基于矢量計算的雷達監測信號處理方法

付 林，江偉偉，陸 峻

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

數字相控陣雷達中通道間的相位不一致性對數字波束形成的波束指向及方向圖副瓣電平等均會產生較大的影響。數字相控陣雷達工作時需要對通道間的相位不一致性進行補償。通道間相位差的獲取求解方法有IQ正交求解法[1]、數字相關法[2]、FFT法[3]和相位差分法[4]。在各種方法的使用過程中均需要對IQ數據進行計算求解。但是，直接編程序對IQ數據進行計算，由于PowerPC主頻較低等不足，導致計算時間長，無法達到使用要求。

針對上述問題，本文提出一種基于矢量計算的雷達監測信號處理的方法，設計并實現了實時雷達監測信號處理模塊。實時雷達監測信號處理模塊分析并分解雷達監測信號處理流程，將其重新設計為基于矢量進行計算的計算流程，采用PowerPC矢量庫，實現了高效的信號處理，可以滿足實時雷達監測信號處理的要求。

1 算法描述

本文以FFT法[3]為例對算法進行理論描述和算法分解。

1.1 FFT法理論描述[3]

用FFT法求解通道之間的相位差的基本原理是：通過FFT得到兩路同頻信號的離散頻譜，分別求出其在最大譜線處的相位值，將求得的兩路信號相位值相減即可得到兩路信號的相位差。

設兩路信號分別為

x1(t)=A1cos(2πf0t+θ1)，

x2(t)=A2cos(2πf0t+θ2)

(1)

式中，A1、A2為信號幅度，f0為信號載頻。進行離散化處理，采樣頻率為fs，并對信號做N點FFT，則信號載頻f0可以表示為

f0=(k0+δ)·Δf

(2)

式中，k0為整數；δ為泄露誤差系數，且|δ|≤0.5；Δf為頻率分辨率，且Δf=fs/N。則

x1(n)=A1cos[2π(k0+δ)·n/N+θ1]，

n=0,1,…,N-1

(3)

對x1(n)進行傅里葉變換后得

k=0,1,…,N-1

(4)

X1(k)在k=k0處有最大譜線。只考慮正頻率成份，則有

(5)

X1(k)在k=k0處的相位φ1為

φ1=θ1+πδ-πδ/N

(6)

同理，信號x2(n)的頻譜X2(k)在k=k0處的相位φ2為

φ2=θ2+πδ-πδ/N

(7)

所以，兩信號的相位差為

φ=θ2-θ1=φ2-φ1

(8)

1.2 矢量算法

從上述理論描述中對x1(t)進行采樣后得到x1(n)，同樣對x2(t)進行采樣后得到x2(n)。根據式(4)需要對x1(n)和x2(n)進行傅里葉變換。傳統方法需要通過for語句對IQ進行復合變換為復數，即

x1C(i)=x1I(i)+j·x1Q(i),i=1,…,n

(9)

x2C(i)=x2I(i)+j·x2Q(i),i=1,…,n

(10)

而采用PowerPC矢量庫后，設計矢量計算方法則為

(11)

(12)

隨后的傅里葉變換采用FFT算法：

(13)

(14)

式(5)中需要找到X1(k)和X2(k)的最大值，同樣需要使用循環語句，即

X(i)A=|X(i)|,i=1,…,n

(15)

kMax=k, {X(k)A=Max[X(n)A]}

(16)

設計矢量計算方法則為

(17)

(18)

同樣的，根據式(6)、(7)可以得到φ1、φ2，利用式(8)得到相位差φ。

2 仿真分析

以兩個通道為例，在輸入相同的正弦單頻點測試信號時設兩通道輸出信號的初相差為10°，分別加復數形式的高斯白噪聲，采樣頻率fs=200 MHz，載頻f0=80 MHz，進行了100次通道測量計算。分別采用矢量算法和傳統循環算法時仿真結果如表1所示。

表1 通道相位差測量計算時間對比

由仿真結果可見，采用矢量算法將算法效率提高一個數量級，其單通道計算時間均為T<0.045 ms，當通道數為80時計算所有通道所需時間小于3.6 ms，再對所有50個載頻進行計算。計算所需時間小于180 ms，遠小于監測流程所需的工作時間，可以滿足工程實踐要求。

3 結束語

現代雷達信號處理中大量采用PowerPC平臺。PowerPC平臺由于其CPU主頻低等特點導致傳統常規的計算方法效率低，無法滿足雷達信號處理的實時性要求。本文提出的基于PowerPC矢量庫的矢量算法，充分利用CPU的流水線性能，極大地提高了計算性能，滿足了工程實踐中信號處理對實時性的要求，具有工程實用價值。