基于FPGA的雷达脉冲信号分选预处理研究

2013-04-26刘俊起

舰船电子对抗 2013年1期

韦伟，万福，刘俊起

（海军指挥学院，南京 211800）

0 引言

在现代电子对抗中，雷达情报侦察所面临的环境日趋密集和复杂［1］，在这样复杂的信号环境中对雷达信号的分选识别显得更加繁杂和困难。现有的雷达侦察设备通常是根据前端送出的脉冲描述字，在后端对脉冲描述字进行分析和处理，依据相关的分选算法，实现对雷达脉冲信号的分选。

随着信号量的不断增大，后端的处理压力也不断增加，本文提出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）实现对脉冲描述字“预处理”的处理方式，通过对脉冲描述字进行存储分析，首先在接收机内部实现简单分选，使得后端接收到的描述字能够简单反映截获的雷达脉冲信号的关系，有效缓解后端信号分选的压力，简化分选算法。

1 雷达信号分选算法相关理论

雷达信号分选算法主要依据脉冲重复周期（PRI），PRI是信号分选与识别的一个重要参数［2］，决定了雷达的最大无模糊距离和最大无模糊径向速度［3］。

雷达信号的PRI参数是雷达信号参数中工作样式最多、参数范围最大、变化最快的［2］。图1分别示出了固定PRI、参差PRI、抖动PRI、参差抖动PRI、成组参差PRI、成组参差抖动PRI时到达脉冲序列的波形。

常用的信号分选方法是首先估计出雷达辐射源的PRI，根据这个估计值分选出每部雷达辐射源的脉冲序列，从而得到各雷达辐射源的参数集及转移特性。下面介绍2种最常见的分选算法：累积差值直方图（CDIF）算法和序列差值直方图（SDIF）算法。

1.1 CDIF算法［4］

CDIF首先通过累积各级差值直方图来估计原始脉冲序列中可能存在的PRI，然后以此PRI来进行序列搜索，包括直方图估计和序列搜索2个步骤。首先计算脉冲到达时间（TOA）差值，形成第1级差值直方图，然后从最小的脉冲间隔起，将第1级差值直方图中的每个间隔直方图值以及2倍间隔直方图值与门限τ比较。

图1 典型的雷达信号PRI特征

CDIF算法的检测门限为：

式中：τ为PRI的估计值；x可根据实际情况调节，一般取x＜1；tj为脉冲到达时间。

假如2个直方图值超过门限，则以该间隔作为PRI值进行序列搜索。如果搜索成功，将此PRI序列从采样脉冲序列中扣除，并且对剩余序列重新开始计算新的差值直方图，重复此过程直到没有足够的脉冲形成脉冲序列；如果搜索不成功，则以本级差值直方图的下一符合条件的脉冲间隔作为PRI进行搜索；假如本级差值直方图中没有符合条件的脉冲间隔值，则计算下一级差值直方图值。

1.2 SDIF算法［5］

SDIF算法针对CDIF算法存在的问题作了一些改进。首先，计算相邻2个脉冲的TOA之差，构成第1级差值直方图，计算门限，然后进行子谐波检测，若只有1个超过检测门限，则把该值当作可能的PRI进行序列搜索；当多个辐射源同时出现时，第1级差值直方图可能会有几个超过门限的PRI值，并且都不同于实际的PRI值，此时不进行序列搜索，而计算下一级的差值直方图，然后对可能的PRI进行序列搜索。若能成功分离出相应的序列，则从采样序列中扣除，并对剩余脉冲从第1级开始形成的差值直方图，在进行过子谐波检验后，如果不止一个峰值超过门限，则从超过门限的峰值所对应的最小脉冲间隔进行序列搜索，最后进行参差鉴别。SDIF算法不对不同级的差值直方图进行积累，而只检测当前级的差值直方图。

SDIF算法的检测门限为：

式中：x和K为由实验确定的常数，通常x＜1；N为总的脉冲个数；c为到达时间差直方图的阶数。

2 基于FPGA的分选预处理方法

实际上，上述2种分选方法虽然是普遍使用的，但其在信号分选上也存在许多的局限性和困难，单单计算一级差值直方图就需要不少的时间，而且一直到分选结束，差值直方图就需要不断重新计算。如果有办法能够在脉冲描述字送到后端之前就进行一些简单分选，将简单的同源脉冲信号从复杂的脉冲群中标记出来，抽取出来，使得原来的信号环境能够简化，那么后端的分选压力将成几何倍数递减，分选所占用的CPU等计算机资源将减少，分选算法的运算量也将更加简单，从而使得整个系统的信号处理性能进一步提高，整个侦察接收机系统的侦察能力也进一步得到加强。所以本文提出在硬件层首先对脉冲描述字进行处理。

由图2可知，本文使用的方式是让FPGA输出的脉冲描述字再次返回FPGA，使得FPGA对脉冲描述字进行简单的分选处理。本文的具体处理办法是在FPGA上开2个存储器，简称RAM1和RAM2，其功能是将脉冲描述字存储在其中，在存储RAM1时，处理RAM2上的数据（进行预分选）；当存储RAM2时，处理RAM1上的数据，对脉冲描述字的乒乓处理，保证脉冲不丢失，如图3所示。

图2 加入预分选的信号处理流程

图3 FPGA对脉冲描述字的乒乓处理

这里的预分选依据的是雷达脉冲宽度（PW）。虽然脉冲宽度在雷达分选中不可以作为主要分选依据，但可通过相邻2个脉冲的宽度来进行初步判别。对相邻2个PW进行相关度比较的具体方法，如果2个相邻脉宽差异较大，则认为两者不是同一个雷达辐射源或者认为其中一个脉冲测量发生误差。

此处只对3个或3个以下的同源信号进行分选，以作说明。首先在存储的脉冲描述字中，选定一个作为基准，与其后面相邻脉冲的脉宽作比较，若相差在20%以内的（可以选择其他衡量办法，这里暂用此种方法进行说明），认为是一致的，以下一个脉冲继续作为基准。若相差超过20%，与其后面一个继续比较，直到比对3次后，如果比对中没有分选出至少一对同源信号，选择下一个脉冲继续比对，依此类推。

通过此方法，如果比对的2个脉冲信号相似，则在其脉冲描述字上“打上标签”（图5和图6中“ENABLE”即为所打的标签号），即在脉冲描述字的保留位定义1个区间，作为比对的结果显示。设定1个时间段范围，比如用τ作为1个分选周期，在τ时间内，数据存储到RAM1中，RAM2中的数据必须及时处理完，以便在RAM1存完时继续存储数据。

图4 脉宽比对流程图

图5和图6显示的是3组规则脉冲和不规则脉冲的分选结果。由仿真可知，在实际设计中，预分选可以处理更多的维数（如果设计要求），同时所耗费的FPGA资源也会加大。当然，在实际的FPGA设计中，设计过程比较复杂，需要对整个脉冲描述字再进行处理，本文的仿真实例只是针对脉宽进行简单的示例说明。

3 结束语

在预分选完成后，后端的软件分选算法还需要对预分选出来的数据进行PRI校验，如果符合基于PRI的分选算法的特性，则之前的预分选是正确的，如果不符合，那么预分选不正确，需在后端继续按软件分选算法分选。当然，如果信号环境过于复杂，脉冲群中不同源信号过多，预分选也不能够从复杂的信号群中实现同源信号的简单分选。

本文提出的方法旨在对脉冲群进行一次性简化，比通常单纯的软件分选算法具有更高的效率，大约能够提高系统9%左右的处理时间。实用上能够对后端的分选减轻压力，对雷达侦察接收机实际设计有一定的帮助，具有现实意义。