脉冲雷达中频信号记录与事后处理研究

史学书，　李贵新，　吴　涛

(装备学院 光电装备系, 北京 101416)



脉冲雷达中频信号记录与事后处理研究

史学书，李贵新，吴涛

(装备学院 光电装备系, 北京 101416)

摘要为了在靶场试验中充分利用现有雷达进行目标特性测量并挖掘其测量潜力，提出一种脉冲雷达中频信号检前记录和事后高精度处理结合的方案。首先，针对靶场脉冲雷达回波特点，给出一种高速、大容量中频信号采集记录方法；然后，研究了从现有脉冲雷达记录数据中提取飞行目标幅度反射特性的方法；最后，基于记录数据分析了高精度相位信息提取方法并给出了相位信息提取结果。通过分析靶场雷达试验数据，证明该方案增强了现有雷达性能，可以反演目标运动特性进而为靶场飞行试验提供辅助判决。

关键词脉冲雷达；信号记录；目标特性；相位测距

随着运载火箭、战略导弹和新型飞行器性能的快速发展，在靶场试验中对跟踪雷达的作用距离、跟踪精度和目标特性测量能力等要求越来越高。为了满足靶场试验对飞行目标测量精度不断提高的需求，除了配置更多新型高增益宽带雷达外，如何对现有脉冲跟踪雷达进行升级改造，挖掘在用靶场雷达的潜力也是一条经济合算的路线。基于以上背景，同时参考国外发展经验，提出一种脉冲雷达中频检前记录加高精度事后处理的方案。该方案不需要对现有脉冲雷达进行复杂改造，只需要额外配置一台具备高速记录和高性能运算的计算机便可完成雷达性能提升任务，通过灵活的信号处理算法充分挖掘靶场试验记录数据中蕴含的幅度和相位信息量，提高脉冲雷达的测量精度和目标特性识别能力。

1雷达信号记录分析

目前，应用于雷达信号采集存储方面的设备非常丰富，国外有代表性的商业现货有美国NI公司系列采集设备[1]，其产品线在中、低速高精度采集领域具有优势，在雷达、通信等应用中的高速采集也可以找到对应的产品。在专业高速信号记录回放产品领域Signate公司和美国Conduant公司是业界代表性的基于磁盘存储与回放设备制造商[2]，其系列产品可以满足目前雷达测控系统高性能和大容量存储的要求，持续数据率超过1TB/s。国内很多公司、高校和研究厂所也研制了一些比较成熟的雷达信号记录系统[3]。现有的商业现货产品通用性比较好，但其接口时序和信号控制机制与现有靶场脉冲雷达不匹配，直接应用于靶场信号采集会导致记录信息不完全，降低了其事后数据处理和提取目标特性的能力。例如在靶场脉冲雷达记录应用中有2个比较典型的需求[4]：记录设备采集时序需要根据回波和波门关系，具备适应距离模糊和避盲特性的能力；在记录中频回波信号的同时，还需要逐帧插入各种低码速率雷达系统工作参数如距离值、PRF(Pulse Recurrence Frequency)参数、IRIG-B时间码、AGC(Automatic Gain Control)增益等。另外为了方便事后数据分析，需要记录设备具备直接访问数据能力，并利用多线程技术、GPU处理技术、并行处理技术提高系统处理的实时性需求。

根据以上现状分析，利用成熟的货价式产品，构建了一套适用于靶场脉冲雷达检前信号记录和事后处理平台。该平台已经配置于靶场试验任务中，通过多次任务检验，完成了幅度和相位信息提取和测量试验，验证了检前记录加事后高精度处理这条技术路线的可行性，在未来靶场试验中具有推广价值。

2脉冲雷达中频信号记录方案

记录平台设计基于数字化处理和存储技术实现中频回波信号的高速采集、同步脉冲时间间隔测量、同步脉冲与波门脉冲时间间隔测量、波门脉冲前沿IRIG-B码绝对时解算，以及上述数据和AGC控制电压的组帧，并对组帧后的高速数据流进行大容量实时记录存储和事后软件回放及高精度事后分析。

2.1信号记录与处理平台结构

记录与事后数据处理平台以一台4U标准上架机箱式高性能服务器为主体。机箱内部安装一块服务器主板、双Intel处理器、32G内存、PCI-E高速信号采集板、800GB固态硬盘阵列板。为进一步增强事后数据处理的并行计算能力，在通用服务器中安装了一块NVIDIA GPU(通用图像处理器)。脉冲雷达记录平台结构如图1所示。

图1　脉冲雷达记录平台硬件结构

回波帧数据通过PCI-E总线以DMA(Direct Memory Asset)的方式送入计算机系统内存，在系统控制软件的统一控制下，写入磁盘阵列。平台服务器选用Windows操作系统，具有完善的操作、控制、自检和状态监测功能，记录数据具有准确的时间标记，能方便地进行数据传输、处理和交换。

2.2记录数据帧格式设计

根据雷达探测目标位置的不同，靶场脉冲雷达工作于3种不同的工作状态[5]：正常触发、“解距离模糊”和“避盲”状态。当雷达处于正常触发状态时，雷达发射的主脉冲周期是固定的，但当雷达“解距离模糊”和“避盲”时，雷达发射的主脉冲周期是不断改变的，这就导致所有雷达信号在时间位置上的关系也不断改变。所以在设计编帧方式的时候，需要综合考虑各种回波信号组合方式，选择一种合理的帧数据方式。针对靶场脉冲雷达发射信号和回波信号特点，系统采用了灵活的编帧技术来存储和传输数据。每个导前波门脉冲触发一次数据编帧，每帧数据由帧头和采样数据组成，如果在一个雷达周期中有2个回波，则记录为2帧数据。帧头数据主要包括帧头标识、帧号、距离值、采样波门间隔、主脉冲和导前波门脉冲的时延信息、连续2个发射脉冲的时延信息、中频采样数据、IRIG-B码解调信息、雷达接收机AGC增益、PRF标志位等。

2.3高精度事后处理模式

为了提高事后数据处理实时性，硬件处理平台采用了CPU + GPU的异构并行处理方式来实现测控信号的事后软件处理[6]。CPU执行单元在事后处理中用于复杂逻辑控制和分支预测。GPU提供了大量执行单元来运行更多相对简单的线程，能够实现很强的计算能力和很高的存储器带宽，在事后处理中用于大块数据处理，如滤波和快速傅里叶变换。在传统硬件处理机中，原始信号的生命周期呈现瞬时性特点，进入接收机的缓存信号在处理完毕得到结果后该信号就被丢弃了，与此不同，事后处理模式中由于数据记录于磁盘中方便读取，通过对信号进行反复迭代可以提高信号处理性能，更多的挖掘隐匿于雷达信号中的信息量。

3目标幅度信息提取

目前，靶场跟踪测量雷达只具备测角和测距功能，试验中获取的测量信息不具备目标特性测量要求[7]。利用雷达中频信号记录系统可以有效提取回波信号幅度变化信息，有助于在导弹助推段进行事件分析和低分辨运动状态识别。下面给出目标幅度信息提取方法和处理结果。

3.1幅度信息提取

在提取信息前首先进行帧头检测，系统以帧号是否连续来测试数据传输与存储的正确性，同时检验每帧数据的距离采样点。在助推段，大部分时间波门内只有一个脉冲回波，当特征事件发生后每一帧数据中有多个脉冲目标，包括弹体、推进体和残骸等。根据某型脉冲雷达特性，记录文件回波采样数据为线性调频脉冲信号，脉冲压缩和滤波处理由GPU完成。提取出每一帧中对应目标脉冲回波信号的包络平均峰值，并读取帧头记录的内AGC和雷达接收机AGC值，计算出原始信号的幅度变化。

弹道目标沿轨道运动时,其姿态相对于雷达视线不断发生变化，从而可获得其幅度随视角变化的数据，其中的变化规律反映了目标的形体结构和物理特性。图2为某跟踪目标相对幅度信息提取结果。从图中可以发现分离过程中，弹体有姿态变化，反射信号有一段时间强烈波动，之后逐渐稳定。通过观察残骸回波幅度有近似周期的幅度峰值变化，而且残骸峰值幅度大于弹体。

图2　目标的相对幅度变化曲线

3.2幅度信息可视化

我说：“好吧！我让你依靠！”我的话刚说完，你就猛地扑进我怀里，痛哭起来，哭得那么凄凉，哭得那么伤悲，就像一只受伤的小鸟在无助地啼鸣！

利用记录数据提取的幅度信息可以绘制特征时刻分离特性，下面利用平台记录的靶场数据，给出脉冲压缩后级间分离过程中的距离-时间-幅度变化曲线，如图3所示。

通过对记录数据可视化处理，原本功能单一的跟踪测量雷达具备了目标特性观测和分析能力。通过分析幅度信息可以观测到助推器残骸翻滚引起回波幅度剧烈起伏，而弹体采用姿控技术回波幅度变化平稳，通过幅度序列的起伏特性可以判别分离后的弹体和助推器残骸。同时，利用距离-时间-幅度变化曲线可以观测分离目标的相对运动状态，可以清晰地分辨级间分离、舱体分离以及弹头分离过程等特征事件。

a) 级间分离过程b) 末级助推器残骸以及火箭分离后产生的碎片图3　回波信号距离-时间-幅度变化曲线

4目标相位信息提取

目前在靶场试验中大部分脉冲跟踪雷达是低重频体制，雷达存在严重的速度模糊，一般不提供测速功能[8]。利用雷达记录和事后处理平台，通过解算相位信息可以得到高精度的速度测量值，以及其他运动特性(包括距离、加速度、自旋速度等)。记录系统直接对检前中频信号进行采集记录，数据中包含有丰富的相参相位信息量，可以提取到的目标信息主要包括：载波相位、多普勒、多普勒变化率，其中多普勒对应于目标的径向速度、载波相位直接反映了目标的距离变化。

4.1相位信息提取方法

直接利用相位信息存在严重模糊，而距离、速度和加速度属于宏观运动，通过有效的目标平动补偿可以克服相位模糊影响，得到目标微动特性，同时反演出目标宏观运动参数。下面给出导弹在加速段，雷达信号的相位变化模型

(1)

式中,b为加速度引起的多普勒变化；c为加速度变化(加加速度)。事后处理下变频参考信号为

相位参数估计方法描述如下：

1) 首先利用粗略估计的速度、加速度和加加速度参数a′、b′、c′，进行下变频处理得到Δφ。

(2)

2) 根据脉冲间相位相参特性，对Δφ(t)进行逐帧差分，Δφ′(t)=Δφ(t+T)-Δφ(t)，其中T为脉冲重复频率，t为脉冲内时间t∈[0+nT,tp+nT]，tp为脉冲宽带。

3)再对Δφ′(t)进行逐帧差分，Δφ″(t)=Δφ′(t+T)-Δφ′(t)，最后再对Δφ″(t)进行逐帧差分，Δφ‴(t)=Δφ″(t+T)-Δφ″(t)，可以得到c′=Δφ‴(t)/(12πT3)。

5) 最终反演出信号多普勒频率fd=(a′+b′t+c′t2)。

4.2 试验结果分析

基于以上相位提取方法，选择某次试验记录数据进行分析。首先选择相对时90 s开始的一段数据，记录数据包括两路中频信号：线性调频反射信号和单载频应答信号。通过迭代精确得到了弹体回波多普勒频率模型，最终经过平动补偿的相位变化曲线为图4所示，所得到的相位变化曲线直接对应的是弹体的微动特征。

再提取相对时133 s开始的雷达回波数据，通过遥测指令信息得到二、三级分离时刻。提取反射信号和应答信号的相位信息，观察分离时刻的相位变化。相位变化如图5所示。

a) 反射信号 b) 应答信号图4　多普勒补偿后回波信号相位

a) 反射信号 b) 应答信号图5　回波信号相位一阶差分曲线

从反射信号和应答信号相位一阶差分变化曲线可以得到弹体二、三级分离的时刻点，应答信号得到的分离时刻更接近理论时间。另外从相位一阶差分曲线(等效于速度变化)可以看到在弹体分离前，弹体的加速度趋近于零，分离后三级发动机开机，弹体重新开始加速，加速度不断增加。从反射信号可以发现，弹体分离后相位剧烈波动，这主要是由于弹体和二级残骸在波门内没有分开，回波信号相位为混合目标的相位，叠加后杂乱没有规律，2 s后弹体和二级残骸分开，弹体回波相位开始稳定。相位信息可以反演出弹体的微小特征，变化尺度为雷达波长量级。通过解算速度模糊值，利用相位测距结合游标测距方法[9]可以实现低重频雷达的高精度测速和测距，大大地拓展了雷达记录设备的功能和应用领域。

5结 束 语

为靶场跟踪雷达配置检前记录设备并进行后期数据处理可以得到丰富的幅度和相位信息，有效提高了脉冲雷达测量精度并具备了目标特性测量能力。提出一种基于通用计算平台的记录设备设计方案，并利用该记录设备进行了靶场雷达中频数据记录和事后高精度幅度和相位提取试验。通过试验结果可知，幅度信息对应于目标运动过程中的RCS(Radar Cross-section)变化规律，反映了目标运动特性，对记录数据进行距离-时间-幅度分析可以观测分离目标的相对运动状态，清晰分辨级间分离、舱体分离以及弹头分离过程等特征事件。对记录数据中包含的相位信息进行提取，可以得到更为精细的目标特征信息和特征事件，如果进一步采用相位测距方法可以实现高精度相位距离和速度值测量。

参考文献(References)

[1]齐晓辉,金涛,林茂六，等.基于虚拟仪器的雷达回波数据记录仪[J].仪器仪表学报,2006，56(6):321-325.

[2]Conduant Corporation.The streamstor overview, architecture and partitions featrue[EB/OL].(2014-10-16)[2014-10-25].http://www.conduant.com/products/performance.html.

[3]祝依龙.脉冲雷达中频信号采集记录系统设计与实现[D].长沙:国防科学技术大学,2006:10-35.

[4]黄玉学,刘明波.脉冲式采集记录系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,2009，30(22):5261-5265.

[5]侯孝民,杨文革,欧宏武.脉冲雷达中频回放系统设计与实现[J].装备指挥技术学院学报,2010，21(1):78-81.

[6]曹成忠.基于GPU+CPU软件化雷达终端系统的设计与实现[D].武汉: 武汉理工大学,2014:6-16.

[7]陈大庆,钱丽,张永福.单脉冲雷达目标RCS特性测量技术研究[J].现代雷达,2008，30(12):28-31.

[8]吴涛,曲强,袁嗣杰，等.一种低重频脉冲雷达速度模糊解算的新方法[J].系统仿真学报,2009，20(增刊2):31-33.

[9]陆锦辉,刘一峰.游标测距在LFM全相参脉冲雷达中的应用[J].现代雷达，2006，28(7):59-61.

(编辑：李江涛)

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

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.022

文章编号2095-3828(2016)02-0102-05

中图分类号TN957

作者简介史学书(1980-),男，讲师，博士，主要研究方向为飞行器测量与控制。

基金项目国家自然科学基金资助项目(61271265)

收稿日期2015-07-09