基于DSP實現對空警戒雷達的高分辨處理

李粉兵

（中國電子科技集團公司第38研究所，安徽合肥，230031）

0 引言

根據信號分辨理論,雷達的測距精度和距離分辨力主要取決于發射信號的頻率結構,它要求信號具有大的帶寬，但隨之采樣頻率提高了,這意味著對A/D的轉換速度要求增高了，后續信號處理的運算速度和存儲容量也相應地提高。另一方面，對于中、遠程地面警戒雷達而言，并沒有必要采用太高的距離分辨力。所以目前對空警戒雷達多采用窄帶信號進行探測，如某雷達發射波形的帶寬為2MHz，A/D按1：1的速率采樣，經過脈沖壓縮后其脈寬為0.5us，距離分辨為75m。但現代戰爭中戰機多為多機編隊飛行，這就要求雷達能迅速分辨出戰機的機型架次,在這樣的需求下，可以考慮在常規雷達信號通道（DPC+AMTI/MTD+CFAR）外，增加一高分辨處理通道。操作人員可以對感興趣的局部地用寬帶波形進行探測，回波實時進行高分辨處理，以便及時準確地掌握空情。

1 系統分析

高分辨通道的基本組成如圖1所示。

圖1 通道結構圖

如某雷達的重復頻率為300Hz，正常發射波形是窄帶信號，而在高分辨區域的發射波形是帶寬為50MHz、時寬為40us的線性調頻信號,經過寬帶接收的回波經下變頻、濾波、正交解調，變為帶寬為50MHz的零中頻信號。A/D以50MHz速率高速采樣后經過脈沖壓縮后其脈寬為0.02us，距離分辨為3m,若高分辨處理距離為15Km，方位扇區為5°,天線以6m/s速度旋轉，由此，每一發射脈沖所的采樣數據有5000個，一個方位扇區有42個發射脈沖，總數據采集量為5000*42之多，對如此多的數據時域上計算卷積耗時較大，只能采用頻域脈沖壓縮，其數學模型為：

由信號處理理論可知，式⑴實現的是循環卷積，要使其和線性卷積相等，對參與處理的信號序列的長度有要求，若信號序列x(n)的長度為N1，h(n)的長度為N2，則N應滿足：N≥N1+N2-1，高分辨區間采樣序列的長度N1=5000，信號樣本采樣序列的長度N2= fsT=2000，則 N=N1+N2=7000，取 N=213=8192。

對線性調頻信號來講，數據段的雷達視頻信號可表示為：

匹配濾波器的脈沖響應為：

采樣后的序列為：

其中：τ為信號時寬、B為信號帶寬、TS為采樣周期、n=int{τ/TS}按照式⑷產生數據，其中n按-n/2：n/2的順序取值，作N點FFT有：

線性調頻經匹配濾波器后的輸出脈沖具有sinc(t)函數型包絡，其第一副瓣電平為主瓣電平的 13.2dB- ，在多目標環境中，如此高的副瓣會淹沒旁邊的小目標，引起目標丟失，為了提高多目標分辨能力，可以采用加權技術降低脈壓的旁瓣。加權函數選用hamming窗函數：

頻域加窗后的匹配濾波特性為：

其中：W(K)是窗函數的FFT。

根據式（7），利用MATLAT產生其匹配濾波器的頻率特性H(K)，存放在存儲器中，按照圖1給出的算法進行處理。

2 硬件設計

系統硬件構成如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

本系統選用5片ADSP-21060構成多處理器系統，其中4片的外部地址及數據總線掛在一起，處在同一地址空間，每片有相應的ID號，決定其在多處理器空間的位置，DSP5與其他DSP不在同一地址空間，各DSP間具有網狀LINK口連接，便于任務分配和數據傳輸，大大解決了外部總線的傳輸瓶徑效應，本系統采用點對點傳輸方式，每片處理器都可發送，亦可接收，通訊時序由軟件控制,并且有4個32位的雙向輸入輸出通道，采用雙口SRAM緩沖結構，可以圓滿解決內外數據率高低之差的匹配問題，同時還擴充了外部存儲器的容量。

3 軟件設計

由于通用DSP的使用，系統設計的重點已轉移到軟件編程上，系統處理任務確定后，就可對任務進行細劃分，盡量使每片處理器能高效率的運轉，DSP程序流分為以下幾步：

3.1 參數及數據輸入

輸入參數主要包括：方位碼、高分辨窗口的距離前后沿及方位前后沿，發射頻率代碼等。在中斷的控制下，DSP利用EPB DMA方式從外部的雙口RAM中取數，存人內部緩沖。DSP以32位定點格式從雙口RAM中取數，存放于內部緩存中，在進行FFT運算前需將I、Q分離并轉換為16位短字浮點數據格式，并存于各自的緩沖中。

3.2 FFT、IFFT

在整個工作流程中，FFT及IFFT運算占用的比例最大，因此FFT程序的優化至關重要，FFT的公式為：

而IFFT的公式為：

根據兩式的特點，可以完全不用改變FFT的程序就可以計算IFFT。

只要先將FFT的運算結果取共扼，就可以直接利用FFT的子程序，最后再將運算結果取一次共扼，并乘以1/N，即可完成IFFT的運算，在具體實現時，可以將系數1/N預先算在頻譜權系數中，以節省處理時間。

3.3 求模、取對數

經頻域脈壓后的數據，只需其幅度信息，求模后的數據通過查表法取對數，用32位浮點數的尾數作為查表的地址偏移量，并將其值與指數求取的對數值相加，作為最終的對數結果。

圖3 目標分辨圖

3.4 數據格式輸出

將參數，數據打包以LINK DMA方式發往DSP5，最終由DSP5分時將兩個脈壓通道的數據送往終端系統。

4 目標的高分辨顯示

在雷達光柵顯示器上按距離方位、矩陣分行、矩陣分列三種方式顯示,通過對視頻脈沖串細微特征的分析與顯示，可以提高判別目標屬性和個數的準確性。圖3為高分辨通道對兩架戰機的顯示情況。

5 結束語

本文給出了一種基于DSP實現中、遠程警戒雷達實現高分辨處理的設計方案，整個系統具有設備量少，靈活性高，實時性強的特點。作為雷達的一個新型功能，具有重要的現實應用。

[1]馬嘵巖,向家彬等.雷達信號處理[M].長沙：湖南科學技術出版社,1998.

[2]蘇濤,等.高性能DSP及實時信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社,2002.

[3]李粉兵.高速可重構脈沖壓縮技術[J].艦船電子工程,2008（9）.