(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射大帶寬信號可以提高自身的距離分辨能力,雷達(dá)回波經(jīng)脈沖壓縮處理使得目標(biāo)上多個散射點距離上可分,即雷達(dá)可以獲知目標(biāo)尺寸、散射點個數(shù)、散射點間相對強(qiáng)弱及位置分布等信息,大大提升了雷達(dá)的目標(biāo)感知能力,因而雷達(dá)具備發(fā)射大帶寬信號能力具有重要意義。與大瞬時帶寬工作體制相比,步進(jìn)頻率綜合寬帶工作體制需求的瞬時帶寬小,可以在窄帶發(fā)射機(jī)、接收機(jī)條件下工作,是一種易于工程實現(xiàn)的大帶寬信號形式,具有巨大的工程應(yīng)用優(yōu)勢。但步進(jìn)頻率綜合寬帶工作體制存在距離-多普勒耦合現(xiàn)象[1-2],對運動目標(biāo)綜合成像時必須先對其精確測速再作對應(yīng)的速度補償處理,使得步進(jìn)頻率綜合寬信號處理包含多個流程。子脈沖調(diào)頻使得子脈沖的波形設(shè)計更加靈活[1],因而本文主要討論線性調(diào)頻 步進(jìn)頻率工作體制的信號處理流程。

1 算法原理分析

1.1 頻率步進(jìn)高分辨距離成像原理

頻率步進(jìn)綜合寬帶的基本原理是將B=N·d F的總信號帶寬,分在N個子脈沖中分時發(fā)射出去,經(jīng)過信號處理后距離分辨能力與直接發(fā)射瞬時大帶寬信號的距離分辨率相同。順序步進(jìn)時載頻按d F的頻率間隔在脈沖間跳變,即由f0步進(jìn)到f0+(N-1)·d F,頻率步進(jìn)脈沖串信號的數(shù)學(xué)表示如下:

式中,xp(t)為子脈沖基帶信號,ban d為信號帶寬,m為脈沖串內(nèi)第m個子脈沖的標(biāo)識,T為脈沖重復(fù)周期,f0為起始載頻,d F為脈間頻率步進(jìn)量,N為脈沖串內(nèi)子脈沖個數(shù)。信號綜合總帶寬B=(N-1)d F+ban d,根據(jù)波形設(shè)計準(zhǔn)則,一般ban d＞d F[1-2],因而B≈N·d F?；夭ㄐ盘柦?jīng)過混頻、解調(diào)及后續(xù)信號處理后距離分辨率與直接發(fā)射瞬時綜合帶寬B的距離分辨率相同,即達(dá)到了合成寬帶效果,實現(xiàn)了距離高分辨成像。

脈沖壓縮后大尺寸目標(biāo)回波信號分布在子脈沖的相鄰若干距離單元內(nèi),需要拼接每個距離單元的綜合成像結(jié)果得到大尺寸目標(biāo)的完整高分辨距離像。為保證子脈沖單個距離單元的目標(biāo)綜合成像結(jié)果不發(fā)生混疊,要求子脈沖距離單元大小小于步進(jìn)頻率不模糊距離大小范圍,此時綜合成像結(jié)果中存在冗余部分,需要從中提取有效數(shù)據(jù)段進(jìn)行拼接處理[1]。

1.2 運動目標(biāo)影響

當(dāng)目標(biāo)運動時,假設(shè)目標(biāo)作勻速運動,徑向速度為v,距離延時得到解調(diào)后的步進(jìn)頻率回波數(shù)據(jù)如下:

式中,m為第m個子脈沖的標(biāo)號。公式第二行的一次項使得綜合成像結(jié)果發(fā)生偏移,二次項使得綜合成像結(jié)果產(chǎn)生波形畸變、失真[3-4]。偏移距離為

運動目標(biāo)綜合成像結(jié)果的位置較其真實位置發(fā)生偏移,而距離像拼接時要求目標(biāo)在綜合成像結(jié)果中的位置與目標(biāo)真實位置一致,否則距離像拼接時將發(fā)生錯誤,二次相位使得綜合成像結(jié)果失真,二者均會導(dǎo)致最終距離像拼接結(jié)果發(fā)生錯誤。為了消除目標(biāo)運動速度對步進(jìn)頻率綜合成像結(jié)果的影響,需要準(zhǔn)確估計目標(biāo)的運動速度,并構(gòu)造式(2)中的一次相位、二次相位進(jìn)行補償。

目標(biāo)運動同樣對子脈沖產(chǎn)生距離走動影響[2]。一方面目標(biāo)距離的變化使得多個子脈沖的脈壓結(jié)果出現(xiàn)距離走動現(xiàn)象;另一方面,由于各子脈沖載頻步進(jìn)變化,運動目標(biāo)的多普勒效應(yīng)在各子脈沖中引起的距離偏移量不同。上述距離走動將影響最終成像結(jié)果的質(zhì)量,需要依據(jù)目標(biāo)速度初始估計值(一般由窄帶模式提供)完成多普勒校正和包絡(luò)對齊處理,然后再作步進(jìn)頻測速處理。在測速后需要依據(jù)測速結(jié)果完成子脈沖的包絡(luò)再對齊操作,消除幀內(nèi)子脈沖距離走動殘留量。

1.3 相位差分-IFFT測速算法

對目標(biāo)徑向速度的估計方法可分為兩類:第一類是通過回波數(shù)據(jù)直接計算求取目標(biāo)速度,如時域互相關(guān)法[3]、頻域互相關(guān)法[3]、正負(fù)調(diào)頻測速法[4]等;另一類是利用構(gòu)造的評價函數(shù)在一定速度范圍搜索最大值/最小值獲得目標(biāo)速度,如最小波形熵法、最小脈組誤差法[5]、最小脈組相位差分法[6]等,屬于速度搜索類。頻域互相關(guān)法測速精度高,但測速不模糊范圍小,不具有實用價值;時域互相關(guān)法測速不模糊范圍大,測速精度中等,具有較好的抗噪聲性能;速度搜索類算法的運算量大,測速精度與速度搜索步長有關(guān),算法實時性較差。

依據(jù)兩幀回波的相位變化可以測量目標(biāo)在此期間的距離走動量,即相位差分測距。目標(biāo)勻速運動時兩幀步進(jìn)頻率回波的多普勒效應(yīng)一次、二次相位相同,兩幀回波數(shù)據(jù)共軛相乘即得到相鄰兩幀回波數(shù)據(jù)的相位差復(fù)指數(shù)信號。單散射點情況下該信號是單頻率信號,頻率與目標(biāo)距離變化量對應(yīng),多散射點情況下該信號不是單頻率信號。但文獻(xiàn)[7]中已論證特定頻率的信號分量幅度最大,可通過IFFT實現(xiàn)相干積累,搜索IFFT結(jié)果模值最大值所在頻率并解算出速度估計值,稱為相位差分-IFFT測速算法,該算法屬于第一類算法。相位差分-IFFT測速算法是相干積累,具有很好的信噪比得益,抗噪聲性能良好。

相位差分-IFFT測速算法的數(shù)學(xué)表達(dá)如下:

式中,M為FFT/IFFT的點數(shù)。y′1,y′2分別對應(yīng)前一幀、當(dāng)前幀脈間頻率步進(jìn)回波補零后的序列。兩幀頻率步進(jìn)回波補零、共軛相乘再作IFFT運算得到Z,由Z模值最大值的位置解算出兩幀時間間隔內(nèi)目標(biāo)的距離走動量實現(xiàn)速度估計。由式(4)可知,在測速前是否作相位補償并不影響Z,即不影響測速結(jié)果。與文獻(xiàn)[3]中的時域互相關(guān)法相比,相位差分-IFFT測速算法省略了兩幀回波數(shù)據(jù)的成像運算,算法效率更高。

為了提高測速算法的抗噪聲性能與穩(wěn)健性,需要綜合多個含目標(biāo)距離單元的測速結(jié)果作為最終測速結(jié)果。含目標(biāo)的距離單元與只含噪聲的距離單元相比,相鄰幀綜合像包絡(luò)具有較高的相似性,可由相關(guān)系數(shù)是否過門限確定包含目標(biāo)的距離單元。

2 步進(jìn)頻率綜合寬帶信號處理流程

綜上可知,步進(jìn)頻率綜合寬帶信號處理主要包含以下步驟[1]:1)子脈沖壓縮(包含多普勒校正、包絡(luò)對齊);2)相位差分-IFFT測速;3)包絡(luò)再對齊;4)速度補償+綜合成像;5)距離像拼接。對應(yīng)的處理流程圖如圖1所示。由于步進(jìn)頻率綜合寬帶技術(shù)主要用于獲取目標(biāo)細(xì)節(jié)信息,脈沖壓縮后在目標(biāo)位置附近選取一定距離范圍內(nèi)的若干距離單元數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理即可,該距離范圍要大于目標(biāo)可能的最大尺寸,保證在獲取目標(biāo)完整高分辨距離像的同時大大減小整個信號處理流程的計算量。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件平臺

選用國產(chǎn)CPCI6-DSP-BW100信號處理板卡作為實時系統(tǒng)的硬件平臺方案,CPCI6-DSPBW100是中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所基于自主研制的“魂芯一號”(BWDSP100)高性能浮點DSP處理器構(gòu)成的6U CPCI總線接口信號處理板板卡[8-9]。板上搭載4片DSP處理器和1片大規(guī)模FPGA,對外采用PCI總線和高速串行通信,在功能、性能上均可替代國外高端DSP處理器構(gòu)成的信號處理板卡,板卡框圖如圖2所示。單個BWDSP100工作主頻為300MHz,每個BWDSP100有4個8 bit鏈路口,DSP片間采用Link口互連,每片DSP通過Link口連接到FPGA;FPGA與BWDSP100間Link口傳輸數(shù)據(jù)率為266MHz×8 bit,BWDSP100與BWDSP100間的Link口傳輸數(shù)據(jù)率為300MHz×8 bit,BWDSP100與BWDSP100間無共享總線,可通過Link口互連構(gòu)成多片DSP分布式并行結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),特別適合流水線處理。

圖1 步進(jìn)頻率綜合寬帶信號處理流程

圖2 BW100板卡框圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了最優(yōu)化軟件設(shè)計,將信號處理整體流程合理分配到多片DSP系統(tǒng)中的每一片中,使得各片上任務(wù)所需時間開銷相近,提高系統(tǒng)效率。CPCI6-DSP-BW100信號處理板卡共有4片DSP,需要將整個信號處理流程合理分配到4片上,構(gòu)成基于任務(wù)劃分的流水線實時處理模式[10]。若步進(jìn)頻率綜合寬帶信號處理一次完整流程所需時間大于兩幀回波數(shù)據(jù)到達(dá)時間間隔,但只要每片所需處理時間均小于兩幀回波數(shù)據(jù)到達(dá)時間間隔,則流水線處理時即可實時獲得運動目標(biāo)的高分辨距離像數(shù)據(jù),滿足實時處理要求。所需運算量最大的是子脈沖壓縮、多普勒校正、包絡(luò)對齊,其次是相位差分-IFFT測速和包絡(luò)再對齊,再次是速度補償、綜合成像,距離像拼接操作所需運算量最小,因而令DSP片0負(fù)責(zé)子脈沖壓縮、多普勒校正、包絡(luò)對齊操作,DSP片1負(fù)責(zé)相位差分-IFFT測速,DSP片2負(fù)責(zé)包絡(luò)再對齊,DSP片3負(fù)責(zé)速度補償、綜合成像以及距離像拼接操作,并行DSP工作流程如圖3所示。

圖3 并行DSP工作流程

Link口數(shù)據(jù)傳輸采用DMA傳輸方式。FPGA通過Link口一次傳輸一個子脈沖的原始回波(一幀的工作參數(shù)單獨傳送或包含在一個脈沖回波數(shù)據(jù)內(nèi))到DSP片0;DSP片0收到一個子脈沖數(shù)據(jù)后,根據(jù)工作參數(shù)完成脈沖壓縮、多普勒校正、包絡(luò)對齊處理,處理完所有脈沖數(shù)據(jù)后將處理結(jié)果和工作參數(shù)通過兩個Link口發(fā)送到DSP片1和DSP片2;DSP片1接收完數(shù)據(jù)后,依據(jù)工作參數(shù)完成每個距離單元的測速操作,記錄測速值和相關(guān)系數(shù),最后對相關(guān)系數(shù)過門限的距離單元的測速結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均得到速度最終估計值,并將該值通過Link口送到DSP片2和DSP片3;DSP片2收到速度估計值后,依據(jù)工作參數(shù)完成子脈沖的包絡(luò)再對齊處理,并將工作參數(shù)和處理結(jié)果通過Link口發(fā)送到DSP片3;DSP片3接收到數(shù)據(jù)后,依據(jù)工作參數(shù)完成每個距離單元的速度補償、綜合成像運算,最后完成距離像拼接運算,DSP片3將一幀距離像拼接后,結(jié)果及必要參數(shù)由Link口送FPGA,以上過程流水進(jìn)行時實時完成步進(jìn)頻率綜合寬帶信號處理工作。

3.3 仿真結(jié)果與系統(tǒng)測試

設(shè)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá),徑向速度v=-1 300 m/s,目標(biāo)上3個散射點的散射點強(qiáng)度相同,3個散射點分別位于距離29 998 m,30 002 m,30 005 m處。雷達(dá)發(fā)射波形參數(shù)如下:起始載頻f0=5 GHz,綜合寬帶為150MHz,子脈沖帶寬band=8MHz,脈沖寬度τ=0.131 58 ms,子脈沖采樣頻率fs=9.6MHz,步進(jìn)頻率值為4MHz,一幀內(nèi)的脈沖個數(shù)N=38,脈沖重復(fù)周期PRT=1 ms,相鄰兩幀間的時間間隔為57 ms,子脈沖脈壓前回波信噪比為-10 d B。目標(biāo)速度初始估計值vest=-1 453 m/s。依據(jù)此速度初值對相鄰兩幀子脈沖脈壓結(jié)果進(jìn)行多普勒校正和包絡(luò)對齊處理,結(jié)果如圖4所示。

圖4 子脈沖脈壓結(jié)果

由圖4可以看出,未進(jìn)行包絡(luò)對齊處理時,運動目標(biāo)相鄰兩幀多個子脈沖的脈壓結(jié)果包絡(luò)無法對齊,依據(jù)速度初值進(jìn)行包絡(luò)對齊處理后包絡(luò)基本對齊。

圖5為相鄰兩幀回波的相位差分-IFFT結(jié)果的模值,解算出目標(biāo)速度的估計值為vnew=-1 298.805 3 m/s,與目標(biāo)的速度真實值接近。

圖5 相鄰兩幀回波的相位差分-IFFT結(jié)果

圖6為子脈沖中目標(biāo)位置附近21個距離單元數(shù)據(jù)的距離像拼接結(jié)果,從圖中可以清晰地看到3個尖峰,3個尖峰的位置從左到右分別是29 998 m,30 002 m,30 005 m,3個尖峰的幅度大小基本一致,從左到右分別是228.8,228.8,218.1,3個尖峰的幅度差異由采樣損失造成。圖7給出了未作包絡(luò)再對齊處理時的距離像拼接結(jié)果,此時拼接結(jié)果中出現(xiàn)了嚴(yán)重的偽峰現(xiàn)象,拼接失敗,原因在于未作包絡(luò)再對齊處理時存在距離定標(biāo)偏差且距離走動使得目標(biāo)跨越多個距離單元,該結(jié)果說明了包絡(luò)再對齊處理在整個信號處理流程中的必要性。

系統(tǒng)測試時由FPGA實時產(chǎn)生對應(yīng)的回波數(shù)據(jù),DSP完成信號處理工作并將處理結(jié)果送FPGA后由FPGA發(fā)送到計算板卡上保存成數(shù)據(jù)文件。比對后發(fā)現(xiàn)基于國產(chǎn)DSP的步進(jìn)頻率綜合寬帶信號處理實時系統(tǒng)的處理結(jié)果與Matlab處理結(jié)果一致,驗證了實時系統(tǒng)的功能正確性,并且滿足實時性設(shè)計要求。

圖6 距離像拼接結(jié)果

圖7 無包絡(luò)再對齊處理時的距離像拼接結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以步進(jìn)頻率綜合寬帶距離高分辨成像的需求為背景,介紹了步進(jìn)頻率綜合寬帶的算法原理和完整信號處理流程,基于國產(chǎn)“魂芯一號”DSP芯片構(gòu)成的高性能并行信號處理硬件平臺,對實時處理系統(tǒng)的軟件進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計,給出實時系統(tǒng)方案。文中驗證了步進(jìn)頻率綜合寬帶實時信號處理系統(tǒng)的正確性、可靠性和實時性能。雷達(dá)裝備的發(fā)展趨勢是數(shù)字化、相控陣化、多功能化,步進(jìn)頻率綜合寬帶信號處理的實時實現(xiàn)使得窄帶雷達(dá)裝備能夠以較低成本擁有距離高分辨能力。特別地,相控陣?yán)走_(dá)若發(fā)射瞬時大帶寬信號來獲取距離高分辨能力將面臨寬帶數(shù)字波束形成等復(fù)雜問題,采用步進(jìn)頻率體制時只涉及到窄帶波束形成,工程研制難度大大降低,因而具有重要的工程應(yīng)用價值。

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