一種ESM系統(tǒng)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)方法

管振輝

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

電子支援措施（ESM）的戰(zhàn)斗使命決定了其技術(shù)要求，這就需要在有限的設(shè)備空間內(nèi)具有最強(qiáng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力。實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求決定于電磁環(huán)境的密度和復(fù)雜算法程序。一個(gè)ESM信號(hào)處理機(jī)的處理速度一般是由4個(gè)主要因素決定的：所截獲到的有源輻射體的數(shù)量，接收到雷達(dá)脈沖的密度，每個(gè)信號(hào)的復(fù)雜性和所需處理信號(hào)模型的復(fù)雜度。

ESM信號(hào)處理機(jī)響應(yīng)時(shí)間實(shí)時(shí)大約是數(shù)百毫秒量級(jí)，如果再長(zhǎng)，則完成不了電子支援措施的任務(wù)。由于處理速率和反應(yīng)時(shí)間的要求，需要采用并行處理的專(zhuān)用信號(hào)處理硬件。ESM信號(hào)處理機(jī)用于實(shí)時(shí)分析進(jìn)入系統(tǒng)的每一個(gè)脈沖，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較、分類(lèi)、分析和識(shí)別。當(dāng)組合一個(gè)短的數(shù)據(jù)流水線(xiàn)通過(guò)處理機(jī)時(shí)，處理機(jī)則完成對(duì)信號(hào)的跟蹤。

由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和中央處理器（CPU）的性能大幅度提升，采用FPGA和CPU結(jié)構(gòu)的ESM信號(hào)處理成為提升信號(hào)處理性能的保障，使用FPGA完成快速的預(yù)處理部分和CPU完成復(fù)雜算法的主處理部分的架構(gòu)成為ESM信號(hào)處理機(jī)的典范。

1 ESM信號(hào)處理機(jī)的工作原理

ESM信號(hào)處理機(jī)的組成框圖如圖1所示，分為信號(hào)預(yù)處理和信號(hào)主處理兩部分［1］，兩者之間的脈沖數(shù)據(jù)傳輸靠脈沖跟蹤表來(lái)實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)預(yù)處理的主要任務(wù)是解決高速數(shù)據(jù)率的脈沖分離問(wèn)題，由于要求的速度快、算法相對(duì)簡(jiǎn)單，一般采用硬件邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里采用FPGA實(shí)現(xiàn)。信號(hào)主處理的主要任務(wù)是解決復(fù)雜信號(hào)分選、參數(shù)估計(jì)、信號(hào)跟蹤及預(yù)處理參數(shù)裝訂問(wèn)題，由于要求的算法復(fù)雜，一般采用CPU實(shí)現(xiàn)。

圖1 ESM信號(hào)處理機(jī)的組成框圖

雷達(dá)信號(hào)跟蹤處理匯集前端處理的結(jié)果，跟蹤雷達(dá)信號(hào)的狀態(tài)，給出雷達(dá)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、消失及工作方式變化規(guī)律，并將其跟蹤結(jié)果送往后端；同時(shí)接收系統(tǒng)控制命令，更新已知信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)和雷達(dá)信號(hào)知識(shí)庫(kù)。

2 信號(hào)預(yù)處理

2.1 已知信號(hào)預(yù)分選

已知信號(hào)預(yù)處理組成如圖2所示。由已知雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)裝訂m路已知雷達(dá)信號(hào)濾波器，輸入的送入m路已知雷達(dá)信號(hào)濾波器，各路輸出匹配標(biāo)志，經(jīng)脈沖重組后，將匹配送入脈沖跟蹤表對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行存儲(chǔ)，剩余脈沖輸出到未知雷達(dá)信號(hào)預(yù)分選進(jìn)行處理。

其中，一路已知雷達(dá)信號(hào)處理由多路抽頭延時(shí)線(xiàn)、匹配電路和判決電路組成。多路抽頭延時(shí)線(xiàn)，依據(jù)為已知雷達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)裝訂的重復(fù)間隔PRIn，對(duì)一般信號(hào)而言，n＝16即可滿(mǎn)足要求。當(dāng)雷達(dá)脈沖進(jìn)入多路抽頭延時(shí)線(xiàn)進(jìn)行n級(jí)時(shí)延，匹配電路對(duì)n個(gè)時(shí)延抽頭數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，在PRI滿(mǎn)足條件下，同時(shí)進(jìn)行到達(dá)方向（DOA）、射頻（RF）、脈寬（PW）的模糊對(duì)比，符合條件的給出判決標(biāo)志，判決電路依據(jù)各路的判決標(biāo)志進(jìn)行脈沖丟失及相鄰脈沖判斷，當(dāng)存在符合準(zhǔn)則的連續(xù)脈沖序列，并且丟失脈沖數(shù)小于40%時(shí)，則認(rèn)定為該路已知信號(hào)匹配成功，并將脈沖描述字（PDW）進(jìn)行匹配標(biāo)記。

圖2 已知信號(hào)處理的組成框圖

2.2 未知信號(hào)預(yù)分選

未知信號(hào)預(yù)分選過(guò)程，是根據(jù)一般性雷達(dá)信號(hào)特征的先驗(yàn)知識(shí)和雷達(dá)偵察設(shè)備的接收特性加以判斷，常見(jiàn)的算法有小盒法、聚類(lèi)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。相比而言，小盒法速度最快，適合ESM信號(hào)處理，其組成如圖3所示。

圖3 未知信號(hào)處理的組成框圖

未知信號(hào)預(yù)分選從原則上來(lái)說(shuō)，是將所有的PDW進(jìn)行比較從而歸并同類(lèi)項(xiàng)的過(guò)程，所以查找比較方法成為效率的關(guān)鍵，這里采取直接定址法。

高位地址：AddrH＝（DOA?m1）⊕（RF?m2）⊕（PW?m3）。

低位地址：AddrL＝知識(shí)庫(kù)空間。

高位地址每個(gè)參數(shù)的右移位數(shù)m定義為當(dāng)該參數(shù)存在2m×L＞3×Δ時(shí)，取m最小值，其中L為該參數(shù)的最小分辨率，Δ為該參數(shù)的均方根誤差。高位地址也就是系統(tǒng)的小盒數(shù)量。

低位地址定義了符合1部雷達(dá)所需的參量，即PDW范圍、變化規(guī)律及標(biāo)志，一般取8位地址較合適。低位地址也就是系統(tǒng)每個(gè)小盒的容量。

3 信號(hào)主處理

信號(hào)主處理主要包含PRI分選、參數(shù)估計(jì)、信號(hào)跟蹤3個(gè)功能模塊。PRI分選主要對(duì)未知雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行重頻分選；參數(shù)估計(jì)是指對(duì)指定雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)流的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出其特征描述字，信號(hào)跟蹤將已知雷達(dá)信號(hào)處理和未知雷達(dá)信號(hào)處理的輻射源描述字（EDW）進(jìn)行融合，并判斷目標(biāo)的狀態(tài)及發(fā)現(xiàn)或消失的時(shí)機(jī)。

3.1 PRI分選

PRI分選主要對(duì)未知雷達(dá)信號(hào)支路進(jìn)行重頻分選，其分選流程如圖4所示。CPU在脈沖跟蹤表內(nèi)獲取一段連續(xù)的脈沖跟蹤數(shù)據(jù)｛PDWi，k｝ni＝m，首先建立脈沖間隔（PPI）直方圖，進(jìn)行峰值搜索，順序判別簡(jiǎn)單PRI、參差PRI、抖動(dòng)PRI及多PRI的雷達(dá)信號(hào)，如果判斷為某一類(lèi)型的PRI信號(hào)，則將其相關(guān)的PDW提取出來(lái)送參數(shù)估計(jì)模塊。

圖4 PRI分選流程

3.2 參數(shù)估計(jì)

對(duì)由已知信號(hào)預(yù)分選送來(lái)PDW子流和由PRI分選送來(lái)的PDW子流分別進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。參數(shù)估計(jì)的主要目的是更好、更準(zhǔn)確地描述雷達(dá)脈沖流的特征。對(duì)于ESM來(lái)說(shuō)，凡是涉及被估計(jì)量的任務(wù)知識(shí)都是先驗(yàn)未知的，這就對(duì)參數(shù)估計(jì)提出了相對(duì)苛刻的要求，只能尋求不依賴(lài)于被估計(jì)量先驗(yàn)知識(shí)的參數(shù)估計(jì)方法。參數(shù)估計(jì)流程如圖5所示。對(duì)于RF、PW、DOA、PRI的估計(jì)先采用一元線(xiàn)性回歸運(yùn)算，扣除飛值后，再取平均估計(jì)值，即，其中M為統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)。PA值一般取掃描包絡(luò)中脈沖幅度最大的多值點(diǎn)的平均幅度值。掃描周期則依據(jù)TOA、PA關(guān)系圖形判斷，一般取3個(gè)照射時(shí)間進(jìn)行積累，依據(jù)斷點(diǎn)值與PA的最大值，估算掃描周期。

3.3 雷達(dá)信號(hào)跟蹤處理

圖5 參數(shù)估計(jì)流程

參數(shù)估計(jì)輸出的結(jié)果是描述輻射源的1組特征參數(shù)EDW，即每組特征參數(shù)代表1個(gè)待識(shí)別的觀(guān)測(cè)樣本。首先利用模糊隸屬度來(lái)確定觀(guān)測(cè)樣本各個(gè)參數(shù)的相似度。其次在得到觀(guān)測(cè)樣本各個(gè)參數(shù)相似度之后，通過(guò)設(shè)定各個(gè)特征參數(shù)的權(quán)值，可以得到觀(guān)測(cè)樣本對(duì)已知輻射源數(shù)據(jù)庫(kù)中樣本的隸屬度。再次由于信號(hào)在時(shí)間上的冗余性，必然有個(gè)積累的過(guò)程，即得到多個(gè)時(shí)刻上的觀(guān)測(cè)樣本，在Bayes信任結(jié)構(gòu)下，對(duì)每一時(shí)刻觀(guān)測(cè)樣本的隸屬度集合給出1個(gè)信任度，即獲取1條證據(jù)。可以運(yùn)用D－S證據(jù)理論組合規(guī)則對(duì)多個(gè)觀(guān)測(cè)樣本信任度（相似度函數(shù)）進(jìn)行合成，重新分配，最后得到信任度較高的結(jié)果。雷達(dá)信號(hào)跟蹤處理的工作流程如圖6所示，按目標(biāo)信號(hào)的EDW生成特性，給出發(fā)現(xiàn)時(shí)間、消失時(shí)間以及目標(biāo)狀態(tài)的變化規(guī)率。

圖6 雷達(dá)信號(hào)跟蹤處理流程

4 硬件組成

按ESM信號(hào)處理的組成、數(shù)據(jù)流程和處理方式設(shè)計(jì)硬件架構(gòu)，其框圖如圖7所示。采用雙CPU和雙FPGA的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)CPU接雙數(shù)據(jù)速率（DDR）同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SDRAM），用于CPU程序運(yùn)行；每個(gè)FPGA接靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）用于快速隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)。使用串行RapidIO完成各處理器之間的高速數(shù)據(jù)交換；使用網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成CPU之間及對(duì)外命令交換；FPGA與CPU之間采用局部總線(xiàn)方式，提高對(duì)FPGA寄存器的訪(fǎng)問(wèn)速度；FPGA之間采用低壓差分信號(hào)（LVDS）進(jìn)行同步傳輸。

信號(hào)預(yù)處理部分采用FPGA實(shí)現(xiàn)，信號(hào)主處理部分采用CPU實(shí)現(xiàn)，其中2個(gè)FPGA分別用于信號(hào)預(yù)處理的已知雷達(dá)信號(hào)預(yù)分選和未知雷達(dá)信號(hào)預(yù)分選；SRAM用來(lái)映射脈沖跟蹤表；一個(gè)CPU負(fù)責(zé)信號(hào)主處理的未知信號(hào)PRI分選、參數(shù)估計(jì)，另一個(gè)CPU負(fù)責(zé)已知信號(hào)的參數(shù)估計(jì)和雷達(dá)信號(hào)跟蹤處理。

圖7 硬件組成框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將ESM信號(hào)處理分為信號(hào)主處理和信號(hào)預(yù)處理的兩部分，信號(hào)預(yù)處理需要快速并行運(yùn)算，因而可在FPGA內(nèi)執(zhí)行，信號(hào)主處理的算法復(fù)雜度較高，可以在CPU內(nèi)完成。之后對(duì)ESM信號(hào)的處理架構(gòu)進(jìn)行了描述，文中以各個(gè)功能部分經(jīng)典算法為依據(jù)，給出了邏輯流程和物理結(jié)構(gòu)。在此架構(gòu)上，還可以進(jìn)行其它各種算法擴(kuò)充，以滿(mǎn)足不同性能需求的ESM信號(hào)處理。

［1］趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.