多功能雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘" 要： 多功能一體化是雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢，隨著功能的增加，多模式間切換頻繁調(diào)度復(fù)雜，系統(tǒng)調(diào)試工作量呈指數(shù)增長，數(shù)據(jù)分析與管理的難度增大。為提高多功能雷達(dá)數(shù)據(jù)分析效率，輔助問題定位分析與系統(tǒng)狀態(tài)檢查，加快雷達(dá)研制進(jìn)程，分析了總體數(shù)據(jù)分析在雷達(dá)研制和使用階段的重要作用，研究了雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析軟件的需求與系統(tǒng)設(shè)計，并通過Matlab進(jìn)行實現(xiàn)。該軟件可以分析雷達(dá)多環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，并以表格和圖像的形式呈現(xiàn)分析結(jié)果。經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)驗證，該軟件能夠有效地提高分析效率，進(jìn)行雷達(dá)狀態(tài)判斷和性能評估，快速發(fā)現(xiàn)與定位問題。

關(guān)鍵詞： 多功能雷達(dá)； 雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析； 信號處理； 系統(tǒng)調(diào)試； 狀態(tài)判斷； 性能評估

中圖分類號： TN957.51?34" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）17?0029?06

Design and implementation of multifunctional radar overall data analysis system

NIU Limin， ZHU Xuancheng， WANG Fei， SUN Hao， YI Feng， ZHANG Weiqing， DU Kui

（China Electronics Technology Group Corporation No. 38 Institute， Hefei 230008， China）

Abstract： Multifunctional integration is an inevitable trend of the development of radar. With the increase of radar functionalities， the multimode switching has become frequent， and the multimode scheduling complex， which lead to an exponential increase of the workload of system debugging and increased difficulties of the system data analysis and management. In view of this， the significant role of the overall data analysis in the radar development and application is explored in order to improve the analysis efficiency of the multifunctional radar data， assist in the problem localization and analysis and the system status check， and speed up the process of the radar development and manufacture. The requirement and system design of the radar overall data analysis software are studied and implemented by Matlab. This software is capable of analyzing radar data at each stage and presenting the analysis results in the form of tables and graphs. It has been validated by the experimental data that the software can improve the analysis efficiency effectively， judge radar status and evaluate its performance， and find out and identify the problems in time.

Keywords： multifunctional radar; radar overall data analysis; signal processing; system debugging; status judgment; performance evaluation

0" 引" 言

近年來，多功能雷達(dá)因其功能模式多、適用范圍廣、動態(tài)重組能力強，各國競相研制[1]。多功能雷達(dá)可以實現(xiàn)對空中、地面、海面等不同目標(biāo)的探測、成像、偵察和識別，高效地完成目標(biāo)搜索、偵察監(jiān)視和搜索救援等多場景任務(wù)，展現(xiàn)出在現(xiàn)代防御和監(jiān)控體系中的巨大潛力[2]。然而，隨著功能的增加，多模式間切換頻繁并且調(diào)度復(fù)雜，系統(tǒng)調(diào)試工作量大，需要快速迭代，數(shù)據(jù)分析與管理的難度也隨之增加[3]。因此，多功能雷達(dá)對提高數(shù)據(jù)分析效率的需求更為迫切，需要通過高效的數(shù)據(jù)分析來提高雷達(dá)研制效率。

雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析是對雷達(dá)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和管理，以提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能和分析效率?？紤]到雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析技術(shù)的重要性，各雷達(dá)研制廠、所、院校在雷達(dá)研制過程中均使用了該技術(shù)，但目前尚未對該技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和分析。

本文通過對發(fā)展定位、需求分析、總體設(shè)計和軟件實現(xiàn)等方面的研究，對雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出多功能雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析軟件的實現(xiàn)并應(yīng)用于實際項目中，對于提高雷達(dá)研制水平，加快研制進(jìn)度具有指導(dǎo)意義。

1" 發(fā)展定位

1.1" 雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)分析是指使用邏輯技術(shù)和分析方法對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的過程，其目的在于把隱藏在大量看似雜亂無章的數(shù)據(jù)背后的信息集中和提煉出來，總結(jié)出所研究對象的內(nèi)在規(guī)律與趨勢[4]。

在雷達(dá)總體技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)分析的定位極為關(guān)鍵，在系統(tǒng)研制和使用階段中的分系統(tǒng)驗收、系統(tǒng)聯(lián)試、地面試驗、調(diào)試試驗、用戶試驗和工作執(zhí)勤等各個階段都發(fā)揮著不可替代的作用，能夠幫助雷達(dá)研制團隊快速發(fā)現(xiàn)和解決問題，并對雷達(dá)的維護、性能評估和健康管理等后期活動提供支持。數(shù)據(jù)分析在總體專業(yè)中的應(yīng)用如圖1所示。

通過有效的數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)走_(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面評估，幫助設(shè)計師快速準(zhǔn)確地定位問題，從而加快雷達(dá)研制的進(jìn)展和分析效率，幫助用戶在試驗過程中檢驗系統(tǒng)狀態(tài)，為用戶提供動態(tài)反饋，從而發(fā)現(xiàn)并排除問題。

1.2" 雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用與發(fā)展

由于數(shù)據(jù)分析在雷達(dá)領(lǐng)域具有重要的作用，國內(nèi)外對雷達(dá)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開展了廣泛的研究和實踐。文獻(xiàn)[5]設(shè)計實現(xiàn)了氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，能夠?qū)崟r提取、處理和存儲雷達(dá)數(shù)據(jù)，為氣象預(yù)報員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。文獻(xiàn)[6]通過信號預(yù)處理、分析存儲和顯示控制，實現(xiàn)了不同雷達(dá)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合和集成，提高了整個雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。文獻(xiàn)[7]基于對雷達(dá)信號的統(tǒng)計特征、頻譜特征或其他特征的分析，檢測出信號中的異常模式。文獻(xiàn)[8?9]設(shè)計了空管雷達(dá)原始數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可以自動解析二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，監(jiān)測雷達(dá)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高空管二次雷達(dá)數(shù)據(jù)分析的效率和可靠性。文獻(xiàn)[10]通過收集、過濾和處理雷達(dá)情報數(shù)據(jù)，利用圖形化方式動態(tài)顯示雷達(dá)的實際威力及變化趨勢，為作戰(zhàn)籌劃提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

從當(dāng)前雷達(dá)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用來看，應(yīng)用功能較為單一，并且多集中在對算法的研究，而忽略了數(shù)據(jù)對系統(tǒng)狀態(tài)判斷的重要價值。本文針對多功能雷達(dá)數(shù)據(jù)量大、研究價值高而并未系統(tǒng)深入分析的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于Matlab的應(yīng)用軟件，可以對雷達(dá)多種工作模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，挖掘雷達(dá)數(shù)據(jù)的使用價值。

2" 需求分析

2.1" 多功能雷達(dá)組成與數(shù)據(jù)來源

典型的多功能雷達(dá)由電源單元、天線單元、雷達(dá)處理單元以及顯示與控制等模塊組成。雷達(dá)系統(tǒng)工作中，天線單元通過高速數(shù)據(jù)接口將原始數(shù)據(jù)（輔助數(shù)據(jù)與原始回波）傳輸至處理單元的信號處理模塊和記錄存儲模塊。信號處理模塊完成脈沖壓縮、檢測、成像等處理，并將目標(biāo)點跡與HRRP等信息傳送至數(shù)據(jù)處理模塊，同時將雷達(dá)圖像信息傳輸?shù)侥繕?biāo)識別模塊進(jìn)行目標(biāo)分類。數(shù)據(jù)處理模塊整合目標(biāo)點跡與分類屬性，完成點跡凝聚、航跡起始及跟蹤，并將航跡結(jié)果呈現(xiàn)到顯示與控制模塊。顯示與控制模塊通過傳輸控制指令序列給任務(wù)管理模塊，任務(wù)管理模塊根據(jù)設(shè)置命令進(jìn)行波束調(diào)度，并實時產(chǎn)生雷達(dá)工作時序及工作參數(shù)。此外，任務(wù)管理模塊還接收和處理天線單元的BIT信息，用于系統(tǒng)的健康管理。圖2為雷達(dá)組成與數(shù)據(jù)來源流程圖。

2.2" 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)功能需求

雷達(dá)技術(shù)人員在工作中經(jīng)常需要對雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但直接分析數(shù)據(jù)文件的工作量大，且效率較低[11]，尤其對于多功能雷達(dá)而言，分析工作更為復(fù)雜。因此，需要開發(fā)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析軟件，可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖?CPI?波位?幀的多層級分析，用有限的幀圖呈現(xiàn)出較長時間數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，極大提高對系統(tǒng)狀態(tài)和處理結(jié)果正確性判斷的效率。軟件通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以實現(xiàn)以下需求，如圖3所示。

1） 輔助系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)判斷。通過分析雷達(dá)數(shù)據(jù)，輔助總體人員發(fā)現(xiàn)問題，并精準(zhǔn)定位問題根源。

2） 輔助系統(tǒng)進(jìn)行性能評估?；跀?shù)據(jù)分析結(jié)果，輔助進(jìn)行科學(xué)研究，為工程師提供性能優(yōu)化的建議，幫助改進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)處理算法，通過分析系統(tǒng)性能與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計師改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計提供參考。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以通過對雷達(dá)工作時產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，滿足不同的功能需求，表1為雷達(dá)數(shù)據(jù)與功能需求的對應(yīng)關(guān)系。

3" 系統(tǒng)設(shè)計

3.1" 系統(tǒng)總體設(shè)計

按照雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的需求，在數(shù)據(jù)分析總體功能的設(shè)計過程中將其設(shè)計為5個功能模塊。系統(tǒng)功能模塊劃分如圖4所示。

3.2" 系統(tǒng)功能模塊劃分

1） 數(shù)據(jù)讀取與解析模塊

為提高數(shù)據(jù)的存儲速度，雷達(dá)數(shù)據(jù)通常以二進(jìn)制文件來存儲，讀取時需考慮不同數(shù)據(jù)的格式來解析對應(yīng)的字節(jié)內(nèi)容，通過讀取控制字解析數(shù)據(jù)文件，獲取脈沖個數(shù)、脈沖數(shù)據(jù)長度及每個脈沖對應(yīng)的各種信息（如波序號、CPI、重復(fù)周期、工作模式等）。

2） 參數(shù)校核模塊

參數(shù)校核模塊對控制參數(shù)進(jìn)行匯總和集合。在完成數(shù)據(jù)解析后，首先需要對工作參數(shù)進(jìn)行正確性檢查，這包括判斷雷達(dá)運行過程中任務(wù)管理和波束調(diào)度是否正常，各個陣面的模式調(diào)度波束方位和俯仰指向是否與預(yù)期設(shè)置一致，以及跟蹤波束的重頻、脈寬和脈沖個數(shù)是否與設(shè)計相符。

3） 信號處理模塊

信號處理模塊在系統(tǒng)設(shè)計中占據(jù)重要地位。多功能雷達(dá)具有多種工作模式（如對地模式、對海模式、對空模式等），共16個子陣進(jìn)行波束合成。原始數(shù)據(jù)中包含16個子陣對應(yīng)的波束數(shù)據(jù)，因此需要對不同模式的數(shù)據(jù)按照不同的波束通道、波序號和方位指向進(jìn)行處理。處理過程包括脈沖壓縮、相參/非相參積累處理、地雜波抑制、CFAR和解模糊等。處理后的結(jié)果以圖形的形式呈現(xiàn)，幫助用戶直觀地查看系統(tǒng)狀態(tài)和算法處理結(jié)果。

4） 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊對已解析處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理。該模塊可以按照波位或數(shù)據(jù)塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行分割輸出。通過合理的數(shù)據(jù)管理，提高了數(shù)據(jù)的可回溯性和查詢效率。

5） 交互界面

軟件可以實現(xiàn)對雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一鍵分析，包括數(shù)據(jù)讀取與解析、參數(shù)校核、信號處理、數(shù)據(jù)輸出模塊等功能按鈕。通過設(shè)定與選擇按鈕完成對原始數(shù)據(jù)的處理，并將處理的數(shù)據(jù)與圖片進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)分析軟件控件功能如圖5所示。

4" 軟件實現(xiàn)

就目前而言，應(yīng)用軟件大多通過使用C、C++和Java與匯編語言實現(xiàn)，借助Matlab GUI進(jìn)行研發(fā)的軟件卻較少[12]。與其他語言相比，Matlab具備強大的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理能力，包括數(shù)學(xué)運算、信號處理、圖像處理和統(tǒng)計分析等功能。在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行多次運算和處理時，利用Matlab進(jìn)行程序編寫具有較高的效率[13]。同時，Matlab具有良好的跨平臺性和擴展性，開發(fā)周期較短，方便項目的整合與遷移。本文使用Matlab完成對雷達(dá)實驗數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。圖6為Matlab軟件的顯示界面。

1） 數(shù)據(jù)讀取與解析。選擇雷達(dá)原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件后，通過控制字字頭查找脈沖數(shù)據(jù)的起始地址，根據(jù)地址按照相應(yīng)數(shù)據(jù)類型將控制字解析到內(nèi)存，并將解析后的數(shù)據(jù)另存為mat和xls文件，以便后續(xù)直接讀取。

2） 參數(shù)校核。對解析后脈沖數(shù)據(jù)中的控制參數(shù)進(jìn)行校核，并生成圖像以驗證其正確性。需校核的參數(shù)主要包含三種類型，具體各項內(nèi)容如表2所示。

通過勾選界面上需要校核的參數(shù)項，軟件會從脈沖數(shù)據(jù)中提取并統(tǒng)計計算相應(yīng)參數(shù)，生成關(guān)系圖，以便分析實際參數(shù)是否符合預(yù)期設(shè)置。

圖7為BIT信息中三個陣面寬窄帶板FPGA溫度結(jié)果，可以呈現(xiàn)出FPGA溫度的變化曲線，判斷FPGA是否出現(xiàn)異常。

圖8與圖9是對波束調(diào)度參數(shù)校核的結(jié)果。圖8為雷達(dá)某陣面在方位±60°進(jìn)行掃描，在前半部分波位執(zhí)行搜索模式的波束調(diào)度，隨后在搜索的同時加入跟蹤模式，對兩個目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，由圖8可以直觀地看出雷達(dá)在多功能切換間的波束調(diào)度正常。

圖9在56.1 s時波束調(diào)度中斷，可以從校核結(jié)果中直觀地找到異常時間，后經(jīng)分析是由于波束調(diào)度主線程未收到FPGA的門鈴信號，導(dǎo)致波束調(diào)度3 s后釋放門鈴，產(chǎn)生了中斷，所以經(jīng)過參數(shù)校核可以驗證實際控制參數(shù)是否正常，幫助技術(shù)人員定位與解決問題。

3） 信號處理。在多功能雷達(dá)中通過主模式+子模式控制不同雷達(dá)工作模式，在信號處理時通過查找原始數(shù)據(jù)中主模式與子模式的編號篩選待處理脈沖。界面上提供對地模式、對海模式、對空模式、實波束測繪、氣象模式與湍流模式的選擇。由于數(shù)據(jù)量較大，軟件提供可以按照不同波序號、方位指向與波束通道來選擇需要處理的脈沖數(shù)據(jù)。提供的數(shù)據(jù)選擇包括和通道、方位差通道、俯仰差通道、匿影通道以及輔助通道。通過查看相應(yīng)通道的回波是否正常，可以監(jiān)測系統(tǒng)是否正常工作。

根據(jù)選擇的工作模式和處理方式（按幀或按波位），信號處理模塊會對不同波位或幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮、相參/非相參處理、地雜比抑制、恒虛警檢測、點跡解模糊處理，處理流程如圖10所示。

軟件首先可以呈現(xiàn)出每個通道的原始回波，可通過圖像初步判斷原始回波是否正常。圖11給出了和通道與子陣7的原始回波的輸出結(jié)果。

圖12為脈沖壓縮后模值圖與脈沖壓縮展開圖。由圖12a）可以直觀地發(fā)現(xiàn)異常及異常在距離上的分布，通過圖12b）可以找到異常出現(xiàn)的規(guī)律與原因（如同頻異步干擾等）。

圖13為按幀進(jìn)行處理的脈沖壓縮結(jié)果，由幀圖可以看出在任務(wù)空域西側(cè)，有一團較強的氣象云團。按幀處理可以快速查看任務(wù)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)、雜波和云團的分布情況。每幀數(shù)據(jù)中包含很多個波位，圖13中共包含111個波位，對于每幀30 s，只需20個幀圖即可呈現(xiàn)出10 min的數(shù)據(jù)結(jié)果，相比于按波位進(jìn)行處理，效率得到極大提升。

圖14為檢測后結(jié)果，通過CFAR共檢測出96個點跡，圖中兩線條中間區(qū)域為清潔區(qū)，區(qū)域外為雜波范圍，圓圈為彎曲雜波示意，其彎曲趨勢和實際回波有差別，表明雷達(dá)系統(tǒng)天線方向圖與理想情況有差異。

4） 數(shù)據(jù)管理。按照上述信號處理時所選擇的波位序號，輸出對應(yīng)的完整數(shù)據(jù)。通過查找所選波位在總控制子陣中的起始位置以及波位對應(yīng)的第一個脈沖起始位置，隨后讀取波位中包含的CPI個數(shù)以及脈沖總數(shù)，即可將波位所有脈沖數(shù)據(jù)寫入文件中，完成數(shù)據(jù)的分塊管理。

5） 界面交互。軟件可以對雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一鍵分析，控制界面中包含多個子模塊的設(shè)定與選擇等功能按鈕，選定數(shù)據(jù)文件后，軟件即可生成結(jié)果，結(jié)果顯示為數(shù)據(jù)顯示和圖形顯示，數(shù)據(jù)顯示區(qū)域可以看到解析后的雷達(dá)原始數(shù)據(jù)，圖形顯示會繪制出相應(yīng)的結(jié)果圖，得到參數(shù)校核結(jié)果與信號處理結(jié)果，并保存結(jié)果。

5" 結(jié)" 語

本文針對多功能雷達(dá)數(shù)據(jù)復(fù)雜、調(diào)試工作量大，研究多功能雷達(dá)總體數(shù)據(jù)分析技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)，根據(jù)開發(fā)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析軟件的需求，設(shè)計了雷達(dá)數(shù)據(jù)分析軟件的功能模塊，并介紹了軟件的實現(xiàn)方法和步驟。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的多功能雷達(dá)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，能夠滿足不同模式及其組合下復(fù)雜數(shù)據(jù)的分析，輔助總體技術(shù)人員進(jìn)行狀態(tài)判斷和性能評估，實現(xiàn)對雷達(dá)系統(tǒng)工作是否正常進(jìn)行快速判斷，同時可以對脈沖、CPI、波位、幀進(jìn)行逐級分析，定位數(shù)據(jù)異常的位置與問題出現(xiàn)的原因，幫助工程師進(jìn)行算法優(yōu)化。

注：本文通訊作者為牛利民。

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