基于FPGA的雷達脈沖信號分選預處理研究

韋 偉，萬 福，劉俊起

（海軍指揮學院，南京 211800）

0 引 言

在現代電子對抗中，雷達情報偵察所面臨的環境日趨密集和復雜［1］，在這樣復雜的信號環境中對雷達信號的分選識別顯得更加繁雜和困難。現有的雷達偵察設備通常是根據前端送出的脈沖描述字，在后端對脈沖描述字進行分析和處理，依據相關的分選算法，實現對雷達脈沖信號的分選。

隨著信號量的不斷增大，后端的處理壓力也不斷增加，本文提出了一種基于現場可編程門陣列（FPGA）實現對脈沖描述字“預處理”的處理方式，通過對脈沖描述字進行存儲分析，首先在接收機內部實現簡單分選，使得后端接收到的描述字能夠簡單反映截獲的雷達脈沖信號的關系，有效緩解后端信號分選的壓力，簡化分選算法。

1 雷達信號分選算法相關理論

雷達信號分選算法主要依據脈沖重復周期（PRI），PRI是信號分選與識別的一個重要參數［2］，決定了雷達的最大無模糊距離和最大無模糊徑向速度［3］。

雷達信號的PRI參數是雷達信號參數中工作樣式最多、參數范圍最大、變化最快的［2］。圖1分別示出了固定PRI、參差PRI、抖動PRI、參差抖動PRI、成組參差PRI、成組參差抖動PRI時到達脈沖序列的波形。

常用的信號分選方法是首先估計出雷達輻射源的PRI，根據這個估計值分選出每部雷達輻射源的脈沖序列，從而得到各雷達輻射源的參數集及轉移特性。下面介紹2種最常見的分選算法：累積差值直方圖（CDIF）算法和序列差值直方圖（SDIF）算法。

1.1 CDIF算法［4］

CDIF首先通過累積各級差值直方圖來估計原始脈沖序列中可能存在的PRI，然后以此PRI來進行序列搜索，包括直方圖估計和序列搜索2個步驟。首先計算脈沖到達時間（TOA）差值，形成第1級差值直方圖，然后從最小的脈沖間隔起，將第1級差值直方圖中的每個間隔直方圖值以及2倍間隔直方圖值與門限τ比較。

圖1 典型的雷達信號PRI特征

CDIF算法的檢測門限為：

式中：τ為PRI的估計值；x可根據實際情況調節，一般取x＜1；tj為脈沖到達時間。

假如2個直方圖值超過門限，則以該間隔作為PRI值進行序列搜索。如果搜索成功，將此PRI序列從采樣脈沖序列中扣除，并且對剩余序列重新開始計算新的差值直方圖，重復此過程直到沒有足夠的脈沖形成脈沖序列；如果搜索不成功，則以本級差值直方圖的下一符合條件的脈沖間隔作為PRI進行搜索；假如本級差值直方圖中沒有符合條件的脈沖間隔值，則計算下一級差值直方圖值。

1.2 SDIF算法［5］

SDIF算法針對CDIF算法存在的問題作了一些改進。首先，計算相鄰2個脈沖的TOA之差，構成第1級差值直方圖，計算門限，然后進行子諧波檢測，若只有1個超過檢測門限，則把該值當作可能的PRI進行序列搜索；當多個輻射源同時出現時，第1級差值直方圖可能會有幾個超過門限的PRI值，并且都不同于實際的PRI值，此時不進行序列搜索，而計算下一級的差值直方圖，然后對可能的PRI進行序列搜索。若能成功分離出相應的序列，則從采樣序列中扣除，并對剩余脈沖從第1級開始形成的差值直方圖，在進行過子諧波檢驗后，如果不止一個峰值超過門限，則從超過門限的峰值所對應的最小脈沖間隔進行序列搜索，最后進行參差鑒別。SDIF算法不對不同級的差值直方圖進行積累，而只檢測當前級的差值直方圖。

SDIF算法的檢測門限為：

式中：x和K為由實驗確定的常數，通常x＜1；N為總的脈沖個數；c為到達時間差直方圖的階數。

2 基于FPGA的分選預處理方法

實際上，上述2種分選方法雖然是普遍使用的，但其在信號分選上也存在許多的局限性和困難，單單計算一級差值直方圖就需要不少的時間，而且一直到分選結束，差值直方圖就需要不斷重新計算。如果有辦法能夠在脈沖描述字送到后端之前就進行一些簡單分選，將簡單的同源脈沖信號從復雜的脈沖群中標記出來，抽取出來，使得原來的信號環境能夠簡化，那么后端的分選壓力將成幾何倍數遞減，分選所占用的CPU等計算機資源將減少，分選算法的運算量也將更加簡單，從而使得整個系統的信號處理性能進一步提高，整個偵察接收機系統的偵察能力也進一步得到加強。所以本文提出在硬件層首先對脈沖描述字進行處理。

由圖2可知，本文使用的方式是讓FPGA輸出的脈沖描述字再次返回FPGA，使得FPGA對脈沖描述字進行簡單的分選處理。本文的具體處理辦法是在FPGA上開2個存儲器，簡稱RAM1和RAM2，其功能是將脈沖描述字存儲在其中，在存儲RAM1時，處理RAM2上的數據（進行預分選）；當存儲RAM2時，處理RAM1上的數據，對脈沖描述字的乒乓處理，保證脈沖不丟失，如圖3所示。

圖2 加入預分選的信號處理流程

圖3 FPGA對脈沖描述字的乒乓處理

這里的預分選依據的是雷達脈沖寬度（PW）。雖然脈沖寬度在雷達分選中不可以作為主要分選依據，但可通過相鄰2個脈沖的寬度來進行初步判別。對相鄰2個PW進行相關度比較的具體方法，如果2個相鄰脈寬差異較大，則認為兩者不是同一個雷達輻射源或者認為其中一個脈沖測量發生誤差。

此處只對3個或3個以下的同源信號進行分選，以作說明。首先在存儲的脈沖描述字中，選定一個作為基準，與其后面相鄰脈沖的脈寬作比較，若相差在20%以內的（可以選擇其他衡量辦法，這里暫用此種方法進行說明），認為是一致的，以下一個脈沖繼續作為基準。若相差超過20%，與其后面一個繼續比較，直到比對3次后，如果比對中沒有分選出至少一對同源信號，選擇下一個脈沖繼續比對，依此類推。

通過此方法，如果比對的2個脈沖信號相似，則在其脈沖描述字上“打上標簽”（圖5和圖6中“ENABLE”即為所打的標簽號），即在脈沖描述字的保留位定義1個區間，作為比對的結果顯示。設定1個時間段范圍，比如用τ作為1個分選周期，在τ時間內，數據存儲到RAM1中，RAM2中的數據必須及時處理完，以便在RAM1存完時繼續存儲數據。

圖4 脈寬比對流程圖

圖5和圖6顯示的是3組規則脈沖和不規則脈沖的分選結果。由仿真可知，在實際設計中，預分選可以處理更多的維數（如果設計要求），同時所耗費的FPGA資源也會加大。當然，在實際的FPGA設計中，設計過程比較復雜，需要對整個脈沖描述字再進行處理，本文的仿真實例只是針對脈寬進行簡單的示例說明。

3 結束語

在預分選完成后，后端的軟件分選算法還需要對預分選出來的數據進行PRI校驗，如果符合基于PRI的分選算法的特性，則之前的預分選是正確的，如果不符合，那么預分選不正確，需在后端繼續按軟件分選算法分選。當然，如果信號環境過于復雜，脈沖群中不同源信號過多，預分選也不能夠從復雜的信號群中實現同源信號的簡單分選。

本文提出的方法旨在對脈沖群進行一次性簡化，比通常單純的軟件分選算法具有更高的效率，大約能夠提高系統9%左右的處理時間。實用上能夠對后端的分選減輕壓力，對雷達偵察接收機實際設計有一定的幫助，具有現實意義。

圖5 規則的3組脈沖信號的預分選

圖6 不規則3組脈沖信號分選

［1］ 趙國慶.雷達對抗原理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1999.

［2］ 張友兵，黃高明，李仙茂.雷達對抗原理［M］.武漢：海軍工程大學出版社，2009.

［3］ Wiley Richard G.ELINT：The Interception and Analysis of Radar Signals［M］.Boston：Artech House Pub-lishers，2008.

［4］ Mardia H K.New techniques for the deinterleaving of recognition［J］.IEE Proceedings，Pt F，1989，136（4）：149-154.

［5］ Milojevic D J，Popovic B M.Improved algorithm for the deinterleaving of radar pulse［J］.IEE Proceedings，Pt F，1992，139（1）：98-104.