一种机载雷达无源探测方式的设计

何锡君，郭 岩

(1.南京电子技术研究所， 南京210039)

(2.中国人民解放军驻沈阳飞机工业(集团)有限公司军事代表室， 沈阳110000)

0 引言

无源探测设备是一种在不发射电磁波信号前提下，被动接收对方雷达、通信等传感器(通常称为辐射源)主动发射的电磁波信号，通过测量接收到的电磁波信号的具体参数提取对方辐射源目标相关特征，获取对方辐射源目标位置和航迹等信息的被动探测系统，具有隐蔽性好、探测距离远、抗干扰能力强及在复杂电磁干扰环境下生存能力强等优点。美军APG-77、APG-81等机载火控雷达均具备无源探测能力。机载雷达进行无源探测时，可以利用其高增益的雷达天线，采用天线窄波束扫描、外辐射源信号接收及处理，探测目标辐射源的特征及位置。由于雷达天线的高增益特性，其探测距离通常超过有源探测距离。因此，机载雷达的无源探测方式可以作为其优先获取战场态势及瞬时变化的情报信息的有效补充和重要手段之一。

1 无源探测系统构成

机载雷达无源探测系统的主要组成部分包括天线、宽带、窄带接收通道及综合处理等，如图1所示。

图1 一种机载雷达无源探测方式的设计框图

由图1可知，机载雷达的无源探测方式的工作过程:

(1)雷达天线被动接收外部辐射的电磁波信号，经过天线和差网络形成和、方位差、俯仰差三路通道射频信号。其中，和通道射频信号功分后分别输出到宽带通道处理机和窄带通道处理机;和信号、方位、俯仰差射频信号输出到窄带通道处理机。和通道射频信号经宽带通道处理机中的宽带接收通道及采样、宽带信号数字信号化检测及参数测量处理后，得到外部外辐射源的基本信息。

(2)根据相关探测策略选取重点监测的辐射源信号，控制窄带处理通道处理机同时进行和、方位差、俯仰差三路射频信号的窄带接收及采样，完成窄带信号检测及参数测量。

(3)在通用综合处理机中完成对宽带通道处理机输出结果的信号分选处理，对信号分选结果与窄带通道处理机输出结果进行目标信息融合处理，对点迹信息进行点迹航迹等处理。

1.1 宽带信号检测及参数测量

机载雷达宽带信号检测可以通过采用数字信道化技术来实现。数字信道化接收机具有能够处理同时到达的多个信号，较高的截获概率、准确的参数测量能力和一定的信号分选、识别能力等优点，因而在宽带信号检测方面得到了较为广泛的应用。

本文首先采用一种基于离散傅里叶变换(DFT)和多相滤波的高效信道化结构，进行宽带输入目标信号的数字信道化接收;其次，分别对各子信道化输出的数据，进行信号检测判断，确定其中是否存在目标;然后，对检测到目标的信道再进行信号相关参数(如目标信号类型、载频CF、脉宽PW、脉幅PA及到达时间等)的测量等处理;最后，形成对应辐射源目标的脉冲描述字(PDW)，便于后续的信号分选处理。

针对图2中数字信道化接收的信号检测，较为常用的一些信号检测算法有时域能量检测法、时域自相关法及频域谱分析法。参数测量主要是对信号类型、CF、PW、PA、TOA等参数的测量。由于信道化接收机输出为复信号，可以通过各信道输出信号的实部和虚部计算得出瞬时幅度和瞬时相位，再采用常用的一阶相位差分法进行信号的瞬时测频。因此，CF的测量可以采用一种数字瞬时测频技术［1］。

图2 一种宽带信号检测及参数测量的设计框图

1.2 窄带信号检测及参数测量

为减少硬件设备量，雷达仅配置一个宽带通道，并依靠幅度比较法实现测向，其测角精度约1°～2°。在宽带通道处理得到外辐射源部分信息后，可以使用雷达自身的窄带通道及利用单脉冲测角法对辐射源进行角度测量以提高精度;并对重点外辐射源做进一步信息的提取或精确测量。通过对窄带通道数据的进一步处理，可以得到目标的信息包括辐射源频率、脉冲重复周期、脉宽、信号幅度、方位角、俯仰角、信噪比、脉冲到达时间和个数、到达时间数组等。因此，窄带通道处理主要包含以下三点:

(1)窄带和/方位差/俯仰差/等通道信号的下变频及采样;

(2)窄带通道中信号门限检测，主要包括时域检测(通常为检测通道时域信号的脉冲起始时间(相对于距离零点)，脉宽计算等);

(3)和差通道脉冲中心IQ数据抽取，主要用于后续单脉冲［2］测角误差及俯仰角误差的提取。

1.3 信号分选处理

信号分选是无源侦收系统中核心组成部分之一。目的是从侦察接收机接收到的随机交错的密集脉冲流中，根据解析出来的相关参数信息，分选出不同辐射源的信号特征信息，并通过与相关辐射源特征库的对比分析，综合确定所分选出辐射源对应的用途，所在平台类型，从而进一步给出目标所配置的武器系统及威胁等级，为警戒干扰系统提供识别高威胁信号的特征参数或为相关战略情报分析提供有利的依据。

信号分选主要是利用到达角(AOA)、载频(CF)、脉宽(PW)、到达时间(TOA)、脉冲幅度(PA)等参数构成的脉冲描述字(PDW)进行辐射源信号的分选处理。脉冲到达时间(TOA)是对方辐射信号脉冲到达侦收系统的时间，不能反映对方信号的特征，实际分选过程中采用相邻脉冲到达的时间差(DTOA)参数进行。一般侦收到的脉冲流密度非常大，可先利用AOA、CF、PW 等特征参数聚类进行预分选;再对DTOA参数采用自相关的主分选方法开展进一步的分选处理;最后，通过综合判断及对比等处理分析，给出不同辐射源目标的识别及威胁等级判别情况。针对目前各种平台上相关常用传感器类型，应用较多的信号主分选算法主要有序列差值直方图法、改进的累积差值直方图法、传统的TOA差值直方图［3-4］。图3给出了一种信号分选处理过程的设计框图，主分选算法拟采用一种改进的基于DTOA统计的信号分选算法［5］。

图3 一种信号分选处理的设计框图

1.4 目标信息融合处理

目标信息融合处理是进行窄带处理结果和信号分选结果的数据融合处理，主要包括以下四点:

(1)对窄带处理上报的各通道窄带数据与信号分选输出的宽带数据进行数据融合，包括完成脉冲匹配，频率融合。

(2)通道校正，根据融合后无源目标的频率对和差通道窄带数据进行通道校正处理。

(3)方位差、俯仰差提取。

(4)数据输出，根据单脉冲测角结果完善信号分选得到的脉冲描述字输出。

1.5 点迹航迹处理

点迹航迹处理过程主要包括帧内的合批处理和帧间的聚类相关处理，目的是为了合并探测空域中的相同目标，提高目标的角度和频率测量准确度，避免出现目标分裂并形成目标航迹。点迹航迹处理流程如图4所示。

图4 点迹航迹处理设计框图

2 硬件实现设计

本文无源探测方式数字处理的硬件实现，采用目前流行且先进的基于VPX总线的大规模FPGA阵列通用处理板，多PowerPC处理器通用处理板，支持RapidIO［6］高速串口通信技术的VPX总线背板等硬件组成的处理架构，其硬件实现设计框图如图5所示。

图5 基于FPGA+多PowerPC处理器架构的硬件实现

无源探测的数字处理主要包括宽带采样信号的抽取、多相滤波、DFT、信号检测、参数测量及信号分选;窄带信号的检测、参数测量;数据融合、点迹航迹处理等。根据现场可编程门阵列(FPGA)芯片擅长高度并行化的数据流处理、PowerPC擅长复杂逻辑性的串行或事务处理等特点，简单划分了在FPGA及PowerPC中需要实现的部分。

2.1 基于FPGA的硬件实现

FPGA是一种设计灵活方便、可以通过重复调整内部逻辑设计用以实现不同处理算法或逻辑控制电路的现场可编程器件;根据FPGA芯片并行结构及开发使用的特点，通常在处理算法实现方面被用于算法结构比较简单、速度要求较高的算法实时实现。这是由其自身的结构及所具备大量的乘法器、存储器、硬运算单元及逻辑单元等资源所决定的。与数字信号处理(DSP)处理器相比，FPGA芯片最大的优势在于其并行处理的实现架构，这使得其特别适合用于实现像滤波这样重复性程度较高的实时数字信号处理任务。在高度并行、基于数据流的数字信号处理任务的实时实现方面，基于FPGA的实现其性能远超过基于DSP处理器的软件串行实现架构。因此，FPGA已成为一种重要的数字信号处理工具。在此采用FPGA进行抽取模块、多相滤波、DFT、宽带信号检测与参数测量、窄带信号检测及参数测量等模块的设计实现。

1)抽取模块

高速抽取模块的本质是串并转换，在此采用先进先出(FIFO)存储器来实现串并转换;该方案可以利用FPGA内部的相关块RAM资源实现，可以巧妙地解决异步时钟域和多路问题，且节省逻辑资源，时序稳定。

2)多相滤波组模块

多相滤波器模块是图5中抽取D模块之后的处理模块，是经过等效变换(抽取滤波先滤波、再抽取的处理过程等效为先抽取再滤波的过程)从抽取滤波转换而来，大大降低了计算量。为FPGA实时处理的实现提供了高效的结构，对时序要求大大降低。在FPGA硬件中可以使用有限冲激响应(FIR)滤波器知识产权(IP)核实现各子滤波器。

3)DFT运算模块

快速傅里叶变换(FFT)算法是计算离散傅里叶变换(DFT)的一种高效算法，是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对DFT算法进行改进获得的。FFT算法常用的实现架构是基于多相滤波组模块算法的实现:将N点的数据序列通过逐次分解为(N-1)/2点，最终分解为基于两点架构的DFT进行计算。FFT算法可以去掉DFT算法中大量的重复运算部分。针对FFT算法在工程实践中的应用，为了便于FFT算法在FPGA中的实现，各大FPGA生产商(Xilinx公司、Altera公司等)都推出了具有相关功能的IP(知识产权)模块库。例如由Xilinx公司研发的针对其FPGA的FFT实现模块(FFT V5.0 IP核)，可以为用户提供FFT算法的多种可选的相关计算参数、结构、数据输入输出流的顺序方式，便于根据用户的需求快速容易地实现FFT算法，本文DFT运算模块的实现可以采用已有的FFT IP核模块进行硬件实现。

4)窄带、宽带信号检测模块与参数测量

较为常用的信号检测算法有时域能量检测法、时域自相关法及频域谱分析法。其中时域能量检测法运算量小，便于硬件实现，且可以满足系统设计的一般精度要求。本文使用FPGA实现宽、窄带信号检测时均采用此方法，主要过程为在时域上对其中相关信道输出的连续N点数据进行能量累加，然后与预先设定的门限进行比较判定。如果累加值大于门限则认为该信道中存在信号，并进一步测量对应脉冲信号的信号类型，测量CF、PW、PA、TOA等参数。在FPGA硬件实现中可采取时域滑窗处理的方法，并行检测处理所有信道中接收到的信号。

2.2 基于多PowerPC的软件实现

采用精简指令集(RISC)架构的PowerPC处理器，因其架构具有可伸缩性好、方便灵活，具有较低的能量损耗以及较低的散热量，在嵌入式领域具有非常好的表现。VxWorks是一种基于优先级抢占式机制的多任务实时操作系统，同时支持同优先级任务的分时间片调度;它能通过任务间的同步机制(进程间通信机制、中断处理、定时器和内存管理机制)，较好地管理各种独立任务的执行，使得每个任务能及时响应并及时处理外部事件。因此，良好的可靠性和卓越的实时性使其被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，可以为完成整个系统的实时信号处理提供很好的系统软件支持。

针对各种嵌入式系统中的实时信号、数据处理方面，基于PowerPC和VxWorks的嵌入式板卡以其高性能、低功耗、高稳定性、高实时性的特点，已成为了近年来嵌入式系统硬件及软件实现架构研究的热点之一，且越来越多的相应板卡出现在各种嵌入式产品中，其中包括军工产品、航空航天设备等。其中，应用较多的PowerPC处理器主要是Freescale公司的7448、8160D、8641D等［7］系列处理器;其特点是该处理器采用了内置AltiVec模块(提供了支持SIMD结构的矢量浮点运算硬件加速单元)的e600内核，具有很高的运算性能。

本文采用一种基于4块8640D处理器的VPX通用处理板卡(货架产品)，在VxWorks实时操作系统的基础上，利用8640D多处理器协同完成逻辑性较复杂的信号分选处理、单脉冲测角、数据融合、点迹航迹等模块的实时处理任务，实现示意框图如图6所示。该板卡集成了4片1 GHz双核8640D处理器，总运算能力可达64GFLOPS，支持8GB DDR2存储器，FFT运算的实测性能约为信号处理专用处理芯片ADS-TS201的1.5倍。

图6 基于多PowerPC处理器的实现部分

3 系统验证

使用本文设计的机载无源探测系统，在远场条件下，可按照图7所示测试验证以下内容:

(1)系统可以分选脉冲波、连续波等信号形式，并输出辐射源的频率、幅度、到达时间等特征参数;

(2)系统可以使用宽带接收机发现信号源喇叭的角度位置;

(3)通过引导雷达窄带接收机，可以实现对远场信号源喇叭的角度定位及跟踪处理，通过分选可以得到辐射源的重复周期、脉冲宽度等参数;

(4)系统可以在较高的灵敏度下工作，实现对小信号辐射源的探测。

图7 系统远场验证

4 结束语

机载平台上的主要传感器雷达和电子支援措施(ESM)各自具有各的优势，在新的战争形势下，机载雷达面临着“四抗”的威胁，雷达的探测性能了很大的制约，光靠雷达的常规功能已很难满足现代空战的需要。本文通过在机载雷达常规具备的和差窄带接收及处理通道的基础上，增加一个能够处理对应雷达工作频段的宽带接收及处理通道，结合宽窄通道各自接收及处理的特点，给出了机载雷达一种无源探测方式的设计;希望能为扩展雷达相关工作方式的设计与实现方面的研究供一定参考作用。

［1］ 王亚森，鲍庆龙，曹务绅，等.数字信道化IFM接收技术研究［J］. 雷达科学与技术，2012，10(5):539-543.Wang Yasen，Bao Qinglong，Cao Wushen，et al.Rearch on a digital channelized IFM receiver［J］.Radar Science and Technology，2012，10(5):539-543.

［2］ 丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理［M］.4版.北京:电子工业出版社，2009.Ding Lufei，Geng Fulu，Chen Jianchun.The principles of radar［M］.4th ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［3］ 王海滨，马 琦.一种基于PRI变换的雷达信号分选方法［J］.现代电子技术，2013，36(1):28-31.Wang Haibin，Ma Qi.Method of deintetleaving radar signal based on PRI transform algorithm［J］.Modern Electronics Techique，2013，36(1):28-31.

［4］ 李合生，韩 宇，蔡英武，等.雷达信号分选关键技术研究综述［J］.系统工程与电子技术，2005，27(12):2035-2040.Li Hesheng，Han Yu，Cai Yingwu，et al.Overview of the crucial technology research for radar signal sorting［J］.Systems Engineering and Electronics，2005，27(12):2035-2040.

［5］ 黄桂根，傅有光，武月婷.一种改进的基于DTOA统计的信号分选算法［J］.数据采集与处理，2011，26(4):430-435.Huang Guigen，Fu Youguang，Wu Yueting.Improved radar signal deinterleaving algorithm based on DTOA histogram［J］.Journal of Data Acquisition ＆ Processing，2011，26(4):430-435.

［6］ 翟彦彬，蒋志焱，张保宁.大规模RapidIO协议交换的FPGA 实现［J］. 现代雷达，2011，33(12):33-35.Zhai Yanbin，Jiang Zhiyan，Zhang Baoning.An implementation of large scale rapidIO switch on FPGA［J］.Modern Radar，2011，33(12):33-35.

［7］ 史鸿声.雷达信息处理系统现状及发展趋势［J］.雷达与对抗，2011，31(3):14-17.Shi Hongsheng.The status quo and development trend of radar information processing system［J］.Radar＆ ECM，2011，31(3):14-17.