一種基于脈沖重頻跟蹤的信號分選方法

丁興軍，王星宇

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種基于脈沖重頻跟蹤的信號分選方法

丁興軍，王星宇

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

摘要：脈沖重頻是雷達信號的重要特征之一，能否充分利用雷達信號的脈沖重頻信息，直接影響雷達信號分選質量。采用由CPU給出的分選結果，包括最后一個用于分選的脈沖的到達時間，裝訂現場可編程門陣列(FPGA)關聯比較器，利用雷達信號到達時間的相參性，將前后脈沖的到達時間差取余，根據余數判斷兩脈沖的相參關系，快速建立跟蹤，由硬件實現對關聯信號的脈沖重頻跟蹤，提高了速度，實現了信號跟蹤的穩定性。

關鍵詞：重頻跟蹤；雷達信號分選；相參

0引言

重頻是雷達信號的重要特征之一[1]。對雷達信號的重頻進行跟蹤用處很多，對電子偵察設備而言，它可以通過硬件對信號進行重頻跟蹤，從而稀釋信號，降低信號密度。對電子干擾設備而言，對被干擾的信號進行重頻跟蹤，可以預測下一個脈沖的到達時刻，產生跟蹤波門，減少干擾資源，達到對多批目標同時干擾的目的。

傳統的重頻跟蹤方法[2-3]是將當前脈沖的到達時間減去前一個脈沖的到達時間,判斷該差值是否與裝訂的重頻值一致，一旦脈沖丟失多或者同方位有相同的掃描信號存在，那么對下一個脈沖或掃描包絡的首脈沖就很難確定，有可能跟蹤不上或跟蹤到另一部上，造成張冠李戴。傳統的重頻跟蹤方法對簡單環境下的重頻固定信號跟蹤效果尚可，但在復雜密集的電磁環境下，對重頻固定信號的跟蹤效果就已經不理想了，對重頻抖動和重頻參差信號的跟蹤就無從談起[4]。

本文采用由CPU分選出信號后，利用分選結果信息(包括最后一個分選脈沖的到達時間)裝訂現場可編程門陣列(FPGA)關聯比較器，利用雷達信號到達時間的相參性，將前后脈沖的到達時間差取余，根據余數判斷脈沖的相參關系，由硬件實現對關聯信號的重頻跟蹤，提高了速度，實現了信號跟蹤的穩定性。

1原理設計

當接收機有脈沖描述字(PDW)輸入時，信號處理的FPGA接收該PDW，并將其存入先進先出(FIFO)進行緩沖，以避免高密度時信號丟失。將FIFO中的PDW逐個取出，首先判斷有無裝訂關聯比較器，若沒有裝訂，就將PDW作為自由脈沖送CPU進行信號分選，CPU分選出信號后，裝訂關聯比較器。如果有裝訂，就與裝訂的若干路的載頻、方位和脈寬同時進行關聯，若與某路的值匹配，則進行重頻跟蹤，若跟蹤上，就將該PDW存入相應的關聯通道，然后進行下一個脈沖的處理；跟蹤不上，則將該PDW作為自由脈沖送CPU進行分選。如此循環，達到重頻跟蹤的目的。

2實現步驟

具體實現步驟如下：

(1) CPU給FPGA裝訂關聯比較器

裝訂的參數為：

載頻(RF)上限、RF下限

脈寬(PW)上限、PW下限

到達方向(DOA)上限、DOA下限(視情況定是否需要啟動該參數)

重頻類型(PRITYPE)

PRIn(參差數)

PRI容差

PRI(對固定重頻信號為重復周期；對抖動信號為重復周期的中心值；對參差信號為幀周期)

PRI[8]：(相周期，最多考慮8參差的情況)

TOA：(臨時通道中用來分選的最后一個脈沖的到達時間)

TOA[8]：由CPU給FPGA裝訂的8個到達時間的預測波門

SCANtype:掃描類型

SCANtime：掃描周期

(2) 關聯比較器的實現

關聯比較器的實現如圖1所示：它由N路關聯比較器組成，當待處理的PDW進入FPGA后，該PDW的載頻、方位和脈寬同時和N路關聯比較器的對應參數進行比較，符合上就進行重頻跟蹤，不符合就將該PDW作為自由脈沖送CPU分選。

圖1　關聯比較器

(3) 關聯比較器的參數相關流程

每路關聯比較器的參數相關流程如圖2所示。

圖2　關聯比較器的參數相關

首先將進入的PDW0的RF0、DOA0和PW0與裝訂在該通道內的關聯參數相比較，若RF0、DOA0和PW0不在裝訂的容差范圍內，給出不匹配標志；在容差范圍內，則進行PRI跟蹤。若PRI不在容差范圍內，則給出不匹配標志；在容差范圍內，就將該脈沖存入該通道內。

(4) 重頻跟蹤的實現

當CPU給FPGA裝訂PRI和PRI容差及PRITYPE后，FPGA先判斷該信號是重頻固定或抖動信號還是重頻參差信號，然后按兩者不同的流程進行處理。該方法的優點是FPGA對輸入的脈沖無論之前丟失多少，都能通過TOA的相參關系自相關上。下文公式中為了表達方便，PRI用I表示，TOA用T表示。

(5) 對重頻固定和重頻抖動信號的重頻跟蹤處理

重頻固定信號的PRI模型為[5]:

(1)

式中：Ii為一個確定的的非時變常數。

重頻抖動信號的PRI模型為[6]：

(2)

式中:I0為雷達序列PRI的中心值;δi為在[-T,T]區間內服從均勻分布的隨機變量。

從式(1)和式(2)可以看出所有的Ii都可以落入PRI的固定容差內。所以2種重頻類型的重頻跟蹤模型是一致的。

重頻固定和重頻抖動信號的脈沖序列如圖3所示。

當關聯通道剛裝訂參數時，其通道內是空的(尚未關聯上相關脈沖)，由于CPU對臨時通道的脈沖進行分選和裝訂需要時間，而FPGA取出的Ti與裝訂的T之間有一些脈沖作為自由脈沖送入CPU(對FPGA關聯來說，這些脈沖相當于丟失)，如何確定與TOA關聯的第1個脈沖就顯得尤為重要。這里由FPGA進行自相關，方法如下：

圖3　重頻固定和重頻抖動信號的脈沖序列

ΔT=(Ti-T)MODI

如果ΔT≤I容差或I-ΔT≤I容差，則認為關聯上，將這第1個脈沖存入本通道的FIFO中，并保存該Ti。下一個脈沖Ti+1進入比較時，只需計算:ΔT=│(Ti+1-Ti)-I│≤PRI容差 或ΔT=(Ti+1-Ti)MODI。ΔT≤PRI容差或I-ΔT≤PRI容差即可。

這樣連續比較3個脈沖以后，就將本通道FIFO中的3個脈沖存入通道內，以后關聯上一個就存一個。

(6) 對重頻參差信號的重頻跟蹤處理

重頻參差信號的PRI模型[7]為：

Ii=Ii,k=imodn

(3)

式中:n為周期參差數;Ik(1≤k≤n)為n個確定的PRI常數。

幀周期I為所有Ik的和:

(4)

所以若2個脈沖之間T之差小于等于幀周期I，它們之間Ik的組合可能有n2種。

圖4　重頻參差信號的脈沖序列

重頻參差數為4的信號的脈沖序列如圖4所示。CPU在臨時通道內分選出參差信號后，要將參與分選的最后一個脈沖的TOA裝訂到關聯比較器，同時要將該脈沖以后出現的相周期次序裝訂到關聯比較器，還要裝訂幀周期I=I1+I2+…+In，參與分選的最后一個脈沖的到達時間為T，FPGA處理到達時間為Ti的脈沖時，首先計算：ΔT=(Ti-T)MODI，然后將余數ΔT同時與各相周期比較，若與其中的一個吻合，則確定了第一個相關上的脈沖；如果不吻合，則將余數ΔT同時與以每個相周期為起點的一級累加和(I1+I2， I2+I3，…，In-1+I1)相比較，不吻合，依次將余數ΔT與2級，…，n-1級累加和比較，只要與其中的一個吻合，則確定了第1個相關上的脈沖。以該脈沖為起點，當下一個脈沖Ti+1輸入時，計算ΔT=(Ti+1-Ti)MODI，重復上述過程，將跟蹤上的脈沖流分離出來。

以四參差為例：參與分選的最后一個脈沖的到達時間為T，給出的相周期次序就應該是PRI[4]={I3，I4，I1，I2}，當CPU給FPGA裝訂完PRI(這里的PRI是幀周期)、PRI容差、PRIn、PRI[8]、TOA及PRITYPE后，FPGA處理到達時間為Ti的脈沖時，首先計算：ΔT=(Ti-T)MODI,然后將余數ΔT同時與I1、I2、I3、I4比較，不在容差內，則同時與以每一個相周期為起點的一級累加和I1+I2， I2+I3，I3+I4， I4+I1相比較，與I3+I4相吻合，確定了第1個相關上的脈沖，將該脈沖存入FPGA分配的FIFO中。以該脈沖為起點，當下一個脈沖Ti+1輸入時，只要減去前一個脈沖的到達時間Ti即：ΔT=(Ti+1-Ti)MODI，重復上述比較過程，︱ΔT- I1︱

3結束語

本文著重闡述了如何利用重頻跟蹤對信號進行分流，逐步稀釋脈沖流，從而提高分選性能。該方法在實驗室環境中得以實現，證實了其有效性。特別在高重頻環境下，能夠有利于低重頻雷達信號的分選。只要選擇合適的硬件資源，可以用于實際工程。

參考文獻

[1]趙國慶.雷達對抗原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[2]巫勝洪.密集電磁環境下雷達信號實時跟蹤技術的研究[J].艦船電子對抗，2002,25(6):7-10.

[3]才軍，高紀明，趙建民.FPGA和CPLD在雷達信號分選預處理器重的應用[J].系統工程與電子技術，2001,23(10):22-24.

[4]胡和生.適應百萬脈沖/秒的ESM系統信號處理技術[J].艦船電子對抗，2004,27(3):6-8.

[5]周斌.基于PRI的脈沖序列去交錯方法[J].電子對抗, 2002，17(6):24-27.

[6]楊文華，高梅國.基于PRI的雷達脈沖序列分選方法[J].現代雷達，2005,27(3):50-53.

[7]趙長虹，趙國慶，劉東霞.對參差脈沖重復間隔脈沖列的重頻分選[J].西安電子科技大學學報(自然科學版)，2003,30(3):381-385.

A Signal Sorting Method Based PRF Tracking

DING Xing-jun，WANG Xing-yu

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:Pulse repetition frequency (PRF) is one of important features of radar signal,and whether the radar signal PRF information can be used adequately will directly influence the quality of radar signal sorting.This paper uses the sorting results given by CPU,which include the time of arrival (TOA) of the last pulse sorted,to bind the parameters of correlation comparator constructed by field programmable gate array (FPGA),uses the coherent relations of TOA of radar signals to get the remainder to TOA intervals of adjacent pulses,judges the coherent relationship of two pulses according to the remainder,constructs tracking rapidly,performs PRF tracking to correlative signals by hardware,which improves the velocity and realizes the stability of signal tracking.

Key words:pulse repetition frequency tracking;radar signal sorting;coherent

收稿日期:2015-12-05

中圖分類號：TN971.1

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0067-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.017