彭 平,張劍云,周青松,趙 利
(1.國防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院,安徽 合肥 230031;2.解放軍31104部隊(duì),江蘇 南京 210028)
在現(xiàn)代ESM中,雷達(dá)信號(hào)密集復(fù)雜、交錯(cuò)多變、頻帶寬開,模擬接收機(jī)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)偵察信號(hào)的全概率截獲和高精度測(cè)頻,加上新體制雷達(dá)的抗截獲、反偵察和抗干擾能力不斷完善[1],使得基于傳統(tǒng)的FPGA、DSP架構(gòu)的處理機(jī)難以實(shí)現(xiàn)電子支援偵察信號(hào)的實(shí)時(shí)分選。這對(duì)ESM系統(tǒng)中的偵察接收機(jī)和信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn),因此在設(shè)計(jì)時(shí)需解決兩個(gè)問題:一是如何設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)全概率截獲和高精度測(cè)頻的寬帶偵察接收機(jī);二是如何設(shè)計(jì)出能對(duì)從接收機(jī)前端獲得的大吞吐量高速數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)分選的信號(hào)處理機(jī)。
在電子戰(zhàn)領(lǐng)域,搜索式超外差接收機(jī)、瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)和信道化測(cè)頻接收機(jī)等模擬接收機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟,在ESM系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛,而數(shù)字接收機(jī)特別是數(shù)字信道化接收機(jī)受限于硬件水平,一般作為模擬接收機(jī)的補(bǔ)充,處于輔助和從屬地位[2]。將寬帶雷達(dá)偵察信號(hào)進(jìn)行折疊信道化再進(jìn)行數(shù)字信道化是將超外差與數(shù)字信道化的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,即將寬帶信號(hào)折疊在同一個(gè)頻段上再進(jìn)行數(shù)字信道化的并行處理,不僅可以解決大寬帶信號(hào)的處理問題,還可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收,而且接收的信號(hào)能長期存儲(chǔ)、信息損失少,可以在截獲后實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的算法進(jìn)行分選識(shí)別。
信號(hào)處理機(jī)則以傳統(tǒng)的FPGA+DSP架構(gòu)為主,以PowerPC通用處理器嵌入式開發(fā)為輔。為了適應(yīng)分選識(shí)別技術(shù)的發(fā)展,以及實(shí)現(xiàn)通用性、易開發(fā)和軟件化等要求,近年來使用CPU+GPU架構(gòu)的信號(hào)處理機(jī)來實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜算法成為一種趨勢(shì)。如2017年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉楠提出基于GPU并行計(jì)算的雷達(dá)信號(hào)分選算法,在先驗(yàn)知識(shí)不足的情況下使用Fast-ICA的K-Means聚類算法能夠滿足實(shí)時(shí)性分選要求[3],但如果沒有經(jīng)過精確測(cè)頻引導(dǎo),分選準(zhǔn)確率將會(huì)受到影響。2019年西南電子技術(shù)研究所的莊躍遷提出一種基于高性能GPU的實(shí)時(shí)脈內(nèi)分析實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析處理,在信號(hào)分選之前即對(duì)雷達(dá)信號(hào)脈沖分析處理,獲取其調(diào)制樣式及調(diào)制參數(shù),利用GPU的陣列并行處理能力,能夠大幅度提高雷達(dá)信號(hào)分選的正確率[4],該方案運(yùn)用于ESM系統(tǒng)時(shí)也需考慮對(duì)寬帶雷達(dá)偵察信號(hào)全概率截獲和高精度測(cè)頻的要求。也有學(xué)者在CPU+GPU異構(gòu)服務(wù)器的基礎(chǔ)上對(duì)雷達(dá)信號(hào)的處理進(jìn)行了研究,能夠滿足搜索探測(cè)的雷達(dá)信號(hào)處理要求,但對(duì)于雷達(dá)偵察支援信號(hào)的處理卻鮮有提及。
為解決現(xiàn)代ESM系統(tǒng)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜交錯(cuò)寬帶雷達(dá)偵察信號(hào)全概率截獲、高精度測(cè)頻和實(shí)時(shí)可編程分選的問題,本文提出級(jí)聯(lián)式信道化和異構(gòu)服務(wù)器的ESM系統(tǒng)組合架構(gòu)。
偵察接收機(jī)和信號(hào)處理機(jī)主要負(fù)責(zé)雷達(dá)信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理,是ESM系統(tǒng)的核心部分。從現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)抗面臨的信號(hào)環(huán)境和實(shí)戰(zhàn)需求來看,二者必須整體設(shè)計(jì)、互相搭配才能共同支撐ESM系統(tǒng)。
按典型信號(hào)處理系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能建模,ESM系統(tǒng)主要由天線模塊、偵察接收模塊、信號(hào)處理模塊、顯示操控模塊、記錄模塊等組成[2],典型ESM系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 典型ESM系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Typical radar countermeasure support reconnaissance system block diagram
從偵察接收機(jī)的角度來看,嚴(yán)峻的ESM雷達(dá)信號(hào)環(huán)境對(duì)現(xiàn)代接收機(jī)的靈敏度、瞬時(shí)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、頻率選擇性、實(shí)時(shí)性、靈活性、自適應(yīng)性、在線可配置性、對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的分辨率等提出更高的要求,表1將常見的模擬接收機(jī)與信道化接收機(jī)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比,為信道化接收機(jī)的選擇提供了參考依據(jù)[2]。

表1 常見模擬接收機(jī)與信道化接收機(jī)的性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison between analog receivers and channelized receivers
從信號(hào)處理機(jī)的角度來看,雷達(dá)偵察信號(hào)處理對(duì)點(diǎn)數(shù)、運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面的要求比探測(cè)雷達(dá)信號(hào)處理更高,且沒有先驗(yàn)信息作為參考,加上現(xiàn)代的ESM系統(tǒng)除了射頻前端外其他很多模擬電路也通過軟件來實(shí)現(xiàn),因此對(duì)雷達(dá)偵察信號(hào)的分選識(shí)別、脈內(nèi)特征分析等處理需要采取較為復(fù)雜的算法。而基于傳統(tǒng)的FPGA、DSP或者PowerPC通用處理器等嵌入式硬件架構(gòu)的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)在運(yùn)算能力、通用性、復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)和開發(fā)難度等方面存在一定的不足,表2將各類型處理器的性能進(jìn)行了對(duì)比。

表2 各類型處理器性能對(duì)比Tab.2 Performance comparison for each type of processor
通過表2可知,異構(gòu)服務(wù)器的整體性能比其他3種處理器要好,但考慮到FPGA可以并行運(yùn)算,而DSP采用哈弗結(jié)構(gòu),它們都具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,是雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的首選,所以需要通過實(shí)際性能測(cè)試來進(jìn)行比較。
表3將雷達(dá)信號(hào)處理中常見的單精度1 024點(diǎn)FFT運(yùn)算的測(cè)試情況進(jìn)行了對(duì)比,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了異構(gòu)服務(wù)器用于ESM系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的可行性。

表3 各處理器單精度1 024點(diǎn)FFT運(yùn)算性能測(cè)試對(duì)比Tab.3 Comparison table of performance test of 1024 point FFT operation with single precisionfor each processor
由于難以對(duì)截獲的雷達(dá)偵察信號(hào)采用射頻直接采樣技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化,需要先借助模擬處理技術(shù),即折疊信道化,先把寬帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于 A/D 采樣的中頻信號(hào)進(jìn)行處理,因此本文采用折疊+數(shù)字級(jí)聯(lián)式信道化的設(shè)計(jì)方法。
以機(jī)載ESM系統(tǒng)通常的工作頻率范圍,即2~18 GHz帶寬的信號(hào)環(huán)境為例,具體設(shè)計(jì)流程為:第一步,首先用2~18 GHz帶通濾波器把支援偵察目標(biāo)范圍以外的信號(hào)濾去,只留下保留處理頻段2~18 GHz的信號(hào);然后用低噪聲放大器提高信噪比;最后用功分器將信號(hào)分為8路。第二步,8路信號(hào)分別經(jīng)過2~4 GHz、4~6 GHz、6~8 GHz、8~10 GHz、10~12 GHz、12~14 GHz、14~16 GHz、16~18 GHz帶通濾波器,分割成8個(gè)帶寬為2 GHz的波段。第三步,用8個(gè)不同的本振(LO)將8個(gè)波段下變頻為8路中心頻率同為3 GHz、寬帶同為2 GHz的中頻模擬信號(hào),相同的中心頻率和帶寬可以確保在后續(xù)帶通采樣時(shí)只需使用一個(gè)采樣率就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。第四步,用合路器將8路中頻模擬信號(hào)統(tǒng)一折疊為2 GHz瞬時(shí)處理帶寬的中頻模擬信號(hào),并根據(jù)檢波器隨機(jī)觸發(fā)或順序掃描儀掃描的結(jié)果判斷折疊信號(hào)的所屬波段。第五步,為滿足2 GHz瞬時(shí)處理帶寬要求并留有一定過渡帶,使用4.8 GSPS采樣率的ADC芯片進(jìn)行采樣[5],得到實(shí)際帶寬為2.4 GHz的寬帶數(shù)字中頻采樣數(shù)據(jù)并高速緩存。第六步,通過對(duì)緩存的2.4 GHz采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取分路、多相濾波和并行IFFT實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化,得到32路75 MHz的數(shù)字正交I、Q信號(hào),獨(dú)立信道數(shù)為16個(gè),最后通過多路光纖并行輸出至信號(hào)處理機(jī)。
上述流程的具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示,由圖可以看出經(jīng)過折疊信道化+數(shù)字信道化的處理,最終可以得到與信號(hào)帶寬相適應(yīng)的、有效帶寬經(jīng)過壓縮的正交數(shù)字基帶信號(hào)。在繼承前文所述的信道化接收機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,該設(shè)計(jì)方法還將采樣率保持在非常高的水平上(4.8 GSPS),確保了頻率分辨率,同時(shí)大大減小了模擬設(shè)備使用量,簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),便于工程實(shí)現(xiàn)。

圖2 折疊信道化+數(shù)字信道化偵察接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 System design flow chart of folded channelized + digital channelized reconnaissance receiver
軍工產(chǎn)品的來源很大程度上依靠商業(yè)市場(chǎng),使用商用現(xiàn)成品(COTS)實(shí)現(xiàn)處理高速雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)流已經(jīng)越來越普遍,與傳統(tǒng)的軍事專項(xiàng)定購方法相比,使用COTS開發(fā)周期快,能減少研發(fā)成本,服務(wù)器中通用處理器都有開放軟件標(biāo)準(zhǔn),制造商通常還提供對(duì)處理器進(jìn)行優(yōu)化的信號(hào)處理庫[6]。隨著異構(gòu)服務(wù)器運(yùn)算性能的大幅提升,軟件生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步優(yōu)化、并行及低延時(shí)編譯方法的逐步成熟,使得利用異構(gòu)服務(wù)器完成強(qiáng)實(shí)時(shí)的雷達(dá)信號(hào)處理任務(wù)成為可能[7]?;贕PU+CPU異構(gòu)服務(wù)器的實(shí)時(shí)分選識(shí)別,通過采用高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理平臺(tái)架構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、處理。在前文論述的級(jí)聯(lián)式信道化的基礎(chǔ)上,ESM系統(tǒng)的信號(hào)流程圖如圖3所示。

圖3 ESM系統(tǒng)信號(hào)處理流程圖Fig.3 Signal processing flow chart of radar countermeasure system
為驗(yàn)證將異構(gòu)服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)ESM系統(tǒng)中信號(hào)處理算法的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性,本文主要對(duì)ESM系統(tǒng)信號(hào)處理的主要環(huán)節(jié)信號(hào)分選進(jìn)行仿真。在充分利用前文所述的級(jí)聯(lián)式信道化實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)頻和信號(hào)并行處理等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,可以通過異構(gòu)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)軟件化分選處理來提高信號(hào)分選的效率和準(zhǔn)確性,同時(shí)考慮到實(shí)際在ESM情況下存在缺乏充足先驗(yàn)信息、樣本空間不夠大以及實(shí)時(shí)性要求難滿足等客觀情況,本文采用SVM分類算法進(jìn)行仿真。
SVM是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則的一種分類器。SVM算法是一個(gè)凸二次優(yōu)化問題,能夠保證找到的極值解就是全局最優(yōu)解,無須任何先驗(yàn)知識(shí)便能找到最優(yōu)超平面分割面,且僅憑少量的支持向量就能表示這個(gè)最優(yōu)超平面分割面,在解決小樣本、非線性高維模式分選識(shí)別問題中表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單、全局最優(yōu)、泛化能力強(qiáng)等許多特有優(yōu)勢(shì)[8],因此適合用于ESM系統(tǒng)中雷達(dá)信號(hào)的分選。
SVM是在兩類線性可分問題的最優(yōu)分類算法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。以兩類線性可分?jǐn)?shù)據(jù)為例,一類數(shù)據(jù)用圓形代表,另一類數(shù)據(jù)用菱形代表,則最優(yōu)分類線(在高維情況下為最優(yōu)分類超平面)示例圖如圖4所示。

圖4 最優(yōu)分類線示例圖Fig.4 Sample diagram of the optimal classification line
圖4中margin代表分類平面間的最大分類間隔,處于分類線兩側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)為待分類的樣本。在該示例圖中,基本分類判別面方程為:
WTX+b=0
若對(duì)線性可分的樣本集進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理,分類間隔的表達(dá)式為,求分類間隔最大問題實(shí)際上就是求最小,通過加入有效約束條件,引入拉格朗日乘子后,解得最優(yōu)分類判別函數(shù),且其參數(shù)的確定依賴于SV(支持向量),從而得到通用SVM最優(yōu)化分類函數(shù)表達(dá)式:
在實(shí)際應(yīng)用中,為解決SVM只能處理線性可分樣本的問題,將核函數(shù)與最優(yōu)分類判別面相結(jié)合形成最終的SVM模型,分類函數(shù)表達(dá)式變?yōu)椋?/p>
引入核函數(shù)的主要目的是將原低維空間中非線性不可分函數(shù)映射到高維空間中,即解決低維特征空間無法構(gòu)造分類超平面的問題,從而將非線性不可分的問題轉(zhuǎn)化為線性可分問題,此時(shí)的最優(yōu)分類算法就變成了SVM分類算法[8]。
SVM分類算法的性能關(guān)鍵在于核函數(shù)方法的選取,常見的核函數(shù)有線性核、p階多項(xiàng)式核、多層感知器核(Sigmoid)和Gauss徑向基核(RBF)[1]。本文采用基于Gauss徑向基核的SVM分類算法進(jìn)行信號(hào)分選的仿真分析。
3.2.1參數(shù)設(shè)置
用PDW(脈沖描述字)表述雷達(dá)的參數(shù),主要包括射頻(RF)、PA(脈沖幅度)、PW(脈沖寬度)、TOA(到達(dá)時(shí)間)、DOA(到達(dá)角)。2部偵察站分別部署在(±50 000,0,0),4部雷達(dá)的位置在(7 000,4 000,4 000)處隨機(jī)產(chǎn)生,DOA不考慮俯仰,采集0.1 s的脈沖數(shù)據(jù)。分別設(shè)置3種不同復(fù)雜度的ESM工作頻段中S波段的信號(hào)樣式。
1) 固定載頻、固定脈寬;
2) 頻率捷變(捷變范圍為5 MHz)、脈寬捷變(捷變范圍為0.5 μs)、脈沖丟失率為10%;
3) 脈沖丟失率為20%,其余與2)中相同。
3.2.2仿真分析
對(duì)雷達(dá)全脈沖數(shù)據(jù)的各個(gè)維度進(jìn)行相關(guān)性檢測(cè)可知相關(guān)性最強(qiáng)的是RF和PW兩個(gè)屬性,因此選擇利用這兩個(gè)屬性來進(jìn)行分選。由于Matlab中的SVM只用于二分類,因此針對(duì)四部雷達(dá)的分類問題需要通過多個(gè)SVM的組合來完成,訓(xùn)練出四個(gè)分類器,測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)取匹配概率最大的分類結(jié)果。
把坐標(biāo)上的每一個(gè)點(diǎn)都載入模型得到對(duì)應(yīng)的分類預(yù)測(cè),仿真中在SNR為40 dB相對(duì)較高信噪比環(huán)境下來訓(xùn)練SVM模型,這樣就可以畫出本次分類器訓(xùn)練出的分類范圍,此時(shí)分選準(zhǔn)確率為100%,如圖5所示。

圖5 較高信噪比環(huán)境下SVM訓(xùn)練出的分類范圍Fig.5 Classification regions trained by SVM classification algorithm under a higher SNR
實(shí)際情況下噪聲干擾影響可能較大,因此在仿真中將SNR降到20 dB相對(duì)較低信噪比,此時(shí)使用SVM分類算法分離信號(hào),仿真結(jié)果如圖6所示。此時(shí)下方兩個(gè)較為密集的結(jié)合部分信號(hào)分選效果稍差,但總體效果較好,此時(shí)分選準(zhǔn)確率為98.67%,仍可滿足ESM系統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)分選的要求。

圖6 較低信噪比環(huán)境下SVM訓(xùn)練出的分類范圍Fig.6 Classification regions trained by SVM classification algorithm under a lower SNR
為了提高算法的實(shí)時(shí)性,除了對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化、向量化編程等手段外,還可以通過CPU+GPU異構(gòu)加快Matlab代碼的運(yùn)行速度,表4將使用通用CPU與CPU+GPU異構(gòu)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)SVM分類算法的處理時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比。

表4 通用CPU與CPU+GPU異構(gòu)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)SVM分類算法的處理時(shí)間對(duì)比Tab.4 Comparison table of processing time of SVM classification algorithm implemented by general CPU and CPU+GPU heterogeneous server
通過對(duì)比可以看出,使用異構(gòu)服務(wù)器架構(gòu)能夠較快加速SVM分類算法的實(shí)現(xiàn),從而滿足ESM中信號(hào)實(shí)時(shí)分選要求。本文仿真選擇了實(shí)時(shí)性強(qiáng)、無需先驗(yàn)條件且在較低SNR環(huán)境下仍能夠確保高分選準(zhǔn)確率的SVM分類算法,在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)具體需求和環(huán)境選擇不同的算法,特別是在需要實(shí)現(xiàn)維度高、迭代次數(shù)多、樣本空間大、在線可編程的雷達(dá)偵察信號(hào)分選算法時(shí),利用該架構(gòu)能夠加速算法的實(shí)現(xiàn),而在傳統(tǒng)的FPGA、DSP等處理器上是無法實(shí)現(xiàn)的,在通用上能夠?qū)崿F(xiàn)但實(shí)時(shí)性較差,因此目前在一些最新的雷達(dá)對(duì)抗平臺(tái)中已經(jīng)開始采用CPU+GPU異構(gòu)服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。
通過前文對(duì)偵察接收和信號(hào)處理兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)論證和算法的仿真分析可以看出:級(jí)聯(lián)式信道化能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷達(dá)偵察信號(hào)的全概率截獲和高精度測(cè)頻并完成信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸,為下一步信號(hào)高準(zhǔn)確率分選奠定了基礎(chǔ),從而應(yīng)對(duì)日漸增多的低截獲概率(LPI)雷達(dá)的威脅;但也帶來了大吞吐量高速數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)處理的挑戰(zhàn),此時(shí)便可以利用異構(gòu)服務(wù)器特有的性能優(yōu)勢(shì),在提高信號(hào)處理的速度同時(shí),對(duì)復(fù)雜交錯(cuò)寬帶雷達(dá)偵察信號(hào)的大吞吐量高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)字化、可編程分選,從而達(dá)到快速偵察并精準(zhǔn)引導(dǎo)干擾的目的。因此,級(jí)聯(lián)式信道化和異構(gòu)服務(wù)器前呼后應(yīng)、取長補(bǔ)短,從而發(fā)揮該ESM系統(tǒng)組合架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。
本文提出并論證了一種級(jí)聯(lián)式信道化和異構(gòu)服務(wù)器ESM系統(tǒng)組合架構(gòu),該架構(gòu)將級(jí)聯(lián)式信道化和異構(gòu)服務(wù)器進(jìn)行組合搭配、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)?;谠摷軜?gòu)用Matlab對(duì)SVM分類算法進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明:該架構(gòu)能夠在全概率截獲、高精度測(cè)頻、實(shí)時(shí)性傳輸和簡化工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜交錯(cuò)寬帶雷達(dá)偵察信號(hào)的實(shí)時(shí)可編程分選;即使在某些情況下不滿足ESM雷達(dá)偵察信號(hào)處理的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求,仍然可以在該組合架構(gòu)的基礎(chǔ)上用先進(jìn)但又復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn)ELINT(電子情報(bào)偵察)。該設(shè)計(jì)思想契合了智能雷達(dá)對(duì)抗的發(fā)展趨勢(shì),在雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域具有一定的研究意義和應(yīng)用前景。