孟凡利，周 全，趙嬋娟

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引言

地面探測制導雷達一般采用低脈沖重復頻率，但對低空飛行目標及小目標的檢測效果并不理想，低空突防的巡航導彈已成為最大的威脅。巡航導彈目標雷達截面積小、飛行高度低，雷達探測時常受到強地（海）雜波等強無源干擾，這就要求信號處理的雜波改善因子大于60dB，傳統(tǒng)動目標顯示／檢測（MTI／MTD）已難以實現(xiàn)，需采用雜波抑制性能更高的中高重頻PD信號處理［1］。PD雷達信號處理包括脈沖壓縮（PC）、多普勒濾波（FFT）、恒虛警檢測（CFAR）和距離解模糊等功能模塊，其中脈沖壓縮、恒虛警檢測等功能模塊與常規(guī)體制的低重頻雷達相同。距離模糊和距離遮擋是PD雷達中高重頻模式產生的新問題，是PD雷達信號處理的難點。距離解模糊的性能取決于解模糊算法；距離遮擋問題可由多個脈沖重復周期參差解決。前人研究主要集中于PD雷達中解模糊等算法的理論和原理，對工程化實現(xiàn)較少論及。本文基于ADSP－TS201S信號處理器平臺，對PD雷達信號處理機的設計與實現(xiàn)進行了研究。

1 PD雷達信號處理機設計方案

1.1 系統(tǒng)要求

PD雷達信號處理機要求兼容低重頻波形的NR，MTI，MTD工作模式，增加PD工作模式下的搜索和跟蹤兩種任務波形，以20ms為1個調度周期進行處理，其中可包括多個任務波形。要求在無目標指引時能自行搜索檢測到目標，并給出目標距離、速度、角度信息，在對目標進行跟蹤時，可精確測量目標信息。可檢測目標速度范圍40～1 000ms／s，量程40km。為減小雜波重疊對信雜比的影響采用中重頻，減小近地強反射功率的影響，在發(fā)射脈沖后還應額外增加接收機關閉時間3～5μs。

1.2 原理

PD雷達信號處理機的主要作用是從中頻接收機接收雷達的回波數(shù)據(jù)，從噪聲和雜波中提取出有用目標，測量目標的距離、速度、方位、俯仰等信息。PD雷達信號處理機主要由FPGA接口板、DSP信號處理板和Vxworks管理機等組成，其總體功能框圖如圖1所示。

圖1 信號處理機功能Fig.1 Functional scheme of signal process

FPGA接口板通過CAN接口與調度器通信，通信周期（即1個調度周期）為20ms，以獲取本調度周期的波位信息。同時它通過光纖接口與接收機通信，接收和差差三通道及輔助通道的5M數(shù)據(jù)率的回波數(shù)字信號及系統(tǒng)時序信號進行預處理（包括周期分割、數(shù)據(jù)緩存、旁瓣消隱及旁瓣相消處理、計算增益控制量），處理結果通過LINK口以乒乓方式打包給多塊DSP信號處理板。

DSP信號處理板采用兩塊并行乒乓處理，也可加入冗余處理板。DSP信號處理板完成PD信號處理和低重頻信號處理的所有處理過程，最終產生目標的點跡信息并發(fā)中斷給Vxworks管理機。

Vxworks管理機在收到中斷后通過CPCI總線取出目標點跡信息，通過廣播方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理機和顯示控制計算機。Vxworks管理機還具有DSP程序加載與管理、系統(tǒng)調試、冗余控制等功能。

PD雷達信號處理主要執(zhí)行搜索、跟蹤任務，處理過程包括進行PC，F(xiàn)FT，CFAR和距離解模糊等系列處理，PD信號處理原理如圖2所示。各模塊原理如下。

a）頻域脈沖壓縮 線性調頻信號對多普勒頻移不敏感，且較易獲得大的壓縮比，應用廣泛。其數(shù)字脈壓實現(xiàn)有時域匹配濾波法和頻域相關法兩種。由于時域匹配濾波階數(shù)過高，采用頻域相關法較有利。頻域相關法的主要過程是先對回波數(shù)據(jù)進行FFT處理，乘以匹配系數(shù)后再進行逆FFT處理。

圖2 PD信號處理原理Fig.2 Scheme of PD signal process

b）距離重排 實現(xiàn)距離門重排的二維存儲器及讀入和讀出順序如圖3所示。距離重排的作用是將連續(xù)的參差脈沖重復頻率（PRT）內不同距離單元的數(shù)據(jù)按序讀入，以不同的PRT為行組成一個二維矩陣，故該矩陣橫軸表示不同的距離單元，縱軸表示不同的PRT。為便于進行FFT濾波處理，需對二維矩陣先行轉置處理，再按先后次序對每個PRT中的相同距離單元中的數(shù)據(jù)作FFT濾波，之后為進一步的CFAR處理，還需對由濾波輸出數(shù)據(jù)構成的二維矩陣作1次轉置。

圖3 存儲器結構Fig.3 Scheme of memory

c）多普勒濾波（FFT＋FIR） 對固定平臺的PD雷達來說，若雜波和目標折疊至某一重頻下相同的視在距離上，則需采用足夠高的重頻在頻率域內形成無雜波區(qū)，同時利用對多普勒敏感的窄帶濾波器組實現(xiàn)頻譜分離，提取出所需運動目標的譜線，將其他干擾雜波全部濾掉。這樣不僅提高了靈敏度和速度分辨力，而且還改善了信雜比。因FFT濾波器形狀固定，不能在低速頻率附近和最大檢測頻率附近兼顧既能濾除雜波又能檢測具有相應速度的目標的要求，故為檢測低速及高速目標，需單獨設計FIR濾波器。

d）時域恒虛警（GO－CFAR） 為減小多普勒濾波雜波剩余的影響，同時避免后續(xù)處理設備的飽和，采用自適應門限處理的相鄰單元平均選大恒虛警處理。參考單元選取時采用被檢測位置前后隔開3個距離單元外的各8個距離單元。為減少后端數(shù)據(jù)處理面臨的虛警量，同時減少信號處理機的運算量以節(jié)省處理時間，在跟蹤時不再對全部的視在距離單元均作CFAR處理，而只需對由目標估計位置換算成的視在距離單元前后的有限個距離單元作CFAR處理即可。

e）頻道選大 相同重復周期的一組脈沖回波經恒虛警后，在各FFT及FIR濾波通道間對各被檢測距離單元進行通道選大處理（由于硬件資源限制未采用時域和頻域聯(lián)合恒虛警），同時利用選出的最大幅值所在的通道號進行頻道－速度換算，完成對目標的測速處理，再對不同重復周期的多組脈沖進行3／8準則的二次門限處理，確定有目標出現(xiàn)的距離單元［2］。

f）解距離速度模糊 當脈沖多普勒雷達處于中重頻模式工作時，一方面會受距離盲區(qū)遮擋的影響，另一方面，由于重復周期明顯小于電磁波探測雷達量程遠端所需的時間，會產生距離模糊；同時由于重復頻率小于目標最高多普勒頻率，會產生速度模糊。為消除距離模糊和距離遮擋，采取八重頻組變PRT工作模式。對選定的PRT組合，一般可采用孫子定理法（余數(shù)法）、糾錯數(shù)法、經典查表法和一維集法解距離模糊［3－4］。解速度模糊原理與解距離模糊類似。

g）和差歸一化處理 利用單脈沖測角原理，保留三通道FFT或FIR濾波后的相應距離單元的濾波輸出數(shù)據(jù)，結合頻道選大步驟中二次門限處理后獲得的目標距離單元和對應的通道號，然后選擇和差差三路中同頻道同視在距離單元的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，根據(jù)由天線特性決定的測角斜率，提取目標的方位角和俯仰角信息。

1.3 設計實現(xiàn)

PD信號處理的波形設計分為搜索任務波形和跟蹤任務波形。先用搜索任務搜索目標，依靠多重頻解模糊得出目標的距離和速度信息，有目標信息后再選用合適的單重頻跟蹤任務進行精確跟蹤。

本雷達系統(tǒng)在執(zhí)行搜索任務時采用八重頻，重復周期為［23，24，25，26，27，28，29，30］μs，聯(lián)合3／8準則就可解距離和速度模糊，距離模糊如圖4（a）所示。由圖可知：40km內有3個重頻可檢測到目標；每個重頻發(fā)射32個脈沖進行相參處理，用FFT（加kaiser窗）和單獨設計FIR濾波器綜合的濾波方法，頻域響應如圖4（b）所示，零點處深度62dB。因采用中重頻，距離和速度均模糊，在目標檢測過程中應綜合考慮距離摭擋和頻域響應。PD搜索模式下的檢測性能如圖5所示。圖中：1個距離單元代表30m；深色區(qū)域表示對應的距離和速度下，頻響小于－5dB即不能檢測區(qū)域。實際應用中，為進一步增加頻域檢測能力，可利用頻率捷變技術，采用8個遞減頻點對應8個重復頻率，同時可增加抗干擾能力［5］。

圖4 PD搜索結果Fig.4 Results of PD searching

圖5 PD搜索下綜合檢測性能Fig.5 Detecting performance of PD searching

本系統(tǒng)跟蹤任務時采用單重頻，重復周期為搜索任務八重頻中的一個，由搜索截獲的目標距離和速度選擇，選取準則見表1。為同時滿足速度與距離要求，速度和距離均是在要求范圍內越中間越好。為保證跟蹤精度，多普勒濾波器組中的每個濾波器應盡可能與信號帶寬匹配，每種PRF發(fā)脈沖128個，以達到準匹配效果。

PD雷達信號處理的DSP軟件實現(xiàn)原理如圖6所示。和差差三通道數(shù)據(jù)經接口板預處理后通過LINK口送至搜索處理板的DSP2，DSP1，DSP6中，此三片DSP程序基本一致，主要完成回波數(shù)據(jù)的FIFO緩沖及控制，并進行三通道幅相一致性控制及數(shù)據(jù)存儲功能，然后再通過LINK口繼續(xù)下傳數(shù)據(jù)。

DSP3，DSP0，DSP5程序基本一致，主要完成回波數(shù)據(jù)的頻域脈壓，再將脈壓結果進行數(shù)據(jù)重排成多普勒濾波的格式，最后通過LINK口繼續(xù)下傳數(shù)據(jù)。某重頻的32個脈壓結果如圖7（a）所示。

DSP4通過LINK口接收方位差通道、俯仰差通道脈壓后的重排數(shù)據(jù)，進行多普勒濾波處理，包括低頻通道的FIR濾波處理和其他通道的FFT濾波處理。多普勒濾波后的數(shù)據(jù)通過乒乓存入SDRAM，用于和差歸一化處理。FFT＋FIR濾波結果如圖7（b）所示。由圖可知：目標在第22個通道中，其中前3個和后2個通道中包含地雜波，不參與后續(xù)處理。

圖6 PD雷達信號處理硬件實現(xiàn)原理Fig.6 Principle of PD signal process

DSP7通過LINK口接收和通道脈壓后的重排數(shù)據(jù)，經頻域多普勒濾波處理、時域恒虛警后進行解模糊處理，8個重頻恒虛警結果如圖7（c）所示。由圖可知：由于距離摭擋影響僅有5個重頻檢測到目標。用本文提出的優(yōu)化解模糊算法后可得一顯示各不模糊距離單元出現(xiàn)目標可能性的表格，據(jù)此按3／8準則得到目標距離信息如圖7（d）所示，目標距離為675個距離單元。之后再讀取SDRAM中兩個差通道存入的多普勒濾波數(shù)據(jù)進行和差歸一化處理得到目標角度信息，綜合形成目標點跡信息送至上位機，最終送數(shù)據(jù)處理和顯控。

表1 跟蹤波形及選取范圍Tab.1 Selecting scope of tracking wave

圖7 PD信號處理過程Fig.7 Procedures of PD signal processing

2 關鍵技術及解決方法

為提高檢測性能，PD雷達采用中高脈沖重復頻率（PRF）信號，以便在信號頻率域形成足夠寬的無雜波區(qū)［6］。當脈沖重復頻率很高時，對應一個發(fā)射脈沖產生的回波可能需經數(shù)個重復周期后才能收到。由于目標回波的延遲大于脈沖重復周期，使收發(fā)脈沖的對應關系發(fā)生混亂，同一目標讀數(shù)（視在距離單元）可能對應數(shù)個目標真實距離（真實距離單元），這樣就造成了測距模糊。

對中高重頻工作模式，不僅測量距離是模糊的，而且回波可能被發(fā)射脈沖遮擋。遮擋的距離部分即是發(fā)射脈沖的寬度，取決于脈沖重復周期和占空比。為保證目標不因遮擋而丟失，應采用多個脈沖重復周期，使遮擋的距離單元錯開，以便無論距離是多少，至少用其中幾種脈沖重復周期在m／n準則下能檢測到目標。

2.1 優(yōu)化的解模糊算法設計

解模糊是PD雷達的一項關鍵技術，采用合理而快速的算法對保證目標的檢測概率和降低虛警率有重要意義。為消除模糊，雷達系統(tǒng)采用脈組參差，并獲得了一組相關測量值，然后根據(jù)這組測量值解算目標的真實距離。現(xiàn)有解模糊方法中最具代表性的方法是孫子定理。解模糊過程的本質是在求解同余方程組，孫子定理可用于解決該問題。基于孫子定理的中國余數(shù)定理法解模糊是一種根據(jù)以不同的測得的距離計算不模糊距離的解析方法。但這兩種方法運算量大且存在邊界誤差（由于目標出現(xiàn)在距離單元邊界附近帶來的誤差）。

本文基于孫子定理和余數(shù)定理提出了一種新的優(yōu)化查表法。設重復周期數(shù)為n，量程距離單元數(shù)為d，構造一初值為零的d×n數(shù)組真值表，取值為0代表某重復周期的當前距離單元無目標，取值為1代表可能有目標。將當前重復周期中所有可能的位置填進表中，再通過矢量運算將n行數(shù)據(jù)相加，并根據(jù)m／n檢測準則，若在某個距離單元上數(shù)值大于m，則當前距離單元即為目標的真實位置。這種查表法既可解距離模糊又能解速度模糊。以解距離模糊為例，若有n種重復周期進行距離測量，其距離單元數(shù)為R1，…，Rn，目標對應的各視在距離單元為r1，…，rn。若測量無誤差，則目標所在的真實距離單元

式中：K1，…，Kn為目標點對應的各重復周期的模糊度。

實際上，解模糊的過程就是確定模糊度的過程。若采用m／n檢測準則，則當所建表格中的各重復頻率距離單元有m個與視在距離單元相同時即可確定其模糊度，然后再根據(jù)式（1）推算出真實距離。實際工作中，由于目標閃爍或AD采集偏差等原因，相同目標的回波脈壓位置可能會左右偏差1個距離單元，故在填寫真值表時，應將偏差的目標距離也加入真值表進行解模糊處理。

2.2 距離遮擋問題及脈沖重復周期最優(yōu)化選擇

發(fā)射脈沖有一定的寬度，當目標回波落在發(fā)射脈沖內將導致信號的丟失，此即距離遮擋。雷達采用脈沖壓縮方式工作時，脈沖寬度的增加使距離遮擋變得嚴重?，F(xiàn)今雷達對威力的要求越來越高，故多采用脈沖壓縮方式，致使距離遮擋在PD雷達中無法避免。解決方法是選取合適的PRF和檢測準則。

脈沖重復頻率的選擇原則有兩個：一是要在雷達威力范圍內，在m／n準則下保證每個不模糊距離單元對應的M種重復周期不存在多值性，即一一映射；二是要盡可能使各不模糊距離單元對應的N個PRT視在距離單元中有N－1個落在發(fā)射脈沖（即距離遮擋）之外。對滿足上述要求的重復周期組合統(tǒng)計檢測概率，在脈沖寬度允許條件下選擇最大的檢測概率［7］。

3 關鍵技術實現(xiàn)

3.1 解距離模糊算法

對飛機、導彈等高速目標在解模糊過程中常需要發(fā)射多種重復周期的脈沖，并需確定檢測準則。本文先建立解距離模糊表格，再根據(jù)該表格在雷達威力范圍內進行全程搜索，該方法運算時間開銷與各PRT內過門限的目標點數(shù)無關，其流程如圖8所示。

設檢測采用m／n準則，雷達威力距離40km，距離單元寬度30m，雷達威力對應的距離單元數(shù)為1 333，雷達威力范圍內最大距離模糊度為K。取典型值，m＝3，n＝8，K＝12。先在雷達威力范圍內按不模糊距離單元由小到大的順序建立表格，表格內容為根據(jù)中國余數(shù)定理算出的所有不模糊距離單元對應的各PRT的視在距離單元號。

圖8 解距離模糊流程Fig.8 Flowchart of solving range ambiguity

完成直值表后通過矢量和相加，再遍歷所有距離單元，在1 000距離單元處值為6滿足3／8準則，則確認該單元有目標存在。在一片ADSPTS201芯片中用該法搜索，對1個波束內1 333單元的距離解模糊，若每個距離單元的解模糊需指令10條，每條指令的時間為2ns，則所需總運算時間為1 333×10×2ns＝27μs。該時間相對固定，不隨目標點多少而變。由上可見，本文算法的運算時間開銷和程序的簡捷性有其優(yōu)勢。

3.2 距離遮擋問題及脈沖重復周期最優(yōu)化選擇

脈沖重復周期的確定是個循環(huán)反復的試驗過程。理論上為解決距離摭擋問題，重復周期參差比最大越好，占空比越小越好。但因受系統(tǒng)威力限制，占空比通常在一個較小的范圍內，重復周期也縮小到一定范圍內，然后再通過遍歷的方法畫出類似圖1的距離模糊圖和類似圖2的綜合檢測性能圖，選擇相對性能較好的一組重復周期。

4 結束語

本文介紹了PD雷達信號處理基于DSP平臺的實現(xiàn)。討論了雷達解距離模糊的原理，算法和遮擋問題，分析了各種算法的運算能力，提出了建議使用的算法。該算法已用于某地面PD雷達的信號處理系統(tǒng)中，并成功完成信標跟飛和民航機跟飛試驗，其運算能力達到雷達波束實時處理的要求，工作穩(wěn)定性能優(yōu)越，具有工程應用價值。

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