复杂多制式雷达脉冲信号自动测试软件的设计

张馨恬，黄 响，范 斐

(1.西北工业大学 明德学院, 陕西 西安 710124；2.西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室，陕西 西安 710071)

由于连续波雷达的发射功率受限，且无法直接获取目标的距离，现代雷达多采用脉冲体制[1]。为了应对日趋激烈的电子战和日益复杂的应用需求，多功能、新体制的雷达近些年来不断发展完善，雷达脉冲信号的调制方式也由传统的单一制式逐渐发展为复杂多制式，比较典型的有多相编码信号、捷变频信号。这些信号具有不同的脉内调制方式，可以实现对幅度、频率和相位中的一种或几种同时调制，并且不同脉冲信号间也可以具有固定、参差和滑变等多种重频方式[3]。传统的雷达脉冲信号测试需要联合多台仪器，每台仪器只能针对某些局部参数进行测量，如利用频谱仪来获取频域参数[5]、示波器来获取幅度信息。这种测试方法操作复杂、实时性差、测量精度低，无法满足现代雷达脉冲信号测试的需求。近年来，随着信号处理技术的快速发展，国内外一些专注于测试测量的知名公司相继推出了矢量信号分析仪器和软件，比如安捷伦公司的8944和89600系列以及中电41所的AV5261矢量信号分析仪等[6-7]。但这些仪器及软件往往针对的是通信信号及简单调制方式的雷达信号，无法实现复杂调制方式的雷达脉冲信号的测量。

文献[8]提出一种基于LabWindows/CVI的雷达脉冲信号分析软件。此软件实现了对多种脉内调制雷达信号的多域分析，可有效地实现雷达脉冲信号的分析测量。但LabWindows/CVI开发平台是以C语言为编程基础的，不利于接口的模块化，给软件后期的维护及扩展带来不便。在以上的研究基础上，本文利用VS2010平台实现雷达脉冲信号自动测试软件的设计与开发。它采用密度平均法、重频直方图法、相位差分法[9]、科恩类时频分析法[10]等多种方法，对雷达脉冲信号的脉内及脉间特征进行全方位分析，并增加一键式自动测量的功能以实现不同调制方式雷达信号的自动测试，大幅提高了测试效率。

1 软件功能分析

软件功能分析是进行软件设计的基础。本软件是为了实现对常见雷达脉冲信号全方位、高效率、高精度的自动化测量而设计开发的，它需要具备以下功能：

(1)可实现不同雷达脉冲信号的自动化测量。自动化测量能够有效地提高测试效率，并且可以降低软件的使用要求。本软件在对雷达脉冲信号精确测量的基础上需满足自动测量的要求；

(2)可实现常见的雷达脉冲信号的测量。这些信号包括线性调频、三角调频、步进调频、捷变频、非线性调频、频率编码和相位编码等不同调制方式。软件需具备对每种信号的精确测量功能；

(3)可实现脉内参数与脉间参数的测量。不同类型的脉冲信号具有不同的脉内调制信息，不同脉冲间也因参差、滑变及抖动等重频方式具备不同的脉间特征。设计的软件需具备对信号的脉内参数及脉间参数全面测量的功能；

(4)可实现良好的人机交互性能。与其他类型的软件不同，信号测试软件是测试仪器的虚拟化。它要求软件界面能够真实地反映仪器本身，同时具有实时处理的优良特性。良好的人机交互性能成为软件设计必须考虑的因素。

图1 软件总体设计流程图

2 软件设计思想

根据软件功能分析，软件采用模块化思想进行设计，可分为数据接口模块，脉冲参数分析模块，测量显示模块、测量设置模块和辅助工具测量模块。软件总体设计如图1所示。

软件各功能模块主要功能与设计思路如下：

(1) 数据接口模块。获取雷达脉冲信号的测量数据，是整个软件设计的基础。采用仪器连接与文本数据两种模式。仪器连接用于获取信号发生器的雷达脉冲信号，可采用LAN和GPIB协议实现信号的实时获取；文本数据用于外部信号数据导入软件进行分析，可采用*.csv、*.txt、*.mat等多种常见的数据格式；

(2) 脉冲参数分析模块。分析雷达脉冲信号特征，是整个软件设计的核心。脉冲参数可分为脉内参数和脉间参数两类，软件可以针对不同的调制类型自动测量所能体现该调制类型特点的参数，并通过图表将其呈现。对于每种调制类型，软件自动配置图表如表1所示；

表1 各调制类型信号自动配置表

(3) 测量显示模块。主要用于对软件所分析信号的结果以波形图或表格的形式进行呈现。在此模块中，为了使波形的显示更加清晰美观，软件采用了TeeChart控件；为了方便用户能够对信号分析结果的观察与对比，软件通过利用MFC中有关类的特点，实现了对显示窗口的多种布局方式；

(4) 测量设置模块。主要用于实现对调制类型的选取；

(5) 辅助工具测量模块。主要包括测量标记和门控选时两个功能。为了便于用户对波形图中某一点的分析，软件添加了标记功能。用户可以根据自己的需求，在波形图中所需分析的位置右击添加标记，之后在标记窗口中就会对所添加标记的坐标进行实时显示。门控选时功能则是为了便于用户对某一段信号的观察。软件在所分析信号的原始信号图中设置了两条门限，用户只需要通过鼠标移动门限，其它图谱就会对应分析门限内的信号波形。

图2 软件主界面

3 软件脉冲参数分析模块实现

3.1 脉冲基本参数算法实现

脉冲的基本参数主要包括对脉冲幅度、脉冲个数、脉冲宽度以及瞬时频率等参数的测量。在脉冲幅度、脉冲个数以及脉冲宽度的测量中，对脉冲幅度的测量是基础。在该软件中，对脉冲幅度的测量采用了密度分布平均法。其实现的基本思想是：首先统计出待测信号幅度的最大值与最小值，然后以最大最小值为界限平均分成M份，记每份的间隔为Δv，并对待测信号幅度落入每份区间的点数进行统计，记为Ni，最后计算得出待测信号脉冲的顶值和底值，计算公式为

(1)

如图3所示，对于脉冲幅度、脉冲个数及脉冲宽度等参数的计算，软件是通过时域参数表来进行展现的。

图3 软件时域参数表实现

3.2 脉内参数算法实现

对于脉冲信号脉内特征的分析，除了通过脉内调制参数表来进行呈现之外，软件还添加了时频图来对所分析信号的脉内特征进行整体直观地展现。对于时频图的绘制，软件采用了多种分析方法，如STFT(短时傅里叶变换)、Gabor变换、Wigner-Ville分布、Pseudo Wigner-Ville分布、Choi-Williams分布[12]和Cone-shaped分布等。下面以Wigner-Ville分布以及Choi-Williams分布为例进行介绍。

(1)Wigner-Ville分布。时频分析一般可以分为线性时频分布和Cohen类双线性时频分布两类，Wigner-Ville分布(WVD)属于Cohen类双线性时频分布。其定义式可以表示为

(2)

由于WVD是信号的二次时频，因此在对多分量的信号进行分析时会受交叉项的影响。但WVD也同样具有很多优势，比如其具有很高的分辨率，时频聚集性比较强。

(2) Choi-Williams分布。Choi-Williams分布(CWD)同样也属于Cohen类双线性时频分布的一种。它的核心思想是通过设计核函数来抑制交叉项的影响，其核函数定义为

φ(θ,τ)=e-θ2τ2/σ

(3)

上式中，σ(σ>0)是一个参数，若σ取大值，则CWD分布就会趋近于WVD分布。

CWD分布的时频表达式可以表示为

(4)

CWD可以有效地抑制多分量信号产生的交叉项，可以有效地分析雷达脉冲信号的脉内调制特征。

如图4所示，以CWD为例对软件的实现结果进行展现。

图4 软件CWD时频分析实现

3.3 脉间参数算法实现

脉间参数可反映雷达信号不同脉冲间的特征变化，主要包括脉冲的初始相位、初始频率、脉冲宽度、脉冲宽度抖动量和脉冲重频等参数，其中，脉冲重频是衡量脉间特征的重要参数。

脉冲重频的方式共包括固定重频、抖动重频、滑变重频以及参差重频四种。固定重频指的是脉冲的重复频率是固定的，基本不发生变化。抖动重频指的是脉冲重频围绕着某一值，在其一定范围内随机抖动变化。滑变重频指的是信号的脉冲重频按照正弦、三角波等变化规律连续的增加或者减少，当达到某一极值后又快速返回到另一极值。参差重频则指的是信号脉冲重频是以一定周期进行重复变化，又可分为固定参差和组变参差两种。

对于脉冲重频的计算，软件采用了重频直方图法[14]，其基本原理为：首先根据所设定的时间分辨率将脉冲重频的范围划分成为若干个直方小区间，然后对相邻的脉冲到达时刻求差值，并统计其差值落在每个小区间的脉冲个数，最后以直方图的形式将统计值表示出来，并根据直方图来判断可能存在的脉冲重频值。图5显示了本软件对脉间趋势表的实现。

图5 软件脉间趋势表实现

4 结束语

本文介绍的雷达脉冲信号自动测量软件实现了对常见复杂调制雷达信号的脉内及脉间参数全面、精确、自动化的测量，具有操作简单、实时性强、扩展能力高等优良特点，在满足了当前对雷达脉冲信号测量需求的同时，又使得在信号测量的效率方面有了很大的提升，为雷达信号测量领域的工作者提供极大帮助。

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