基于高速數據采集的雷達對抗試驗數據回放與分析平臺

崔新風，姚輝偉，聶孝亮

(中國洛陽電子信息裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引 言

在雷達對抗試驗中，由于不同類型干擾機的工作方式、干擾樣式和干擾信號內部特征存在一定的差異，造成干擾效果也會存在不同程度的差異。為了深入分析試驗結果，需要對試驗過程中的試驗數據進行采集和分析。

目前常用的方法主要有2種：一種是利用試驗系統的數據錄取設備對試驗過程中的目標點跡、航跡數據進行錄取，然后按時間戳對比分析有無干擾條件下的雷達探測結果，得出干擾機的干擾效果[1-3]；另一種是采用高性能示波器采集試驗過程中關鍵節點的干擾信號和回波信號[4]，然后在計算機上利用數據處理軟件對數據進行處理分析。這2種方法都存在一定的缺點，數據錄取設備錄取的點跡、航跡數據只能顯示雷達受到干擾的情況，而無法具體分析干擾信號的內部特征；示波器由于內存有限無法對試驗過程中的數據進行持續記錄，其采集的數據只能觀察瞬間的狀態，不能進行復盤分析，雷達對抗過程瞬息萬變，信號轉瞬即逝，且目標信號一般都淹沒在強干擾信號中，給信號采集帶來困難，利用示波器采集的方法只能為試驗結果分析提供一定的參考，不能完全滿足試驗需求。

為了更好地進行試驗結果分析，本文設計了基于高速信號采集的雷達對抗試驗數據回放與分析平臺。利用高速信號采集平臺對試驗系統的中頻信號進行了全過程采集，利用中頻信號處理與分析軟件對錄取的數據進行處理和分析，用以完成試驗全過程中頻數據采集及處理、干擾信號特征分析、干擾效果動態分析以及仿真試驗系統狀態監視等功能。

1 系統組成

雷達對抗試驗數據回放與分析平臺主要由服務器主機、RAID磁盤陣列、高速數據采集卡、多功能接口卡以及高速數據采集軟件、試驗數據回放與分析軟件等組成，硬件部分組成如圖 1所示。

圖1 雷達對抗試驗數據回放與分析平臺組成框圖

服務器主機為板卡的承載平臺和應用軟件的運行平臺，采用基于Intel第3代Xeon 64 bit處理器的雙CPU服務器平臺，8核16線程，緩存20 MB，主頻3.4 GHz，內存64 GB。高速數據采集卡和多功能接口卡通過PCIe接口安裝在服務器主板上，高速數據采集板卡用于對雷達射頻前端處理后的中頻信號進行采集，為滿足信號的高速采集和傳輸，板卡采用PCIE×8總線接口，能夠提供高達4 GByte/s的數據吞吐能力，提供四通道采集，采樣率靈活可設，多功能接口卡提供參考時鐘、觸發信號、天線指向信息等輸入接口。磁盤陣列用于存儲采集的海量數據，包含8塊SSD模組，配置為RAID0模式，以提供較高的數據吞吐性能。主要應用軟件包括數據采集記錄軟件和試驗數據回放與分析軟件，數據采集記錄軟件用于將采集到的數據記錄到磁盤陣列中，試驗數據回放與分析軟件用于對采集到的數據進行處理、回放、分析、顯示等。

2 軟件設計與實現

2.1 高速數據采集記錄軟件

高速數據采集記錄軟件用于將高速數據采集卡采集到的數字信號通過PCIE總線以一定的格式記錄到磁盤陣列中。采用商用的Wavepro信號采集記錄軟件完成對系統中所有硬件的參數配置、狀態監控，并提供對信號采集、信號記錄、記錄數據瀏覽以及信號概略回放等操作的人機交互控制。Wavepro軟件可提供3.2 Gbytes/s的持續信號記錄速度，能夠滿足雷達對抗試驗過程中數據的記錄與存儲需求。

Wavepro軟件將采集到的數據存儲為操作系統可以直接訪問的文件格式，數據使用時不需要通過轉存的方式，可使用Matlab等軟件直接進行文件的讀取，為后續數據處理帶來很大的方便。用戶使用過程中可對采集設備采樣率、信號采集方式、參考時鐘等進行設置，滿足不同采集需求。另外，采集軟件還具備對采集信號的實時頻譜顯示功能，可作為試驗中信號監測和分析的有益補充。

2.2 試驗數據回放與分析軟件

試驗數據回放與分析軟件基于Matlab GUI開發，數據輸入為高速數據采集記錄軟件采集到的數字信號和天線指向信息，其主要功能為按照一定的信號處理算法對輸入的數據進行數字信號處理，輸出檢測目標點跡信息，并對試驗回放過程進行控制，實現數據逐幀播放和分析處理。軟件設計主要包括軟件界面設計、回放過程控制設計和信號處理算法設計等3個方面。軟件界面用來提供人機交互界面、參數輸入和結果顯示。回放過程控制用來對回放的過程進行控制，包括播放、暫停、停止、前一幀、后一幀、進度條等功能。信號處理算法用來模擬試驗雷達的信號處理機對輸入信號進行信號處理和目標檢測。試驗數據回放與分析軟件工作流程如圖2所示。

圖2 試驗數據回放與分析軟件工作流程圖

2.2.1 軟件界面設計

軟件界面采用Matlab GUI進行設計，分數據文件路徑設置區、雷達參數輸入區、參數輸出區和試驗結果圖形顯示區等。

數據文件路徑設置區用于設置需要處理的數據文件路徑和文件名。雷達參數輸入區用于設置雷達對抗試驗中模擬雷達的工作參數。參數輸出區用于顯示雷達在各個波位的檢測結果和當前數據文件的大小。試驗結果圖形顯示區用于顯示試驗過程中數據處理的結果，主要包括試驗過程檢測結果總體顯示、當前幀檢測結果顯示、各個波位信號的時域波形和匹配濾波后的波形、P顯顯示和檢波后功率顯示等。

2.2.2 回放過程控制設計

回放過程控制部分包括播放、暫停、停止、前一幀、后一幀、進度條等功能[5]，回放過程控制通過2個變量來實現。變量st用來表示每種功能的狀態，通過設置不同的值對應不同的功能，變量用s來表示回放的進度。整個試驗回放過程通過一個循環來實現，數據讀入時，獲取本次試驗過程錄取的數據文件長度L和每包數據的大小cell_length，據此設置循環條件。回放控制流程如圖3所示。

圖3 回放過程控制流程圖

回放開始前，需要設置雷達處理參數，選擇將要回放的原始數據，數據讀入后處于播放狀態。

當執行播放功能時，會根據當前st和s的值進行相應的功能跳轉，當s的值等于本次回放數據的長度時，回放停止。進度條可以用來動態顯示回放的進度，實現時將s的值設置為slider滾動條控件的value屬性值，滾動條會根據value的變化移動到相應的位置。滾動條的max屬性值在數據讀入時設定為本次試驗的數據總長度。

當執行暫停功能時，保存當前的進度數據s，根據用戶選擇進行上一幀、下一幀或時頻分析功能。上一幀即對第s-1幀的數據重新進行處理和顯示，下一幀即對第s+1幀的數據進行處理和顯示，時頻分析對當前第s幀的數據進行時頻分析，顯示信號的時域波形、匹配濾波后波形和時頻分析波形。利用這3種功能可以詳細分析雷達對抗試驗過程中干擾信號和目標回波信號之間的關系以及干擾信號的時域、頻域、時頻域特征。當執行播放功能時，根據當前保留的進度數據執行下一幀處理過程，同時將進度條從當前處刷新。

2.2.3 信號處理算法設計

信號處理算法是試驗數據回放與分析軟件的核心部分，用來對接收到的干擾和回波數據進行處理。信號處理算法主要包括降采樣、數字下變頻、脈沖壓縮、恒虛警檢測、目標檢測等，通過將試驗系統中實際使用的代碼移植到Matlab代碼實現，消除某些固定偏差后，可實現二者檢測結果基本一致。

3 實際應用

在某次雷達干擾裝備對抗仿真試驗中，該平臺在干擾信號特征分析、干擾效果動態分析和仿真試驗系統的狀態監視等方面得到了很好的應用，為試驗結果分析和試驗順利開展提供了很大的幫助。

3.1 干擾信號特征分析

利用試驗數據回放與分析平臺，可以對信號進行時域、頻域、時頻域、脈壓及恒虛警檢測結果顯示，能夠直觀給出干擾信號的脈內特征信息，便于分析不同類型干擾機的信號形式。圖4為某次仿真中，回波與干擾信號的時域波形與時頻圖，從圖中可以看出干擾信號采取的是間歇采樣的干擾方式。

圖4 干擾信號特征分析圖

3.2 干擾效果動態分析

利用試驗數據回放與分析平臺，可以對試驗過程中某段時間內的對抗過程進行逐幀回放，有助于對試驗中雷達和干擾機對抗性能進行深入分析，特別是出現試驗結果與預期結果不一致現象時。如試驗中，某一干擾機預期干擾效果較好，而實際干擾效果較差，利用雷達方程對試驗過程的干信比進行計算[6]，并對預期的干擾效果進行估計表明，干擾機能夠對雷達進行壓制，而實際干擾效果與預期不符。通過對試驗數據回放發現，連續4幀信號從能量的角度干擾機具有足夠能量提供用以壓制的干信比，前3幀未能做出正確的時間響應，從而不能實現預期的干擾效果；而第4幀中干擾信號實現了對目標信號的覆蓋，非常直觀地解釋了試驗現象。

3.3 試驗系統狀態監視

利用試驗數據回放與分析平臺，可以對試驗過程中試驗系統輸出的信號進行直觀的整體顯示，這樣有助于對系統狀態進行監視。例如，在一次試驗數據回放中發現，試驗過程中一段時間內目標信號突然發生變化，如圖5所示。通過實際排查發現，是由于試驗系統在進行幅度控制時，程控衰減器切換過程中控制碼誤碼引起的，而利用頻譜儀監控時只能顯示當前時刻的信號狀態，很難發現這種偶發的異常現象。

圖5 異常狀態下仿真過程信號控制

4 結束語

本文基于高速數據采集設備，設計實現了雷達對抗試驗數據回放與分析平臺，可以實現對雷達對抗試驗全過程數據采集錄取、回放與分析處理，在干擾信號特征分析、干擾效果動態分析以及試驗系統狀態監視等方面得到了很好的應用。本文所述平臺為實時數據錄取，事后數據分析處理，隨著計算機計算能力的快速提升，后續可以考慮進行雷達信號處理的實時處理算法實現，以實時顯示處理結果。