基于某型多目標(biāo)測(cè)量雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)分析

趙巨波

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)裝備部，葫蘆島 125001）

某型多目標(biāo)測(cè)量雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DMC雷達(dá)）為全相參高分辨力相控陣?yán)走_(dá)，主要用于完成多目標(biāo)跟蹤測(cè)量任務(wù)。DMC雷達(dá)能夠記錄參試目標(biāo)的跟蹤測(cè)量之后的點(diǎn)跡和航跡信息，雖再現(xiàn)當(dāng)時(shí)的態(tài)勢(shì)，但是無(wú)法用于試驗(yàn)評(píng)估、事故判定、操作訓(xùn)練等場(chǎng)合。DMC雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器是針對(duì)DMC雷達(dá)設(shè)計(jì)的原始信息記錄和存儲(chǔ)設(shè)備。主要記錄的是DMC雷達(dá)的中/視頻信號(hào)，可供試驗(yàn)進(jìn)行事后準(zhǔn)確的定量測(cè)試和評(píng)估。本文依托DMC數(shù)據(jù)采集器，基于開(kāi)發(fā)的雷達(dá)中/視頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了海雜波特性分析。

1 DMC雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)組成及工作原理

DMC雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器由主控計(jì)算機(jī)、采集記錄設(shè)備以及DMC雷達(dá)數(shù)據(jù)采集接口卡組成。主控計(jì)算機(jī)采用便攜式筆記本電腦，采集記錄設(shè)備封裝了采集卡，二者通過(guò)USB電纜連接。采集記錄設(shè)備采集DMC雷達(dá)中頻/視頻回波信號(hào)，并通過(guò)筆記本電腦USB2.0接口將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦內(nèi)存中，供處理、顯示和分析。

采集記錄設(shè)備實(shí)物照片如圖1（a）、（b）所示，外場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和事后數(shù)據(jù)回放情況如圖1（c）、（d）所示。

DMC雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器工作最高頻率為100MHz，可通過(guò)對(duì)送給A/D的時(shí)鐘進(jìn)行分頻來(lái)設(shè)置相應(yīng)的采集頻率。A/D的結(jié)果擴(kuò)展為16位，低4位為0，高12位是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖2中虛線框部分由FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA主要完成數(shù)據(jù)采集控制與數(shù)據(jù)傳輸控制的任務(wù)。

圖1 采集記錄設(shè)備實(shí)物照片和數(shù)據(jù)采集圖片

圖2 DMC雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器工作原理

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的海雜波特性分析

2.1 雷達(dá)中/視頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)

本文開(kāi)展的對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的海雜波特性分析，是基于雷達(dá)中/視頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)的。

圖3 數(shù)據(jù)回放畫(huà)面

圖4 綜合顯示畫(huà)面

雷達(dá)中/視頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)主要完成雷達(dá)中頻/視頻信號(hào)的采集參數(shù)設(shè)置和采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)分析，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放、綜合顯示、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等五項(xiàng)功能。

系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)抽取、坐標(biāo)查表映射和DirectDraw等技術(shù)完成實(shí)時(shí)顯示［1-4］，同時(shí)采用多線程技術(shù)避免數(shù)據(jù)顯示與實(shí)時(shí)采集的沖突。系統(tǒng)應(yīng)用界面程序采用Visual C++開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以在A顯和P顯坐標(biāo)下觀察采集的目標(biāo)回波信號(hào)，同時(shí)將采集的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，供MATLAB等軟件進(jìn)一步分析使用。

2.2 數(shù)據(jù)分析

下面是對(duì)DMC雷達(dá)采集的海雜波數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。雷達(dá)天線固定不動(dòng)，圓極化，重復(fù)周期為3.3ms，采集頻率為5MHz，數(shù)據(jù)格式為：每個(gè)重復(fù)周期均有500個(gè)32位的數(shù)據(jù)，前250個(gè)數(shù)據(jù)為I通道數(shù)據(jù)，后250個(gè)數(shù)據(jù)為Q通道數(shù)據(jù)。采集實(shí)驗(yàn)時(shí)，雷達(dá)天線方位190度，俯仰-1度固定不動(dòng)對(duì)準(zhǔn)海面，連續(xù)采集海雜波信號(hào)，MGC（手動(dòng)增益控制）為63dB。此批數(shù)據(jù)的三維圖形如圖5、圖6所示。

圖5 time-prf-voltage三維圖形

圖6 time-prf-fft三維圖形

對(duì)海雜波幅度建立擬合模型之前，首先對(duì)I、Q通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看到雜波幅度較強(qiáng)集中在大約第50～150點(diǎn)之間，如圖7和8所示。判斷在不同的極化條件下，其是否符合高斯分布密度函數(shù)，一般采用斜度和峰度來(lái)衡量一種分布是相對(duì)分散或是集中。斜度為正值時(shí)表明其均值右邊有不對(duì)稱(chēng)的拖尾，負(fù)值時(shí)表明其均值左邊有拖尾。峰度衡量一種分布的相對(duì)尖銳或平坦程度。對(duì)于高斯分布，這兩個(gè)值都等于0，說(shuō)明一種分布偏離高斯分布的程度。

圖7 第65個(gè)周期信號(hào)IQ兩路值

圖8 第65個(gè)周期信號(hào)模值

對(duì)于本批海雜波數(shù)據(jù)，表1列出了I、Q通道的斜度和峰度值。

表1 海雜波數(shù)據(jù)峰度和斜度值

由表1結(jié)果可見(jiàn)，在此測(cè)量單元中，I、Q通道的斜度不顯著，數(shù)值為負(fù)值，即有位于左邊的不對(duì)稱(chēng)拖尾，這是造成雜波幅度有較長(zhǎng)拖尾的原因。峰度值較小，說(shuō)明數(shù)據(jù)分布相對(duì)平坦，沒(méi)有較大的概率波峰。

對(duì)數(shù)正態(tài)模型和K分布模型都有很好的擬合準(zhǔn)確度，是最常用來(lái)描述海雜波幅度的模型。根據(jù)兩種模型的原理，在對(duì)海雜波幅度已經(jīng)進(jìn)行直方統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布以及K分布進(jìn)行擬合，并進(jìn)行χ2分布檢驗(yàn)。其中K分布擬合時(shí)采用Watte修正之后的方法，即采用二階、四階和六階樣本矩對(duì)K分布的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。曲線擬合效果如圖9所示。

圖9 海雜波幅度分布擬合曲線

對(duì)對(duì)數(shù)正態(tài)分布和K分布擬合曲線分別進(jìn)行χ2檢驗(yàn)，在采樣區(qū)間為100時(shí)，其累計(jì)均方誤差分別為153.4302和167.9186。根據(jù)先前的規(guī)定，取其中誤差較小的一個(gè)作為雜波幅度分布的模型。這里二者的誤差相差不大，效果比較接近。相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合的誤差稍小，在低幅度區(qū)域，對(duì)數(shù)正態(tài)擬合得比較準(zhǔn)確，與K分布相差不大；而高幅度區(qū)域?qū)?shù)正態(tài)分布的效果明顯優(yōu)于K分布，即對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)海雜波尾部的擬合更好，這正是雜波處理關(guān)心的區(qū)域。因此，這里選擇對(duì)數(shù)正態(tài)分布作為海雜波幅度分布的模型。

當(dāng)然，這一模型只適用于本批海雜波數(shù)據(jù)，由于海洋表面的復(fù)雜、無(wú)規(guī)律的、永無(wú)止境的運(yùn)動(dòng)特性以及其它因素，如地雜波，氣象雜波，熱噪聲的影響，建立統(tǒng)一的幅度分布模型還不現(xiàn)實(shí)，只有基于實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的雜波模型才具有現(xiàn)實(shí)意義。

海雜波的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度如圖10和圖11所示。

圖10 海雜波的空間自相關(guān)函數(shù)

圖11 海雜波的功率譜密度

這里僅給出了1000個(gè)重復(fù)周期所有第121個(gè)距離單元的雜波幅度擬合曲線，實(shí)際上在其它距離單元，情況多少有所不同。在極個(gè)別距離單元，擬合效果K分布要好于對(duì)數(shù)正態(tài)分布，但也是效果相差不大；絕大多數(shù)距離單元上，都是對(duì)數(shù)正態(tài)分布的效果優(yōu)于K分布。

以下為本批海雜波數(shù)據(jù)的頻譜特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。以海雜波的峰值（第68個(gè)距離單元處）的500個(gè)重復(fù)周期的數(shù)據(jù)來(lái)分析信號(hào)的頻譜，即做500點(diǎn)的FFT，如圖12所示。復(fù)信號(hào)的頻譜為單邊譜。圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)重復(fù)周期數(shù)目，第500點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為303.03Hz，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)信號(hào)做FFT之后的模值。為了分析不同距離單元上頻譜的差異性，以與該距離單元偏離10點(diǎn)以外（即第78點(diǎn)）的點(diǎn)為例，對(duì)該距離單元的500個(gè)方位進(jìn)行譜分析，從圖13中可以看出，海雜波在臨近的距離單元上頻譜的一致性比較好。

圖12 復(fù)信號(hào)頻譜（第68距離單元）

圖13 復(fù)信號(hào)頻譜（第78距離單元）

將譜線進(jìn)行局部放大，可以發(fā)現(xiàn)頻譜的峰值點(diǎn)在第29點(diǎn)，以頻譜的峰值點(diǎn)為多普勒頻移，可以計(jì)算出海雜波的多普勒頻移為

折合成海雜波的徑向運(yùn)動(dòng)速度為

其中λ是取雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的中心頻率（5675MHz）計(jì)算得來(lái)，即

以電壓3dB處頻譜寬度作為海雜波的頻率分布的標(biāo)準(zhǔn)差為

可以計(jì)算出海雜波的速度分布的標(biāo)準(zhǔn)差為

3 結(jié)論

本文基于DMC雷達(dá)數(shù)據(jù)采集器開(kāi)發(fā)了雷達(dá)中/視頻信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，依托該應(yīng)用程序，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)高分辨力雷達(dá)和新的信號(hào)形式下的海雜波特性進(jìn)行了分析和建模方法研究。后續(xù)應(yīng)建立更加豐富完善的雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)庫(kù)，可供事后準(zhǔn)確的定量測(cè)試和評(píng)估，同時(shí)可開(kāi)展適合新型雷達(dá)裝備的信號(hào)處理、目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別方法的應(yīng)用研究。

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