一種ESM系統信號處理的設計方法

管振輝

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

電子支援措施（ESM）的戰斗使命決定了其技術要求，這就需要在有限的設備空間內具有最強的實時計算能力。實時計算能力要求決定于電磁環境的密度和復雜算法程序。一個ESM信號處理機的處理速度一般是由4個主要因素決定的：所截獲到的有源輻射體的數量，接收到雷達脈沖的密度，每個信號的復雜性和所需處理信號模型的復雜度。

ESM信號處理機響應時間實時大約是數百毫秒量級，如果再長，則完成不了電子支援措施的任務。由于處理速率和反應時間的要求，需要采用并行處理的專用信號處理硬件。ESM信號處理機用于實時分析進入系統的每一個脈沖，對輸入信號進行比較、分類、分析和識別。當組合一個短的數據流水線通過處理機時，處理機則完成對信號的跟蹤。

由于半導體技術的發展，使現場可編程門陣列（FPGA）和中央處理器（CPU）的性能大幅度提升，采用FPGA和CPU結構的ESM信號處理成為提升信號處理性能的保障，使用FPGA完成快速的預處理部分和CPU完成復雜算法的主處理部分的架構成為ESM信號處理機的典范。

1 ESM信號處理機的工作原理

ESM信號處理機的組成框圖如圖1所示，分為信號預處理和信號主處理兩部分［1］，兩者之間的脈沖數據傳輸靠脈沖跟蹤表來實現。

信號預處理的主要任務是解決高速數據率的脈沖分離問題，由于要求的速度快、算法相對簡單，一般采用硬件邏輯電路來實現，這里采用FPGA實現。信號主處理的主要任務是解決復雜信號分選、參數估計、信號跟蹤及預處理參數裝訂問題，由于要求的算法復雜，一般采用CPU實現。

圖1 ESM信號處理機的組成框圖

雷達信號跟蹤處理匯集前端處理的結果，跟蹤雷達信號的狀態，給出雷達目標的發現、消失及工作方式變化規律，并將其跟蹤結果送往后端；同時接收系統控制命令，更新已知信號數據庫和雷達信號知識庫。

2 信號預處理

2.1 已知信號預分選

已知信號預處理組成如圖2所示。由已知雷達數據庫裝訂m路已知雷達信號濾波器，輸入的送入m路已知雷達信號濾波器，各路輸出匹配標志，經脈沖重組后，將匹配送入脈沖跟蹤表對應的區域進行存儲，剩余脈沖輸出到未知雷達信號預分選進行處理。

其中，一路已知雷達信號處理由多路抽頭延時線、匹配電路和判決電路組成。多路抽頭延時線，依據為已知雷達數據庫裝訂的重復間隔PRIn，對一般信號而言，n＝16即可滿足要求。當雷達脈沖進入多路抽頭延時線進行n級時延，匹配電路對n個時延抽頭數據進行匹配處理，在PRI滿足條件下，同時進行到達方向（DOA）、射頻（RF）、脈寬（PW）的模糊對比，符合條件的給出判決標志，判決電路依據各路的判決標志進行脈沖丟失及相鄰脈沖判斷，當存在符合準則的連續脈沖序列，并且丟失脈沖數小于40%時，則認定為該路已知信號匹配成功，并將脈沖描述字（PDW）進行匹配標記。

圖2 已知信號處理的組成框圖

2.2 未知信號預分選

未知信號預分選過程，是根據一般性雷達信號特征的先驗知識和雷達偵察設備的接收特性加以判斷，常見的算法有小盒法、聚類法、神經網絡法等。相比而言，小盒法速度最快，適合ESM信號處理，其組成如圖3所示。

圖3 未知信號處理的組成框圖

未知信號預分選從原則上來說，是將所有的PDW進行比較從而歸并同類項的過程，所以查找比較方法成為效率的關鍵，這里采取直接定址法。

高位地址：AddrH＝（DOA?m1）⊕（RF?m2）⊕（PW?m3）。

低位地址：AddrL＝知識庫空間。

高位地址每個參數的右移位數m定義為當該參數存在2m×L＞3×Δ時，取m最小值，其中L為該參數的最小分辨率，Δ為該參數的均方根誤差。高位地址也就是系統的小盒數量。

低位地址定義了符合1部雷達所需的參量，即PDW范圍、變化規律及標志，一般取8位地址較合適。低位地址也就是系統每個小盒的容量。

3 信號主處理

信號主處理主要包含PRI分選、參數估計、信號跟蹤3個功能模塊。PRI分選主要對未知雷達信號進行重頻分選；參數估計是指對指定雷達脈沖數據流的參數進行統計分析，給出其特征描述字，信號跟蹤將已知雷達信號處理和未知雷達信號處理的輻射源描述字（EDW）進行融合，并判斷目標的狀態及發現或消失的時機。

3.1 PRI分選

PRI分選主要對未知雷達信號支路進行重頻分選，其分選流程如圖4所示。CPU在脈沖跟蹤表內獲取一段連續的脈沖跟蹤數據｛PDWi，k｝ni＝m，首先建立脈沖間隔（PPI）直方圖，進行峰值搜索，順序判別簡單PRI、參差PRI、抖動PRI及多PRI的雷達信號，如果判斷為某一類型的PRI信號，則將其相關的PDW提取出來送參數估計模塊。

圖4 PRI分選流程

3.2 參數估計

對由已知信號預分選送來PDW子流和由PRI分選送來的PDW子流分別進行參數估計。參數估計的主要目的是更好、更準確地描述雷達脈沖流的特征。對于ESM來說，凡是涉及被估計量的任務知識都是先驗未知的，這就對參數估計提出了相對苛刻的要求，只能尋求不依賴于被估計量先驗知識的參數估計方法。參數估計流程如圖5所示。對于RF、PW、DOA、PRI的估計先采用一元線性回歸運算，扣除飛值后，再取平均估計值，即，其中M為統計點數。PA值一般取掃描包絡中脈沖幅度最大的多值點的平均幅度值。掃描周期則依據TOA、PA關系圖形判斷，一般取3個照射時間進行積累，依據斷點值與PA的最大值，估算掃描周期。

3.3 雷達信號跟蹤處理

圖5 參數估計流程

參數估計輸出的結果是描述輻射源的1組特征參數EDW，即每組特征參數代表1個待識別的觀測樣本。首先利用模糊隸屬度來確定觀測樣本各個參數的相似度。其次在得到觀測樣本各個參數相似度之后，通過設定各個特征參數的權值，可以得到觀測樣本對已知輻射源數據庫中樣本的隸屬度。再次由于信號在時間上的冗余性，必然有個積累的過程，即得到多個時刻上的觀測樣本，在Bayes信任結構下，對每一時刻觀測樣本的隸屬度集合給出1個信任度，即獲取1條證據?？梢赃\用D－S證據理論組合規則對多個觀測樣本信任度（相似度函數）進行合成，重新分配，最后得到信任度較高的結果。雷達信號跟蹤處理的工作流程如圖6所示，按目標信號的EDW生成特性，給出發現時間、消失時間以及目標狀態的變化規率。

圖6 雷達信號跟蹤處理流程

4 硬件組成

按ESM信號處理的組成、數據流程和處理方式設計硬件架構，其框圖如圖7所示。采用雙CPU和雙FPGA的對稱結構，每個CPU接雙數據速率（DDR）同步動態隨機存儲器（SDRAM），用于CPU程序運行；每個FPGA接靜態隨機存儲器（SRAM）用于快速隨機訪問。使用串行RapidIO完成各處理器之間的高速數據交換；使用網絡來完成CPU之間及對外命令交換；FPGA與CPU之間采用局部總線方式，提高對FPGA寄存器的訪問速度；FPGA之間采用低壓差分信號（LVDS）進行同步傳輸。

信號預處理部分采用FPGA實現，信號主處理部分采用CPU實現，其中2個FPGA分別用于信號預處理的已知雷達信號預分選和未知雷達信號預分選；SRAM用來映射脈沖跟蹤表；一個CPU負責信號主處理的未知信號PRI分選、參數估計，另一個CPU負責已知信號的參數估計和雷達信號跟蹤處理。

圖7 硬件組成框圖

5 結束語

本文將ESM信號處理分為信號主處理和信號預處理的兩部分，信號預處理需要快速并行運算，因而可在FPGA內執行，信號主處理的算法復雜度較高，可以在CPU內完成。之后對ESM信號的處理架構進行了描述，文中以各個功能部分經典算法為依據，給出了邏輯流程和物理結構。在此架構上，還可以進行其它各種算法擴充，以滿足不同性能需求的ESM信號處理。

［1］趙國慶.雷達對抗原理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1999.