾信號等信號的連續(xù)頻譜監(jiān)測難度較大[3-4]。本文將研究基于寬帶實時頻譜分析的雷達監(jiān)測方法，該方法對寬帶信號進行高速采樣，通過時域加窗多倍復(fù)用并行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform， FFT）等處理方法，從頻率、功率、時間這三個維度對帶內(nèi)采集信號進行分析?；趯拵崟r頻譜分析的雷達監(jiān)測方法可有效實現(xiàn)瞬態(tài)信號的及時觸發(fā)和捕獲，通過實時頻譜統(tǒng)計技術(shù)可有效降低實時傳輸速率，提高雷達監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測性能，提升了分析復(fù)雜電磁信號的能力。

1" 實時頻譜原理

雷達監(jiān)測設(shè)備受使用、安裝環(huán)境和設(shè)備成本等因素限制，通常在超外差接收機體制下工作[5-6]。雷達監(jiān)測設(shè)備接收射頻信號，使用多級本振對信號進行限幅、放大、混頻、濾波等處理，并得到中頻信號。通過本振頻點的變化，完成整個頻段的掃描[7-8]。監(jiān)測瞬時帶寬越小，完成整個頻段掃描時間越長，由于頻段切換導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備對外界瞬時出現(xiàn)信號的監(jiān)測能力較低。

實時頻譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由變頻通道模塊、實時頻譜分析模塊、實時頻譜顯示模塊3個模塊組成。接收天線接收外界電磁信號。變頻通道模塊對天線接收到的電磁信號進行限幅、放大、變頻等處理，其中限幅器完成信號幅度限制，防止外界信號功率過大而損傷設(shè)備；放大器對信號進行放大操作；混頻器完成信號頻率搬移；濾波器完成頻段外的多余信號的濾除。最終，變頻通道模塊將信號變頻到中頻（中頻帶寬1 GHz）并將中頻輸出至實時頻譜分析模塊[9-10]。實時頻譜分析模塊使用ADC芯片對中頻進行高速采樣將模擬中頻信號采樣得到數(shù)字中頻信號。數(shù)字中頻信號依次進行時間片劃分、FFT、頻譜統(tǒng)計等處理，處理后的頻譜統(tǒng)計結(jié)果按每秒一次的頻率上報至實時頻譜顯示模塊。實時頻譜顯示模塊對頻譜統(tǒng)計結(jié)果實時顯示，完成實時頻譜的處理和圖像顯示。

實時頻譜分析借助信號處理技術(shù)對中頻信號進行采集、處理與分析，通過時間片劃分、FFT處理等步驟，完成中頻信號在時間維、頻率維、幅度維的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對瞬時帶寬內(nèi)猝發(fā)信號的捕獲和分析[11]。實時頻譜分析對信號進行連續(xù)不間斷的監(jiān)測，確保不漏掉任何一個時間段的信號信息，無論是信號存在、消失還是動態(tài)變換，實時頻譜均能持續(xù)上報頻譜數(shù)據(jù)。

1.1" 時間片劃分

目前監(jiān)測設(shè)備多為實時系統(tǒng)，設(shè)備需要在極短的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理并上報，以減少使用者的等待時間。為了在規(guī)定的時間內(nèi)完成處理，需要將連續(xù)中頻信號劃分為多個很小的時間片，多個時間片采用流水并行操作進行時間的劃分。

在時間片劃分下，對連續(xù)時域信號IFin截斷成多個子時域信號Tk（i），Tk（i），其中，k = 0，1，…，7；i = 0，1，…，總時長/（單個時間片長度×8）。時間片劃分流程如圖2所示，實時頻譜系統(tǒng)分析模塊對中頻信號進行不間斷的時間片劃分，得到了多個子時間片T0（i）～T7（i），時間片數(shù)據(jù)分別流水進入8個不同的FFT模塊FFT0（i）～FFT7（i）。多個子時間片T0（i）～T7（i）在時間上連續(xù)不間斷，從而達到信號不丟失的效果。FFT模塊FFT0（i）～FFT7（i）依次輸出結(jié)果，頻譜統(tǒng)計從頻率維、功率維這兩個維度統(tǒng)計FFT模塊輸出結(jié)果，并以出現(xiàn)次數(shù)上報頻譜統(tǒng)計結(jié)果。

1.2" 連續(xù)波和脈沖波加窗

監(jiān)測系統(tǒng)將無限長時間劃分成有限時間片。由于信號被突然截斷，時間片時域信號轉(zhuǎn)換到頻域后會產(chǎn)生頻域上出現(xiàn)頻譜“泄露”現(xiàn)象。為了減輕頻譜“泄露”對后續(xù)處理顯示的影響，需要在FFT運算前加一個緩變性的時間窗。加窗可有效抑制頻譜“泄露”現(xiàn)象，同時也可對信號進行平滑使信號邊界緩慢變化減少頻譜異常。常用的窗函數(shù)有矩形窗、Bartlett窗、漢寧窗、漢明窗。

雷達監(jiān)測設(shè)備面臨的信號主要為連續(xù)波和脈沖波信號。在本設(shè)計中，采用漢寧窗作為窗函數(shù)，針對主要的連續(xù)波和脈沖波信號進行分析。連續(xù)波信號是一種持續(xù)發(fā)射的電磁波，其波形在時間軸上連續(xù)不間斷且沒有明顯間斷點，其波形如圖3（a）所示。脈沖波信號是一種短時間出現(xiàn)的電磁波，其波形在時間軸上不連續(xù)且有短暫快速變化，其波形如圖4（a）所示。

連續(xù)波和脈沖波加窗后的時域波形如圖3（b）、圖4（b）所示，連續(xù)波加窗在時間軸上對窗的兩端信號進行快速衰減，而窗的中間波形衰減較小，從外觀上看，加窗的波形形成了“眼圖”效果。對原始和加窗后的時域波形分別進行FFT處理得到其頻域波形，原始頻域波形如圖3（c）、圖4（c）所示，加窗后頻域波形如圖3（d）、圖4（d）所示，連續(xù)波通過對比圖3（c）和圖3（d），脈沖波通過對比圖4（c）和圖4（d），未加窗時，信號頻譜多在整個頻段進行擴散，本應(yīng)該集中在一個頻率點上的能量會分散到其他頻率上。加窗操作后，對信號在時域上使用了一些旁瓣上衰減較快的窗函數(shù)，使信號在頻域上將能力集中主瓣范圍內(nèi)，有效抑制連續(xù)波頻譜“泄露”現(xiàn)象，減少邊緣部分帶來的不確定性和誤差，使波形主峰與雜散功率差別更大，從頻譜分析結(jié)果上更準確地反映信號的真實頻率信息。

1.3" 多倍復(fù)用并行FFT

面對海量中頻數(shù)據(jù)，多倍復(fù)用并行FFT通過重復(fù)計算一些中間結(jié)果減少計算量可有效處理海量中頻數(shù)據(jù)，滿足實時性處理需求。對中頻信號進行一次FFT，F(xiàn)PGA占用的資源情況相當(dāng)可觀的，使用多陪復(fù)用的形式利用多個處理單元同時對多個時間片中的中頻數(shù)據(jù)進行FFT運算，每個時間片上的中頻數(shù)據(jù)獨立處理FFT操作，并行操作加快了整個運算的速度。工程上考慮到FFT的運行速率及FFT占用資源，通常使用D個周期完成一次完整的FFT，在多個通道上同時完成逆傅里葉變換（Inverse Discrete Fourier Transform， IDFT），提高了處理效率，F(xiàn)FT復(fù)用原理圖如圖5所示，其中x（n）為輸入信號，D為復(fù)用倍數(shù)，e0（m）～eD-1（m）為旋轉(zhuǎn)因子，y0（m）～yD-1（m）為FFT輸出結(jié)果。

其中輸入結(jié)果yk（m）的計算過程如式（1）所示：

基于XC7325T硬件編譯芯片，進行一次8 192點FFT編譯，需要18個DSP48和39個Block RAM。多倍復(fù)用并行FFT占用320個Logic Cells、6個DSP48和15個Block RAM，其中320個Logic Cells與總資源326 080個Logic Cells相比，占比比例較低，可忽略不計。XC7325T芯片、串行8 192點FFT、多通道復(fù)用的FFT資源情況如表1所示，對比發(fā)現(xiàn)多倍復(fù)用并行FFT可有效降低芯片資源占用情況。

2" 實時頻譜統(tǒng)計及顯示

2.1" 實時頻譜統(tǒng)計

對帶寬1 GHz的中頻進行采樣，按照奈奎斯特采樣定理，采樣率至少在2 500 MHz以上，按照每秒更新一次頻譜數(shù)據(jù)頻率下，以8 192點FFT計算為例，界面上需要顯示每秒30萬次以上的海量頻譜數(shù)據(jù)，系統(tǒng)難以處理這些頻譜數(shù)據(jù)。同時，海量頻譜顯示在界面上難以使操作人員快速觀察到頻譜變化情況?；谶@種情況，需要對海量頻譜數(shù)據(jù)預(yù)先進行統(tǒng)計處理后再顯示。

實時頻譜統(tǒng)計數(shù)據(jù)最終產(chǎn)生一個位圖矩陣，位圖矩陣的橫軸為頻率，縱軸為功率，矩陣內(nèi)的數(shù)值為該頻率—功率出現(xiàn)次數(shù)。原始中頻采樣速率為2 500 MB/s，經(jīng)過實時頻譜統(tǒng)計最終上傳的速率可降低至1 MB/s以內(nèi)，有效降低了數(shù)據(jù)傳輸速率。以10×9矩陣為例，如圖6（a）所示，一次FFT結(jié)果映射到位圖矩陣內(nèi)，接收到信號的位置顯示為1，當(dāng)該位置的FFT沒有滿足頻率—功率信息時，此位置信號顯示為空白。圖6（b）為進行了9次統(tǒng)計后的位圖矩陣，其中位置信號接收次數(shù)可以累積統(tǒng)計，在（9，1）格內(nèi)的信息接收到9次，顯示的信息為9。

2.2" 數(shù)字熒光顯示

實時頻譜借用數(shù)字熒光顯示技術(shù)，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可視化熒光顯示。本文采用偽彩色處理，通過不同顏色配置精準地控制圖像顯示的強度和范圍，可使圖像表現(xiàn)出非常鮮艷、飽滿的色彩。

實時頻譜統(tǒng)計上報的位圖矩陣為二維數(shù)組，顯示在界面上需要使用圖像中的偽彩色處理技術(shù)。設(shè)f （x，y）為單色圖片中一個像素點的數(shù)值，Red（x，y），Green（x，y），Blue（x，y）為f （x，y）映射到RGB空間的三個顏色分量，則偽彩色處理可以表示為：

其中fR[ f （x，y）]、fG[ f （x，y）]、fB[ f （x，y）]分別為紅、綠、藍的映射函數(shù)，映射函數(shù)不同對應(yīng)偽彩色處理方法也不一樣。常規(guī)偽彩色處理方法有灰度分層法和彩色變換法兩種。工程中，通常因彩色變換法顏色豐富、顏色轉(zhuǎn)變連續(xù)順暢、量化噪聲小等特點，實時頻譜顯示多采用彩色變換法。以常規(guī)的彩色變換函數(shù)為例，圖7（a）（b）（c）分別為紅、綠、藍三種顏色的映射函數(shù)圖。

3" 寬帶實時頻譜監(jiān)測效果

以監(jiān)測線性調(diào)頻信號為例，頻譜儀接收處理得到的頻譜如圖8所示，使用寬帶實時頻譜監(jiān)測頻譜如圖9所示。對比兩張圖可發(fā)現(xiàn)，頻譜儀可觀測到信號的中心頻率（信號所屬頻段范圍）、信號帶寬（開始頻率到終止頻率的差值）、峰值（信號在某個頻率上的最大功率）、雜散（由于設(shè)備內(nèi)部噪聲、干擾等因素引發(fā)的雜亂無規(guī)則的信號）等信息。寬帶實時頻譜除了頻譜儀可觀測的信息外，還可根據(jù)頻譜顯示顏色通過顏色的亮度高低來推斷出子頻點1、2、3的出現(xiàn)概率、停留時長等信息。

4" 結(jié)" 論

本文主要對基于寬帶實時頻譜分析雷達監(jiān)測方法進行研究，深入分析了實時頻譜原理中的時間片劃分、加窗、多倍復(fù)用并行FFT、實時頻譜統(tǒng)計和數(shù)字熒光顯示。使用通用監(jiān)測設(shè)備硬件進行工程研發(fā)，經(jīng)過系統(tǒng)驗證，結(jié)果表明寬帶實時頻譜分析雷達監(jiān)測方法可使信號在頻域上將能力集中主瓣范圍內(nèi)，有效抑制連續(xù)波頻譜“泄露”現(xiàn)象減少邊緣部分帶來的不確定性和誤差，使波形主峰與雜散功率差別更大，從頻譜分析結(jié)果上更準確地反映信號的真實頻率信息。實時頻譜統(tǒng)計可有效降低數(shù)據(jù)傳輸速率，原始中頻采樣傳輸速率為2 500 MB/s經(jīng)過實時頻譜統(tǒng)計最終上傳的速率可降至1 MB/s以內(nèi)，有效降低了數(shù)據(jù)傳輸速率，使用數(shù)字熒光顯示，顏色豐富、顏色轉(zhuǎn)變連續(xù)順暢、量化噪聲小，對比傳統(tǒng)頻譜儀除了可觀測到信號的中心頻率、信號帶寬、峰值、雜散等信息外，可有效觀察到頻譜內(nèi)部信息如出現(xiàn)概率、停留時長等信息。在分析復(fù)雜混合信號時，通過寬帶實時頻譜可容易地觀測到哪些頻率上的信號功率能量較高，進而確定信號的主要頻率成分，很大程度上解決了復(fù)雜電磁環(huán)境下多體制雷達信號和干擾信號頻譜的監(jiān)測問題。

參考文獻：

[1] 王玉紅，秦睢睢，李兵.0.8～2 GHz單比特接收機的設(shè)計 [J].現(xiàn)代信息科技，2024，8（6）：58-61.

[2] 黃佳輝.基于調(diào)制頻譜特征的隱藏目標探測系統(tǒng) [D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2021.

[3] 潘時龍，朱丹.微波光子認知雷達技術(shù) [J].雷達科學(xué)與技術(shù)，2021，19（2）：117-129.

[4] 雷震.基于光學(xué)色散的測量技術(shù)研究 [D].南京：南京航空航天大學(xué)，2021.

[5] 黃曉紅，任鋼，黃天宇.基于迭代多項式插值的雷達高精度距離估計方法 [J].傳感器與微系統(tǒng)，2024，43（7）：149-152.

[6] 桂榮華.頻控陣雷達自適應(yīng)處理關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[7] 秦鑫.雷達輻射源脈內(nèi)特征分析與識別關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].鄭州：戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)，2020.

[8] 張勇強，陸晨陽，奚宏亞.基于漢寧窗和雙線譜的頻率估計方法 [J].中國科技信息，2020（8）：110-112+115.

[9] 金珊珊.車聯(lián)網(wǎng)頻譜協(xié)作仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [D].南京：南京航空航天大學(xué)，2020.

[10] 張克生，濮軍.基于高次時頻譜特征的艦載相控陣雷達信號降噪識別 [J].艦船科學(xué)技術(shù)，2024，46（16）：115-119.

[11] 趙浩欽，段國棟，司江勃，等.面向非完全電磁信息的智能頻譜分配技術(shù)研究 [J].電子與信息學(xué)報，2024，46（7）：2694-2702.

作者簡介：龔非（1983—），男，漢族，湖北襄陽人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：航天電子對抗研究。