某型岸用雷达信号处理优化设计方法

0引言

作为一种全天候、全天时、远距离探测传感器,雷达在军事和民用等领域都具有重要的应用价值。而作为雷达的工作核心,信号处理器参与完成雷达探测的各个流程,其性能指标决定雷达装备是否先进,处理能力是否优秀。由于研制时间较早,某型岸用雷达信号处理分系统设计方法受到限制,对复杂环境下多类型且密集分布的目标检测跟踪、多模杂波和复合干扰的处理能力等方面与新形势下的实际需求还存在一定的差距。同时,实现信号处理分系统功能的硬件虽采用一种可编程器件,但器件规模小,硬件品种多,系统可靠性不高。为了提高该型岸用雷达对小目标的检测能力、杂波抑制能力和可靠性,对信号处理分系统进行了精细化的软、硬件改进设计[1]。

1提升性能主要措施和效果

对某型雷达的信号处理分系统的精细化改进设计主要包括以下4个方面[4]:

(1) 对接收的信号进行幅相失真补偿,改善回波信号的质量,提高强杂波背景下小目标的检测能力;

(2) 进行精细化的自适应动目标检测处理设计,提高复杂环境下多模杂波的抑制能力;

(3) 提高雷达抗干扰能力,提升非常规情况下雷达的生存能力;

(4) 采用商用计算机进行信号处理设计,极大地缩小系统规模,方便硬件采购,提升系统的可靠性和稳定性。

1.1幅相失真补偿

由于雷达回波信号在发射和接收过程中经过非线性系统处理不可避免地产生幅相失真,而较大的幅相失真会严重影响雷达系统对目标的探测。一般情况下,对幅相失真补偿可以采用预失真处理和补偿。

预失真处理和补偿是等效地改变发射信号,使其抵消非线性系统的影响。由于雷达发射功率较大,发射机功放处于饱和放大状态时对发射功放的激励信号进行预失真幅相补偿效果改善不是很显著,改进的方法是对接收的回波进行幅相补偿。幅相补偿的方法是增加一个采集通道,将发射信号耦合部分经过下变频后采集,并在信号处理过程中利用采集到的发射耦合信号对接收到的目标回波信号进行幅相补偿。在改进型雷达信号处理中,通过幅相补偿后极大地改善了雷达的脉冲压缩主副比,由常规的38 dB提高到55 dB,能够显著地提高雷达对小目标的检测能力。

1.2精细化的自适应慢动杂波抑制

慢动杂波抑制常用的方法是动目标显示滤波器。动目标显示滤波器是为了提高慢动杂波抑制能力和抗干扰能力而采用的一种比较常规却非常有效的滤波器。它区分运动目标和固定杂波的依据是它们在速度上的差别,其机理是利用目标回波和杂波相对雷达运动速度的不同而引起的多普勒差异,通过滤波来抑制杂波信号。

早期设计的两级滤波器能够很好地滤除固定杂波,对慢动杂波也有一定的抑制能力,但当雷达周围环境比较复杂时,特别是空中云雨杂波较多时,甚至会出现仙波,此时雷达的杂波抑制能力会急剧下降。通过采集原雷达的回波数据进行分析和处理。对某型对海警戒雷达信号处理性能提升改进时,发现早期的动目标显示滤波器的设计方法存在一些不足之处,不足之处和解决方法如下:

(1) 形成速度图时,所有的信号单元均参与到速度图中。在这种情况下,噪声、目标信号等因素都会影响速度的估计。在改进信号处理设计中形成速度图时,将无用噪声和目标信号剔除掉,只采用固定杂波和慢动杂波进行速度估计,提高杂波速度的估计精度。

(2) 对运动杂波滤波通道(MFC)进行滤波时,滤波器的改善因子是固定的,这将会影响雷达对小目标的检测。在改进信号处理设计中,通过形成表征杂波强度的幅度杂波图,比较杂波强度,可以区分杂波区和无杂波区。在无杂波区进行正常杂波相消处理;在杂波区进行动目标滤波处理,同时通过杂波强度选择AMTI滤波器的系数。AMTI通过动态杂波图实时检测杂波的存在,判定杂波强度(如超强、强、弱、无),自动产生或选择滤波器加权因子,以期保证对地杂波高度抑制的前提下尽可能减少信噪比损失,提高对弱小目标的检测能力。杂波图中杂波的强度划分为4档:杂噪比50 dB以上为超强杂波区,50～30 dB为强杂波区,30～10 dB为弱杂波区,10 dB以下为无杂波区。利用杂波图强弱标志位不仅可以自适应地选择滤波器系数,还可以自动地控制检测门限。当杂波较强时将滤波器通道的门限自动加大,杂波弱时自动降低检测门限。图1为改进后的自适应动目标显示滤波器设计框图。

图1　改进后的自适应动目标显示滤波器设计框图

图2为改进后自适应滤波器和改进前滤波器的处理效果对比图。从图中可以看出,当雷达覆盖空域中杂波环境比较复杂时,改进后的自适应滤波器能够有效地滤除慢动杂波,提高雷达的杂波抑制能力和整机性能。

图2　滤波器改进前(a)后(b)效果对比

1.3抗干扰能力设计[3]

在改进信号处理设计时,遵循的原则是在保留原有功能的基础上尽量增加抗干扰方法,主要采用的方法如下:

(1) 增加旁瓣相消、旁瓣匿影、反异步处理设计

旁瓣相消、旁瓣匿影、反异步处理方法是常规且非常有效的抗干扰处理方法。但在早期的雷达设计时,由于受到器件规模和处理能力的限制,许多常规雷达在信号处理设计时此方面处理能力与实际需求相差较大。旁瓣相消可以有效地消除同频连续波和同频噪声干扰,旁瓣匿影和反异步处理可以有效地降低同频异步干扰。

在改进的信号处理设计中,旁瓣匿影的设计采用了一种比较新颖的三门限设计方法。三门限判断准则如图3所示。第一门限是限幅门限,主要是滤除从雷达主瓣进入的强干扰,当辅助通道的信号幅度大于第一门限GATEA时标志位FLAG1为1,否则为0。第二门限是噪声门限,是一个能自适应启动旁瓣匿影的门限值,当辅助通道的信号幅度大于噪声估值与第二门限GATEB之和时标志位FLAG2为1,否则为0。第三门限是主辅信号幅度比较门限GATEC,是判断从天线副瓣进入的信号是否是异步干扰;当辅助通道信号的幅度大于主通道信号幅度与第三门限之和时,标志位FLAG3位1。匿影判决规则编码是按如表1所示的方法。表中编码结果1表示需要进行匿影,0表示主通道信号进行直通。从表中可以看出,只要干扰大于限幅门限时就需要进行匿影。当干扰小于限幅门限但大于噪声估值与噪声门限之和且同时辅助通道的干扰强度大于主通道信号幅度与第三门限之和时也需要进行匿影，在其他情况下则不需要进行匿影。具体设计时,考虑到滤波器、积累器的展宽效应,将匿影结果在方位和距离上各扩展了8个单元。

图3　三门限判断准则

标志位真值FLAG100001111FLAG200110011FLAG301010101结果00011111

(2) 信号处理和数据处理一体化联合设计[4]

一般早期的雷达信号处理与数据处理是分开设计的,信号处理系统只完成信号处理的功能,数据处理系统只完成数据处理的功能。这种设计方法存在较大的缺陷,数据处理时丢失了回波信号的许多信息,如目标的速度、加速度、幅度大小、幅度变化规律、目标周围环境信息、目标采用的滤波器种类、采用的恒虚警方式(如是临近单元平均选大/选小/排序/平均恒虚警、噪声恒虚警、杂波图恒虚警、多维恒虚警等)、目标是否为饱和回波、目标是否为二次回波和目标的距离尺寸等信息。

在进行信号处理改进设计时,雷达有效地利用了进行信号处理时得到目标的有用辅助信息,而在进行数据处理时,通过目标的辅助信息来确定是否启动海尖峰的抑制处理、TBD处理、孤点抑制等处理。将信号处理和数据处理结合在一起考虑后极大地提高数据处理的能力,降低了干扰的影响,改善了雷达P显画面质量。

1.4采用商用计算机进行软件化设计

传统信号处理和数据处理大多选用专用芯片完成数据处理,导致通用性和可扩展性差,且处理算法与硬件结构之间相关性大。处理算法的改变往往导致较大的硬件变动,导致研发成本高、周期长。

在进行信号处理改进设计时,为了满足雷达对信号处理和数据处理的处理需求,适应各种复杂环境下多种工作方式的需要,雷达信息处理平台(完成信号处理与数据处理功能)采用了可编程、可重构的、软件统一架构的且易于使用和维护的商用计算机。信息处理的硬件架构如图4所示,其中4台具有复杂计算能力的商用计算机完成雷达信号处理功能,1台作为备份进行信号处理;1台计算机进行系统监控,与千兆以太网交换机一起进行系统重构;1台计算机完成数据处理功能。每台计算机均包含处理能力强大的图形化处理卡,通过图形处理卡完成雷达的主要信号处理功能;雷达的预处理功能如接口、时序产生、通讯控制等由控制系统完成。雷达的回波信号通过A/D采集卡将模拟信号变为数字信号后分别送到各信号处理计算机中进行处理。

4台PC机完成信号处理功能时,每台计算机处理1/4雷达作用距离的回波信号。当某台计算机发生故障时,监控系统实时地进行动态重构,由其他备用计算机代替发生故障的计算机进行信号处理。动态重构是指在系统运行过程中根据运行状态,接受综合调度指令而做出的系统资源的实时调度和分配。雷达综合信息处理平台可通过综合调度软件进行功能重构,通过分时复用资源,提高系统资源的利用率,从而降低整个系统的规模和成本。当系统中某组件出现异常时,切换至冗余备份组件,提高整个系统的可靠性和可维修性。如果有多台计算机发生故障时,通过动态重构也可由一台计算机完成雷达作用范围内的信号处理算法,只是此时降低了信号处理速率,由以前的处理速率Fs(数据速率)降低为Fs/4。

图4　信息处理的硬件架构

采用以上的商用计算机平台为基础的雷达信号处理平台可以使信号处理系统具有拓扑结构配置灵活、软件设计继承性强、体系先进开放、硬件规范统一、功能柔性重构等特点,同时具有采购方便、维护和维修简单、可靠性强等特点,极大地减轻了用户的工作量和提升雷达的使用周期。

2结束语

本文主要介绍了信号处理进行改进设计的技术和方法。通过这些设计改进和验证,有效地提高了雷达在复杂背景下小目标的检测能力,提升了杂波的抑制能力,增强了雷达在复杂干扰环境下的抗干扰能力,提高了雷达信号处理分系统的可靠性,为用户提供更多可靠的、有用的信息。

参考文献：

[1]戴金锷.高性能雷达信号系统硬件设计[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2010：25-27.

[2]陈伯孝.现代雷达系统分析与设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012：30-31.

[3]张锡熊,陈方林.雷达抗干扰原理[M].北京:科学出版社,1982:20-40.

[4]吴顺君,梅晓春.雷达信号处理与数据处理技术[M].北京:电子工业出版社,2010:11-20.

Optimized design of signal processing system of a shore-based radar

HUANG Xiang-peng, YANG Hui

(Nanjing Changjiang Electronic Information Industry Group Co., Ltd., Nanjing 210038)

Abstract:As the core system of the radar, the signal processing system determines radar performance. The optimized design of the signal processing system of a shore-based radar is introduced to improve the small target detection capability, clutter suppression capability, anti-jamming capability, and system reliability in the complex environment.

Keywords:amplitude-phase distortion compensation; high pulse compression main-to-sidelobe ratio; adaptive moving target filter; MTI filter; velocity clutter map; amplitude clutter map; ground clutter filter; moving clutter filter

收稿日期:2016-02-26;修回日期:2016-03-02

作者简介:黄湘鹏(1977-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达试验和总体技术;杨辉(1976-),男,高级工程师,研究方向:信号处理。

中图分类号:TN911.7

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0026-04