范 斐，張林讓，黃 響

(西安電子科技大學 雷達信號處理國防科技重點實驗室，陜西 西安 710071)

基于VS2010的雷達信號分析軟件設計

范 斐，張林讓，黃 響

(西安電子科技大學 雷達信號處理國防科技重點實驗室，陜西 西安 710071)

傳統(tǒng)雷達信號的測量需要聯(lián)合多臺儀器，所需的成本較高且操作繁雜，同時無法對復雜調(diào)制類型的雷達信號進行全面、準確地分析。針對這些缺陷，文中設計并開發(fā)了基于VS2010平臺的集時域、頻域和時頻域測量于一體的雷達信號分析軟件，對復雜多制式雷達信號的脈內(nèi)、脈間參數(shù)進行全面分析測量。簡述了軟件的總體設計及各模塊的功能，并對軟件的界面和功能設計給出了具體實現(xiàn)過程。軟件具有操作簡便、測量精度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，可廣泛應用于多制式雷達信號分析測量過程中。

VS2010;雷達信號分析;時頻分析;軟件設計

隨著雷達信號的調(diào)制方式越來越復雜，信號類型也從常見的線性調(diào)頻信號逐漸發(fā)展為捷變頻信號、多相碼信號等[1]。由于這些類型的雷達信號普遍是非平穩(wěn)信號[2]，傳統(tǒng)的測量方法只局限于信號的整體特征，無法對其時頻特征進行分析測量。近年來，許多公司推出了具有信號分析測量功能的儀器和軟件，如安捷倫公司的VSA89600系列矢量信號分析軟件等。這些儀器和軟件雖然可以對信號的時域、頻域以及時頻域的相關參數(shù)進行測量，但對具有復雜脈內(nèi)調(diào)制特性的雷達信號分析能力弱。

基于LabWindows/CVI的雷達信號分析軟件實現(xiàn)了對多種復雜脈內(nèi)調(diào)制雷達信號進行時域、頻域以及時頻域的測量和分析功能[3]。但LabWindows/CVI是基于C語言的軟件開發(fā)平臺，不利于接口模塊化，不便于軟件后期的維護及擴展?；诖?，本雷達信號分析軟件采用VS2010平臺下的MFC進行設計與開發(fā)。它具有C++語言面向對象的特性，能夠實現(xiàn)編程的模塊化，且設計的界面簡潔美觀。

1 軟件總體設計

基于VS2010的雷達信號分析軟件采用模塊化的設計思想[4]，將軟件分為接口模塊、信號分析模塊、輔助功能模塊、界面顯示模塊，如圖1所示。

圖1 軟件總體架構設計

(1)接口模塊。是整個軟件運行的前提，主要用于軟件對于信號數(shù)據(jù)的讀取和保存。LAN/GPIB接口用于軟件對外部儀器進行連接控制，并支持實時讀取信號數(shù)據(jù)對信號進行分析。文件導入接口支持對*.csv、*.txt、*.mat等多種格式的雷達信號數(shù)據(jù)文件進行讀取分析。結果保存接口用于對分析完成的數(shù)據(jù)及分析測量的參數(shù)進行保存，便于對信號進行分析對比；

(2)信號分析模塊。是雷達信號分析軟件的主要部分。軟件分別從時域功能、頻域功能、時頻域功能3個方面對信號進行分析測量[5]。時域展現(xiàn)了信號能量與時間的關系；頻域展現(xiàn)了信號的能量在各個頻率上的分布情況；時頻域展現(xiàn)了信號局部的時變頻譜特性；

(3)界面顯示模塊。中最主要的是波形顯示。為了使波形繪制更加清晰美觀，采用Teechart ActiveX控件，尤其是對于時頻圖全景圖、三維圖的繪制便捷、美觀；

(4)輔助功能模塊。只繪制出波形圖是遠不夠的，為了能夠更加準確地分析測量參數(shù)，軟件添加了輔助功能模塊，主要包括波形的回放功能、標記功能和門控選時功能。

軟件的各個模塊之間相互獨立，使得后續(xù)軟件調(diào)試和維護的便利性有了大幅提高，并增強了軟件的擴展性，提高了軟件的開發(fā)效率。

2 軟件界面設計

根據(jù)雷達信號分析軟件分析功能的需要，軟件界面應滿足多個圖表同時顯示，方便用戶操作。所以軟件利用C++語言的繼承性[6]對MFC中的CDockablePane類進行繼承并改進以達到對顯示的任意窗口進行任意位置的?？颗c懸浮的目的。同時，軟件以選項卡的形式對CDockablePane類的窗口進行排列布局，以同時容納多個窗口的顯示?？紤]到用戶常用的布局方式，特開發(fā)了1×1，1×2，1×3，…，3×2等8種不同形式的窗口布局。

由于在實際操作過程中會出現(xiàn)不斷進行窗口的刪除與增添、不同窗口模式的切換等操作，因此軟件還需要實現(xiàn)窗口的動態(tài)布局。為實現(xiàn)此功能，特繼承了CMainFrame類的AdjustDockingLayout函數(shù)，此函數(shù)可控制菜單欄，狀態(tài)欄及CPane類對象發(fā)生改變時客戶區(qū)的排列布局，具體實現(xiàn)的流程圖如圖2所示。

圖2 窗口排列流程圖

雷達信號分析軟件采用波形圖和表格兩種形式進行數(shù)據(jù)顯示。對于波形圖，軟件選用Teechart ActiveX控件來繪制。軟件針對不同的圖譜采用了不同的波形顯示方法，如：動態(tài)曲線圖、全景二維圖、三維圖、直方圖等，以使圖譜能將其信號特征更好地顯示出來。對于波形的動態(tài)顯示，可利用MFC集成的定時器函數(shù)實現(xiàn)。對于表格，軟件通過繼承MFC中的CListCtrl類改寫為可自由控制顏色、行高、字體大小和表格大小等優(yōu)點的表格類控件來進行顯示。

圖3即為軟件的主界面，其主要由菜單欄、工具欄、圖形顯示窗口、標記窗口、狀態(tài)欄5部分組成。

圖3 軟件主界面

3 軟件功能設計

3.1 信號分析功能設計

信號分析模塊涵蓋了多制式雷達信號的時域、頻域及時頻域3個方面的參數(shù)分析及測量，是支撐整個軟件運行的核心部分。

(1)時域分析功能設計。衡量時域測量的參數(shù)主要可以劃分為時間參數(shù)和功率參數(shù)[7]。其中時間參數(shù)主要包括脈沖個數(shù)、脈沖重復周期、脈沖寬度、關閉時間、占空比、上升時間、下降時間等。

時域參數(shù)分析過程如圖4所示，其核心是提取脈沖包絡。這里采用多路平滑濾波算法[8]來實現(xiàn)，即用一個長度為定長值N的矩形窗沿著離散的脈沖包絡序列滑動。運算表達式為

(1)

平滑濾波法其實類似于低通濾波器，只要選取合適的矩形窗長度，即可實現(xiàn)在較低信噪比下較好地提取信號包絡。

Δv=(max-min)/M

(2)

底值計算公式為

(3)

頂值計算公式為

(4)

圖4 時域參數(shù)測量過程

(2)對于頻域分析功能設計。頻域分析主要反映信號功率隨頻率變化的整體特征。算法設計的核心部分是傅里葉變換[10]。目前開源的傅里葉變換方法有許多種，經(jīng)試驗驗證，F(xiàn)FTW庫運算速度最快，軟件將FFTW庫導入MFC，實現(xiàn)了大存儲量數(shù)據(jù)的快速計算與顯示；

(3)時頻域分析功能設計。時頻域分析主要反映信號的頻率隨時間的變化情況。復雜多制式雷達信號是非平穩(wěn)的，需要通過對信號時頻域的分析來反映其局部時變頻譜特性[11]。例如，分析捷變頻信號，需要首先確定瞬時頻率，然后根據(jù)瞬時頻率分析捷變頻方式，捷變頻個數(shù)及捷變頻率。

軟件采用的時頻分析方法主要有相位差分法、短時傅里葉變換(Short-Time Fourier Transform，STFT)、Gabor變換、Wigner-Ville分布、Pseudo Wigner-Ville分布、Choi-Williams分布和Cone-shaped分布等。測量結果以全景圖、三維圖、曲線或表格的形式顯示出來。STFT[12]是一種線性時頻分析方法，其基本思想是將信號滑動加窗，并將加窗后的信號再進行傅里葉變換。連續(xù)時間信號STFT的數(shù)學表達式為

(5)

這是常用的、簡單的時頻分析方法，時頻分析的效果與所加窗的類型和長度有關。軟件中可選擇矩形窗，漢寧窗和海明窗。但它的時頻分辨率不是太高，不能敏感地反映信號的突變。

Wigner-Ville分布[13]是聯(lián)合時間和頻率的雙線性變換的代表，用來描述信號的能量密度隨時間的變化情況

(6)

Wigner-Ville分布具有很好的時頻聚集性，從而具有良好的時頻分辨率。但是多分量信號的Wigner-Ville分布往往會產(chǎn)生交叉項,影響了時頻分析的效果[14-15]。 Pseudo Wigner- Ville分布、Choi-Williams分布和Cone-shaped分布正是為了抑制交叉項而提出的。

3.2 軟件輔助功能設計

雷達信號分析軟件添加了回放、標記、門控選時3種輔助功能以便更加方便的測量和觀察信號波形。

(1)回放功能。為了能夠更好地觀察信號的局部特征，軟件添加了回放功能?；胤殴δ苁侵笇π盘柌ㄐ蔚幕胤牛唧w是指可以對信號波形進行單次播放、步進播放、循環(huán)播放、選時播放和選定脈沖播放。單次播放是指設定一次分析點數(shù)和平移點數(shù)并按所設參數(shù)對信號進行一次播放，播放完畢停止。步進播放是指將信號數(shù)據(jù)首尾相接，設定步進點數(shù)，并按所設參數(shù)進行連續(xù)不斷播放。循環(huán)播放是指將信號數(shù)據(jù)首尾相接，設定其一次分析點數(shù)和平移點數(shù)，并按所設參數(shù)進行連續(xù)不斷播放。選時播放是指對信號設定其播放的起始時間和終止時間，并按所設參數(shù)顯示其波形。選定脈沖播放是指設定所需播放的脈沖序號，并按所選定參數(shù)播放這一脈沖波形；

(2)標記功能。為獲取信號波形圖中某一點的值，以便更加精確的分析信號，軟件添加了標記功能。標記功能是指對信號波形進行添加、刪除、移動標記的操作，并可以添加波形的最大、最小峰值標記，并將波形圖中添加的標記在標記窗口中顯示其對應的坐標。對于標記的添加、刪除和移動操作，其設計難點在于標記位置的確定，獲取鼠標點擊位置的點的坐標，此時的坐標即為屏幕坐標，所以要將利用Teechart ActiveX中的坐標轉換函數(shù)，將屏幕坐標轉換成Teechart ActiveX中坐標軸的坐標；

(3)門控選時功能。門控選時功能相當于是對回放功能中選時播放功能的延伸，門控選時功能是指在原始信號圖中選定一定區(qū)域，其余波形圖即會對選定區(qū)域的信號進行顯示。

4 結束語

雷達信號分析軟件在VS2010平臺上實現(xiàn)了對復雜調(diào)制雷達信號時域、頻域、時頻域功能的分析，并添加了波形回放、標記、門控選時3種輔助功能，使軟件操作簡單，更加便于對信號數(shù)據(jù)進行分析。同時，軟件具有實時處理，參數(shù)測量精度高和穩(wěn)定性強等優(yōu)點，可廣泛應用與雷達信號分析領域。

[1] 朱曉華.雷達信號分析與處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[2] 張賢達,保錚.非平穩(wěn)信號分析與處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[3] 雷宇,張林讓,苗雪平.基于LabWindows/CVI的雷達信號分析軟件設計[J].電子科技,2015,28(1):1-4.

[4] 徐宏喆,侯迪.實用軟件設計模式教程[M].北京:清華大學出版社,2009.

[5] 李永剛.雷達信號分析及軟件設計[J].硅谷,2014(20):51-52.

[6] Stephen Prata.C++ primer plus[M].5版.孫建春,韋強,譯.北京:人民郵電出版社,2005.

[7] 郭允晟.脈沖參數(shù)與時域測量技術[M].北京:中國計量出版社,1989.

[8] 李慧君.雷達脈沖參數(shù)估計及其FPGA實現(xiàn)[D].重慶:重慶大學,2013.

[9] 劉明亮,陸福敏,朱江淼.現(xiàn)代脈沖計量[M].北京:科學出版社,2010.

[10] 史林,趙樹杰.數(shù)字信號處理[M].北京:科學出版社,2007.

[11] Thayananthan Thayaparan,Ljubisa Stankovic,Moeness Amin.Time-frequency approach to radar detection, imaging and classification[J].IET Signal Processing,2010,4(4):325-328.

[12] 陶海印,任明秋,王新,等.基于時頻分布技術的雷達信號分析[J].艦船電子對抗,2011,34(4):42-45.

[13] 李秀梅,楊國青.幾種時頻分析方法的性能比較[J].計算機仿真,2015,3(32):220-224.

[14] 王美玲,楊承志,吳宏超.基于STFT與WVD的雷達信號分析檢測方法[J].雷達與對抗,2014,34(4):36-53.

[15] Tuta L,Lexutan R,Moraru C.Time-frequency domain radar cross-section analysis of some simple objects and shapes[C].TX,USA:2014 10th International Conference on Communications (COMM),2014.

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Design of Radar Signal Analysis Software Based on VS2010

FAN Fei，ZHANG Linrang，HUANG Xiang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Radar Signal Processing, Xidian University, Xi’an 710071, China)

The traditional measurement of radar signal needs jointing many instruments together, resulting in high cost and complicated operation, as well as the lack of a comprehensive and accurate analysis of the complex modulated radar signals. Aiming at these disadvantages, a radar signal analysis software based on VS2010 platform is designed and developed, which combines time domain measurement, frequency domain measurement and time-frequency domain measurement. The software can make comprehensive analyses and measurements on the in-pulse and inter-pulse parameters of the complex modulated radar signals. The overall design of the software is firstly introduced in summary as well as its various function modules. Then, the concrete implementation of the design of interface and function of the software is illustrated in detail. The software, having advantages of simple operation, high measurement precision and strong stability, can be widely applied in the analysis and measurement of multi-modulation radar signals.

VS2010; radar signal analysis; time-frequency analysis; software design

2016- 06- 16

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項基金 (2012YQ20022405)

范斐(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：多種雷達信號產(chǎn)生等。張林讓(1966-)，男，博士，教授，博士生導師。研究方向：自適應信號處理等。黃響(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：對多種雷達信號進行多域聯(lián)合分析。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.018

TN957.51；TP391

A

1007-7820(2017)05-065-04