一種基于梳狀濾波器原理的重頻跟蹤方法

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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一種基于梳狀濾波器原理的重頻跟蹤方法

丁興軍，王星宇

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

面對現(xiàn)代電子戰(zhàn)復雜的電磁環(huán)境以及不斷涌現(xiàn)的新體制雷達，如何快速建立重頻跟蹤成為一個緊迫問題。利用雷達脈沖的相參性，提出了一種基于梳狀濾波器原理的快速跟蹤算法,利用重頻信息產(chǎn)生梳狀預測波門，對緩存的脈沖作同時匹配，解決了丟脈沖情況下的跟蹤建立問題。為了將算法效能最優(yōu)化，提出了一種雙數(shù)字信號處理(DSP)+現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的并行數(shù)據(jù)流硬件解決方案。實驗結果表明該方法能極大地提高重頻跟蹤的成功率和降低虛警率。

梳狀濾波器；重頻跟蹤；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引 言

雷達信號PRF跟蹤系統(tǒng)的作用是截獲一定頻域和空域范圍內的雷達輻射源信號并跟蹤雷達信號。隨著電子信息的迅猛發(fā)展，電磁環(huán)境密集而復雜，新雷達體制不斷涌現(xiàn)，其抗干擾能力不斷完善，所有這些都對電子對抗系統(tǒng)，尤其是重頻跟蹤的成功率和有效性提出了新的挑戰(zhàn)。

本文從復雜電磁環(huán)境下如何迅速建立跟蹤入手，分析了傳統(tǒng)重頻跟蹤中建立跟蹤的薄弱點[1-3]，提出了利用梳狀濾波器原理進行跟蹤的措施，提高了建立跟蹤的時效性。

1 傳統(tǒng)建立跟蹤算法的缺陷

在復雜電磁環(huán)境下，當重頻跟蹤器跟蹤某一部雷達時，由于受到干擾，至少需要3個脈沖確定該序列為所引導的威脅目標雷達的脈沖序列。如圖1，脈沖1作為起始脈沖，脈沖2確定脈沖重復間隔，脈沖3對脈沖序列進行再確認。

圖1 雷達脈沖序列

針對這個建立跟蹤的邏輯，當前主流算法都是脈沖1到達時首先觸發(fā)半波門產(chǎn)生電路，產(chǎn)生1個半波門信號，首脈沖控制電路給出脈沖重復頻率(PRF),計數(shù)電路采用減計數(shù)方式工作，當減為零時輸出控制信號，控制波門產(chǎn)生電路產(chǎn)生波門。波門產(chǎn)生后，首脈沖控制電路判斷波門內是否有脈沖，若有脈沖則進入正常跟蹤狀態(tài)；若沒有脈沖則重新進行首脈沖捕捉。進入正常跟蹤狀態(tài)后，需要連續(xù)正確捕捉到一定數(shù)量脈沖數(shù)后(最低1個，例如脈沖3)建立跟蹤，才準許對外輸出跟蹤波門。這種算法在簡單電磁環(huán)境下很有效，但在復雜電磁環(huán)境下則很難建立跟蹤。如圖2，虛線為缺失脈沖。接收機由于靈敏度或者同時到達信號等原因出現(xiàn)丟脈沖現(xiàn)象，沒有連續(xù)的重頻間隔，按照當前算法則很難建立跟蹤。在作戰(zhàn)情況下，每個脈沖都很珍貴，如若不慎，容易貽誤戰(zhàn)機。

圖2 復雜環(huán)境下丟脈沖序列

2 基于梳狀濾波器原理的重頻跟蹤方法

梳狀濾波器是由許多按一定頻率間隔排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的信號通過。梳狀濾波器的特性曲線象梳子一樣，故被稱為梳狀濾波器。

對于重頻跟蹤來說，就是根據(jù)雷達信號的重頻，產(chǎn)生預到達波門(捕獲波門)，落在預到達波門內的就是所期望的雷達脈沖[4]。傳統(tǒng)的跟蹤算法都是在收到一個脈沖后，預測下一個脈沖，之前出現(xiàn)的脈沖都丟棄。這種算法割裂了雷達脈沖之間的相關性，所以在復雜電磁環(huán)境下，效能很差[5]。基于脈沖累積這種思想，可以同時預測多個波門，只有落在波門內的脈沖數(shù)量超過門限，才可確認當前序列為引導威脅雷達目標序列，從而建立跟蹤輸出跟蹤波門。這種基于梳狀濾波器原理的重頻跟蹤方法，即用梳狀捕獲波門進行重頻跟蹤。如圖3，如果門限設為3個脈沖，則可以判定成功建立跟蹤。

圖3 梳狀捕獲波門示意圖

3 算法步驟

(1) 在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內部對每個跟蹤通道開辟17個脈沖緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)滿時，第1個脈沖自動流出。

(2) CPU根據(jù)引導威脅目標參數(shù)裝訂到達方向(DOA)、射頻(RF)、脈寬(PW)三參數(shù)關聯(lián)比較器。

(3) FPGA根據(jù)裝訂重頻序列，生成17齒梳狀捕獲波門，若重頻不足16個，則重復輸入。以4參差為例，序列如下:Pri1、Pri2、Pri3和Pri4。則梳狀捕獲如下重頻:(Pri1,Pri2,Pri3,Pri4), (Pri1,Pri2,Pri3,Pri4), (Pri1,Pri2,Pri3,Pri4), (Pri1,Pri2,Pri3,Pri4)。若設Pri1=100,Pri2=110,Pri3=120,Pri4=130，單位為μs，則生成梳狀捕獲波門如圖4。

(4) FPGA對經(jīng)關聯(lián)比較器匹配后的脈沖(Filt_rdy)打上時戳，存入緩沖區(qū)。

(5) 緩沖區(qū)內每進1個脈沖，序列確認電路則用梳狀捕獲波門對緩沖區(qū)內的脈沖作匹配，若不匹配則調整梳狀捕獲波門捕捉PRI的順序，具體操作就是循環(huán)移位操作。如初始為(Pri1,Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15,Pri16),第1次循環(huán)移位后變?yōu)?Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15,Pri16,Pri1)。

若一直遍歷到(Pri16,Pri1,Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15),就回到初始態(tài)(Pri1,Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15,Pri16)，等待下一個進入緩沖區(qū)的脈沖繼續(xù)進行捕獲。若能成功匹配成功3個脈沖，則轉入步驟(6)，進行重頻預測跟蹤，并輸出波門。

(6) 用最新匹配的重頻值的下一個重頻值實時預測下一個脈沖，并同步給出預到達波門和半波門。若捕獲波門內無脈沖，則進行消失計數(shù)。不管當前重頻值是否跟蹤成功，在捕獲波門過去后，立即轉入對下一個重頻值的捕捉，直到消失計數(shù)大于判消失閾值。若判為消失后，則自動轉入步驟(5)，進行雷達序列再確認，如此循環(huán)往復,如圖5所示。

圖4 16齒梳狀捕獲波門

圖5 雷達序列確認電路示意圖

4 硬件實現(xiàn)

本文硬件平臺采用了雙DSP+FPGA的并行結構。DSP采用TMS320C6000，F(xiàn)PGA采用ALTERA EP2S180 芯片。DSP與FPGA通過外圍存儲器接口(EMIF)進行數(shù)據(jù)交換，DSP1與DSP2通過Serial RapidIO進行數(shù)據(jù)交換[6]。硬件平臺著重考慮了高速無瓶頸大動態(tài)范圍數(shù)據(jù)分配內部局部總線，保證雙DSP做到真正意義上的并行全速運行，同時做到軟件運行與硬件數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫連接，使協(xié)同工作的編程難度降低。

硬件的功能劃分如圖6所示。DSP1的功能就是接受外部威脅目標引導報文，通過EMIF總線對FPGA濾波器和跟蹤器進行參數(shù)預裝，并讀取跟蹤狀態(tài)寄存器內容，上報跟蹤狀態(tài)。DSP2實現(xiàn)的是快速分選的功能。讀取先進先出(FIFO)中經(jīng)過參數(shù)匹配后的脈沖描述字(PDW)，進行累積分析，實時更新威脅目標參數(shù)信息，并通過RapidIO上報到DSP1，DSP1接收到目標更新參數(shù)后，對濾波器和跟蹤器中的預置參數(shù)進行微調，保證跟蹤的連續(xù)性。

圖6 硬件功能劃分示意圖

FPGA實現(xiàn)參數(shù)濾波和PRF跟蹤功能。FPGA接收DSP的參數(shù)預置，對輸入的PDW進行參數(shù)匹配，輸出匹配Filt_rdy。Filt_rdy分為3路：作為雷達序列確認電路的輸入信號、作為捕獲波門產(chǎn)生電路的輸入信號以及作為FIFO鎖存PDW的使能信號。重頻跟蹤器是重頻跟蹤的核心電路，其由雷達序列確認電路、捕獲波門產(chǎn)生電路、脈沖捕獲成功判斷和波門產(chǎn)生電路等部件組成。雷達序列確認電路對輸入的Filt_rdy進行匹配，當匹配成功時，會輸出脈沖序列匹配成功標志，觸發(fā)捕獲波門產(chǎn)生電路，進入正常的跟蹤模式。脈沖捕獲成功判斷電路流水判斷捕獲波門內的脈沖是否為有效跟蹤脈沖，并輸出標志給跟蹤丟失判斷電路。跟蹤丟失判斷電路對輸入的跟蹤標志進行累積判決并將跟蹤結果寫入跟蹤狀態(tài)寄存器。若連續(xù)多次未捕獲成功，則判跟蹤丟失。同時使能捕獲波門產(chǎn)生電路接收雷達序列確認電路的觸發(fā)并控制波門產(chǎn)生電路對外輸出波門。波門產(chǎn)生電路生成跟蹤時序，實時產(chǎn)生數(shù)字儲頻和噪聲壓制所需的不同波門。

5 結束語

本文所采用的基于梳狀濾波器原理的重頻跟蹤方法，對于重頻固定、參差、脈組等信號的跟蹤效果改善顯著;但在丟脈沖或收發(fā)隔離不理想時，對重頻大抖動信號跟蹤仍然不是很理想。下一階段可以結合緩存的PDW，利用參數(shù)估計理論(如卡爾曼濾波等)產(chǎn)生捕獲波門，只要樣本適當，可以提高抖動信號的跟蹤效率。

[1] 郜麗鵬，葉方，司錫才.PRF跟蹤器設計與實現(xiàn)[J].彈箭與制導學報，2005,25(3):560-563.

[2] 錢志芳，胡小禹，張榮君，穆吉儒.一種適應復雜電磁環(huán)境的重頻跟蹤方法[J]電子設計工程，2015,23(9):142- 144.

[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(tǒng)工程與電子技術，2001,23(10):22-24.

[4] 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.

[5] 楊建軍．通用通信干擾信號發(fā)生器設計[J]．無線電通信技術，2013,39(3):83-85.

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A PRF Tracking Method Based on The Princple of Comb Filter

DING Xing-jun，WANG Xing-yu

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

Facing to the complex electromagnetic environment and arising of new system radar in modern electronic warfare,it becomes an urgent problem how to rapidly establish pulse repetition frequency (PRF) tracking.This paper uses the coherent characteristics of radar pulse to propose a rapidly tracking algorithm based on comb filter principle,uses PRF information to generate comb prediction gate,performs matching to buffered pulse,which solves the problem to establish tracking in the state that pulses are lost.For optimizing the algorithm efficiency,a parallel data stream hardware solution project based on double digital signal processing (DSP)+field programmable gate array (FPGA) is proposed.The experiment results show that the method can greatly improve the success rate of PRF tracking and reduce the false alarm probability.

comb filter;pulse repetition frequency;field programmable gate array

2015-12-05

TN971

A

CN32-1413(2016)03-0067-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.017