一種ESM系統(tǒng)信號處理的設(shè)計方法

管振輝

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

電子支援措施（ESM）的戰(zhàn)斗使命決定了其技術(shù)要求，這就需要在有限的設(shè)備空間內(nèi)具有最強的實時計算能力。實時計算能力要求決定于電磁環(huán)境的密度和復(fù)雜算法程序。一個ESM信號處理機的處理速度一般是由4個主要因素決定的：所截獲到的有源輻射體的數(shù)量，接收到雷達(dá)脈沖的密度，每個信號的復(fù)雜性和所需處理信號模型的復(fù)雜度。

ESM信號處理機響應(yīng)時間實時大約是數(shù)百毫秒量級，如果再長，則完成不了電子支援措施的任務(wù)。由于處理速率和反應(yīng)時間的要求，需要采用并行處理的專用信號處理硬件。ESM信號處理機用于實時分析進(jìn)入系統(tǒng)的每一個脈沖，對輸入信號進(jìn)行比較、分類、分析和識別。當(dāng)組合一個短的數(shù)據(jù)流水線通過處理機時，處理機則完成對信號的跟蹤。

由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和中央處理器（CPU）的性能大幅度提升，采用FPGA和CPU結(jié)構(gòu)的ESM信號處理成為提升信號處理性能的保障，使用FPGA完成快速的預(yù)處理部分和CPU完成復(fù)雜算法的主處理部分的架構(gòu)成為ESM信號處理機的典范。

1 ESM信號處理機的工作原理

ESM信號處理機的組成框圖如圖1所示，分為信號預(yù)處理和信號主處理兩部分［1］，兩者之間的脈沖數(shù)據(jù)傳輸靠脈沖跟蹤表來實現(xiàn)。

信號預(yù)處理的主要任務(wù)是解決高速數(shù)據(jù)率的脈沖分離問題，由于要求的速度快、算法相對簡單，一般采用硬件邏輯電路來實現(xiàn)，這里采用FPGA實現(xiàn)。信號主處理的主要任務(wù)是解決復(fù)雜信號分選、參數(shù)估計、信號跟蹤及預(yù)處理參數(shù)裝訂問題，由于要求的算法復(fù)雜，一般采用CPU實現(xiàn)。

圖1 ESM信號處理機的組成框圖

雷達(dá)信號跟蹤處理匯集前端處理的結(jié)果，跟蹤雷達(dá)信號的狀態(tài)，給出雷達(dá)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、消失及工作方式變化規(guī)律，并將其跟蹤結(jié)果送往后端；同時接收系統(tǒng)控制命令，更新已知信號數(shù)據(jù)庫和雷達(dá)信號知識庫。

2 信號預(yù)處理

2.1 已知信號預(yù)分選

已知信號預(yù)處理組成如圖2所示。由已知雷達(dá)數(shù)據(jù)庫裝訂m路已知雷達(dá)信號濾波器，輸入的送入m路已知雷達(dá)信號濾波器，各路輸出匹配標(biāo)志，經(jīng)脈沖重組后，將匹配送入脈沖跟蹤表對應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行存儲，剩余脈沖輸出到未知雷達(dá)信號預(yù)分選進(jìn)行處理。

其中，一路已知雷達(dá)信號處理由多路抽頭延時線、匹配電路和判決電路組成。多路抽頭延時線，依據(jù)為已知雷達(dá)數(shù)據(jù)庫裝訂的重復(fù)間隔PRIn，對一般信號而言，n＝16即可滿足要求。當(dāng)雷達(dá)脈沖進(jìn)入多路抽頭延時線進(jìn)行n級時延，匹配電路對n個時延抽頭數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，在PRI滿足條件下，同時進(jìn)行到達(dá)方向（DOA）、射頻（RF）、脈寬（PW）的模糊對比，符合條件的給出判決標(biāo)志，判決電路依據(jù)各路的判決標(biāo)志進(jìn)行脈沖丟失及相鄰脈沖判斷，當(dāng)存在符合準(zhǔn)則的連續(xù)脈沖序列，并且丟失脈沖數(shù)小于40%時，則認(rèn)定為該路已知信號匹配成功，并將脈沖描述字（PDW）進(jìn)行匹配標(biāo)記。

圖2 已知信號處理的組成框圖

2.2 未知信號預(yù)分選

未知信號預(yù)分選過程，是根據(jù)一般性雷達(dá)信號特征的先驗知識和雷達(dá)偵察設(shè)備的接收特性加以判斷，常見的算法有小盒法、聚類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。相比而言，小盒法速度最快，適合ESM信號處理，其組成如圖3所示。

圖3 未知信號處理的組成框圖

未知信號預(yù)分選從原則上來說，是將所有的PDW進(jìn)行比較從而歸并同類項的過程，所以查找比較方法成為效率的關(guān)鍵，這里采取直接定址法。

高位地址：AddrH＝（DOA?m1）⊕（RF?m2）⊕（PW?m3）。

低位地址：AddrL＝知識庫空間。

高位地址每個參數(shù)的右移位數(shù)m定義為當(dāng)該參數(shù)存在2m×L＞3×Δ時，取m最小值，其中L為該參數(shù)的最小分辨率，Δ為該參數(shù)的均方根誤差。高位地址也就是系統(tǒng)的小盒數(shù)量。

低位地址定義了符合1部雷達(dá)所需的參量，即PDW范圍、變化規(guī)律及標(biāo)志，一般取8位地址較合適。低位地址也就是系統(tǒng)每個小盒的容量。

3 信號主處理

信號主處理主要包含PRI分選、參數(shù)估計、信號跟蹤3個功能模塊。PRI分選主要對未知雷達(dá)信號進(jìn)行重頻分選；參數(shù)估計是指對指定雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)流的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，給出其特征描述字，信號跟蹤將已知雷達(dá)信號處理和未知雷達(dá)信號處理的輻射源描述字（EDW）進(jìn)行融合，并判斷目標(biāo)的狀態(tài)及發(fā)現(xiàn)或消失的時機。

3.1 PRI分選

PRI分選主要對未知雷達(dá)信號支路進(jìn)行重頻分選，其分選流程如圖4所示。CPU在脈沖跟蹤表內(nèi)獲取一段連續(xù)的脈沖跟蹤數(shù)據(jù)｛PDWi，k｝ni＝m，首先建立脈沖間隔（PPI）直方圖，進(jìn)行峰值搜索，順序判別簡單PRI、參差PRI、抖動PRI及多PRI的雷達(dá)信號，如果判斷為某一類型的PRI信號，則將其相關(guān)的PDW提取出來送參數(shù)估計模塊。

圖4 PRI分選流程

3.2 參數(shù)估計

對由已知信號預(yù)分選送來PDW子流和由PRI分選送來的PDW子流分別進(jìn)行參數(shù)估計。參數(shù)估計的主要目的是更好、更準(zhǔn)確地描述雷達(dá)脈沖流的特征。對于ESM來說，凡是涉及被估計量的任務(wù)知識都是先驗未知的，這就對參數(shù)估計提出了相對苛刻的要求，只能尋求不依賴于被估計量先驗知識的參數(shù)估計方法。參數(shù)估計流程如圖5所示。對于RF、PW、DOA、PRI的估計先采用一元線性回歸運算，扣除飛值后，再取平均估計值，即，其中M為統(tǒng)計點數(shù)。PA值一般取掃描包絡(luò)中脈沖幅度最大的多值點的平均幅度值。掃描周期則依據(jù)TOA、PA關(guān)系圖形判斷，一般取3個照射時間進(jìn)行積累，依據(jù)斷點值與PA的最大值，估算掃描周期。

3.3 雷達(dá)信號跟蹤處理

圖5 參數(shù)估計流程

參數(shù)估計輸出的結(jié)果是描述輻射源的1組特征參數(shù)EDW，即每組特征參數(shù)代表1個待識別的觀測樣本。首先利用模糊隸屬度來確定觀測樣本各個參數(shù)的相似度。其次在得到觀測樣本各個參數(shù)相似度之后，通過設(shè)定各個特征參數(shù)的權(quán)值，可以得到觀測樣本對已知輻射源數(shù)據(jù)庫中樣本的隸屬度。再次由于信號在時間上的冗余性，必然有個積累的過程，即得到多個時刻上的觀測樣本，在Bayes信任結(jié)構(gòu)下，對每一時刻觀測樣本的隸屬度集合給出1個信任度，即獲取1條證據(jù)?？梢赃\用D－S證據(jù)理論組合規(guī)則對多個觀測樣本信任度（相似度函數(shù)）進(jìn)行合成，重新分配，最后得到信任度較高的結(jié)果。雷達(dá)信號跟蹤處理的工作流程如圖6所示，按目標(biāo)信號的EDW生成特性，給出發(fā)現(xiàn)時間、消失時間以及目標(biāo)狀態(tài)的變化規(guī)率。

圖6 雷達(dá)信號跟蹤處理流程

4 硬件組成

按ESM信號處理的組成、數(shù)據(jù)流程和處理方式設(shè)計硬件架構(gòu)，其框圖如圖7所示。采用雙CPU和雙FPGA的對稱結(jié)構(gòu)，每個CPU接雙數(shù)據(jù)速率（DDR）同步動態(tài)隨機存儲器（SDRAM），用于CPU程序運行；每個FPGA接靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）用于快速隨機訪問。使用串行RapidIO完成各處理器之間的高速數(shù)據(jù)交換；使用網(wǎng)絡(luò)來完成CPU之間及對外命令交換；FPGA與CPU之間采用局部總線方式，提高對FPGA寄存器的訪問速度；FPGA之間采用低壓差分信號（LVDS）進(jìn)行同步傳輸。

信號預(yù)處理部分采用FPGA實現(xiàn)，信號主處理部分采用CPU實現(xiàn)，其中2個FPGA分別用于信號預(yù)處理的已知雷達(dá)信號預(yù)分選和未知雷達(dá)信號預(yù)分選；SRAM用來映射脈沖跟蹤表；一個CPU負(fù)責(zé)信號主處理的未知信號PRI分選、參數(shù)估計，另一個CPU負(fù)責(zé)已知信號的參數(shù)估計和雷達(dá)信號跟蹤處理。

圖7 硬件組成框圖

5 結(jié)束語

本文將ESM信號處理分為信號主處理和信號預(yù)處理的兩部分，信號預(yù)處理需要快速并行運算，因而可在FPGA內(nèi)執(zhí)行，信號主處理的算法復(fù)雜度較高，可以在CPU內(nèi)完成。之后對ESM信號的處理架構(gòu)進(jìn)行了描述，文中以各個功能部分經(jīng)典算法為依據(jù)，給出了邏輯流程和物理結(jié)構(gòu)。在此架構(gòu)上，還可以進(jìn)行其它各種算法擴充，以滿足不同性能需求的ESM信號處理。

［1］趙國慶.雷達(dá)對抗原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.