一種被動雷達系統(tǒng)測向處理機設計及技術實現(xiàn)＊

劉 博 祁 嶺

（1.海裝航空技術保障部 北京 100071）（2.海軍駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室 洛陽 471009）

1 引言

隨著現(xiàn)代電子戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復雜，為了可以精確攻擊各種雷達目標，要求被動雷達測向系統(tǒng)拓寬頻率覆蓋范圍，但這會帶來被動測向系統(tǒng)如何從數(shù)量多、分布密度大、分布范圍廣、信號交疊嚴重的復雜信號環(huán)境中準確地提取出輻射源目標的問題［2］，本文根據(jù)實際工程應用中被動測向技術面臨的問題，研究了一種采用DSP＋FPGA＋FLASH結構的被動雷達測向處理機，對天線信號實際相位差的恢復、延遲線的控制、通道不平衡性的校正方法［3］等測角關鍵技術進行深入研究，并闡述了其硬件實現(xiàn)框圖和工作流程，較好地實現(xiàn)了被動雷達中至關重要的角度測量和控制等工作。

2 系統(tǒng)概述

該雷達測向處理機設計基于反輻射導彈等載體的被動雷達信息處理系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)由信號分選跟蹤機、窄帶數(shù)字接收機及測向處理機三部分組成［4］，測向處理器接收信號跟蹤分機輸出的寬波門、信號流及載頻碼信息、窄帶數(shù)字接收機輸出的預處理數(shù)據(jù)，對接收的數(shù)據(jù)進行處理并將處理所得控制延遲線信號輸出給控制系統(tǒng)和窄帶數(shù)字接收機，通過與信號分選處理分機的數(shù)據(jù)接口，將處理所得角度信息輸出到信號分選跟蹤分機。通過各分機的數(shù)據(jù)處理和分機間通信，即可完成輻射源信息采集與處理，并輸出控制信息給雷達載體，完成對輻射源的跟蹤。

3 測向處理機方案設計

3.1 測向處理機功能

測向處理分機完成閉環(huán)、開環(huán)測向算法、延遲線的數(shù)字控制并具有與信號分選跟蹤機的通信功能：

1）閉環(huán)模式，即沒有威脅目標的雷達數(shù)據(jù)庫，被動雷達系統(tǒng)根據(jù)一定的算法，分析信號脈寬、載頻、重頻的規(guī)律，依據(jù)一定威脅判斷準則找出威脅等級最高的雷達，然后通過跟蹤器跟蹤該部雷達，并給出跟蹤波門［5］。在閉環(huán)模式下，由于對相位差的SIN函數(shù)的積分不涉及相位突變，可以采用硬件積分，硬件積分在窄帶數(shù)字接收機中實現(xiàn)，以縮小測量到控制量的延時。測向處理機接收窄帶接收機輸出的雷達載體極坐標數(shù)字控制信號u′g后，輸出9bit數(shù)字量去控制延遲線；將u′g進行D／A變換得到u′g的模擬量ug對雷達載體進行控制，同時將ug送到窄帶數(shù)字接收機，用于接收機求取方位角信號αfw。

2）開環(huán)模式，即被動雷達系統(tǒng)根據(jù)預先裝訂的威脅目標雷達數(shù)據(jù)庫進行分選和跟蹤，并給出跟蹤波門。在開環(huán)工作模式下，窄帶數(shù)字接收機接收兩路中頻信號IF1、IF2，進行數(shù)字鑒相后，得到相位差Δφ，測向處理器對其進行數(shù)字積分得到數(shù)字信號u′g，通過求取u′g的極大極小值之差，即可求出信號與被動雷達載體夾角βy；通過比較模擬信號ug和參考信號ufRE之間的相位差，則可以求取αfw。根據(jù)方位角αfw和夾角βy，進行角度計算和轉換，給出被動雷達載體偏航角θ、俯仰角φ的誤差信號。

3）采用DSP之間的串口（McBSP）實現(xiàn)與分選處理機通信功能。

4）實現(xiàn)延遲線的數(shù)字控制。

3.2 系統(tǒng)接口示意圖

測向處理機接口關系如圖1所示。

圖1 測向處理機接口示意圖

3.3 測角關鍵技術

3.3.1 兩路信號實際相位差的確定

在開環(huán)和閉環(huán)兩種測角方案中兩路天線信號實際相位差的確定是關鍵技術。根據(jù)旋轉式干涉儀測向公式

1）對鑒相器輸出的相位差直接積分來恢復實際相位差

對鑒相器輸出的相位差直接積分來恢復實際相位差，即指測向處理機對數(shù)字接收機輸出的數(shù)字相位差信號直接進行積分從而恢復實際相位差值。（數(shù)字接收機將（－π，π）區(qū)間的信號進行9bit量化，量化精度為360／512＝0.7031°）。由于信號的相位差是周期性變化的，只要脈沖重復周期足夠高，以每兩個脈沖期間的相位差變化值來判斷相位變化的趨勢是可行的［7］。如前所述，采用數(shù)字積分的方式就可以恢復出實際相位差。

（1）對數(shù)字接收機輸出相位差進行數(shù)字積分恢復實際相位差

數(shù)字積分器的實現(xiàn)采用軟件的方式，下面分析采用DSP軟件實現(xiàn)數(shù)字積分方法。

當脈沖信號到來時，延遲一小段時間后數(shù)字接收機將輸出被折疊到（－π，π）內的相位差信號，DSP在外部脈沖信號中斷的控制下，將該相位差信號儲存在相應的數(shù)組中。數(shù)字接收機輸出的相位差信號在時序上是不連續(xù)的，但前后兩次接收到的相位差的變化量可以確定［8］。因此DSP可以根據(jù)所有在一個周期內接收的相位差信號計算得到相應的每一次信號的累加值，兩個數(shù)組如表1所示。

表1 軟件數(shù)字積分數(shù)組變量對應關系

可見最大相位差必須在天線旋轉一周以后才能獲得，因此系統(tǒng)應給測向處理器預留一定的搜索時間。

因此根據(jù)最大相位差可以得到相應的最大延遲時間，延遲時間表示為

（2）限幅積分的必要性

由于積分起始點可能出現(xiàn)在旋轉過程中的任意一個位置，因此積分的結果就不會總是以相位差為0的橫軸線對稱，可能會出現(xiàn)的情況如圖2所示。

不能將該積分得到的相位差直接作為延遲線或被動雷達載體駕駛儀的控制信號，同時在開環(huán)系統(tǒng)中也要求積分結果相對于相位差為橫軸線對稱。必須通過限幅將曲線調整為對相位差為0軸對稱后才可作為輸出的控制信號。

圖2 數(shù)值積分初始值不同時積分輸出曲線比較

根據(jù)在天線旋轉第一圈內計算得到的最大相位差φmax，將該值作為限幅門限，即將后續(xù)積分結果都限制在［－φmax，φmax］范圍內后再去控制延遲線。這個過程需要1個天線旋轉周期T時間就可以調整完成。如圖3所示。

圖3 限幅積分示意圖

當限幅達到φ（t）關于橫軸對稱后，可以取消限幅功能，即使由于雷達載體擾動使夾角βy值變大，也不會再產(chǎn)生φ（t）關于橫軸不對稱的情況。

根據(jù)理論分析，在一個相位重疊周期（－π，π）內至少需要兩個采樣點數(shù)據(jù)才能夠確定在這一周期內的變化規(guī)律［9］，因此下面對恢復實際相位差時輸入信號脈沖重復頻率應滿足的條件進行分析。

2）延遲線的控制

理論分析結果是延時線瞬時值具有和全相位φ（i）或ug一樣的函數(shù)關系，即

由上式可以看出，用ug或φ（t）可以調整延時線，經(jīng)分析延時線的控制方法有以下兩種：

3）通道不平衡性的校正方法

（1）開環(huán)測角需采用精確的直流偏置測量技術。擬采用對模擬ug波形密集采樣，用積分方法計算一個周期內的平均值，即為波形的直流偏置。計算出對應的不平衡相位誤差Δφ，修正測量的全相位值，再計算角度。

（2）閉環(huán)直接輸出ug到被動雷達載體駕駛儀，采用良好的帶通濾波器濾除直流分量和由天線隨彈體轉動帶來的隨機相位變化，同時用精確的測量直流偏置的技術對輸出ug進行測量，將其化為延時線誤差，調整延時線消除此誤差。

（3）列表補償通道不一致性

在系統(tǒng)測試階段，使βy＝0°，記錄各個頻率點下系統(tǒng)測得的相位差作為該頻點的通道誤差校正值，將該測量結果以頻率為地址偏移存儲起來。在系統(tǒng)實際工作中根據(jù)信號的頻率來查表找到該頻率點下的系統(tǒng)通道誤差校正值，對某頻點下某角度測得的相位差進行校正。

3.3.2 開環(huán)算法中的相關問題分析

在開環(huán)算法中，關于控制量ug的處理方式與閉環(huán)跟蹤法相同，不再敘述。

1）仰角βy的確定

2）對方位角αfw的確定

整個系統(tǒng)只采用兩根天線，即兩個接收通道。對中頻接收機信號進行A／D采樣，I、Q提取和計算兩通道相位差，利用被動雷達載體旋轉的數(shù)字積分來解模糊。數(shù)字積分是一個與雷達載體選轉角速度ωr和信號與雷達載體軸夾角βy有關的余弦函數(shù)，即其周期為2π／ωr，幅度正比于兩天線波程差（2πLsinβy／λ），其初始相差為αfw可用積分結果與參考信號比相來確定，這樣就得到了XYZ坐標系下，方位角αfw和仰角βy信息，從而計算得到偏航角θ和俯仰角φ。

獲取αfw的關鍵在于要對ufre、ug同步采樣。由于天線旋轉頻率較低，對于ufre、ug的采樣不需要很高的采樣速率［11］。但是由于系統(tǒng)對相位差進行數(shù)字積分有一定的延時，且ug是積分后數(shù)字量經(jīng)D／A變換后得到的模擬量，因此ufre、ug在時間上會存在一固定的微小誤差。由于天線旋轉速度僅為10Hz，ug在時間上的微小誤差可以忽略。

3）偏航角和俯仰角度計算

根據(jù)前面處理的得到的βy，αfw可以計算出偏航角θ和俯仰角φ。數(shù)學表達式為：tanθ＝cotβsinα，tanφ＝cotβcosα。式中β＝90°－βy，α＝αfw。

根據(jù)偏航角和俯仰角的正切函數(shù)值查表或計算可以得到相應的偏航角θ、俯仰角φ。數(shù)據(jù)由測向DSP經(jīng)McBSP串口送到分選處理器，由分選處理器將該數(shù)據(jù)上報。

3.4 測向處理器的工作流程圖

根據(jù)前面的分析過程，測向處理器的DSP的主工作流程設計如圖4。

4 結語

本文提出了一種工程上實用的測向處理機設計方案，采用高速采樣ADC、高性能FPGA芯片和軟件無線電思想［13］，系統(tǒng)先進，集成度高，基于本設計思想開發(fā)的測向處理機已在某被動雷達信息處理系統(tǒng)中試用，具有實時處理性強、可靠穩(wěn)定的優(yōu)點。

圖4 測向處理器工作流程

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