一種雷達(dá)場景模擬器校準(zhǔn)方法

楊 露 盛永鑫 陶成忠

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

雷達(dá)場景模擬器可以模擬多個方向、多個輻射源產(chǎn)生的合成電磁信號,為驗(yàn)證雷達(dá)在實(shí)際工作情況下的性能提供復(fù)雜電磁信號。由于雷達(dá)場景模擬器使用過程中會出現(xiàn)脈沖丟失、虛假脈沖、頻率偏移、復(fù)雜信號識別率偏差過大等現(xiàn)象,從而影響雷達(dá)作戰(zhàn)效能的驗(yàn)證結(jié)果真實(shí)性,因此必須進(jìn)行校準(zhǔn)。雷達(dá)場景模擬器存在信號數(shù)量多、頻率范圍寬、信號樣式復(fù)雜、信號密度高等特點(diǎn)。受存儲深度,處理速度等方面的限制雷達(dá)場景模擬器在高密度脈沖流(脈沖流密度高達(dá)百萬級每秒)下的頻率、幅度、相位差、脈沖調(diào)制參數(shù)等復(fù)雜信號測量識別等校準(zhǔn)難題,普通測試儀表無法對其進(jìn)行測量校準(zhǔn)。

本文探索一種新型的基于信道化接收機(jī)和復(fù)雜信號分選識別技術(shù)的雷達(dá)場景模擬器校準(zhǔn)方法,以尋求解決高密度脈沖流情況下頻率、幅度、相位差、脈沖調(diào)制參數(shù)和頻率捷變、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相、重頻參差等復(fù)雜信號測量、識別、驗(yàn)證等問題。

1 雷達(dá)場景模擬器特點(diǎn)及校準(zhǔn)方法介紹

雷達(dá)有線測試階段,雷達(dá)場景模擬器可生成多個自定義的雷達(dá)模擬信號,信號形式多樣、測量參數(shù)多、信號密度大,因此對校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)裝置都有非常高的要求,校準(zhǔn)難度大。

基于模擬器以上特點(diǎn),為了對其進(jìn)行快速準(zhǔn)確的校準(zhǔn),本文提出了一種基于信道化接收機(jī)和復(fù)雜信號分選識別技術(shù)的雷達(dá)場景模擬器校準(zhǔn)方法。該方法主要由數(shù)模混合信道化接收和信號分選處理兩部分組成,在偵察雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用較多,在儀器儀表設(shè)計(jì)及計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域未曾使用。

圖1 基于信道化接收機(jī)和復(fù)雜信號分選識別技術(shù)的雷達(dá)場景模擬器校準(zhǔn)方法原理圖

由于在脈沖密度比較大的時候?qū)霈F(xiàn)重疊的情況,因此脈沖同時到達(dá)接收機(jī)的時候,普通的測量接收機(jī)只能對第一個信號檢測,同時接收機(jī)在接收脈沖信號的時候出現(xiàn)暫時性屏蔽現(xiàn)象,導(dǎo)致無法接收到脈沖信號,造成脈沖丟失[1]。因此這里采用信道化技術(shù),該技術(shù)具有全概率接收和多信號同時處理能力。通過對大的處理帶寬進(jìn)行均勻的信道化分,不僅解決了寬帶信號的接收難題,還實(shí)現(xiàn)了對多路同時到達(dá)信號的采集處理。

對于信道化后的參數(shù)編碼處理(形成脈沖描述字PDW),再研究新型的小波脊線-PRI信號識別法對信道化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,利用PXI總線將分析后的數(shù)據(jù)以脈沖描述字的形式存儲到主控系統(tǒng)的存儲器中,以滿足實(shí)時快速傳輸及存儲的需求。

該方法的提出,可實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)場景模擬器進(jìn)行快速準(zhǔn)確的校準(zhǔn)。

2 數(shù)模混合信道化接收技術(shù)研究

高密度流環(huán)境下的復(fù)雜信號測量接收機(jī)主要有模擬信道化接收機(jī)與數(shù)字信道化接收機(jī)。模擬信道化接收機(jī)綜合了超外差和多通道接收機(jī)的長處,具有高靈敏度和信號全接收能力,抗干擾能力強(qiáng)[6]。數(shù)字信道化接收機(jī)方法,參考模擬信道化接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理,通過數(shù)字方法構(gòu)造濾波器組,將接收帶寬劃分為多個子信道,相當(dāng)于將多個數(shù)字接收機(jī)并行,然后對所有信道的輸出進(jìn)行數(shù)字處理,數(shù)字化的數(shù)據(jù)易于保存,可以進(jìn)行多次分析處理,實(shí)現(xiàn)對信號參數(shù)的測量,具有較高的測頻精度和穩(wěn)定性,多信號適應(yīng)能力強(qiáng),同時數(shù)字信道化接收機(jī)集成度很高,體積小,重量輕,應(yīng)用廣泛[3][5]。

本項(xiàng)目是解決高密度脈沖流下的頻率、幅度、相位差、脈沖調(diào)制參數(shù)和頻率捷變、脈內(nèi)調(diào)頻、脈內(nèi)調(diào)相、重頻參差等參數(shù)準(zhǔn)確測量和復(fù)雜信號識別等校準(zhǔn)難題。模擬信道化接收機(jī)受到實(shí)現(xiàn)的模擬濾波器帶寬不能極窄的限制,其測頻精度等不能滿足校準(zhǔn)要求。數(shù)字信道化接收機(jī)受ADC采樣速率和后端信號處理速度的影響,信號識別率與校準(zhǔn)需求有一定差距。

參考模擬信道化接收機(jī)和數(shù)字信號化接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理,充分利用模擬信道化接收機(jī)和數(shù)字信號化接收機(jī)優(yōu)點(diǎn),提出模數(shù)混合信道化接收思路。射頻信號經(jīng)下變頻后進(jìn)入模擬濾波器組進(jìn)行粗略的信道劃分;隨后將模擬濾波器組的輸出信號下變頻到中頻,用ADC實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化;對采樣后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字信道化,輸出結(jié)果到后面的處理模塊,實(shí)現(xiàn)信號參數(shù)估計(jì)和測量。模數(shù)混合信道化接收機(jī)結(jié)合模擬信道化接收機(jī)和數(shù)字信道化接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn),能減小信號處理的帶寬,增強(qiáng)信噪比,降低ADC采樣速率和信號處理速率,具有靈敏度高、信號識別率高、動態(tài)范圍大、參數(shù)測量精度高等優(yōu)勢。采用模數(shù)混合信道化技術(shù),實(shí)現(xiàn)對多個同時到達(dá)的空間交疊嚴(yán)重的脈沖信號的實(shí)時采集,為后續(xù)高速復(fù)雜高密度信號的實(shí)時處理與存儲奠定基礎(chǔ)。

3 信號分選處理技術(shù)

對于信道化后的信號分選處理,主要包括信號分選與軟件設(shè)計(jì)兩部分。

其中,信號分選擬采用一種基于小波脊線-PRI 的分選新方法。該方法的初步思路是:首先用小波脊線法逐個提取雷達(dá)信號的瞬時頻率,基于時頻關(guān)系將不同調(diào)制類型的雷達(dá)信號分成幾大類;然后對分類后的具有相同調(diào)制類型的每大類信號進(jìn)行 PRI檢測,利用檢測到的 PRI 值進(jìn)一步細(xì)分。經(jīng)過小波脊線法分選后,每類輻射源的個數(shù)相對較少,此時利用改進(jìn)的 PRI 變換算法可準(zhǔn)確檢測到信號的PRI值,從而實(shí)現(xiàn)信號的準(zhǔn)確分選[2]。

校準(zhǔn)軟件計(jì)劃選用基于PXI平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)傳輸帶寬和延時通常是選擇平臺時的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。PXI通過采用具有最高帶寬和最低延時的PCI/PCI Express數(shù)據(jù)傳輸總線,從而具有各種儀器平臺中最佳的數(shù)據(jù)帶寬和延時特性。采用了PXI平臺,嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和網(wǎng)絡(luò)控制器和數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)帶寬較高,可達(dá)2GB/s,從而在數(shù)據(jù)存儲時,擴(kuò)展記錄數(shù)據(jù)的時間,存儲更多的數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)軟件分為時域分析、頻域分析以及調(diào)制域分析三部分,軟件框架如圖3所示。

圖2 算法流程圖

圖3 軟件系統(tǒng)框圖

校準(zhǔn)軟件運(yùn)行前先進(jìn)行裝置自檢,確保系統(tǒng)內(nèi)所有模塊的工作狀態(tài)均為正常;然后運(yùn)行校準(zhǔn)軟件進(jìn)行被校系統(tǒng)和校準(zhǔn)裝置的設(shè)置和校準(zhǔn)參數(shù)的選擇,若校準(zhǔn)項(xiàng)目為空則繼續(xù)為空則繼續(xù)等待,否則按照對話框的提示,選擇數(shù)據(jù)庫鏈接地址,依次進(jìn)行被選校準(zhǔn)項(xiàng)目的測試;測試完畢后若繼續(xù)進(jìn)行測試,則重新進(jìn)入校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇模塊,否則保存測試結(jié)果,退出校準(zhǔn)程序。具體流程框圖如圖4所示。

圖4 校準(zhǔn)軟件流程框圖

4 校準(zhǔn)裝置工作流程

綜上所述,校準(zhǔn)裝置的工作流程為:雷達(dá)場景模擬器n路信號同時輸入到校準(zhǔn)裝置,經(jīng)過混頻、濾波、放大等,進(jìn)入模擬濾波器組進(jìn)行粗略的信道劃分,隨后將模擬濾波器組的輸出信號下變頻到中頻,進(jìn)行A/D采樣,利用數(shù)字信道化、數(shù)字下變頻、數(shù)字檢波等處理方法實(shí)時采集并解析信號類型,形成脈沖描述字(PDW)、I/Q信號等,包括載頻、帶寬、幅度、相位調(diào)制類型等信息;信號分析處理模塊接收脈沖信息流、I/Q信號以及幅度信息,經(jīng)鑒相、比幅、特征參數(shù)提取等脈內(nèi)/脈間參數(shù)分析算法處理,輸出完整的雷達(dá)信號描述信息文件,得出每部雷達(dá)信號的載頻、幅度、相移、脈寬、脈內(nèi)/脈間調(diào)制信息等準(zhǔn)確參數(shù),完成校準(zhǔn)。

5 試驗(yàn)結(jié)果

本文依據(jù)常規(guī)雷達(dá)信號,編輯了脈間/脈組/脈內(nèi)捷變以及線性/非線性調(diào)頻信號、調(diào)相信號等復(fù)雜脈沖調(diào)制信號,利用該方法進(jìn)行測試,并同時利用信號分析儀進(jìn)行比測。試驗(yàn)結(jié)果可知,該基于信道化接收機(jī)的校準(zhǔn)方法以及形成的校準(zhǔn)系統(tǒng)可以很好地解決雷達(dá)場景模擬器存在的高密度脈沖流情況下復(fù)雜信號的校準(zhǔn)問題。與信號分析儀比測結(jié)果如圖5至圖8所示。

圖5 脈間/脈組/脈內(nèi)捷變以及線性/非線性調(diào)頻信號信號分析儀測試結(jié)果

圖6 調(diào)相信號信號分析儀測試結(jié)果

圖7 基于信道化接收機(jī)的校準(zhǔn)裝置測試結(jié)果1(table)

圖8 基于信道化接收機(jī)的校準(zhǔn)裝置測試結(jié)果2(脈內(nèi)捷變頻測試圖表)

6 結(jié)束語

本文提出的校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠接收并采集雷達(dá)場景模擬器發(fā)出的高密度復(fù)雜脈沖流,并進(jìn)行分析處理,對模擬器輸出的測試信號提供實(shí)時、快速、準(zhǔn)確的校準(zhǔn),形成相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)文件。通過校準(zhǔn),對模擬器的測試精度進(jìn)行溯源,確保量值統(tǒng)一。縮短了測試設(shè)備的研制、生產(chǎn)、調(diào)試周期,為雷達(dá)場景模擬器快速形成提供了技術(shù)保障,經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。