一种ESM系统信号处理的设计方法

管振辉

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

电子支援措施（ESM）的战斗使命决定了其技术要求，这就需要在有限的设备空间内具有最强的实时计算能力。实时计算能力要求决定于电磁环境的密度和复杂算法程序。一个ESM信号处理机的处理速度一般是由4个主要因素决定的：所截获到的有源辐射体的数量，接收到雷达脉冲的密度，每个信号的复杂性和所需处理信号模型的复杂度。

ESM信号处理机响应时间实时大约是数百毫秒量级，如果再长，则完成不了电子支援措施的任务。由于处理速率和反应时间的要求，需要采用并行处理的专用信号处理硬件。ESM信号处理机用于实时分析进入系统的每一个脉冲，对输入信号进行比较、分类、分析和识别。当组合一个短的数据流水线通过处理机时，处理机则完成对信号的跟踪。

由于半导体技术的发展，使现场可编程门阵列（FPGA）和中央处理器（CPU）的性能大幅度提升，采用FPGA和CPU结构的ESM信号处理成为提升信号处理性能的保障，使用FPGA完成快速的预处理部分和CPU完成复杂算法的主处理部分的架构成为ESM信号处理机的典范。

1 ESM信号处理机的工作原理

ESM信号处理机的组成框图如图1所示，分为信号预处理和信号主处理两部分［1］，两者之间的脉冲数据传输靠脉冲跟踪表来实现。

信号预处理的主要任务是解决高速数据率的脉冲分离问题，由于要求的速度快、算法相对简单，一般采用硬件逻辑电路来实现，这里采用FPGA实现。信号主处理的主要任务是解决复杂信号分选、参数估计、信号跟踪及预处理参数装订问题，由于要求的算法复杂，一般采用CPU实现。

图1 ESM信号处理机的组成框图

雷达信号跟踪处理汇集前端处理的结果，跟踪雷达信号的状态，给出雷达目标的发现、消失及工作方式变化规律，并将其跟踪结果送往后端；同时接收系统控制命令，更新已知信号数据库和雷达信号知识库。

2 信号预处理

2.1 已知信号预分选

已知信号预处理组成如图2所示。由已知雷达数据库装订m路已知雷达信号滤波器，输入的送入m路已知雷达信号滤波器，各路输出匹配标志，经脉冲重组后，将匹配送入脉冲跟踪表对应的区域进行存储，剩余脉冲输出到未知雷达信号预分选进行处理。

其中，一路已知雷达信号处理由多路抽头延时线、匹配电路和判决电路组成。多路抽头延时线，依据为已知雷达数据库装订的重复间隔PRIn，对一般信号而言，n＝16即可满足要求。当雷达脉冲进入多路抽头延时线进行n级时延，匹配电路对n个时延抽头数据进行匹配处理，在PRI满足条件下，同时进行到达方向（DOA）、射频（RF）、脉宽（PW）的模糊对比，符合条件的给出判决标志，判决电路依据各路的判决标志进行脉冲丢失及相邻脉冲判断，当存在符合准则的连续脉冲序列，并且丢失脉冲数小于40%时，则认定为该路已知信号匹配成功，并将脉冲描述字（PDW）进行匹配标记。

图2 已知信号处理的组成框图

2.2 未知信号预分选

未知信号预分选过程，是根据一般性雷达信号特征的先验知识和雷达侦察设备的接收特性加以判断，常见的算法有小盒法、聚类法、神经网络法等。相比而言，小盒法速度最快，适合ESM信号处理，其组成如图3所示。

图3 未知信号处理的组成框图

未知信号预分选从原则上来说，是将所有的PDW进行比较从而归并同类项的过程，所以查找比较方法成为效率的关键，这里采取直接定址法。

高位地址：AddrH＝（DOA≫m1）⊕（RF≫m2）⊕（PW≫m3）。

低位地址：AddrL＝知识库空间。

高位地址每个参数的右移位数m定义为当该参数存在2m×L＞3×Δ时，取m最小值，其中L为该参数的最小分辨率，Δ为该参数的均方根误差。高位地址也就是系统的小盒数量。

低位地址定义了符合1部雷达所需的参量，即PDW范围、变化规律及标志，一般取8位地址较合适。低位地址也就是系统每个小盒的容量。

3 信号主处理

信号主处理主要包含PRI分选、参数估计、信号跟踪3个功能模块。PRI分选主要对未知雷达信号进行重频分选；参数估计是指对指定雷达脉冲数据流的参数进行统计分析，给出其特征描述字，信号跟踪将已知雷达信号处理和未知雷达信号处理的辐射源描述字（EDW）进行融合，并判断目标的状态及发现或消失的时机。

3.1 PRI分选

PRI分选主要对未知雷达信号支路进行重频分选，其分选流程如图4所示。CPU在脉冲跟踪表内获取一段连续的脉冲跟踪数据｛PDWi，k｝ni＝m，首先建立脉冲间隔（PPI）直方图，进行峰值搜索，顺序判别简单PRI、参差PRI、抖动PRI及多PRI的雷达信号，如果判断为某一类型的PRI信号，则将其相关的PDW提取出来送参数估计模块。

图4 PRI分选流程

3.2 参数估计

对由已知信号预分选送来PDW子流和由PRI分选送来的PDW子流分别进行参数估计。参数估计的主要目的是更好、更准确地描述雷达脉冲流的特征。对于ESM来说，凡是涉及被估计量的任务知识都是先验未知的，这就对参数估计提出了相对苛刻的要求，只能寻求不依赖于被估计量先验知识的参数估计方法。参数估计流程如图5所示。对于RF、PW、DOA、PRI的估计先采用一元线性回归运算，扣除飞值后，再取平均估计值，即，其中M为统计点数。PA值一般取扫描包络中脉冲幅度最大的多值点的平均幅度值。扫描周期则依据TOA、PA关系图形判断，一般取3个照射时间进行积累，依据断点值与PA的最大值，估算扫描周期。

3.3 雷达信号跟踪处理

图5 参数估计流程

参数估计输出的结果是描述辐射源的1组特征参数EDW，即每组特征参数代表1个待识别的观测样本。首先利用模糊隶属度来确定观测样本各个参数的相似度。其次在得到观测样本各个参数相似度之后，通过设定各个特征参数的权值，可以得到观测样本对已知辐射源数据库中样本的隶属度。再次由于信号在时间上的冗余性，必然有个积累的过程，即得到多个时刻上的观测样本，在Bayes信任结构下，对每一时刻观测样本的隶属度集合给出1个信任度，即获取1条证据。可以运用D－S证据理论组合规则对多个观测样本信任度（相似度函数）进行合成，重新分配，最后得到信任度较高的结果。雷达信号跟踪处理的工作流程如图6所示，按目标信号的EDW生成特性，给出发现时间、消失时间以及目标状态的变化规率。

图6 雷达信号跟踪处理流程

4 硬件组成

按ESM信号处理的组成、数据流程和处理方式设计硬件架构，其框图如图7所示。采用双CPU和双FPGA的对称结构，每个CPU接双数据速率（DDR）同步动态随机存储器（SDRAM），用于CPU程序运行；每个FPGA接静态随机存储器（SRAM）用于快速随机访问。使用串行RapidIO完成各处理器之间的高速数据交换；使用网络来完成CPU之间及对外命令交换；FPGA与CPU之间采用局部总线方式，提高对FPGA寄存器的访问速度；FPGA之间采用低压差分信号（LVDS）进行同步传输。

信号预处理部分采用FPGA实现，信号主处理部分采用CPU实现，其中2个FPGA分别用于信号预处理的已知雷达信号预分选和未知雷达信号预分选；SRAM用来映射脉冲跟踪表；一个CPU负责信号主处理的未知信号PRI分选、参数估计，另一个CPU负责已知信号的参数估计和雷达信号跟踪处理。

图7 硬件组成框图

5 结束语

本文将ESM信号处理分为信号主处理和信号预处理的两部分，信号预处理需要快速并行运算，因而可在FPGA内执行，信号主处理的算法复杂度较高，可以在CPU内完成。之后对ESM信号的处理架构进行了描述，文中以各个功能部分经典算法为依据，给出了逻辑流程和物理结构。在此架构上，还可以进行其它各种算法扩充，以满足不同性能需求的ESM信号处理。

［1］赵国庆.雷达对抗原理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1999.