反辐射导弹识别与告警系统设计*

2017-10-16谢奇峰

火力与指挥控制 2017年9期

关键词：零位傅里叶信号处理

谢奇峰

（空降兵训练基地，广西桂林 541003）

反辐射导弹识别与告警系统设计*

谢奇峰

（空降兵训练基地，广西桂林 541003）

为了提升某型炮瞄雷达识别反辐射导弹的能力，设计了一种面向炮瞄雷达的反辐射导弹识别与告警系统。系统由雷达信号采集终端和信号处理平台两部分构成。信号采集终端在雷达同步脉冲的同步下，负责采集I路视频信号并传送至信号处理平台，信号处理平台在频域实时处理I路视频信号，判断是否存在反辐射导弹，并发出报警提示。经试验验证，该系统可以识别出高速反辐射导弹。

炮瞄雷达，反辐射导弹，信号处理

Abstract：To promoting certain Gun-Pointing radar’s ability to discover ARM，a ARM’s distinguish and alarm system for Gun-Pointing radar has been designed.The system is composed by data acquisition terminal and data processing platform，the former is responsible of collection of video signal and upload with radar’s pulse，the latter is responsible of real-time processing video signal in frequency domain.When find ARM，alarm device sounds the alarm immediately.The system can identify a high-speed ARM target in some trials.

Key words：gun-pointing radar，ARM，information retrieval

0 引言

反辐射导弹在现代战争中的作用愈显重要，严重威胁到地面雷达的生存，雷达是否具有抗击反辐射导弹能力是现代雷达的重要指标之一。然而，一些种类炮瞄雷达的I、II波段接收机为对数接收机，在跟踪敌机的情况下只能监视反辐射导弹与载机的分离过程，无法对发射后的反辐射导弹进行识别并提供告警提示，地面操纵人员不能有效跟踪反辐射导弹，这给炮瞄雷达抗击反辐射导弹行动带来很大不利。目前，国内外相关领域的专家和学者从新技术和新方法等方面研究了抗击反辐射导弹的方法与途径，有些技术和方法在预警雷达上得到了应用。文献［1-3］研究了采用改进的方法，提高预警雷达识别反辐射导弹的能力。文献［4-5］研究了抗击反辐射导弹的战术措施。关于炮瞄雷达识别发射后的反辐射导弹的研究还未见诸报道。针对炮瞄雷达在抗击反辐射导弹性能上的不足，本文紧密结合炮瞄雷达特点，提出了在炮瞄雷达上增加反辐射导弹识别装置的解决思路，并构建了反辐射导弹识别与告警系统，为下一步在炮瞄雷达进行适应性改造打下基础。

1 系统的设计思路

1.1 系统的原理方案

根据课题前期研究结论，反辐射导弹的回波为一串振幅受多普勒频率调制的脉冲。输出包络为一正弦信号，其振幅为为多普勒角频率，Tr为雷达脉冲周期，回波是多普勒频率fd的函数。要提高炮瞄雷达对反辐射导弹的识别与告警能力，需要考虑来自I波段接收机视频信号的采集和信号的处理两个问题。本文使用DSP设计了一个高速采集电路，采集电路以雷达上零位脉冲作为采集的外触发信号，在零位脉冲的触发下以设定的速率实时采集视频信号，并把采集到的数据送往信号处理平台。信号处理平台在频域实时处理采集到的数据，分析是否存在反辐射导弹，若检测到反辐射导弹立刻向报警器发出指令，报警器工作并发出警报声。反辐射导弹识别与告警系统方案如图1所示。

图1 反辐射导弹识别与告警系统方案

1.2 雷达信号采集思路

为确保炮瞄雷达的探测距离，雷达上设定的脉冲周期Tr与最大探测距离Dmax相关联。同时为消除盲速影响，还设置了3种脉冲重复周期，脉冲间隔非均等，故雷达信号的采集不能使用一次性方式，必须采用分组的方式，即一个脉冲周期内采集一组数据。本文把零位脉冲作为各组采集的触发信号。根据香农采样定理，综合考虑脉冲周期、脉冲宽度、目标距离、效率等因素，在保证探测距离的条件下，尽量减少一个脉冲周期内的采集量。各组信号采集的参数如式（1）所示。

式中，fs为采样频率，N为一个脉冲宽度被采样的次数，为炮瞄雷达的脉冲宽度，Ts为一个脉冲周期内采集持续时间，Nts为一个脉冲周期内的采样数量。为了保证精度，N一般不小于2。信号采集方法如图2所示。

1.3 信号检测思路

图2 信号采集思路

根据反辐射导弹回波包络为正弦信号的研究结论，考虑到频域信号分析具有明确的含义，获取信号特征及其参数不受信号周期限制，信号特征明显且鲁棒性好等特点，反辐射导弹的信号检测在频域进行。利用频谱分析手段判断回波的脉冲包络是否为正弦形式，若是则认为存在反辐射导弹，并进一步依据频率估测目标的速度。根据频域数据处理要求，傅里叶变换的采样点数N一般取2的整数次幂。综合考虑效率和准确度，本文设计了24、25、26点数据的离散傅里叶变换算法。根据傅里叶变换结果，判断是否包含反辐射导弹，判断方法如式（2）所示。

式中，X（k）为N点离散傅里叶变换值，kmax为傅里叶变换的最大值所对应的k值。

由于数据采集的分段性，进行傅里叶变换之前需要对采集到的N组数据重新组合，形成Nts（一个脉冲周期内的采样数量）组具有N个采集点的数据组合。具有N个采集点的数据组合作为傅里叶变换的输入数据。数据组合方式由式（3）中的纵列确定，如第 1 组数据为（x11、x21、…、xN1）。

信号的检测从第1组数据的傅里叶变换开始，直到检测出反辐射导弹信号，所以最多需要进行Nts次傅里叶变换。发现反辐射导弹信号后，还需要计算出导弹的距离。导弹距离D由式（4）确定。

式中，n为检测到反辐射导弹信号的数据组合序号。为了提高检测的可靠性，数据采集模块在一个脉冲宽度内必须完成2次以上采集。在第n组数据中检测到反辐射导弹信号后，再次对第n+1组数据进行傅里叶变换以确认检测结果。

2 具体设计方案

根据式（1）得到的fs，设计了采集速度最高为40 MSPS的采集电路，以保证对每个脉冲至少能采集2次以上。采集电路对Ⅰ波段接收机的信号进行采集，采集到规定的数据后将之送往信号处理平台。信号处理平台对信号进行分析与处理，若发现反辐射导弹，发送报警指令，报警装置接收到指令后发出警报。

2.1 信号采集终端设计

信号采集终端实际上是一个信号采集和声光报警集成装置，进行信号的采集，并根据报警指令实现声光报警。信号采集终端主要包括逻辑控制器、模数转换器、存储器、数据传输通道、报警器等单元。信号采集终端连接示意如图3所示。A/D转换电路选用TLC5540高速模数转换芯片，采用说明书上的典型电路方案［6-7］，在炮瞄雷达零位脉冲的作用下，芯片启动持续Ts时长的采样。

图3 信号采集部分硬件连接示意图

2.2 信号处理平台设计

信号处理平台具备信号采集的控制和信号处理等功能。信号处理平台设计的重点是功能函数的实现。功能函数主要包括定时响应函数OnTimer、波形绘制函数PaintWave、频谱绘制函数PaintPinPu、傅里叶变换函数FFT、延迟函数WSDelay和报警函数BaoJing。为提高代码移植性，屏蔽复杂的协议细节，把底层交互代码封装成dll和lib文件，通过编程接口访问信号采集部分的资源。考虑到交互需求，信号处理程序采用对话框类型。主交互界面在资源模板中完成设计，如图4所示。

图4 信号处理平台主界面

2.3 相关算法的设计

2.3.1 信号采集算法

当信号处理平台发出“打开设备”命令后，A/D转换电路进入工作状态，检测是否存在零位脉冲。当检测到零位脉冲后，开始以fs采样频率采集I路信号，采集Nts个采样点后暂停采集，等待下一个零位脉冲。当下一个零位脉冲产生之后，继续以fs采样频率采集Nts个采样点，等待下一个零位脉冲。当A/D转换电路采集到32组数据后，一次性把这些数据上传至信号处理平台。数据采集过程如图5所示。

图5 数据采集流程

数据的上传有两种方式，一种是每采集完一组数据就上传给信号处理平台，另一种是采集完32组数据后一次性上传。第1种方式的实时性比较好，可以不间断地对数据进行采集、处理和显示，但对数据的传输速率和信号处理平台的处理速度有很高的要求，要求传输速率至少为采集速率的3倍以上，信号处理平台进行一次FFT变换的时间需小于520 μs。第2种方案的稳定性比较好，无数据丢失，对硬件要求相对较低，但存在短暂的延迟。经计算，第2种方式中进行一次FFT变换的时间可放宽至520×32 μs，延迟时间在0.017 s之内，3倍音速换算成距离约为17 m，能满足要求。本文采用第2种数据传输方式，以降低对数据传输速率和数据处理速度的要求，提高系统稳定性。N取32点基于以下两点考虑，一是减少一次FFT变换的计算量；二是提高检测的灵敏度，N点从32到258，距离延迟将从17 m增加到136 m。

2.3.2 目标检测算法

反辐射导弹检测算法采取时域抽取基2FFT算法。设采样后时域中的离散信号为x（n），其中n=0、1、…、N-1。将序列x（n）按n为奇、偶数分为x1（n）、x2（n）两组序列，用两个N/2点傅里叶变换来完成一个N点傅里叶变换的计算。设序列x（n）的长度为N，且满足：N=2M，M 为自然数。按 n的奇偶把 x（n）分解为两个N/2点的子序列，如式（5）所示：

用N/2点X1（k）和X2（k）表示N点傅里叶变换X（k），如式（6）所示：

式中，WNk=e-j2πrk/N，为旋转因子。由于X1（k）和X2（k）均以N/2为周期，且，X（k）又可表示为：

这样将N点傅里叶变换分解为两个N/2点的傅里叶变换。对每个N/2点傅里叶变换继续进行同样的分解，直到只有最基本的2点傅里叶变换为止，就得到了时域抽取基2 FFT算法。基2 FFT算法的计算量使乘法计算由N2次降为Nlog2N/2次，加法次数由N（N-1）次降为Nlog2N次。经分析，该算法的第1级有1个组，往后逐级二分直到有N/2个组，每组所乘的旋转因子是同样的，并且每组的每个蝶形输入数据之间的间隔是逐级减小到2。根据这个规律，基2算法的实现如图6所示。

图6 基2FFT算法流程

3 测试结果

3.1 测试条件

反辐射导弹识别与告警系统的测试条件如下：首先叠加雷达信号噪声和目标回波，对叠加的模拟信号进行采集，转化为数字信号并上传至信号处理平台，观察分析时频域数据。以任意波信号发生器（AWG）产生反辐射导弹回波信号，把雷达上Ⅰ波段接收机送来的I路视频信号作为噪声源，用同相加法器叠加回波信号和噪声这两路信号，把叠加之后的信号作为反辐射导弹回波信号，见图1。

采用LM358系列中的LM358AM运算放大器构成同相加法器。I路视频噪声信号和反辐射导弹模拟信号分别经200 kΩ电阻后接入同相输入端，反相输入端经200 kΩ电阻后接地。由于同相加法器中的4个电阻的阻值均为200 kΩ，输出端的信号为同相输入端的信号之和，从而实现信号叠加。

3.2 测试结果分析

图7 反辐射导弹信号波形

图8 反辐射导弹信号幅频

图7为采集到的反辐射导弹回波信号与未开高压时雷达信号叠加在一起的时域图，在图中除了存在较明显的定周期负脉冲零位信号，其他信号杂乱无章。图8～图10分别为经过FFT变换的幅频、功率谱和对数功率谱，在这些图中能分辨出明显的反辐射导弹信号和信号频率。对比可以看出：在时域无法判断是否存在反辐射导弹；经过32点FFT变换到频域后，无反辐射导弹时不会形成尖峰，告警装置不报警，存在反辐射导弹时出现了明显的尖峰，超过了式（3）中设定的门限值，报警装置告警，实现对来袭导弹的识别与告警。

图9 反辐射导弹信号功率谱

图10 反辐射导弹信号对数功率频谱

4 结论

根据数据采集和信号处理相关理论，设计了一种反辐射导弹识别与告警系统。该系统具有从炮瞄雷达上采集Ⅰ波段接收机的I路视频信号，对采集到的信号进行实时分析与处理，检测出反辐射导弹回波信号，向报警装置发出指令，并根据信号特征计算目标距离和速度。该装置已经在某型炮瞄雷达上进行多次试验。从试验数据来看，该装置能检测出反辐射导弹信号，并通过报警装置发出警报。下一步的研究工作是：采用集成化设计方法提高系统的可靠性，改进信号处理算法，减少虚警率。

［1］刘晓明，王建东，王旭东.基于参数化时频分析的反辐射导弹检测［J］.计算机应用，2010，30（11）：3108-3114.

［2］方前学，王永良，王首勇.高斯混合分布杂波下ARM的Wald 检测方法［J］.现代雷达，2010，32（2）：61-65.

［3］陈小龙，关键，黄勇，等.分数阶Fourier变换在动目标检测和识别中的应用：回顾和展望［J］.信号处理，2013，29（1）：85-93.

［4］罗金亮，袁可亮.防空兵火控雷达抗反辐射导弹研究［J］.火控雷达技术，2011，40（2）：26-29.

［5］罗金亮.防空兵火控雷达抗反辐射导弹对策研究［J］.飞航导弹，2011，40（2）：26-29.

［6］柴晓飞.基于并行交替式数据采集系统的虚拟示波器研究［D］.天津：天津工业大学，2007.

［7］熊菡.手持嵌入式设备虚拟示波器系统设计［J］.工业仪表与自动化装置，2013，43（2）：76-80.

Design of ARM’s Distinguish and Alarm System

XIE Qi-feng
（Airborne Training Base，Guilin 541003，China）

TJ761

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.037

1002-0640（2017）09-0166-05