劉 揚(yáng)， 王鳳杰， 陸長(zhǎng)平， 劉錫民

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室，上海201109;2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海201109)

0 引言

目前用于防空武器平臺(tái)的激光引信無(wú)法有效識(shí)別探測(cè)過(guò)程中遭遇的云、霧、雨等自然環(huán)境，極易受到干擾而產(chǎn)生虛警[1-2]。針對(duì)這一難題，研究人員提出了多種技術(shù)解決方案。何成林研究了超窄脈沖激光探測(cè)技術(shù)，通過(guò)降低環(huán)境回波強(qiáng)度來(lái)消弱自然環(huán)境對(duì)激光引信的干擾[3]。張好軍、謝紹禹等提出了雙色激光探測(cè)技術(shù)，利用自然環(huán)境干擾回波在不同光學(xué)頻段的差異性進(jìn)行環(huán)境干擾的識(shí)別[4-5]。孟祥盛、劉健等提出了偏振激光探測(cè)技術(shù)，利用自然環(huán)境干擾回波與硬目標(biāo)回波的偏振特性差異，識(shí)別并排除自然環(huán)境干擾[6-7]。付春提出了激光與無(wú)線電復(fù)合探測(cè)技術(shù)，引入無(wú)線電探測(cè)體制來(lái)提高引信的抗干擾能力[8]。Zhang W.、李新斌等利用目標(biāo)回波與自然環(huán)境干擾回波的波形特征差異，設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)處理算法來(lái)消除自然環(huán)境的干擾[9-10]。劉錫民提出了相干激光探測(cè)技術(shù)，利用多普勒效應(yīng)獲取速度信息，對(duì)高速目標(biāo)和自然環(huán)境進(jìn)行識(shí)別[11]。上述技術(shù)方案中，相干激光探測(cè)技術(shù)充分利用了空中目標(biāo)的高速特征，對(duì)目標(biāo)和自然環(huán)境干擾具備較高的識(shí)別率。但是，由于激光波長(zhǎng)短、空中目標(biāo)速度高等特性，導(dǎo)致相干激光引信接收到的激光多普勒回波信號(hào)具有頻率高、帶寬大的特點(diǎn)，如何高精度處理高頻大帶寬的回波信號(hào)成為了相干激光引信需要解決的難題。

因此，本文開(kāi)展大帶寬信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制工作，包括以FPGA 為控制器的信號(hào)處理硬件設(shè)計(jì)、基于掃頻定位和精準(zhǔn)降頻的信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的大帶寬信號(hào)處理性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 結(jié)構(gòu)與功能

信號(hào)處理系統(tǒng)主要包括FPGA、線性頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)、混頻器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital Converter，ADC)等，如圖1所示?；夭ㄐ盘?hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)后，首先在混頻器內(nèi)與DDS輸出信號(hào)進(jìn)行電混頻，改變信號(hào)頻率;然后通過(guò)低通濾波器濾除設(shè)定頻率之外的高頻信號(hào)，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);最后進(jìn)入FPGA 中進(jìn)行鑒頻處理，得到回波信號(hào)的頻率，并最終解算出目標(biāo)的速度、距離等信息。在信號(hào)處理系統(tǒng)工作過(guò)程中，DDS首先輸出線性掃頻信號(hào)，當(dāng)回波信號(hào)頻率能夠被搬移到設(shè)定頻段時(shí)，DDS 鎖定輸出頻率，此后一直輸出固定點(diǎn)頻信號(hào)。

圖1 信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

FPGA 是信號(hào)處理系統(tǒng)的控制器，一方面控制DDS、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等器件的工作狀態(tài)，另一方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行算法處理，解算信號(hào)頻率和目標(biāo)信息。根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘要求，本系統(tǒng)選用XC3SD3400A 型號(hào)FPGA。

DDS的作用是輸出特定頻率的正弦信號(hào)，作為本振信號(hào)對(duì)高頻回波信號(hào)進(jìn)行降頻，降低后端信號(hào)處理的難度。本系統(tǒng)采用Analog Device公司AD9915直接數(shù)字頻率合成器芯片，其內(nèi)部由DDS內(nèi)核、參數(shù)控制器、時(shí)鐘源、D/A 轉(zhuǎn)換器和I/O緩沖器組成，具有單頻模式、線性掃描模式、可編程模數(shù)模式等多種工作模式，最大輸出頻率1.2 GHz。AD9915芯片的線性掃描模式可任意設(shè)定掃頻上下限值、掃頻步長(zhǎng)、時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)，完全滿足本系統(tǒng)的性能要求。

混頻器的功能是將回波信號(hào)與DDS輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，得到兩者的差頻信號(hào)。根據(jù)多普勒回波信號(hào)的帶寬，本系統(tǒng)選用AD8343混頻器芯片。AD8343芯片的RF、LO 端口輸入頻率范圍和IF端口輸出頻率范圍均為(0～2.5)GHz，可滿足系統(tǒng)的使用要求。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將回波信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為后續(xù)信號(hào)數(shù)字化處理作準(zhǔn)備。綜合考慮轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù)，本系統(tǒng)采用AD公司的AD9268-80高精度A/D 轉(zhuǎn)換芯片。AD9268-80芯片為差分輸入、并行輸出，具有80 Msps采樣速率和16位轉(zhuǎn)換精度，基準(zhǔn)電壓線性可調(diào)，支持1.8 V CMOS或LVDS輸出。

信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)物圖

1.3 算法設(shè)計(jì)

信號(hào)處理算法流程如圖3所示：

a)信號(hào)處理系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA 控制DDS輸出線性掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào)在每個(gè)頻點(diǎn)的駐留時(shí)間容許系統(tǒng)完成一次信號(hào)處理過(guò)程;

b)FPGA 控制混頻器將輸入的回波信號(hào)與DDS輸出信號(hào)進(jìn)行混頻處理，得到差頻信號(hào);

c)FPGA 控制ADC對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字差頻信號(hào);

d)利用FFT 算法對(duì)數(shù)字差頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到差頻信號(hào)的頻譜分布;

e)提取頻譜分布中的峰值頻點(diǎn)，并判斷其是否在設(shè)定的頻段內(nèi);

f)若結(jié)果為否，說(shuō)明目前回波信號(hào)與DDS輸出信號(hào)的差頻頻率較大，超出了后端的處理帶寬，則DDS繼續(xù)輸出下個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)，并重復(fù)上述過(guò)程;

g)若結(jié)果為是，說(shuō)明DDS已經(jīng)定位到信號(hào)的大致頻率，根據(jù)峰值頻點(diǎn)和DDS 當(dāng)前輸出頻點(diǎn)，解算得到回波信號(hào)頻率，并進(jìn)一步解算出目標(biāo)的距離、速度等信息;

h)此后，DDS 輸出約等于回波信號(hào)頻率的固定點(diǎn)頻信號(hào)，將信號(hào)頻率精準(zhǔn)控制在后端可處理頻段內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)大帶寬信號(hào)的高精度處理。

圖3 信號(hào)處理算法流程圖

2 性能試驗(yàn)與分析

將信號(hào)處理系統(tǒng)裝配到相干激光近程探測(cè)系統(tǒng)中，分別試驗(yàn)分析其對(duì)低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)和高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)的處理性能，如圖4(a)所示。

2.1 低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理性能

選擇轉(zhuǎn)臺(tái)作為探測(cè)目標(biāo)。轉(zhuǎn)臺(tái)主要由電動(dòng)機(jī)、變頻器、飛輪、目標(biāo)反射體及安全防護(hù)罩等組成，飛輪安裝在電機(jī)上，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn);變頻器可控制電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié);目標(biāo)反射體安裝在飛輪邊緣，可產(chǎn)生較強(qiáng)的反射信號(hào)。轉(zhuǎn)臺(tái)如圖4(b)所示。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)分別以多種特定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，利用相干激光近程探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射激光照射轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣，并接收目標(biāo)反射體的多普勒激光回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光學(xué)混頻相干后送入信號(hào)處理系統(tǒng)中，在信號(hào)處理系統(tǒng)中解算出轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣的速度信息，并將測(cè)試結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)中顯示。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4(c)所示。

信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果如表1 和圖5 所示。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速分別為0.94，9.43，18.8，28.3，37.7，47.1 m/s時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)的測(cè)量誤差分別為0.04，0.03，0.2，0.6，0.7，0.5 m/s，最大測(cè)量誤差為0.7 m/s。試驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)速度(0～50)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的處理誤差小于1 m/s，具備較高的低速運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理精度。

表1 低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果表

圖5 低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果曲線

2.2 高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理性能

考慮到采用真實(shí)目標(biāo)開(kāi)展高速測(cè)量試驗(yàn)存在諸多困難，因此利用聲光移頻器模擬高速目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒回波信號(hào)。試驗(yàn)方案如圖6(a)所示：相干激光近程探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射的激光直接送入聲光移頻器，在聲光移頻器中進(jìn)行固定頻率的移頻，以模擬高速目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒頻移;移頻后的激光信號(hào)再送回相干激光近程探測(cè)系統(tǒng)，利用信號(hào)處理系統(tǒng)解算出移頻量所代表的速度信息。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6(b)所示。

表2與圖7為信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)不同移頻量回波信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。其中，實(shí)際速度根據(jù)式(1)計(jì)算得

式中：λ 為激光波長(zhǎng);f 為回波信號(hào)的移頻量。

圖6 高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)速試驗(yàn)方案與現(xiàn)場(chǎng)圖

表2 高速信號(hào)測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)模擬速度分別為106.4，212.8，372.4，478.8 和638.4 m/s時(shí)，信號(hào)處理系統(tǒng)的測(cè)量誤差分別為1.97%、1.27%、0.94%、0.84%和0.97%，最大測(cè)量誤差為1.97%。試驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)速度(100～600)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的處理誤差小于2%，具備較高的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理精度。

3 結(jié)論

圖7 高速運(yùn)動(dòng)信號(hào)測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果曲線

本文開(kāi)展了相干激光引信大帶寬信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制工作，研制了以FPGA 為控制器的信號(hào)處理硬件電路，設(shè)計(jì)了基于掃頻定位和精準(zhǔn)變頻的信號(hào)處理算法。該系統(tǒng)首先通過(guò)掃頻定位信號(hào)頻率，然后將信號(hào)變頻到后端可處理頻段，最后再進(jìn)行高精度處理。對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的大帶寬信號(hào)處理性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：系統(tǒng)對(duì)速度(0～50)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的處理誤差小于1 m/s，對(duì)速度(100～600)m/s目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的處理誤差小于2%，具備較高的大帶寬信號(hào)處理精度。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)相干激光引信具有較高的實(shí)用價(jià)值。