脈沖雷達中頻信號記錄與事后處理研究

史學書，　李貴新，　吳　濤

(裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

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脈沖雷達中頻信號記錄與事后處理研究

史學書，李貴新，吳濤

(裝備學院 光電裝備系, 北京 101416)

摘要為了在靶場試驗中充分利用現有雷達進行目標特性測量并挖掘其測量潛力，提出一種脈沖雷達中頻信號檢前記錄和事后高精度處理結合的方案。首先，針對靶場脈沖雷達回波特點，給出一種高速、大容量中頻信號采集記錄方法；然后，研究了從現有脈沖雷達記錄數據中提取飛行目標幅度反射特性的方法；最后，基于記錄數據分析了高精度相位信息提取方法并給出了相位信息提取結果。通過分析靶場雷達試驗數據，證明該方案增強了現有雷達性能，可以反演目標運動特性進而為靶場飛行試驗提供輔助判決。

關鍵詞脈沖雷達；信號記錄；目標特性；相位測距

隨著運載火箭、戰略導彈和新型飛行器性能的快速發展，在靶場試驗中對跟蹤雷達的作用距離、跟蹤精度和目標特性測量能力等要求越來越高。為了滿足靶場試驗對飛行目標測量精度不斷提高的需求，除了配置更多新型高增益寬帶雷達外，如何對現有脈沖跟蹤雷達進行升級改造，挖掘在用靶場雷達的潛力也是一條經濟合算的路線?；谝陨媳尘埃瑫r參考國外發展經驗，提出一種脈沖雷達中頻檢前記錄加高精度事后處理的方案。該方案不需要對現有脈沖雷達進行復雜改造，只需要額外配置一臺具備高速記錄和高性能運算的計算機便可完成雷達性能提升任務，通過靈活的信號處理算法充分挖掘靶場試驗記錄數據中蘊含的幅度和相位信息量，提高脈沖雷達的測量精度和目標特性識別能力。

1雷達信號記錄分析

目前，應用于雷達信號采集存儲方面的設備非常豐富，國外有代表性的商業現貨有美國NI公司系列采集設備[1]，其產品線在中、低速高精度采集領域具有優勢，在雷達、通信等應用中的高速采集也可以找到對應的產品。在專業高速信號記錄回放產品領域Signate公司和美國Conduant公司是業界代表性的基于磁盤存儲與回放設備制造商[2]，其系列產品可以滿足目前雷達測控系統高性能和大容量存儲的要求，持續數據率超過1TB/s。國內很多公司、高校和研究廠所也研制了一些比較成熟的雷達信號記錄系統[3]?，F有的商業現貨產品通用性比較好，但其接口時序和信號控制機制與現有靶場脈沖雷達不匹配，直接應用于靶場信號采集會導致記錄信息不完全，降低了其事后數據處理和提取目標特性的能力。例如在靶場脈沖雷達記錄應用中有2個比較典型的需求[4]：記錄設備采集時序需要根據回波和波門關系，具備適應距離模糊和避盲特性的能力；在記錄中頻回波信號的同時，還需要逐幀插入各種低碼速率雷達系統工作參數如距離值、PRF(Pulse Recurrence Frequency)參數、IRIG-B時間碼、AGC(Automatic Gain Control)增益等。另外為了方便事后數據分析，需要記錄設備具備直接訪問數據能力，并利用多線程技術、GPU處理技術、并行處理技術提高系統處理的實時性需求。

根據以上現狀分析，利用成熟的貨價式產品，構建了一套適用于靶場脈沖雷達檢前信號記錄和事后處理平臺。該平臺已經配置于靶場試驗任務中，通過多次任務檢驗，完成了幅度和相位信息提取和測量試驗，驗證了檢前記錄加事后高精度處理這條技術路線的可行性，在未來靶場試驗中具有推廣價值。

2脈沖雷達中頻信號記錄方案

記錄平臺設計基于數字化處理和存儲技術實現中頻回波信號的高速采集、同步脈沖時間間隔測量、同步脈沖與波門脈沖時間間隔測量、波門脈沖前沿IRIG-B碼絕對時解算，以及上述數據和AGC控制電壓的組幀，并對組幀后的高速數據流進行大容量實時記錄存儲和事后軟件回放及高精度事后分析。

2.1信號記錄與處理平臺結構

記錄與事后數據處理平臺以一臺4U標準上架機箱式高性能服務器為主體。機箱內部安裝一塊服務器主板、雙Intel處理器、32G內存、PCI-E高速信號采集板、800GB固態硬盤陣列板。為進一步增強事后數據處理的并行計算能力，在通用服務器中安裝了一塊NVIDIA GPU(通用圖像處理器)。脈沖雷達記錄平臺結構如圖1所示。

圖1　脈沖雷達記錄平臺硬件結構

回波幀數據通過PCI-E總線以DMA(Direct Memory Asset)的方式送入計算機系統內存，在系統控制軟件的統一控制下，寫入磁盤陣列。平臺服務器選用Windows操作系統，具有完善的操作、控制、自檢和狀態監測功能，記錄數據具有準確的時間標記，能方便地進行數據傳輸、處理和交換。

2.2記錄數據幀格式設計

根據雷達探測目標位置的不同，靶場脈沖雷達工作于3種不同的工作狀態[5]：正常觸發、“解距離模糊”和“避盲”狀態。當雷達處于正常觸發狀態時，雷達發射的主脈沖周期是固定的，但當雷達“解距離模糊”和“避盲”時，雷達發射的主脈沖周期是不斷改變的，這就導致所有雷達信號在時間位置上的關系也不斷改變。所以在設計編幀方式的時候，需要綜合考慮各種回波信號組合方式，選擇一種合理的幀數據方式。針對靶場脈沖雷達發射信號和回波信號特點，系統采用了靈活的編幀技術來存儲和傳輸數據。每個導前波門脈沖觸發一次數據編幀，每幀數據由幀頭和采樣數據組成，如果在一個雷達周期中有2個回波，則記錄為2幀數據。幀頭數據主要包括幀頭標識、幀號、距離值、采樣波門間隔、主脈沖和導前波門脈沖的時延信息、連續2個發射脈沖的時延信息、中頻采樣數據、IRIG-B碼解調信息、雷達接收機AGC增益、PRF標志位等。

2.3高精度事后處理模式

為了提高事后數據處理實時性，硬件處理平臺采用了CPU + GPU的異構并行處理方式來實現測控信號的事后軟件處理[6]。CPU執行單元在事后處理中用于復雜邏輯控制和分支預測。GPU提供了大量執行單元來運行更多相對簡單的線程，能夠實現很強的計算能力和很高的存儲器帶寬，在事后處理中用于大塊數據處理，如濾波和快速傅里葉變換。在傳統硬件處理機中，原始信號的生命周期呈現瞬時性特點，進入接收機的緩存信號在處理完畢得到結果后該信號就被丟棄了，與此不同，事后處理模式中由于數據記錄于磁盤中方便讀取，通過對信號進行反復迭代可以提高信號處理性能，更多的挖掘隱匿于雷達信號中的信息量。

3目標幅度信息提取

目前，靶場跟蹤測量雷達只具備測角和測距功能，試驗中獲取的測量信息不具備目標特性測量要求[7]。利用雷達中頻信號記錄系統可以有效提取回波信號幅度變化信息，有助于在導彈助推段進行事件分析和低分辨運動狀態識別。下面給出目標幅度信息提取方法和處理結果。

3.1幅度信息提取

在提取信息前首先進行幀頭檢測，系統以幀號是否連續來測試數據傳輸與存儲的正確性，同時檢驗每幀數據的距離采樣點。在助推段，大部分時間波門內只有一個脈沖回波，當特征事件發生后每一幀數據中有多個脈沖目標，包括彈體、推進體和殘骸等。根據某型脈沖雷達特性，記錄文件回波采樣數據為線性調頻脈沖信號，脈沖壓縮和濾波處理由GPU完成。提取出每一幀中對應目標脈沖回波信號的包絡平均峰值，并讀取幀頭記錄的內AGC和雷達接收機AGC值，計算出原始信號的幅度變化。

彈道目標沿軌道運動時,其姿態相對于雷達視線不斷發生變化，從而可獲得其幅度隨視角變化的數據，其中的變化規律反映了目標的形體結構和物理特性。圖2為某跟蹤目標相對幅度信息提取結果。從圖中可以發現分離過程中，彈體有姿態變化，反射信號有一段時間強烈波動，之后逐漸穩定。通過觀察殘骸回波幅度有近似周期的幅度峰值變化，而且殘骸峰值幅度大于彈體。

圖2　目標的相對幅度變化曲線

3.2幅度信息可視化

我說：“好吧！我讓你依靠！”我的話剛說完，你就猛地撲進我懷里，痛哭起來，哭得那么凄涼，哭得那么傷悲，就像一只受傷的小鳥在無助地啼鳴！

利用記錄數據提取的幅度信息可以繪制特征時刻分離特性，下面利用平臺記錄的靶場數據，給出脈沖壓縮后級間分離過程中的距離-時間-幅度變化曲線，如圖3所示。

通過對記錄數據可視化處理，原本功能單一的跟蹤測量雷達具備了目標特性觀測和分析能力。通過分析幅度信息可以觀測到助推器殘骸翻滾引起回波幅度劇烈起伏，而彈體采用姿控技術回波幅度變化平穩，通過幅度序列的起伏特性可以判別分離后的彈體和助推器殘骸。同時，利用距離-時間-幅度變化曲線可以觀測分離目標的相對運動狀態，可以清晰地分辨級間分離、艙體分離以及彈頭分離過程等特征事件。

a) 級間分離過程b) 末級助推器殘骸以及火箭分離后產生的碎片圖3　回波信號距離-時間-幅度變化曲線

4目標相位信息提取

目前在靶場試驗中大部分脈沖跟蹤雷達是低重頻體制，雷達存在嚴重的速度模糊，一般不提供測速功能[8]。利用雷達記錄和事后處理平臺，通過解算相位信息可以得到高精度的速度測量值，以及其他運動特性(包括距離、加速度、自旋速度等)。記錄系統直接對檢前中頻信號進行采集記錄，數據中包含有豐富的相參相位信息量，可以提取到的目標信息主要包括：載波相位、多普勒、多普勒變化率，其中多普勒對應于目標的徑向速度、載波相位直接反映了目標的距離變化。

4.1相位信息提取方法

直接利用相位信息存在嚴重模糊，而距離、速度和加速度屬于宏觀運動，通過有效的目標平動補償可以克服相位模糊影響，得到目標微動特性，同時反演出目標宏觀運動參數。下面給出導彈在加速段，雷達信號的相位變化模型

(1)

式中,b為加速度引起的多普勒變化；c為加速度變化(加加速度)。事后處理下變頻參考信號為

相位參數估計方法描述如下：

1) 首先利用粗略估計的速度、加速度和加加速度參數a′、b′、c′，進行下變頻處理得到Δφ。

(2)

2) 根據脈沖間相位相參特性，對Δφ(t)進行逐幀差分，Δφ′(t)=Δφ(t+T)-Δφ(t)，其中T為脈沖重復頻率，t為脈沖內時間t∈[0+nT,tp+nT]，tp為脈沖寬帶。

3)再對Δφ′(t)進行逐幀差分，Δφ″(t)=Δφ′(t+T)-Δφ′(t)，最后再對Δφ″(t)進行逐幀差分，Δφ?(t)=Δφ″(t+T)-Δφ″(t)，可以得到c′=Δφ?(t)/(12πT3)。

5) 最終反演出信號多普勒頻率fd=(a′+b′t+c′t2)。

4.2 試驗結果分析

基于以上相位提取方法，選擇某次試驗記錄數據進行分析。首先選擇相對時90 s開始的一段數據，記錄數據包括兩路中頻信號：線性調頻反射信號和單載頻應答信號。通過迭代精確得到了彈體回波多普勒頻率模型，最終經過平動補償的相位變化曲線為圖4所示，所得到的相位變化曲線直接對應的是彈體的微動特征。

再提取相對時133 s開始的雷達回波數據，通過遙測指令信息得到二、三級分離時刻。提取反射信號和應答信號的相位信息，觀察分離時刻的相位變化。相位變化如圖5所示。

a) 反射信號 b) 應答信號圖4　多普勒補償后回波信號相位

a) 反射信號 b) 應答信號圖5　回波信號相位一階差分曲線

從反射信號和應答信號相位一階差分變化曲線可以得到彈體二、三級分離的時刻點，應答信號得到的分離時刻更接近理論時間。另外從相位一階差分曲線(等效于速度變化)可以看到在彈體分離前，彈體的加速度趨近于零，分離后三級發動機開機，彈體重新開始加速，加速度不斷增加。從反射信號可以發現，彈體分離后相位劇烈波動，這主要是由于彈體和二級殘骸在波門內沒有分開，回波信號相位為混合目標的相位，疊加后雜亂沒有規律，2 s后彈體和二級殘骸分開，彈體回波相位開始穩定。相位信息可以反演出彈體的微小特征，變化尺度為雷達波長量級。通過解算速度模糊值，利用相位測距結合游標測距方法[9]可以實現低重頻雷達的高精度測速和測距，大大地拓展了雷達記錄設備的功能和應用領域。

5結 束 語

為靶場跟蹤雷達配置檢前記錄設備并進行后期數據處理可以得到豐富的幅度和相位信息，有效提高了脈沖雷達測量精度并具備了目標特性測量能力。提出一種基于通用計算平臺的記錄設備設計方案，并利用該記錄設備進行了靶場雷達中頻數據記錄和事后高精度幅度和相位提取試驗。通過試驗結果可知，幅度信息對應于目標運動過程中的RCS(Radar Cross-section)變化規律，反映了目標運動特性，對記錄數據進行距離-時間-幅度分析可以觀測分離目標的相對運動狀態，清晰分辨級間分離、艙體分離以及彈頭分離過程等特征事件。對記錄數據中包含的相位信息進行提取，可以得到更為精細的目標特征信息和特征事件，如果進一步采用相位測距方法可以實現高精度相位距離和速度值測量。

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(編輯：李江濤)

Study on Intermediate Frequency Signal Recording of Pulse Radar and Post-processing

SHI Xueshu，LI Guixin，WU Tao

(Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractTo make full use of existing radar for measurement of target characteristics in the test range and exploit this potential, the article proposes a solution of combining predetection recording of intermediate frequency signal of pulse radar with high-precision post-processing. First of all, aiming at the echo signal characteristics of pulse radar, the article gives a high-speed, large-volume intermediate frequency signal acquisition and recording method; secondly, the article discusses the method of extracting the reflection characteristics of target from recording data of existing pulse radar; at last, based on the recording data, the article analyzes the method of extracting high-precision phase information and gives results of phase information extraction. Through analysis on radar test data, the paper concludes that this method is able to strengthen performance of existing radars and retrieve the motion characteristics of targets and thus support the judgment on flight test at range.

Keywordspulse radar; radar data recording; radar target characteristic; ranging by phases

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.022

文章編號2095-3828(2016)02-0102-05

中圖分類號TN957

作者簡介史學書(1980-),男，講師，博士，主要研究方向為飛行器測量與控制。

基金項目國家自然科學基金資助項目(61271265)

收稿日期2015-07-09