一種被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)向處理機(jī)設(shè)計(jì)及技術(shù)實(shí)現(xiàn)＊

劉 博 祁 嶺

（1.海裝航空技術(shù)保障部 北京 100071）（2.海軍駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室 洛陽(yáng) 471009）

1 引言

隨著現(xiàn)代電子戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，為了可以精確攻擊各種雷達(dá)目標(biāo)，要求被動(dòng)雷達(dá)測(cè)向系統(tǒng)拓寬頻率覆蓋范圍，但這會(huì)帶來(lái)被動(dòng)測(cè)向系統(tǒng)如何從數(shù)量多、分布密度大、分布范圍廣、信號(hào)交疊嚴(yán)重的復(fù)雜信號(hào)環(huán)境中準(zhǔn)確地提取出輻射源目標(biāo)的問(wèn)題［2］，本文根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中被動(dòng)測(cè)向技術(shù)面臨的問(wèn)題，研究了一種采用DSP＋FPGA＋FLASH結(jié)構(gòu)的被動(dòng)雷達(dá)測(cè)向處理機(jī)，對(duì)天線信號(hào)實(shí)際相位差的恢復(fù)、延遲線的控制、通道不平衡性的校正方法［3］等測(cè)角關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，并闡述了其硬件實(shí)現(xiàn)框圖和工作流程，較好地實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)雷達(dá)中至關(guān)重要的角度測(cè)量和控制等工作。

2 系統(tǒng)概述

該雷達(dá)測(cè)向處理機(jī)設(shè)計(jì)基于反輻射導(dǎo)彈等載體的被動(dòng)雷達(dá)信息處理系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)由信號(hào)分選跟蹤機(jī)、窄帶數(shù)字接收機(jī)及測(cè)向處理機(jī)三部分組成［4］，測(cè)向處理器接收信號(hào)跟蹤分機(jī)輸出的寬波門(mén)、信號(hào)流及載頻碼信息、窄帶數(shù)字接收機(jī)輸出的預(yù)處理數(shù)據(jù)，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將處理所得控制延遲線信號(hào)輸出給控制系統(tǒng)和窄帶數(shù)字接收機(jī)，通過(guò)與信號(hào)分選處理分機(jī)的數(shù)據(jù)接口，將處理所得角度信息輸出到信號(hào)分選跟蹤分機(jī)。通過(guò)各分機(jī)的數(shù)據(jù)處理和分機(jī)間通信，即可完成輻射源信息采集與處理，并輸出控制信息給雷達(dá)載體，完成對(duì)輻射源的跟蹤。

3 測(cè)向處理機(jī)方案設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)向處理機(jī)功能

測(cè)向處理分機(jī)完成閉環(huán)、開(kāi)環(huán)測(cè)向算法、延遲線的數(shù)字控制并具有與信號(hào)分選跟蹤機(jī)的通信功能：

1）閉環(huán)模式，即沒(méi)有威脅目標(biāo)的雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)，被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)一定的算法，分析信號(hào)脈寬、載頻、重頻的規(guī)律，依據(jù)一定威脅判斷準(zhǔn)則找出威脅等級(jí)最高的雷達(dá)，然后通過(guò)跟蹤器跟蹤該部雷達(dá)，并給出跟蹤波門(mén)［5］。在閉環(huán)模式下，由于對(duì)相位差的SIN函數(shù)的積分不涉及相位突變，可以采用硬件積分，硬件積分在窄帶數(shù)字接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)，以縮小測(cè)量到控制量的延時(shí)。測(cè)向處理機(jī)接收窄帶接收機(jī)輸出的雷達(dá)載體極坐標(biāo)數(shù)字控制信號(hào)u′g后，輸出9bit數(shù)字量去控制延遲線；將u′g進(jìn)行D／A變換得到u′g的模擬量ug對(duì)雷達(dá)載體進(jìn)行控制，同時(shí)將ug送到窄帶數(shù)字接收機(jī)，用于接收機(jī)求取方位角信號(hào)αfw。

2）開(kāi)環(huán)模式，即被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先裝訂的威脅目標(biāo)雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分選和跟蹤，并給出跟蹤波門(mén)。在開(kāi)環(huán)工作模式下，窄帶數(shù)字接收機(jī)接收兩路中頻信號(hào)IF1、IF2，進(jìn)行數(shù)字鑒相后，得到相位差Δφ，測(cè)向處理器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字積分得到數(shù)字信號(hào)u′g，通過(guò)求取u′g的極大極小值之差，即可求出信號(hào)與被動(dòng)雷達(dá)載體夾角βy；通過(guò)比較模擬信號(hào)ug和參考信號(hào)ufRE之間的相位差，則可以求取αfw。根據(jù)方位角αfw和夾角βy，進(jìn)行角度計(jì)算和轉(zhuǎn)換，給出被動(dòng)雷達(dá)載體偏航角θ、俯仰角φ的誤差信號(hào)。

3）采用DSP之間的串口（McBSP）實(shí)現(xiàn)與分選處理機(jī)通信功能。

4）實(shí)現(xiàn)延遲線的數(shù)字控制。

3.2 系統(tǒng)接口示意圖

測(cè)向處理機(jī)接口關(guān)系如圖1所示。

圖1 測(cè)向處理機(jī)接口示意圖

3.3 測(cè)角關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 兩路信號(hào)實(shí)際相位差的確定

在開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種測(cè)角方案中兩路天線信號(hào)實(shí)際相位差的確定是關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)式干涉儀測(cè)向公式

1）對(duì)鑒相器輸出的相位差直接積分來(lái)恢復(fù)實(shí)際相位差

對(duì)鑒相器輸出的相位差直接積分來(lái)恢復(fù)實(shí)際相位差，即指測(cè)向處理機(jī)對(duì)數(shù)字接收機(jī)輸出的數(shù)字相位差信號(hào)直接進(jìn)行積分從而恢復(fù)實(shí)際相位差值。（數(shù)字接收機(jī)將（－π，π）區(qū)間的信號(hào)進(jìn)行9bit量化，量化精度為360／512＝0.7031°）。由于信號(hào)的相位差是周期性變化的，只要脈沖重復(fù)周期足夠高，以每?jī)蓚€(gè)脈沖期間的相位差變化值來(lái)判斷相位變化的趨勢(shì)是可行的［7］。如前所述，采用數(shù)字積分的方式就可以恢復(fù)出實(shí)際相位差。

（1）對(duì)數(shù)字接收機(jī)輸出相位差進(jìn)行數(shù)字積分恢復(fù)實(shí)際相位差

數(shù)字積分器的實(shí)現(xiàn)采用軟件的方式，下面分析采用DSP軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字積分方法。

當(dāng)脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，延遲一小段時(shí)間后數(shù)字接收機(jī)將輸出被折疊到（－π，π）內(nèi)的相位差信號(hào)，DSP在外部脈沖信號(hào)中斷的控制下，將該相位差信號(hào)儲(chǔ)存在相應(yīng)的數(shù)組中。數(shù)字接收機(jī)輸出的相位差信號(hào)在時(shí)序上是不連續(xù)的，但前后兩次接收到的相位差的變化量可以確定［8］。因此DSP可以根據(jù)所有在一個(gè)周期內(nèi)接收的相位差信號(hào)計(jì)算得到相應(yīng)的每一次信號(hào)的累加值，兩個(gè)數(shù)組如表1所示。

表1 軟件數(shù)字積分?jǐn)?shù)組變量對(duì)應(yīng)關(guān)系

可見(jiàn)最大相位差必須在天線旋轉(zhuǎn)一周以后才能獲得，因此系統(tǒng)應(yīng)給測(cè)向處理器預(yù)留一定的搜索時(shí)間。

因此根據(jù)最大相位差可以得到相應(yīng)的最大延遲時(shí)間，延遲時(shí)間表示為

（2）限幅積分的必要性

由于積分起始點(diǎn)可能出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的任意一個(gè)位置，因此積分的結(jié)果就不會(huì)總是以相位差為0的橫軸線對(duì)稱，可能會(huì)出現(xiàn)的情況如圖2所示。

不能將該積分得到的相位差直接作為延遲線或被動(dòng)雷達(dá)載體駕駛儀的控制信號(hào)，同時(shí)在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中也要求積分結(jié)果相對(duì)于相位差為橫軸線對(duì)稱。必須通過(guò)限幅將曲線調(diào)整為對(duì)相位差為0軸對(duì)稱后才可作為輸出的控制信號(hào)。

圖2 數(shù)值積分初始值不同時(shí)積分輸出曲線比較

根據(jù)在天線旋轉(zhuǎn)第一圈內(nèi)計(jì)算得到的最大相位差φmax，將該值作為限幅門(mén)限，即將后續(xù)積分結(jié)果都限制在［－φmax，φmax］范圍內(nèi)后再去控制延遲線。這個(gè)過(guò)程需要1個(gè)天線旋轉(zhuǎn)周期T時(shí)間就可以調(diào)整完成。如圖3所示。

圖3 限幅積分示意圖

當(dāng)限幅達(dá)到φ（t）關(guān)于橫軸對(duì)稱后，可以取消限幅功能，即使由于雷達(dá)載體擾動(dòng)使夾角βy值變大，也不會(huì)再產(chǎn)生φ（t）關(guān)于橫軸不對(duì)稱的情況。

根據(jù)理論分析，在一個(gè)相位重疊周期（－π，π）內(nèi)至少需要兩個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)才能夠確定在這一周期內(nèi)的變化規(guī)律［9］，因此下面對(duì)恢復(fù)實(shí)際相位差時(shí)輸入信號(hào)脈沖重復(fù)頻率應(yīng)滿足的條件進(jìn)行分析。

2）延遲線的控制

理論分析結(jié)果是延時(shí)線瞬時(shí)值具有和全相位φ（i）或ug一樣的函數(shù)關(guān)系，即

由上式可以看出，用ug或φ（t）可以調(diào)整延時(shí)線，經(jīng)分析延時(shí)線的控制方法有以下兩種：

3）通道不平衡性的校正方法

（1）開(kāi)環(huán)測(cè)角需采用精確的直流偏置測(cè)量技術(shù)。擬采用對(duì)模擬ug波形密集采樣，用積分方法計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即為波形的直流偏置。計(jì)算出對(duì)應(yīng)的不平衡相位誤差Δφ，修正測(cè)量的全相位值，再計(jì)算角度。

（2）閉環(huán)直接輸出ug到被動(dòng)雷達(dá)載體駕駛儀，采用良好的帶通濾波器濾除直流分量和由天線隨彈體轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的隨機(jī)相位變化，同時(shí)用精確的測(cè)量直流偏置的技術(shù)對(duì)輸出ug進(jìn)行測(cè)量，將其化為延時(shí)線誤差，調(diào)整延時(shí)線消除此誤差。

（3）列表補(bǔ)償通道不一致性

在系統(tǒng)測(cè)試階段，使βy＝0°，記錄各個(gè)頻率點(diǎn)下系統(tǒng)測(cè)得的相位差作為該頻點(diǎn)的通道誤差校正值，將該測(cè)量結(jié)果以頻率為地址偏移存儲(chǔ)起來(lái)。在系統(tǒng)實(shí)際工作中根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)查表找到該頻率點(diǎn)下的系統(tǒng)通道誤差校正值，對(duì)某頻點(diǎn)下某角度測(cè)得的相位差進(jìn)行校正。

3.3.2 開(kāi)環(huán)算法中的相關(guān)問(wèn)題分析

在開(kāi)環(huán)算法中，關(guān)于控制量ug的處理方式與閉環(huán)跟蹤法相同，不再敘述。

1）仰角βy的確定

2）對(duì)方位角αfw的確定

整個(gè)系統(tǒng)只采用兩根天線，即兩個(gè)接收通道。對(duì)中頻接收機(jī)信號(hào)進(jìn)行A／D采樣，I、Q提取和計(jì)算兩通道相位差，利用被動(dòng)雷達(dá)載體旋轉(zhuǎn)的數(shù)字積分來(lái)解模糊。數(shù)字積分是一個(gè)與雷達(dá)載體選轉(zhuǎn)角速度ωr和信號(hào)與雷達(dá)載體軸夾角βy有關(guān)的余弦函數(shù)，即其周期為2π／ωr，幅度正比于兩天線波程差（2πLsinβy／λ），其初始相差為αfw可用積分結(jié)果與參考信號(hào)比相來(lái)確定，這樣就得到了XYZ坐標(biāo)系下，方位角αfw和仰角βy信息，從而計(jì)算得到偏航角θ和俯仰角φ。

獲取αfw的關(guān)鍵在于要對(duì)ufre、ug同步采樣。由于天線旋轉(zhuǎn)頻率較低，對(duì)于ufre、ug的采樣不需要很高的采樣速率［11］。但是由于系統(tǒng)對(duì)相位差進(jìn)行數(shù)字積分有一定的延時(shí)，且ug是積分后數(shù)字量經(jīng)D／A變換后得到的模擬量，因此ufre、ug在時(shí)間上會(huì)存在一固定的微小誤差。由于天線旋轉(zhuǎn)速度僅為10Hz，ug在時(shí)間上的微小誤差可以忽略。

3）偏航角和俯仰角度計(jì)算

根據(jù)前面處理的得到的βy，αfw可以計(jì)算出偏航角θ和俯仰角φ。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：tanθ＝cotβsinα，tanφ＝cotβcosα。式中β＝90°－βy，α＝αfw。

根據(jù)偏航角和俯仰角的正切函數(shù)值查表或計(jì)算可以得到相應(yīng)的偏航角θ、俯仰角φ。數(shù)據(jù)由測(cè)向DSP經(jīng)McBSP串口送到分選處理器，由分選處理器將該數(shù)據(jù)上報(bào)。

3.4 測(cè)向處理器的工作流程圖

根據(jù)前面的分析過(guò)程，測(cè)向處理器的DSP的主工作流程設(shè)計(jì)如圖4。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種工程上實(shí)用的測(cè)向處理機(jī)設(shè)計(jì)方案，采用高速采樣ADC、高性能FPGA芯片和軟件無(wú)線電思想［13］，系統(tǒng)先進(jìn)，集成度高，基于本設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)的測(cè)向處理機(jī)已在某被動(dòng)雷達(dá)信息處理系統(tǒng)中試用，具有實(shí)時(shí)處理性強(qiáng)、可靠穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 測(cè)向處理器工作流程

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