史學(xué)書，　李貴新，　吳　濤

(裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

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脈沖雷達(dá)中頻信號記錄與事后處理研究

史學(xué)書，李貴新，吳濤

(裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

摘要為了在靶場試驗中充分利用現(xiàn)有雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)特性測量并挖掘其測量潛力，提出一種脈沖雷達(dá)中頻信號檢前記錄和事后高精度處理結(jié)合的方案。首先，針對靶場脈沖雷達(dá)回波特點(diǎn)，給出一種高速、大容量中頻信號采集記錄方法；然后，研究了從現(xiàn)有脈沖雷達(dá)記錄數(shù)據(jù)中提取飛行目標(biāo)幅度反射特性的方法；最后，基于記錄數(shù)據(jù)分析了高精度相位信息提取方法并給出了相位信息提取結(jié)果。通過分析靶場雷達(dá)試驗數(shù)據(jù)，證明該方案增強(qiáng)了現(xiàn)有雷達(dá)性能，可以反演目標(biāo)運(yùn)動特性進(jìn)而為靶場飛行試驗提供輔助判決。

關(guān)鍵詞脈沖雷達(dá)；信號記錄；目標(biāo)特性；相位測距

隨著運(yùn)載火箭、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和新型飛行器性能的快速發(fā)展，在靶場試驗中對跟蹤雷達(dá)的作用距離、跟蹤精度和目標(biāo)特性測量能力等要求越來越高。為了滿足靶場試驗對飛行目標(biāo)測量精度不斷提高的需求，除了配置更多新型高增益寬帶雷達(dá)外，如何對現(xiàn)有脈沖跟蹤雷達(dá)進(jìn)行升級改造，挖掘在用靶場雷達(dá)的潛力也是一條經(jīng)濟(jì)合算的路線。基于以上背景，同時參考國外發(fā)展經(jīng)驗，提出一種脈沖雷達(dá)中頻檢前記錄加高精度事后處理的方案。該方案不需要對現(xiàn)有脈沖雷達(dá)進(jìn)行復(fù)雜改造，只需要額外配置一臺具備高速記錄和高性能運(yùn)算的計算機(jī)便可完成雷達(dá)性能提升任務(wù)，通過靈活的信號處理算法充分挖掘靶場試驗記錄數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的幅度和相位信息量，提高脈沖雷達(dá)的測量精度和目標(biāo)特性識別能力。

1雷達(dá)信號記錄分析

目前，應(yīng)用于雷達(dá)信號采集存儲方面的設(shè)備非常豐富，國外有代表性的商業(yè)現(xiàn)貨有美國NI公司系列采集設(shè)備[1]，其產(chǎn)品線在中、低速高精度采集領(lǐng)域具有優(yōu)勢，在雷達(dá)、通信等應(yīng)用中的高速采集也可以找到對應(yīng)的產(chǎn)品。在專業(yè)高速信號記錄回放產(chǎn)品領(lǐng)域Signate公司和美國Conduant公司是業(yè)界代表性的基于磁盤存儲與回放設(shè)備制造商[2]，其系列產(chǎn)品可以滿足目前雷達(dá)測控系統(tǒng)高性能和大容量存儲的要求，持續(xù)數(shù)據(jù)率超過1TB/s。國內(nèi)很多公司、高校和研究廠所也研制了一些比較成熟的雷達(dá)信號記錄系統(tǒng)[3]?，F(xiàn)有的商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品通用性比較好，但其接口時序和信號控制機(jī)制與現(xiàn)有靶場脈沖雷達(dá)不匹配，直接應(yīng)用于靶場信號采集會導(dǎo)致記錄信息不完全，降低了其事后數(shù)據(jù)處理和提取目標(biāo)特性的能力。例如在靶場脈沖雷達(dá)記錄應(yīng)用中有2個比較典型的需求[4]：記錄設(shè)備采集時序需要根據(jù)回波和波門關(guān)系，具備適應(yīng)距離模糊和避盲特性的能力；在記錄中頻回波信號的同時，還需要逐幀插入各種低碼速率雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)如距離值、PRF(Pulse Recurrence Frequency)參數(shù)、IRIG-B時間碼、AGC(Automatic Gain Control)增益等。另外為了方便事后數(shù)據(jù)分析，需要記錄設(shè)備具備直接訪問數(shù)據(jù)能力，并利用多線程技術(shù)、GPU處理技術(shù)、并行處理技術(shù)提高系統(tǒng)處理的實(shí)時性需求。

根據(jù)以上現(xiàn)狀分析，利用成熟的貨價式產(chǎn)品，構(gòu)建了一套適用于靶場脈沖雷達(dá)檢前信號記錄和事后處理平臺。該平臺已經(jīng)配置于靶場試驗任務(wù)中，通過多次任務(wù)檢驗，完成了幅度和相位信息提取和測量試驗，驗證了檢前記錄加事后高精度處理這條技術(shù)路線的可行性，在未來靶場試驗中具有推廣價值。

2脈沖雷達(dá)中頻信號記錄方案

記錄平臺設(shè)計基于數(shù)字化處理和存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)中頻回波信號的高速采集、同步脈沖時間間隔測量、同步脈沖與波門脈沖時間間隔測量、波門脈沖前沿IRIG-B碼絕對時解算，以及上述數(shù)據(jù)和AGC控制電壓的組幀，并對組幀后的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行大容量實(shí)時記錄存儲和事后軟件回放及高精度事后分析。

2.1信號記錄與處理平臺結(jié)構(gòu)

記錄與事后數(shù)據(jù)處理平臺以一臺4U標(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱式高性能服務(wù)器為主體。機(jī)箱內(nèi)部安裝一塊服務(wù)器主板、雙Intel處理器、32G內(nèi)存、PCI-E高速信號采集板、800GB固態(tài)硬盤陣列板。為進(jìn)一步增強(qiáng)事后數(shù)據(jù)處理的并行計算能力，在通用服務(wù)器中安裝了一塊NVIDIA GPU(通用圖像處理器)。脈沖雷達(dá)記錄平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　脈沖雷達(dá)記錄平臺硬件結(jié)構(gòu)

回波幀數(shù)據(jù)通過PCI-E總線以DMA(Direct Memory Asset)的方式送入計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，在系統(tǒng)控制軟件的統(tǒng)一控制下，寫入磁盤陣列。平臺服務(wù)器選用Windows操作系統(tǒng)，具有完善的操作、控制、自檢和狀態(tài)監(jiān)測功能，記錄數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確的時間標(biāo)記，能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理和交換。

2.2記錄數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

根據(jù)雷達(dá)探測目標(biāo)位置的不同，靶場脈沖雷達(dá)工作于3種不同的工作狀態(tài)[5]：正常觸發(fā)、“解距離模糊”和“避盲”狀態(tài)。當(dāng)雷達(dá)處于正常觸發(fā)狀態(tài)時，雷達(dá)發(fā)射的主脈沖周期是固定的，但當(dāng)雷達(dá)“解距離模糊”和“避盲”時，雷達(dá)發(fā)射的主脈沖周期是不斷改變的，這就導(dǎo)致所有雷達(dá)信號在時間位置上的關(guān)系也不斷改變。所以在設(shè)計編幀方式的時候，需要綜合考慮各種回波信號組合方式，選擇一種合理的幀數(shù)據(jù)方式。針對靶場脈沖雷達(dá)發(fā)射信號和回波信號特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了靈活的編幀技術(shù)來存儲和傳輸數(shù)據(jù)。每個導(dǎo)前波門脈沖觸發(fā)一次數(shù)據(jù)編幀，每幀數(shù)據(jù)由幀頭和采樣數(shù)據(jù)組成，如果在一個雷達(dá)周期中有2個回波，則記錄為2幀數(shù)據(jù)。幀頭數(shù)據(jù)主要包括幀頭標(biāo)識、幀號、距離值、采樣波門間隔、主脈沖和導(dǎo)前波門脈沖的時延信息、連續(xù)2個發(fā)射脈沖的時延信息、中頻采樣數(shù)據(jù)、IRIG-B碼解調(diào)信息、雷達(dá)接收機(jī)AGC增益、PRF標(biāo)志位等。

2.3高精度事后處理模式

為了提高事后數(shù)據(jù)處理實(shí)時性，硬件處理平臺采用了CPU + GPU的異構(gòu)并行處理方式來實(shí)現(xiàn)測控信號的事后軟件處理[6]。CPU執(zhí)行單元在事后處理中用于復(fù)雜邏輯控制和分支預(yù)測。GPU提供了大量執(zhí)行單元來運(yùn)行更多相對簡單的線程，能夠?qū)崿F(xiàn)很強(qiáng)的計算能力和很高的存儲器帶寬，在事后處理中用于大塊數(shù)據(jù)處理，如濾波和快速傅里葉變換。在傳統(tǒng)硬件處理機(jī)中，原始信號的生命周期呈現(xiàn)瞬時性特點(diǎn)，進(jìn)入接收機(jī)的緩存信號在處理完畢得到結(jié)果后該信號就被丟棄了，與此不同，事后處理模式中由于數(shù)據(jù)記錄于磁盤中方便讀取，通過對信號進(jìn)行反復(fù)迭代可以提高信號處理性能，更多的挖掘隱匿于雷達(dá)信號中的信息量。

3目標(biāo)幅度信息提取

目前，靶場跟蹤測量雷達(dá)只具備測角和測距功能，試驗中獲取的測量信息不具備目標(biāo)特性測量要求[7]。利用雷達(dá)中頻信號記錄系統(tǒng)可以有效提取回波信號幅度變化信息，有助于在導(dǎo)彈助推段進(jìn)行事件分析和低分辨運(yùn)動狀態(tài)識別。下面給出目標(biāo)幅度信息提取方法和處理結(jié)果。

3.1幅度信息提取

在提取信息前首先進(jìn)行幀頭檢測，系統(tǒng)以幀號是否連續(xù)來測試數(shù)據(jù)傳輸與存儲的正確性，同時檢驗每幀數(shù)據(jù)的距離采樣點(diǎn)。在助推段，大部分時間波門內(nèi)只有一個脈沖回波，當(dāng)特征事件發(fā)生后每一幀數(shù)據(jù)中有多個脈沖目標(biāo)，包括彈體、推進(jìn)體和殘骸等。根據(jù)某型脈沖雷達(dá)特性，記錄文件回波采樣數(shù)據(jù)為線性調(diào)頻脈沖信號，脈沖壓縮和濾波處理由GPU完成。提取出每一幀中對應(yīng)目標(biāo)脈沖回波信號的包絡(luò)平均峰值，并讀取幀頭記錄的內(nèi)AGC和雷達(dá)接收機(jī)AGC值，計算出原始信號的幅度變化。

彈道目標(biāo)沿軌道運(yùn)動時,其姿態(tài)相對于雷達(dá)視線不斷發(fā)生變化，從而可獲得其幅度隨視角變化的數(shù)據(jù)，其中的變化規(guī)律反映了目標(biāo)的形體結(jié)構(gòu)和物理特性。圖2為某跟蹤目標(biāo)相對幅度信息提取結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)分離過程中，彈體有姿態(tài)變化，反射信號有一段時間強(qiáng)烈波動，之后逐漸穩(wěn)定。通過觀察殘骸回波幅度有近似周期的幅度峰值變化，而且殘骸峰值幅度大于彈體。

圖2　目標(biāo)的相對幅度變化曲線

3.2幅度信息可視化

我說：“好吧！我讓你依靠！”我的話剛說完，你就猛地?fù)溥M(jìn)我懷里，痛哭起來，哭得那么凄涼，哭得那么傷悲，就像一只受傷的小鳥在無助地啼鳴！

利用記錄數(shù)據(jù)提取的幅度信息可以繪制特征時刻分離特性，下面利用平臺記錄的靶場數(shù)據(jù)，給出脈沖壓縮后級間分離過程中的距離-時間-幅度變化曲線，如圖3所示。

通過對記錄數(shù)據(jù)可視化處理，原本功能單一的跟蹤測量雷達(dá)具備了目標(biāo)特性觀測和分析能力。通過分析幅度信息可以觀測到助推器殘骸翻滾引起回波幅度劇烈起伏，而彈體采用姿控技術(shù)回波幅度變化平穩(wěn)，通過幅度序列的起伏特性可以判別分離后的彈體和助推器殘骸。同時，利用距離-時間-幅度變化曲線可以觀測分離目標(biāo)的相對運(yùn)動狀態(tài)，可以清晰地分辨級間分離、艙體分離以及彈頭分離過程等特征事件。

a) 級間分離過程b) 末級助推器殘骸以及火箭分離后產(chǎn)生的碎片圖3　回波信號距離-時間-幅度變化曲線

4目標(biāo)相位信息提取

目前在靶場試驗中大部分脈沖跟蹤雷達(dá)是低重頻體制，雷達(dá)存在嚴(yán)重的速度模糊，一般不提供測速功能[8]。利用雷達(dá)記錄和事后處理平臺，通過解算相位信息可以得到高精度的速度測量值，以及其他運(yùn)動特性(包括距離、加速度、自旋速度等)。記錄系統(tǒng)直接對檢前中頻信號進(jìn)行采集記錄，數(shù)據(jù)中包含有豐富的相參相位信息量，可以提取到的目標(biāo)信息主要包括：載波相位、多普勒、多普勒變化率，其中多普勒對應(yīng)于目標(biāo)的徑向速度、載波相位直接反映了目標(biāo)的距離變化。

4.1相位信息提取方法

直接利用相位信息存在嚴(yán)重模糊，而距離、速度和加速度屬于宏觀運(yùn)動，通過有效的目標(biāo)平動補(bǔ)償可以克服相位模糊影響，得到目標(biāo)微動特性，同時反演出目標(biāo)宏觀運(yùn)動參數(shù)。下面給出導(dǎo)彈在加速段，雷達(dá)信號的相位變化模型

(1)

式中,b為加速度引起的多普勒變化；c為加速度變化(加加速度)。事后處理下變頻參考信號為

相位參數(shù)估計方法描述如下：

1) 首先利用粗略估計的速度、加速度和加加速度參數(shù)a′、b′、c′，進(jìn)行下變頻處理得到Δφ。

(2)

2) 根據(jù)脈沖間相位相參特性，對Δφ(t)進(jìn)行逐幀差分，Δφ′(t)=Δφ(t+T)-Δφ(t)，其中T為脈沖重復(fù)頻率，t為脈沖內(nèi)時間t∈[0+nT,tp+nT]，tp為脈沖寬帶。

3)再對Δφ′(t)進(jìn)行逐幀差分，Δφ″(t)=Δφ′(t+T)-Δφ′(t)，最后再對Δφ″(t)進(jìn)行逐幀差分，Δφ?(t)=Δφ″(t+T)-Δφ″(t)，可以得到c′=Δφ?(t)/(12πT3)。

5) 最終反演出信號多普勒頻率fd=(a′+b′t+c′t2)。

4.2 試驗結(jié)果分析

基于以上相位提取方法，選擇某次試驗記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先選擇相對時90 s開始的一段數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)包括兩路中頻信號：線性調(diào)頻反射信號和單載頻應(yīng)答信號。通過迭代精確得到了彈體回波多普勒頻率模型，最終經(jīng)過平動補(bǔ)償?shù)南辔蛔兓€為圖4所示，所得到的相位變化曲線直接對應(yīng)的是彈體的微動特征。

再提取相對時133 s開始的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，通過遙測指令信息得到二、三級分離時刻。提取反射信號和應(yīng)答信號的相位信息，觀察分離時刻的相位變化。相位變化如圖5所示。

a) 反射信號 b) 應(yīng)答信號圖4　多普勒補(bǔ)償后回波信號相位

a) 反射信號 b) 應(yīng)答信號圖5　回波信號相位一階差分曲線

從反射信號和應(yīng)答信號相位一階差分變化曲線可以得到彈體二、三級分離的時刻點(diǎn)，應(yīng)答信號得到的分離時刻更接近理論時間。另外從相位一階差分曲線(等效于速度變化)可以看到在彈體分離前，彈體的加速度趨近于零，分離后三級發(fā)動機(jī)開機(jī)，彈體重新開始加速，加速度不斷增加。從反射信號可以發(fā)現(xiàn)，彈體分離后相位劇烈波動，這主要是由于彈體和二級殘骸在波門內(nèi)沒有分開，回波信號相位為混合目標(biāo)的相位，疊加后雜亂沒有規(guī)律，2 s后彈體和二級殘骸分開，彈體回波相位開始穩(wěn)定。相位信息可以反演出彈體的微小特征，變化尺度為雷達(dá)波長量級。通過解算速度模糊值，利用相位測距結(jié)合游標(biāo)測距方法[9]可以實(shí)現(xiàn)低重頻雷達(dá)的高精度測速和測距，大大地拓展了雷達(dá)記錄設(shè)備的功能和應(yīng)用領(lǐng)域。

5結(jié) 束 語

為靶場跟蹤雷達(dá)配置檢前記錄設(shè)備并進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理可以得到豐富的幅度和相位信息，有效提高了脈沖雷達(dá)測量精度并具備了目標(biāo)特性測量能力。提出一種基于通用計算平臺的記錄設(shè)備設(shè)計方案，并利用該記錄設(shè)備進(jìn)行了靶場雷達(dá)中頻數(shù)據(jù)記錄和事后高精度幅度和相位提取試驗。通過試驗結(jié)果可知，幅度信息對應(yīng)于目標(biāo)運(yùn)動過程中的RCS(Radar Cross-section)變化規(guī)律，反映了目標(biāo)運(yùn)動特性，對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行距離-時間-幅度分析可以觀測分離目標(biāo)的相對運(yùn)動狀態(tài)，清晰分辨級間分離、艙體分離以及彈頭分離過程等特征事件。對記錄數(shù)據(jù)中包含的相位信息進(jìn)行提取，可以得到更為精細(xì)的目標(biāo)特征信息和特征事件，如果進(jìn)一步采用相位測距方法可以實(shí)現(xiàn)高精度相位距離和速度值測量。

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(編輯：李江濤)

Study on Intermediate Frequency Signal Recording of Pulse Radar and Post-processing

SHI Xueshu，LI Guixin，WU Tao

(Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractTo make full use of existing radar for measurement of target characteristics in the test range and exploit this potential, the article proposes a solution of combining predetection recording of intermediate frequency signal of pulse radar with high-precision post-processing. First of all, aiming at the echo signal characteristics of pulse radar, the article gives a high-speed, large-volume intermediate frequency signal acquisition and recording method; secondly, the article discusses the method of extracting the reflection characteristics of target from recording data of existing pulse radar; at last, based on the recording data, the article analyzes the method of extracting high-precision phase information and gives results of phase information extraction. Through analysis on radar test data, the paper concludes that this method is able to strengthen performance of existing radars and retrieve the motion characteristics of targets and thus support the judgment on flight test at range.

Keywordspulse radar; radar data recording; radar target characteristic; ranging by phases

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.022

文章編號2095-3828(2016)02-0102-05

中圖分類號TN957

作者簡介史學(xué)書(1980-),男，講師，博士，主要研究方向為飛行器測量與控制。

基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目(61271265)

收稿日期2015-07-09