船舶VTS雷達信號測試與分析技術

高積學

(鄭州工業應用技術學院 信息工程學院，河南 鄭州 451100)

0 引 言

我國海事部門在VTS雷達技術的開發和使用方面取得了一定成績，借助雷達信號實現對所管轄區域內船舶的全面監管，改善了監控水域的交通秩序，能夠保證水上交通環境安全。在VTS雷達信號中，脈沖波雷達是雷達信號的主要形式，為保證雷達信號實時傳輸，需要依靠FPGA（簡稱：大規模現場可編程門陣列）實現雷達信號算法，優化維護雷達信號控制，消除海上雜波對雷達信號的影響。

1 船舶VTS雷達信號

1.1 雷達工作原理

VTS（船舶交通服務系統）是對港口、航道進行交通管理和提供交通服務的綜合性系統，其目的在于保證船舶交通安全，提高交通效率。在船舶VTS中，雷達是主要的監視設備，由收發機、發射機、接收機、處理器、顯示器、天線等部分構成，如圖1所示。VTS雷達運行由定時脈沖觸發，產生大功率射頻脈沖，脈沖通過發射機放大信號，借助天線向水平空間掃描波束。當遇到探測目標后，掃描信號形成反射回波，發送回天線，天線檢測到信號傳輸到接收機，由接收機處理回波信號，處理后將信號傳輸到終端顯示器，以數據信息形式顯示并存儲。

1.2 雷達信號模擬軟件

圖1 船舶VTS專用雷達結構圖Fig. 1 Structure diagram of special radar for vessel VTS

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

圖2 船舶VTS雷達信號模擬軟件系統結構圖Fig. 2 Structure diagram of ship VTS radar signal simulation software system

1.3 雷達信號測試設計

船舶雷達信號測試可以對雷達系統接收和輸出信號載波頻率進行精確測試分析，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、幅度等參數進行控制，完成晶體振蕩器鎖相環操作。二是本振源模塊，利用乘法器MIX測定雷達信號，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據控制。船舶雷達測試系統結構如圖3所示。在設計過程中要確定雷達信號頻率范圍、組帶、帶通衰減波紋等參數，當雷達信號頻率范圍在9.02～9.87 GHz時，阻帶衰減系數為0.048，帶通邊緣衰減系數為0.045；當雷達信號頻率處于上波紋波動時，組帶衰減系數處于下波紋浮動；當雷達信號頻率范圍在0.012 GHz時，阻帶衰減系數為0.009。

圖3 船舶VTS雷達信號測試系統結構設計Fig. 3 Structural design of ship VTS radar signal test system

低通濾波器采用RC電路，濾波器結構如圖4所示，頻率傳輸計算公式為：

對經過低通濾波器域函數進行轉換，得出比較信號加權值，公式為：

將載波頻率轉化為線形函數，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雷達信號測試系統中低通濾波器運行結構圖Fig. 4 Operation structure diagram of low-pass filter of marine VTS radar signal test system

2 船舶VTS雷達信號測試與分析技術

2.1 雷達信號測試模塊構建

在艦船VTS雷達信號測試中，需設計系統控制模塊，用于控制指令、數據速率、方位選擇以及量程等參數。雷達信號系統控制模塊包括：

指令解析模塊。用戶向雷達信號系統中發送調節控制指令，包括雨雪控制、海浪控制、偏心顯示等，其實現步驟為：在系統中設置32位變量，從網口接收9個字節數據長度，對數據是否定義為指令幀頭進行分析；當判定為指令幀頭后繼續判定下一個幀頭，將判斷依據存儲到cmd_data變量中，再繼續判斷幀頭；當數據中不再出現指令幀頭后，清零處理變量，等待網口傳輸新的數據，完成數據接收。

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

圖5 雷達信號測試中數據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。在信號處理系統中，通過改變掃描線數據可以改變量程，清除掉所有數據速率控制中產生的雜波，重新向系統傳輸新數據。該模塊運行步驟如下：用戶發出量程控制指令，對所有量程編碼，根據量程指令信息輸入編碼狀態，輸出量程控制信息，達到自動調諧的目的。

調諧控制。在雷達天線系統中，利用調諧控制模塊對天線本振頻率進行調節，提高雷達信號回收質量。該模塊主要通過調諧電壓的方式對不同類型雷達天線進行控制，本文提出的雷達信號測試采用的電壓為5～12 V，處理雷達信號時使用DA轉換芯片，該芯片可以控制調諧電壓，改變信息指令，滿足多種狀態下調諧控制需要。自動調諧控制的執行步驟如下：內嵌雷達信號質量自動檢測模塊，根據信號質量輸出相應變量值，用于指示信號調諧；調用ROM存儲器，編碼值為DM62352，對應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的地址變量信息，當信號達到最大值時，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，完成自動調諧。

獲取方位。借助雷達天線反饋的BP信號和HD信號確定測試目標的方位，天線角度根據測試項目而定。方波信號為200 Hz，天線旋轉一周的指示信號為HD信號，旋轉速度為25 r/min，每間隔2.4 s發出一次脈沖信號。采用脈沖計數法計算出天線旋轉角度，當脈沖發射頻率達到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，提高雷達系統信號測試的準確性。方位信息獲取流程為：系統獲取BP信號和HD信號后，判斷信號是否出現明顯抖動，對于小于50 M的脈沖信號而言，會直接影響變量記錄結果；選取與BP信號相鄰的2個信號作為脈沖使能，設置方位計數器變量，累加脈沖使能；清零處理HD信號接收過程中的方位計數器變量，處理完畢脈沖信號后，傳輸變量值信號到控制系統終端。

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

2.2 雷達信號測試平臺

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

2.3 測試結果分析

在控制顯示屏幕上查看雷達信號處理結果，分析雜波抑制效果，具體測試結果包括：

在天線接口處，VIDEO用于發送視頻信號，電壓為0～5 V；HD表示船首信號，BP表示方位角度信號，TRIGGER表示脈沖觸發信號，PLA和PLB表示脈寬控制信號?；赒uartus軟件采集測試天線信號，用于驗證天線接口數據獲取是否正常。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信號繞雷達旋轉一周，經歷2.4 s，頻率為200 MHz。在FPGA接收到視頻回波信號之后，得出VIDEO信號測試結果，如圖6所示。從圖中可見，原始天線信號隨著回波強度的增加而減弱，視頻信號能夠正常接收控制脈寬信號，實現FPGA與天線的交互操作。

圖6 船舶VTS雷達信號中VIDEO信號的測試結果Fig. 6 Test results of video signal in ship VTS radar signal

網口測試。顯示控制終端通過網口與FPGA連接，用于傳輸控制指令和信號。網口為獨立模塊，借助網絡調試助手聯通FPGA，可以測試網口信息傳輸是否正確。測試過程如下：向網口發送測試請求，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發送的數據，在接收數據后可將信號傳輸到PC機終端。根據測試結果表明，網絡數據傳輸正確，證明網口設計滿足雷達信號探測要求。

在測試雷達信號控制系統時，要對比分析回波圖像在同等條件下是否顯示正常。借助FURUNO雷達平臺調試顯示狀態，在1.5 Nm雷達平臺上顯示探測圖像，根據測試結果表明，雷達信號算法能夠有效協調控制系統平臺運行。在調諧控制天線過程中，將抑制強度設置為0，以達到規避海浪等外界條件干擾測試結果的目的。測試量程為2 Nm，調諧設置為260，雷達圖像可以通過手動調節增大，發現探測目標日趨飽滿。當調諧增至450時，可以繼續放大圖像，再利用船舶VTS雷達信號平臺對天線進行調節。

海雜波抑制測試?；夭@示質量與海雜波抑制效果有關，通過雷達信號測試對海雜波的強度進行調節，分析抑制后的波形，可以提高回波圖像的準確性。在一定環境下，雜波抑制強度達到0時，船舶VTS雷達信號無法識別目標。當抑制強度增至60時，能夠對雷達掃描近距離區域內的雜波產生抑制作用，保留遠距離的檢測目標，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中的圖像，利用雷達系統對比分析圖像，證實海雜波具有良好的抑制效果。

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

3 結 語

船舶VTS雷達信號測試利用FPGA實現雷達信號算法，能夠提高雷達信號處理實時性。雷達發射信號測試與分析要以掌握脈沖波雷達工作原理和信號發射特點為前提，引入距離測量和角度測量，綜合考慮雷達信號特點，交互處理信號數據，利用網口傳輸VTS雷達信號，保證雷達信號處理的可靠性。