船舶VTS雷達(dá)信號測試與分析技術(shù)

高積學(xué)

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451100)

0 引 言

我國海事部門在VTS雷達(dá)技術(shù)的開發(fā)和使用方面取得了一定成績，借助雷達(dá)信號實現(xiàn)對所管轄區(qū)域內(nèi)船舶的全面監(jiān)管，改善了監(jiān)控水域的交通秩序，能夠保證水上交通環(huán)境安全。在VTS雷達(dá)信號中，脈沖波雷達(dá)是雷達(dá)信號的主要形式，為保證雷達(dá)信號實時傳輸，需要依靠FPGA（簡稱：大規(guī)模現(xiàn)場可編程門陣列）實現(xiàn)雷達(dá)信號算法，優(yōu)化維護(hù)雷達(dá)信號控制，消除海上雜波對雷達(dá)信號的影響。

1 船舶VTS雷達(dá)信號

1.1 雷達(dá)工作原理

VTS（船舶交通服務(wù)系統(tǒng)）是對港口、航道進(jìn)行交通管理和提供交通服務(wù)的綜合性系統(tǒng)，其目的在于保證船舶交通安全，提高交通效率。在船舶VTS中，雷達(dá)是主要的監(jiān)視設(shè)備，由收發(fā)機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、處理器、顯示器、天線等部分構(gòu)成，如圖1所示。VTS雷達(dá)運(yùn)行由定時脈沖觸發(fā)，產(chǎn)生大功率射頻脈沖，脈沖通過發(fā)射機(jī)放大信號，借助天線向水平空間掃描波束。當(dāng)遇到探測目標(biāo)后，掃描信號形成反射回波，發(fā)送回天線，天線檢測到信號傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，由接收機(jī)處理回波信號，處理后將信號傳輸?shù)浇K端顯示器，以數(shù)據(jù)信息形式顯示并存儲。

1.2 雷達(dá)信號模擬軟件

圖1 船舶VTS專用雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of special radar for vessel VTS

雷達(dá)信號模擬軟件開發(fā)是船舶VTS雷達(dá)信號測試與分析的基礎(chǔ)，本文提出基于MFC框架VC編程開發(fā)軟件，并運(yùn)用光柵掃描方法掃描雷達(dá)目標(biāo)，探測雷達(dá)信號。采用仿真軟件開發(fā)雷達(dá)信號模擬軟件，要求界面簡潔、窗口清晰，能夠完全模擬VTS雷達(dá)信號覆蓋范圍，根據(jù)探測需求移動雷達(dá)站位置，重新確定雷達(dá)信號覆蓋范圍。仿真模擬軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括以下3個模塊：一是人機(jī)交互模塊，用于滿足用戶的遠(yuǎn)程操作訪問，要求該模塊具備操作便捷性，能夠輸入各種參數(shù)和三維GIS數(shù)據(jù)，直觀顯示雷達(dá)信號仿真結(jié)果；二是回波計算模塊，用于模擬VTS雷達(dá)信號覆蓋情況，計算模擬效果，該模塊由計算參數(shù)設(shè)置與回波計算部分構(gòu)成；三是信號仿真顯示模塊，通過觀測雷達(dá)模擬信號結(jié)果，查看是否存在盲區(qū)，為消除盲區(qū)提供技術(shù)支持。

圖2 船舶VTS雷達(dá)信號模擬軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of ship VTS radar signal simulation software system

1.3 雷達(dá)信號測試設(shè)計

船舶雷達(dá)信號測試可以對雷達(dá)系統(tǒng)接收和輸出信號載波頻率進(jìn)行精確測試分析，主要包括三個部位：一是比較信號源模塊，借助MCU對比較信號源的相位、載波頻率、幅度等參數(shù)進(jìn)行控制，完成晶體振蕩器鎖相環(huán)操作。二是本振源模塊，利用乘法器MIX測定雷達(dá)信號，在濾波器過濾掉高頻部分，將過濾掉的信號與比較信號用于測試。三是變頻混頻模塊，利用鎖相環(huán)輸出信號，在輸出過程中會生成諧波，利用帶通濾波器過濾掉諧波，用于比較信號功率數(shù)據(jù)控制。船舶雷達(dá)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在設(shè)計過程中要確定雷達(dá)信號頻率范圍、組帶、帶通衰減波紋等參數(shù)，當(dāng)雷達(dá)信號頻率范圍在9.02～9.87 GHz時，阻帶衰減系數(shù)為0.048，帶通邊緣衰減系數(shù)為0.045；當(dāng)雷達(dá)信號頻率處于上波紋波動時，組帶衰減系數(shù)處于下波紋浮動；當(dāng)雷達(dá)信號頻率范圍在0.012 GHz時，阻帶衰減系數(shù)為0.009。

圖3 船舶VTS雷達(dá)信號測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig. 3 Structural design of ship VTS radar signal test system

低通濾波器采用RC電路，濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示，頻率傳輸計算公式為：

對經(jīng)過低通濾波器域函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出比較信號加權(quán)值，公式為：

將載波頻率轉(zhuǎn)化為線形函數(shù)，用于抵消各類載波對載波頻率和相位變化帶來的影響，計算公式為：

在設(shè)計帶通濾波時也可以采用上述公式，用RC電路替代LC電路即可。

圖4 船舶VTS雷達(dá)信號測試系統(tǒng)中低通濾波器運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Operation structure diagram of low-pass filter of marine VTS radar signal test system

2 船舶VTS雷達(dá)信號測試與分析技術(shù)

2.1 雷達(dá)信號測試模塊構(gòu)建

在艦船VTS雷達(dá)信號測試中，需設(shè)計系統(tǒng)控制模塊，用于控制指令、數(shù)據(jù)速率、方位選擇以及量程等參數(shù)。雷達(dá)信號系統(tǒng)控制模塊包括：

指令解析模塊。用戶向雷達(dá)信號系統(tǒng)中發(fā)送調(diào)節(jié)控制指令，包括雨雪控制、海浪控制、偏心顯示等，其實現(xiàn)步驟為：在系統(tǒng)中設(shè)置32位變量，從網(wǎng)口接收9個字節(jié)數(shù)據(jù)長度，對數(shù)據(jù)是否定義為指令幀頭進(jìn)行分析；當(dāng)判定為指令幀頭后繼續(xù)判定下一個幀頭，將判斷依據(jù)存儲到cmd_data變量中，再繼續(xù)判斷幀頭；當(dāng)數(shù)據(jù)中不再出現(xiàn)指令幀頭后，清零處理變量，等待網(wǎng)口傳輸新的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)速率控制模塊。該模塊要保證存儲的雷達(dá)信號形成不同量程的分頻指數(shù)，按照不同的分頻系數(shù)讀取ROM數(shù)據(jù)。以2 Nm量程為例，分頻系數(shù)為3，利用計數(shù)器計算每間隔2個時鐘周期的高電平有效使能，雷達(dá)信號測試中數(shù)據(jù)速率控制實時采集圖如圖5所示。當(dāng)量程信號為0X06時，計數(shù)器按照0,1,2周期變化，讀取cnt0，數(shù)據(jù)速率信號也呈現(xiàn)出周期性變化。

圖5 雷達(dá)信號測試中數(shù)據(jù)速率控制實時采集圖Fig. 5 Real time acquisition diagram of data rate control in radar signal test

量程選擇。在信號處理系統(tǒng)中，通過改變掃描線數(shù)據(jù)可以改變量程，清除掉所有數(shù)據(jù)速率控制中產(chǎn)生的雜波，重新向系統(tǒng)傳輸新數(shù)據(jù)。該模塊運(yùn)行步驟如下：用戶發(fā)出量程控制指令，對所有量程編碼，根據(jù)量程指令信息輸入編碼狀態(tài)，輸出量程控制信息，達(dá)到自動調(diào)諧的目的。

調(diào)諧控制。在雷達(dá)天線系統(tǒng)中，利用調(diào)諧控制模塊對天線本振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高雷達(dá)信號回收質(zhì)量。該模塊主要通過調(diào)諧電壓的方式對不同類型雷達(dá)天線進(jìn)行控制，本文提出的雷達(dá)信號測試采用的電壓為5～12 V，處理雷達(dá)信號時使用DA轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可以控制調(diào)諧電壓，改變信息指令，滿足多種狀態(tài)下調(diào)諧控制需要。自動調(diào)諧控制的執(zhí)行步驟如下：內(nèi)嵌雷達(dá)信號質(zhì)量自動檢測模塊，根據(jù)信號質(zhì)量輸出相應(yīng)變量值，用于指示信號調(diào)諧；調(diào)用ROM存儲器，編碼值為DM62352，對應(yīng)5～12 V電壓，ROM存儲器用于存儲各類控制信息；讀取任意取值范圍內(nèi)的地址變量信息，當(dāng)信號達(dá)到最大值時，自動記錄地址和量程信息；在顯示控制中心保存和記錄信息，完成自動調(diào)諧。

獲取方位。借助雷達(dá)天線反饋的BP信號和HD信號確定測試目標(biāo)的方位，天線角度根據(jù)測試項目而定。方波信號為200 Hz，天線旋轉(zhuǎn)一周的指示信號為HD信號，旋轉(zhuǎn)速度為25 r/min，每間隔2.4 s發(fā)出一次脈沖信號。采用脈沖計數(shù)法計算出天線旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)脈沖發(fā)射頻率達(dá)到600 Hz最小值時，則難以分辨出方位角度，此時要利用均勻插值法量化角度信息，提高雷達(dá)系統(tǒng)信號測試的準(zhǔn)確性。方位信息獲取流程為：系統(tǒng)獲取BP信號和HD信號后，判斷信號是否出現(xiàn)明顯抖動，對于小于50 M的脈沖信號而言，會直接影響變量記錄結(jié)果；選取與BP信號相鄰的2個信號作為脈沖使能，設(shè)置方位計數(shù)器變量，累加脈沖使能；清零處理HD信號接收過程中的方位計數(shù)器變量，處理完畢脈沖信號后，傳輸變量值信號到控制系統(tǒng)終端。

丟失檢測。雷達(dá)信號測試的最后階段為信號丟失檢測，利用3個計數(shù)器獲取方位信息、船艏信息和雷達(dá)回波信息，任意一個信號缺失都會直接反饋到控制系統(tǒng)中，計數(shù)器停止對此信息采集，并在終端顯示界面給予警示。

2.2 雷達(dá)信號測試平臺

船舶VTS雷達(dá)信號測試需建立測試平臺，硬件平臺包括信號處理板、雷達(dá)天線、顯控終端軟件。雷達(dá)信號系統(tǒng)中選用FURUNO天線系統(tǒng)，雷達(dá)上單元的頻率為9 500 MHz，水平與垂直波束寬度分別為2.4°，27°，轉(zhuǎn)速為25 rad/min，調(diào)諧電壓為5～12 V。雷達(dá)天線與PC主機(jī)、直流電源連接，信號處理卡選用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，信號處理器為FPGA；軟件平臺采用FPGA軟件開發(fā)，編寫程序代碼，借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手測試網(wǎng)口接口，將雷達(dá)回波波形顯示到控制終端。

2.3 測試結(jié)果分析

在控制顯示屏幕上查看雷達(dá)信號處理結(jié)果，分析雜波抑制效果，具體測試結(jié)果包括：

在天線接口處，VIDEO用于發(fā)送視頻信號，電壓為0～5 V；HD表示船首信號，BP表示方位角度信號，TRIGGER表示脈沖觸發(fā)信號，PLA和PLB表示脈寬控制信號。基于Quartus軟件采集測試天線信號，用于驗證天線接口數(shù)據(jù)獲取是否正常。該軟件自帶邏輯分析模塊，可以用于分析HD和BP信號。

天線接口測試。BP信號周期較短，HD信號繞雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周，經(jīng)歷2.4 s，頻率為200 MHz。在FPGA接收到視頻回波信號之后，得出VIDEO信號測試結(jié)果，如圖6所示。從圖中可見，原始天線信號隨著回波強(qiáng)度的增加而減弱，視頻信號能夠正常接收控制脈寬信號，實現(xiàn)FPGA與天線的交互操作。

圖6 船舶VTS雷達(dá)信號中VIDEO信號的測試結(jié)果Fig. 6 Test results of video signal in ship VTS radar signal

網(wǎng)口測試。顯示控制終端通過網(wǎng)口與FPGA連接，用于傳輸控制指令和信號。網(wǎng)口為獨(dú)立模塊，借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手聯(lián)通FPGA，可以測試網(wǎng)口信息傳輸是否正確。測試過程如下：向網(wǎng)口發(fā)送測試請求，IP地址為172.24.52.125，源端口和本地端口分別為7 776、7 777。在邏輯分析儀的支持下，實時采集FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)后可將信號傳輸?shù)絇C機(jī)終端。根據(jù)測試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸正確，證明網(wǎng)口設(shè)計滿足雷達(dá)信號探測要求。

在測試?yán)走_(dá)信號控制系統(tǒng)時，要對比分析回波圖像在同等條件下是否顯示正常。借助FURUNO雷達(dá)平臺調(diào)試顯示狀態(tài)，在1.5 Nm雷達(dá)平臺上顯示探測圖像，根據(jù)測試結(jié)果表明，雷達(dá)信號算法能夠有效協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)平臺運(yùn)行。在調(diào)諧控制天線過程中，將抑制強(qiáng)度設(shè)置為0，以達(dá)到規(guī)避海浪等外界條件干擾測試結(jié)果的目的。測試量程為2 Nm，調(diào)諧設(shè)置為260，雷達(dá)圖像可以通過手動調(diào)節(jié)增大，發(fā)現(xiàn)探測目標(biāo)日趨飽滿。當(dāng)調(diào)諧增至450時，可以繼續(xù)放大圖像，再利用船舶VTS雷達(dá)信號平臺對天線進(jìn)行調(diào)節(jié)。

海雜波抑制測試。回波顯示質(zhì)量與海雜波抑制效果有關(guān)，通過雷達(dá)信號測試對海雜波的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析抑制后的波形，可以提高回波圖像的準(zhǔn)確性。在一定環(huán)境下，雜波抑制強(qiáng)度達(dá)到0時，船舶VTS雷達(dá)信號無法識別目標(biāo)。當(dāng)抑制強(qiáng)度增至60時，能夠?qū)走_(dá)掃描近距離區(qū)域內(nèi)的雜波產(chǎn)生抑制作用，保留遠(yuǎn)距離的檢測目標(biāo)，由此表明STC曲線能夠有效抑制海浪。在相同條件下，對比分析不同顯示系統(tǒng)中的圖像，利用雷達(dá)系統(tǒng)對比分析圖像，證實海雜波具有良好的抑制效果。

目標(biāo)識別測試。利用顯示控制軟件測試目標(biāo)，用于驗證目標(biāo)功能是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，采用自主開發(fā)的顯控系統(tǒng)，顯示雷達(dá)掃描整體目標(biāo)識別情況。雷達(dá)天線不存在測試目標(biāo)時，在測試條件的影響下只用于對靜態(tài)目標(biāo)識別效果進(jìn)行顯示，目標(biāo)識別效果優(yōu)于其他目標(biāo)。從某一局部放大后的圖像可以看出，目標(biāo)識別模塊與圖像顯示的位置相同，能夠滿足測試要求。

3 結(jié) 語

船舶VTS雷達(dá)信號測試?yán)肍PGA實現(xiàn)雷達(dá)信號算法，能夠提高雷達(dá)信號處理實時性。雷達(dá)發(fā)射信號測試與分析要以掌握脈沖波雷達(dá)工作原理和信號發(fā)射特點(diǎn)為前提，引入距離測量和角度測量，綜合考慮雷達(dá)信號特點(diǎn)，交互處理信號數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)口傳輸VTS雷達(dá)信號，保證雷達(dá)信號處理的可靠性。