基于寬帶實時頻譜分析的雷達監測方法

摘" 要：為了對試驗場區進行電磁環境監測，文章主要對1 GHz瞬時帶寬的電磁信號進行實時頻譜分析的研究。使用時間片將連續時間劃分為8組，每組時間片對電磁信號進行多倍復用并行FFT，同時使用頻譜統計和數字熒光顯示進行實時頻譜分析。試驗表明，系統能對1 GHz瞬時帶寬的電磁信號實施不間斷監測。實時頻譜統計技術將采樣速率從2 500 MB/s降低至不足1 MB/s，在滿足復雜電磁環境下的實時頻譜監測分析的同時，大幅度降低輸出數據傳輸壓力，擴大了系統應用環境。

關鍵詞：實時頻譜；FFT；數字熒光；頻譜統計；電子對抗

中圖分類號：TN97" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）03-0001-06

Radar Monitoring Method Based on Broadband Real-time Spectrum Analysis

GONG Fei1， GONG Yuling2， SU Hang1， XU Xiaodong2， WU Honghai1

（1.Nanjing Aerospace Industry Science and Technology Co.， Ltd.， Nanjing" 210000， China;

2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Taizhou University， Taizhou" 225300， China）

Abstract： In order to monitor the electromagnetic environment of the test site， this paper mainly studies the real-time spectrum analysis of the 1 GHz instantaneous bandwidth electromagnetic signal. The time slice is used to divide the continuous time into 8 groups. Each group of time slice performs multi-multiplexing parallel FFT on the electromagnetic signal， and real-time spectrum analysis is performed using spectrum statistics and digital phosphor display at the same time. Experiments show that the system can continuously monitor the electromagnetic signal with an instantaneous bandwidth of 1 GHz. Real-time spectrum statistics technology reduces the sampling rate from 2 500 MB/s to less than 1 MB/s， which greatly reduces the transmission pressure of output data and expands the application environment of the system while satisfying the real-time spectrum monitoring and analysis in complex electromagnetic environment.

Keywords： real-time spectrum; FFT; digital phosphor; spectrum statistic; electronic countermeasure

0" 引" 言

隨著現代戰場用頻裝備數量激增、信號處理技術發展及電磁信號體制多樣，任務區域的電磁環境愈加復雜多變[1-2]。電磁信號種類繁多，包括自然界產生的電磁信號、廣播、藍牙等民用電磁信號，以及有特定用途的軍用電磁信號。諸多電磁信號擁擠在有限的頻譜中，面對時域上重復、頻域上交疊的復雜環境，雷達監測設備對猝發信號、復雜雷達信號和干擾信號等信號的連續頻譜監測難度較大[3-4]。本文將研究基于寬帶實時頻譜分析的雷達監測方法，該方法對寬帶信號進行高速采樣，通過時域加窗多倍復用并行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform， FFT）等處理方法，從頻率、功率、時間這三個維度對帶內采集信號進行分析?；趯拵崟r頻譜分析的雷達監測方法可有效實現瞬態信號的及時觸發和捕獲，通過實時頻譜統計技術可有效降低實時傳輸速率，提高雷達監測設備的監測性能，提升了分析復雜電磁信號的能力。

1" 實時頻譜原理

雷達監測設備受使用、安裝環境和設備成本等因素限制，通常在超外差接收機體制下工作[5-6]。雷達監測設備接收射頻信號，使用多級本振對信號進行限幅、放大、混頻、濾波等處理，并得到中頻信號。通過本振頻點的變化，完成整個頻段的掃描[7-8]。監測瞬時帶寬越小，完成整個頻段掃描時間越長，由于頻段切換導致監測設備對外界瞬時出現信號的監測能力較低。

實時頻譜系統結構如圖1所示，系統由變頻通道模塊、實時頻譜分析模塊、實時頻譜顯示模塊3個模塊組成。接收天線接收外界電磁信號。變頻通道模塊對天線接收到的電磁信號進行限幅、放大、變頻等處理，其中限幅器完成信號幅度限制，防止外界信號功率過大而損傷設備；放大器對信號進行放大操作；混頻器完成信號頻率搬移；濾波器完成頻段外的多余信號的濾除。最終，變頻通道模塊將信號變頻到中頻（中頻帶寬1 GHz）并將中頻輸出至實時頻譜分析模塊[9-10]。實時頻譜分析模塊使用ADC芯片對中頻進行高速采樣將模擬中頻信號采樣得到數字中頻信號。數字中頻信號依次進行時間片劃分、FFT、頻譜統計等處理，處理后的頻譜統計結果按每秒一次的頻率上報至實時頻譜顯示模塊。實時頻譜顯示模塊對頻譜統計結果實時顯示，完成實時頻譜的處理和圖像顯示。

實時頻譜分析借助信號處理技術對中頻信號進行采集、處理與分析，通過時間片劃分、FFT處理等步驟，完成中頻信號在時間維、頻率維、幅度維的統計分析，實現對瞬時帶寬內猝發信號的捕獲和分析[11]。實時頻譜分析對信號進行連續不間斷的監測，確保不漏掉任何一個時間段的信號信息，無論是信號存在、消失還是動態變換，實時頻譜均能持續上報頻譜數據。

1.1" 時間片劃分

目前監測設備多為實時系統，設備需要在極短的時間內完成數據處理并上報，以減少使用者的等待時間。為了在規定的時間內完成處理，需要將連續中頻信號劃分為多個很小的時間片，多個時間片采用流水并行操作進行時間的劃分。

在時間片劃分下，對連續時域信號IFin截斷成多個子時域信號Tk（i），Tk（i），其中，k = 0，1，…，7；i = 0，1，…，總時長/（單個時間片長度×8）。時間片劃分流程如圖2所示，實時頻譜系統分析模塊對中頻信號進行不間斷的時間片劃分，得到了多個子時間片T0（i）～T7（i），時間片數據分別流水進入8個不同的FFT模塊FFT0（i）～FFT7（i）。多個子時間片T0（i）～T7（i）在時間上連續不間斷，從而達到信號不丟失的效果。FFT模塊FFT0（i）～FFT7（i）依次輸出結果，頻譜統計從頻率維、功率維這兩個維度統計FFT模塊輸出結果，并以出現次數上報頻譜統計結果。

1.2" 連續波和脈沖波加窗

監測系統將無限長時間劃分成有限時間片。由于信號被突然截斷，時間片時域信號轉換到頻域后會產生頻域上出現頻譜“泄露”現象。為了減輕頻譜“泄露”對后續處理顯示的影響，需要在FFT運算前加一個緩變性的時間窗。加窗可有效抑制頻譜“泄露”現象，同時也可對信號進行平滑使信號邊界緩慢變化減少頻譜異常。常用的窗函數有矩形窗、Bartlett窗、漢寧窗、漢明窗。

雷達監測設備面臨的信號主要為連續波和脈沖波信號。在本設計中，采用漢寧窗作為窗函數，針對主要的連續波和脈沖波信號進行分析。連續波信號是一種持續發射的電磁波，其波形在時間軸上連續不間斷且沒有明顯間斷點，其波形如圖3（a）所示。脈沖波信號是一種短時間出現的電磁波，其波形在時間軸上不連續且有短暫快速變化，其波形如圖4（a）所示。

連續波和脈沖波加窗后的時域波形如圖3（b）、圖4（b）所示，連續波加窗在時間軸上對窗的兩端信號進行快速衰減，而窗的中間波形衰減較小，從外觀上看，加窗的波形形成了“眼圖”效果。對原始和加窗后的時域波形分別進行FFT處理得到其頻域波形，原始頻域波形如圖3（c）、圖4（c）所示，加窗后頻域波形如圖3（d）、圖4（d）所示，連續波通過對比圖3（c）和圖3（d），脈沖波通過對比圖4（c）和圖4（d），未加窗時，信號頻譜多在整個頻段進行擴散，本應該集中在一個頻率點上的能量會分散到其他頻率上。加窗操作后，對信號在時域上使用了一些旁瓣上衰減較快的窗函數，使信號在頻域上將能力集中主瓣范圍內，有效抑制連續波頻譜“泄露”現象，減少邊緣部分帶來的不確定性和誤差，使波形主峰與雜散功率差別更大，從頻譜分析結果上更準確地反映信號的真實頻率信息。

1.3" 多倍復用并行FFT

面對海量中頻數據，多倍復用并行FFT通過重復計算一些中間結果減少計算量可有效處理海量中頻數據，滿足實時性處理需求。對中頻信號進行一次FFT，FPGA占用的資源情況相當可觀的，使用多陪復用的形式利用多個處理單元同時對多個時間片中的中頻數據進行FFT運算，每個時間片上的中頻數據獨立處理FFT操作，并行操作加快了整個運算的速度。工程上考慮到FFT的運行速率及FFT占用資源，通常使用D個周期完成一次完整的FFT，在多個通道上同時完成逆傅里葉變換（Inverse Discrete Fourier Transform， IDFT），提高了處理效率，FFT復用原理圖如圖5所示，其中x（n）為輸入信號，D為復用倍數，e0（m）～eD-1（m）為旋轉因子，y0（m）～yD-1（m）為FFT輸出結果。

其中輸入結果yk（m）的計算過程如式（1）所示：

基于XC7325T硬件編譯芯片，進行一次8 192點FFT編譯，需要18個DSP48和39個Block RAM。多倍復用并行FFT占用320個Logic Cells、6個DSP48和15個Block RAM，其中320個Logic Cells與總資源326 080個Logic Cells相比，占比比例較低，可忽略不計。XC7325T芯片、串行8 192點FFT、多通道復用的FFT資源情況如表1所示，對比發現多倍復用并行FFT可有效降低芯片資源占用情況。

2" 實時頻譜統計及顯示

2.1" 實時頻譜統計

對帶寬1 GHz的中頻進行采樣，按照奈奎斯特采樣定理，采樣率至少在2 500 MHz以上，按照每秒更新一次頻譜數據頻率下，以8 192點FFT計算為例，界面上需要顯示每秒30萬次以上的海量頻譜數據，系統難以處理這些頻譜數據。同時，海量頻譜顯示在界面上難以使操作人員快速觀察到頻譜變化情況?；谶@種情況，需要對海量頻譜數據預先進行統計處理后再顯示。

實時頻譜統計數據最終產生一個位圖矩陣，位圖矩陣的橫軸為頻率，縱軸為功率，矩陣內的數值為該頻率—功率出現次數。原始中頻采樣速率為2 500 MB/s，經過實時頻譜統計最終上傳的速率可降低至1 MB/s以內，有效降低了數據傳輸速率。以10×9矩陣為例，如圖6（a）所示，一次FFT結果映射到位圖矩陣內，接收到信號的位置顯示為1，當該位置的FFT沒有滿足頻率—功率信息時，此位置信號顯示為空白。圖6（b）為進行了9次統計后的位圖矩陣，其中位置信號接收次數可以累積統計，在（9，1）格內的信息接收到9次，顯示的信息為9。

2.2" 數字熒光顯示

實時頻譜借用數字熒光顯示技術，將數字信號轉換為可視化熒光顯示。本文采用偽彩色處理，通過不同顏色配置精準地控制圖像顯示的強度和范圍，可使圖像表現出非常鮮艷、飽滿的色彩。

實時頻譜統計上報的位圖矩陣為二維數組，顯示在界面上需要使用圖像中的偽彩色處理技術。設f （x，y）為單色圖片中一個像素點的數值，Red（x，y），Green（x，y），Blue（x，y）為f （x，y）映射到RGB空間的三個顏色分量，則偽彩色處理可以表示為：

其中fR[ f （x，y）]、fG[ f （x，y）]、fB[ f （x，y）]分別為紅、綠、藍的映射函數，映射函數不同對應偽彩色處理方法也不一樣。常規偽彩色處理方法有灰度分層法和彩色變換法兩種。工程中，通常因彩色變換法顏色豐富、顏色轉變連續順暢、量化噪聲小等特點，實時頻譜顯示多采用彩色變換法。以常規的彩色變換函數為例，圖7（a）（b）（c）分別為紅、綠、藍三種顏色的映射函數圖。

3" 寬帶實時頻譜監測效果

以監測線性調頻信號為例，頻譜儀接收處理得到的頻譜如圖8所示，使用寬帶實時頻譜監測頻譜如圖9所示。對比兩張圖可發現，頻譜儀可觀測到信號的中心頻率（信號所屬頻段范圍）、信號帶寬（開始頻率到終止頻率的差值）、峰值（信號在某個頻率上的最大功率）、雜散（由于設備內部噪聲、干擾等因素引發的雜亂無規則的信號）等信息。寬帶實時頻譜除了頻譜儀可觀測的信息外，還可根據頻譜顯示顏色通過顏色的亮度高低來推斷出子頻點1、2、3的出現概率、停留時長等信息。

4" 結" 論

本文主要對基于寬帶實時頻譜分析雷達監測方法進行研究，深入分析了實時頻譜原理中的時間片劃分、加窗、多倍復用并行FFT、實時頻譜統計和數字熒光顯示。使用通用監測設備硬件進行工程研發，經過系統驗證，結果表明寬帶實時頻譜分析雷達監測方法可使信號在頻域上將能力集中主瓣范圍內，有效抑制連續波頻譜“泄露”現象減少邊緣部分帶來的不確定性和誤差，使波形主峰與雜散功率差別更大，從頻譜分析結果上更準確地反映信號的真實頻率信息。實時頻譜統計可有效降低數據傳輸速率，原始中頻采樣傳輸速率為2 500 MB/s經過實時頻譜統計最終上傳的速率可降至1 MB/s以內，有效降低了數據傳輸速率，使用數字熒光顯示，顏色豐富、顏色轉變連續順暢、量化噪聲小，對比傳統頻譜儀除了可觀測到信號的中心頻率、信號帶寬、峰值、雜散等信息外，可有效觀察到頻譜內部信息如出現概率、停留時長等信息。在分析復雜混合信號時，通過寬帶實時頻譜可容易地觀測到哪些頻率上的信號功率能量較高，進而確定信號的主要頻率成分，很大程度上解決了復雜電磁環境下多體制雷達信號和干擾信號頻譜的監測問題。

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作者簡介：龔非（1983—），男，漢族，湖北襄陽人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：航天電子對抗研究。