丁興軍，王星宇

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種基于脈沖重頻跟蹤的信號分選方法

丁興軍，王星宇

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

摘要：脈沖重頻是雷達(dá)信號的重要特征之一，能否充分利用雷達(dá)信號的脈沖重頻信息，直接影響雷達(dá)信號分選質(zhì)量。采用由CPU給出的分選結(jié)果，包括最后一個(gè)用于分選的脈沖的到達(dá)時(shí)間，裝訂現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)關(guān)聯(lián)比較器，利用雷達(dá)信號到達(dá)時(shí)間的相參性，將前后脈沖的到達(dá)時(shí)間差取余，根據(jù)余數(shù)判斷兩脈沖的相參關(guān)系，快速建立跟蹤，由硬件實(shí)現(xiàn)對關(guān)聯(lián)信號的脈沖重頻跟蹤，提高了速度，實(shí)現(xiàn)了信號跟蹤的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：重頻跟蹤；雷達(dá)信號分選；相參

0引言

重頻是雷達(dá)信號的重要特征之一[1]。對雷達(dá)信號的重頻進(jìn)行跟蹤用處很多，對電子偵察設(shè)備而言，它可以通過硬件對信號進(jìn)行重頻跟蹤，從而稀釋信號，降低信號密度。對電子干擾設(shè)備而言，對被干擾的信號進(jìn)行重頻跟蹤，可以預(yù)測下一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)刻，產(chǎn)生跟蹤波門，減少干擾資源，達(dá)到對多批目標(biāo)同時(shí)干擾的目的。

傳統(tǒng)的重頻跟蹤方法[2-3]是將當(dāng)前脈沖的到達(dá)時(shí)間減去前一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間,判斷該差值是否與裝訂的重頻值一致，一旦脈沖丟失多或者同方位有相同的掃描信號存在，那么對下一個(gè)脈沖或掃描包絡(luò)的首脈沖就很難確定，有可能跟蹤不上或跟蹤到另一部上，造成張冠李戴。傳統(tǒng)的重頻跟蹤方法對簡單環(huán)境下的重頻固定信號跟蹤效果尚可，但在復(fù)雜密集的電磁環(huán)境下，對重頻固定信號的跟蹤效果就已經(jīng)不理想了，對重頻抖動和重頻參差信號的跟蹤就無從談起[4]。

本文采用由CPU分選出信號后，利用分選結(jié)果信息(包括最后一個(gè)分選脈沖的到達(dá)時(shí)間)裝訂現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)關(guān)聯(lián)比較器，利用雷達(dá)信號到達(dá)時(shí)間的相參性，將前后脈沖的到達(dá)時(shí)間差取余，根據(jù)余數(shù)判斷脈沖的相參關(guān)系，由硬件實(shí)現(xiàn)對關(guān)聯(lián)信號的重頻跟蹤，提高了速度，實(shí)現(xiàn)了信號跟蹤的穩(wěn)定性。

1原理設(shè)計(jì)

當(dāng)接收機(jī)有脈沖描述字(PDW)輸入時(shí)，信號處理的FPGA接收該P(yáng)DW，并將其存入先進(jìn)先出(FIFO)進(jìn)行緩沖，以避免高密度時(shí)信號丟失。將FIFO中的PDW逐個(gè)取出，首先判斷有無裝訂關(guān)聯(lián)比較器，若沒有裝訂，就將PDW作為自由脈沖送CPU進(jìn)行信號分選，CPU分選出信號后，裝訂關(guān)聯(lián)比較器。如果有裝訂，就與裝訂的若干路的載頻、方位和脈寬同時(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，若與某路的值匹配，則進(jìn)行重頻跟蹤，若跟蹤上，就將該P(yáng)DW存入相應(yīng)的關(guān)聯(lián)通道，然后進(jìn)行下一個(gè)脈沖的處理；跟蹤不上，則將該P(yáng)DW作為自由脈沖送CPU進(jìn)行分選。如此循環(huán)，達(dá)到重頻跟蹤的目的。

2實(shí)現(xiàn)步驟

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1) CPU給FPGA裝訂關(guān)聯(lián)比較器

裝訂的參數(shù)為：

載頻(RF)上限、RF下限

脈寬(PW)上限、PW下限

到達(dá)方向(DOA)上限、DOA下限(視情況定是否需要啟動該參數(shù))

重頻類型(PRITYPE)

PRIn(參差數(shù))

PRI容差

PRI(對固定重頻信號為重復(fù)周期；對抖動信號為重復(fù)周期的中心值；對參差信號為幀周期)

PRI[8]：(相周期，最多考慮8參差的情況)

TOA：(臨時(shí)通道中用來分選的最后一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間)

TOA[8]：由CPU給FPGA裝訂的8個(gè)到達(dá)時(shí)間的預(yù)測波門

SCANtype:掃描類型

SCANtime：掃描周期

(2) 關(guān)聯(lián)比較器的實(shí)現(xiàn)

關(guān)聯(lián)比較器的實(shí)現(xiàn)如圖1所示：它由N路關(guān)聯(lián)比較器組成，當(dāng)待處理的PDW進(jìn)入FPGA后，該P(yáng)DW的載頻、方位和脈寬同時(shí)和N路關(guān)聯(lián)比較器的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行比較，符合上就進(jìn)行重頻跟蹤，不符合就將該P(yáng)DW作為自由脈沖送CPU分選。

圖1　關(guān)聯(lián)比較器

(3) 關(guān)聯(lián)比較器的參數(shù)相關(guān)流程

每路關(guān)聯(lián)比較器的參數(shù)相關(guān)流程如圖2所示。

圖2　關(guān)聯(lián)比較器的參數(shù)相關(guān)

首先將進(jìn)入的PDW0的RF0、DOA0和PW0與裝訂在該通道內(nèi)的關(guān)聯(lián)參數(shù)相比較，若RF0、DOA0和PW0不在裝訂的容差范圍內(nèi)，給出不匹配標(biāo)志；在容差范圍內(nèi)，則進(jìn)行PRI跟蹤。若PRI不在容差范圍內(nèi)，則給出不匹配標(biāo)志；在容差范圍內(nèi)，就將該脈沖存入該通道內(nèi)。

(4) 重頻跟蹤的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)CPU給FPGA裝訂PRI和PRI容差及PRITYPE后，F(xiàn)PGA先判斷該信號是重頻固定或抖動信號還是重頻參差信號，然后按兩者不同的流程進(jìn)行處理。該方法的優(yōu)點(diǎn)是FPGA對輸入的脈沖無論之前丟失多少，都能通過TOA的相參關(guān)系自相關(guān)上。下文公式中為了表達(dá)方便，PRI用I表示，TOA用T表示。

(5) 對重頻固定和重頻抖動信號的重頻跟蹤處理

重頻固定信號的PRI模型為[5]:

(1)

式中：Ii為一個(gè)確定的的非時(shí)變常數(shù)。

重頻抖動信號的PRI模型為[6]：

(2)

式中:I0為雷達(dá)序列PRI的中心值;δi為在[-T,T]區(qū)間內(nèi)服從均勻分布的隨機(jī)變量。

從式(1)和式(2)可以看出所有的Ii都可以落入PRI的固定容差內(nèi)。所以2種重頻類型的重頻跟蹤模型是一致的。

重頻固定和重頻抖動信號的脈沖序列如圖3所示。

當(dāng)關(guān)聯(lián)通道剛裝訂參數(shù)時(shí)，其通道內(nèi)是空的(尚未關(guān)聯(lián)上相關(guān)脈沖)，由于CPU對臨時(shí)通道的脈沖進(jìn)行分選和裝訂需要時(shí)間，而FPGA取出的Ti與裝訂的T之間有一些脈沖作為自由脈沖送入CPU(對FPGA關(guān)聯(lián)來說，這些脈沖相當(dāng)于丟失)，如何確定與TOA關(guān)聯(lián)的第1個(gè)脈沖就顯得尤為重要。這里由FPGA進(jìn)行自相關(guān)，方法如下：

圖3　重頻固定和重頻抖動信號的脈沖序列

ΔT=(Ti-T)MODI

如果ΔT≤I容差或I-ΔT≤I容差，則認(rèn)為關(guān)聯(lián)上，將這第1個(gè)脈沖存入本通道的FIFO中，并保存該Ti。下一個(gè)脈沖Ti+1進(jìn)入比較時(shí)，只需計(jì)算:ΔT=│(Ti+1-Ti)-I│≤PRI容差 或ΔT=(Ti+1-Ti)MODI。ΔT≤PRI容差或I-ΔT≤PRI容差即可。

這樣連續(xù)比較3個(gè)脈沖以后，就將本通道FIFO中的3個(gè)脈沖存入通道內(nèi)，以后關(guān)聯(lián)上一個(gè)就存一個(gè)。

(6) 對重頻參差信號的重頻跟蹤處理

重頻參差信號的PRI模型[7]為：

Ii=Ii,k=imodn

(3)

式中:n為周期參差數(shù);Ik(1≤k≤n)為n個(gè)確定的PRI常數(shù)。

幀周期I為所有Ik的和:

(4)

所以若2個(gè)脈沖之間T之差小于等于幀周期I，它們之間Ik的組合可能有n2種。

圖4　重頻參差信號的脈沖序列

重頻參差數(shù)為4的信號的脈沖序列如圖4所示。CPU在臨時(shí)通道內(nèi)分選出參差信號后，要將參與分選的最后一個(gè)脈沖的TOA裝訂到關(guān)聯(lián)比較器，同時(shí)要將該脈沖以后出現(xiàn)的相周期次序裝訂到關(guān)聯(lián)比較器，還要裝訂幀周期I=I1+I2+…+In，參與分選的最后一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間為T，F(xiàn)PGA處理到達(dá)時(shí)間為Ti的脈沖時(shí)，首先計(jì)算：ΔT=(Ti-T)MODI，然后將余數(shù)ΔT同時(shí)與各相周期比較，若與其中的一個(gè)吻合，則確定了第一個(gè)相關(guān)上的脈沖；如果不吻合，則將余數(shù)ΔT同時(shí)與以每個(gè)相周期為起點(diǎn)的一級累加和(I1+I2， I2+I3，…，In-1+I1)相比較，不吻合，依次將余數(shù)ΔT與2級，…，n-1級累加和比較，只要與其中的一個(gè)吻合，則確定了第1個(gè)相關(guān)上的脈沖。以該脈沖為起點(diǎn)，當(dāng)下一個(gè)脈沖Ti+1輸入時(shí)，計(jì)算ΔT=(Ti+1-Ti)MODI，重復(fù)上述過程，將跟蹤上的脈沖流分離出來。

以四參差為例：參與分選的最后一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間為T，給出的相周期次序就應(yīng)該是PRI[4]={I3，I4，I1，I2}，當(dāng)CPU給FPGA裝訂完P(guān)RI(這里的PRI是幀周期)、PRI容差、PRIn、PRI[8]、TOA及PRITYPE后，F(xiàn)PGA處理到達(dá)時(shí)間為Ti的脈沖時(shí)，首先計(jì)算：ΔT=(Ti-T)MODI,然后將余數(shù)ΔT同時(shí)與I1、I2、I3、I4比較，不在容差內(nèi)，則同時(shí)與以每一個(gè)相周期為起點(diǎn)的一級累加和I1+I2， I2+I3，I3+I4， I4+I1相比較，與I3+I4相吻合，確定了第1個(gè)相關(guān)上的脈沖，將該脈沖存入FPGA分配的FIFO中。以該脈沖為起點(diǎn)，當(dāng)下一個(gè)脈沖Ti+1輸入時(shí)，只要減去前一個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間Ti即：ΔT=(Ti+1-Ti)MODI，重復(fù)上述比較過程，︱ΔT- I1︱

3結(jié)束語

本文著重闡述了如何利用重頻跟蹤對信號進(jìn)行分流，逐步稀釋脈沖流，從而提高分選性能。該方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)，證實(shí)了其有效性。特別在高重頻環(huán)境下，能夠有利于低重頻雷達(dá)信號的分選。只要選擇合適的硬件資源，可以用于實(shí)際工程。

參考文獻(xiàn)

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A Signal Sorting Method Based PRF Tracking

DING Xing-jun，WANG Xing-yu

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:Pulse repetition frequency (PRF) is one of important features of radar signal,and whether the radar signal PRF information can be used adequately will directly influence the quality of radar signal sorting.This paper uses the sorting results given by CPU,which include the time of arrival (TOA) of the last pulse sorted,to bind the parameters of correlation comparator constructed by field programmable gate array (FPGA),uses the coherent relations of TOA of radar signals to get the remainder to TOA intervals of adjacent pulses,judges the coherent relationship of two pulses according to the remainder,constructs tracking rapidly,performs PRF tracking to correlative signals by hardware,which improves the velocity and realizes the stability of signal tracking.

Key words:pulse repetition frequency tracking;radar signal sorting;coherent

收稿日期:2015-12-05

中圖分類號：TN971.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0067-04

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.017