謝奇峰

（空降兵訓(xùn)練基地，廣西 桂林 541003）

反輻射導(dǎo)彈識別與告警系統(tǒng)設(shè)計*

謝奇峰

（空降兵訓(xùn)練基地，廣西 桂林 541003）

為了提升某型炮瞄雷達識別反輻射導(dǎo)彈的能力，設(shè)計了一種面向炮瞄雷達的反輻射導(dǎo)彈識別與告警系統(tǒng)。系統(tǒng)由雷達信號采集終端和信號處理平臺兩部分構(gòu)成。信號采集終端在雷達同步脈沖的同步下，負責(zé)采集I路視頻信號并傳送至信號處理平臺，信號處理平臺在頻域?qū)崟r處理I路視頻信號，判斷是否存在反輻射導(dǎo)彈，并發(fā)出報警提示。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)可以識別出高速反輻射導(dǎo)彈。

炮瞄雷達，反輻射導(dǎo)彈，信號處理

Abstract：To promoting certain Gun-Pointing radar’s ability to discover ARM，a ARM’s distinguish and alarm system for Gun-Pointing radar has been designed.The system is composed by data acquisition terminal and data processing platform，the former is responsible of collection of video signal and upload with radar’s pulse，the latter is responsible of real-time processing video signal in frequency domain.When find ARM，alarm device sounds the alarm immediately.The system can identify a high-speed ARM target in some trials.

Key words：gun-pointing radar，ARM，information retrieval

0 引言

反輻射導(dǎo)彈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用愈顯重要，嚴重威脅到地面雷達的生存，雷達是否具有抗擊反輻射導(dǎo)彈能力是現(xiàn)代雷達的重要指標之一。然而，一些種類炮瞄雷達的I、II波段接收機為對數(shù)接收機，在跟蹤敵機的情況下只能監(jiān)視反輻射導(dǎo)彈與載機的分離過程，無法對發(fā)射后的反輻射導(dǎo)彈進行識別并提供告警提示，地面操縱人員不能有效跟蹤反輻射導(dǎo)彈，這給炮瞄雷達抗擊反輻射導(dǎo)彈行動帶來很大不利。目前，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者從新技術(shù)和新方法等方面研究了抗擊反輻射導(dǎo)彈的方法與途徑，有些技術(shù)和方法在預(yù)警雷達上得到了應(yīng)用。文獻［1-3］研究了采用改進的方法，提高預(yù)警雷達識別反輻射導(dǎo)彈的能力。文獻［4-5］研究了抗擊反輻射導(dǎo)彈的戰(zhàn)術(shù)措施。關(guān)于炮瞄雷達識別發(fā)射后的反輻射導(dǎo)彈的研究還未見諸報道。針對炮瞄雷達在抗擊反輻射導(dǎo)彈性能上的不足，本文緊密結(jié)合炮瞄雷達特點，提出了在炮瞄雷達上增加反輻射導(dǎo)彈識別裝置的解決思路，并構(gòu)建了反輻射導(dǎo)彈識別與告警系統(tǒng)，為下一步在炮瞄雷達進行適應(yīng)性改造打下基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計思路

1.1 系統(tǒng)的原理方案

根據(jù)課題前期研究結(jié)論，反輻射導(dǎo)彈的回波為一串振幅受多普勒頻率調(diào)制的脈沖。輸出包絡(luò)為一正弦信號，其振幅為為多普勒角頻率，Tr為雷達脈沖周期，回波是多普勒頻率fd的函數(shù)。要提高炮瞄雷達對反輻射導(dǎo)彈的識別與告警能力，需要考慮來自I波段接收機視頻信號的采集和信號的處理兩個問題。本文使用DSP設(shè)計了一個高速采集電路，采集電路以雷達上零位脈沖作為采集的外觸發(fā)信號，在零位脈沖的觸發(fā)下以設(shè)定的速率實時采集視頻信號，并把采集到的數(shù)據(jù)送往信號處理平臺。信號處理平臺在頻域?qū)崟r處理采集到的數(shù)據(jù)，分析是否存在反輻射導(dǎo)彈，若檢測到反輻射導(dǎo)彈立刻向報警器發(fā)出指令，報警器工作并發(fā)出警報聲。反輻射導(dǎo)彈識別與告警系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 反輻射導(dǎo)彈識別與告警系統(tǒng)方案

1.2 雷達信號采集思路

為確保炮瞄雷達的探測距離，雷達上設(shè)定的脈沖周期Tr與最大探測距離Dmax相關(guān)聯(lián)。同時為消除盲速影響，還設(shè)置了3種脈沖重復(fù)周期，脈沖間隔非均等，故雷達信號的采集不能使用一次性方式，必須采用分組的方式，即一個脈沖周期內(nèi)采集一組數(shù)據(jù)。本文把零位脈沖作為各組采集的觸發(fā)信號。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，綜合考慮脈沖周期、脈沖寬度、目標距離、效率等因素，在保證探測距離的條件下，盡量減少一個脈沖周期內(nèi)的采集量。各組信號采集的參數(shù)如式（1）所示。

式中，fs為采樣頻率，N為一個脈沖寬度被采樣的次數(shù)，為炮瞄雷達的脈沖寬度，Ts為一個脈沖周期內(nèi)采集持續(xù)時間，Nts為一個脈沖周期內(nèi)的采樣數(shù)量。為了保證精度，N一般不小于2。信號采集方法如圖2所示。

1.3 信號檢測思路

圖2 信號采集思路

根據(jù)反輻射導(dǎo)彈回波包絡(luò)為正弦信號的研究結(jié)論，考慮到頻域信號分析具有明確的含義，獲取信號特征及其參數(shù)不受信號周期限制，信號特征明顯且魯棒性好等特點，反輻射導(dǎo)彈的信號檢測在頻域進行。利用頻譜分析手段判斷回波的脈沖包絡(luò)是否為正弦形式，若是則認為存在反輻射導(dǎo)彈，并進一步依據(jù)頻率估測目標的速度。根據(jù)頻域數(shù)據(jù)處理要求，傅里葉變換的采樣點數(shù)N一般取2的整數(shù)次冪。綜合考慮效率和準確度，本文設(shè)計了24、25、26點數(shù)據(jù)的離散傅里葉變換算法。根據(jù)傅里葉變換結(jié)果，判斷是否包含反輻射導(dǎo)彈，判斷方法如式（2）所示。

式中，X（k）為N點離散傅里葉變換值，kmax為傅里葉變換的最大值所對應(yīng)的k值。

由于數(shù)據(jù)采集的分段性，進行傅里葉變換之前需要對采集到的N組數(shù)據(jù)重新組合，形成Nts（一個脈沖周期內(nèi)的采樣數(shù)量）組具有N個采集點的數(shù)據(jù)組合。具有N個采集點的數(shù)據(jù)組合作為傅里葉變換的輸入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)組合方式由式（3）中的縱列確定，如第 1 組數(shù)據(jù)為（x11、x21、…、xN1）。

信號的檢測從第1組數(shù)據(jù)的傅里葉變換開始，直到檢測出反輻射導(dǎo)彈信號，所以最多需要進行Nts次傅里葉變換。發(fā)現(xiàn)反輻射導(dǎo)彈信號后，還需要計算出導(dǎo)彈的距離。導(dǎo)彈距離D由式（4）確定。

式中，n為檢測到反輻射導(dǎo)彈信號的數(shù)據(jù)組合序號。為了提高檢測的可靠性，數(shù)據(jù)采集模塊在一個脈沖寬度內(nèi)必須完成2次以上采集。在第n組數(shù)據(jù)中檢測到反輻射導(dǎo)彈信號后，再次對第n+1組數(shù)據(jù)進行傅里葉變換以確認檢測結(jié)果。

2 具體設(shè)計方案

根據(jù)式（1）得到的fs，設(shè)計了采集速度最高為40 MSPS的采集電路，以保證對每個脈沖至少能采集2次以上。采集電路對Ⅰ波段接收機的信號進行采集，采集到規(guī)定的數(shù)據(jù)后將之送往信號處理平臺。信號處理平臺對信號進行分析與處理，若發(fā)現(xiàn)反輻射導(dǎo)彈，發(fā)送報警指令，報警裝置接收到指令后發(fā)出警報。

2.1 信號采集終端設(shè)計

信號采集終端實際上是一個信號采集和聲光報警集成裝置，進行信號的采集，并根據(jù)報警指令實現(xiàn)聲光報警。信號采集終端主要包括邏輯控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)據(jù)傳輸通道、報警器等單元。信號采集終端連接示意如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換電路選用TLC5540高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用說明書上的典型電路方案［6-7］，在炮瞄雷達零位脈沖的作用下，芯片啟動持續(xù)Ts時長的采樣。

圖3 信號采集部分硬件連接示意圖

2.2 信號處理平臺設(shè)計

信號處理平臺具備信號采集的控制和信號處理等功能。信號處理平臺設(shè)計的重點是功能函數(shù)的實現(xiàn)。功能函數(shù)主要包括定時響應(yīng)函數(shù)OnTimer、波形繪制函數(shù)PaintWave、頻譜繪制函數(shù)PaintPinPu、傅里葉變換函數(shù)FFT、延遲函數(shù)WSDelay和報警函數(shù)BaoJing。為提高代碼移植性，屏蔽復(fù)雜的協(xié)議細節(jié)，把底層交互代碼封裝成dll和lib文件，通過編程接口訪問信號采集部分的資源?？紤]到交互需求，信號處理程序采用對話框類型。主交互界面在資源模板中完成設(shè)計，如圖4所示。

圖4 信號處理平臺主界面

2.3 相關(guān)算法的設(shè)計

2.3.1 信號采集算法

當信號處理平臺發(fā)出“打開設(shè)備”命令后，A/D轉(zhuǎn)換電路進入工作狀態(tài)，檢測是否存在零位脈沖。當檢測到零位脈沖后，開始以fs采樣頻率采集I路信號，采集Nts個采樣點后暫停采集，等待下一個零位脈沖。當下一個零位脈沖產(chǎn)生之后，繼續(xù)以fs采樣頻率采集Nts個采樣點，等待下一個零位脈沖。當A/D轉(zhuǎn)換電路采集到32組數(shù)據(jù)后，一次性把這些數(shù)據(jù)上傳至信號處理平臺。數(shù)據(jù)采集過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)的上傳有兩種方式，一種是每采集完一組數(shù)據(jù)就上傳給信號處理平臺，另一種是采集完32組數(shù)據(jù)后一次性上傳。第1種方式的實時性比較好，可以不間斷地對數(shù)據(jù)進行采集、處理和顯示，但對數(shù)據(jù)的傳輸速率和信號處理平臺的處理速度有很高的要求，要求傳輸速率至少為采集速率的3倍以上，信號處理平臺進行一次FFT變換的時間需小于520 μs。第2種方案的穩(wěn)定性比較好，無數(shù)據(jù)丟失，對硬件要求相對較低，但存在短暫的延遲。經(jīng)計算，第2種方式中進行一次FFT變換的時間可放寬至520×32 μs，延遲時間在0.017 s之內(nèi)，3倍音速換算成距離約為17 m，能滿足要求。本文采用第2種數(shù)據(jù)傳輸方式，以降低對數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)處理速度的要求，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。N取32點基于以下兩點考慮，一是減少一次FFT變換的計算量；二是提高檢測的靈敏度，N點從32到258，距離延遲將從17 m增加到136 m。

2.3.2 目標檢測算法

反輻射導(dǎo)彈檢測算法采取時域抽取基2FFT算法。設(shè)采樣后時域中的離散信號為x（n），其中n=0、1、…、N-1。將序列x（n）按n為奇、偶數(shù)分為x1（n）、x2（n）兩組序列，用兩個N/2點傅里葉變換來完成一個N點傅里葉變換的計算。設(shè)序列x（n）的長度為N，且滿足：N=2M，M 為自然數(shù)。按 n的奇偶把 x（n）分解為兩個N/2點的子序列，如式（5）所示：

用N/2點X1（k）和X2（k）表示N點傅里葉變換X（k），如式（6）所示：

式中，WNk=e-j2πrk/N，為旋轉(zhuǎn)因子。由于X1（k）和X2（k）均以N/2為周期，且，X（k）又可表示為：

這樣將N點傅里葉變換分解為兩個N/2點的傅里葉變換。對每個N/2點傅里葉變換繼續(xù)進行同樣的分解，直到只有最基本的2點傅里葉變換為止，就得到了時域抽取基2 FFT算法?；? FFT算法的計算量使乘法計算由N2次降為Nlog2N/2次，加法次數(shù)由N（N-1）次降為Nlog2N次。經(jīng)分析，該算法的第1級有1個組，往后逐級二分直到有N/2個組，每組所乘的旋轉(zhuǎn)因子是同樣的，并且每組的每個蝶形輸入數(shù)據(jù)之間的間隔是逐級減小到2。根據(jù)這個規(guī)律，基2算法的實現(xiàn)如圖6所示。

圖6 基2FFT算法流程

3 測試結(jié)果

3.1 測試條件

反輻射導(dǎo)彈識別與告警系統(tǒng)的測試條件如下：首先疊加雷達信號噪聲和目標回波，對疊加的模擬信號進行采集，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并上傳至信號處理平臺，觀察分析時頻域數(shù)據(jù)。以任意波信號發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生反輻射導(dǎo)彈回波信號，把雷達上Ⅰ波段接收機送來的I路視頻信號作為噪聲源，用同相加法器疊加回波信號和噪聲這兩路信號，把疊加之后的信號作為反輻射導(dǎo)彈回波信號，見圖1。

采用LM358系列中的LM358AM運算放大器構(gòu)成同相加法器。I路視頻噪聲信號和反輻射導(dǎo)彈模擬信號分別經(jīng)200 kΩ電阻后接入同相輸入端，反相輸入端經(jīng)200 kΩ電阻后接地。由于同相加法器中的4個電阻的阻值均為200 kΩ，輸出端的信號為同相輸入端的信號之和，從而實現(xiàn)信號疊加。

3.2 測試結(jié)果分析

圖7 反輻射導(dǎo)彈信號波形

圖8 反輻射導(dǎo)彈信號幅頻

圖7為采集到的反輻射導(dǎo)彈回波信號與未開高壓時雷達信號疊加在一起的時域圖，在圖中除了存在較明顯的定周期負脈沖零位信號，其他信號雜亂無章。圖8～圖10分別為經(jīng)過FFT變換的幅頻、功率譜和對數(shù)功率譜，在這些圖中能分辨出明顯的反輻射導(dǎo)彈信號和信號頻率。對比可以看出：在時域無法判斷是否存在反輻射導(dǎo)彈；經(jīng)過32點FFT變換到頻域后，無反輻射導(dǎo)彈時不會形成尖峰，告警裝置不報警，存在反輻射導(dǎo)彈時出現(xiàn)了明顯的尖峰，超過了式（3）中設(shè)定的門限值，報警裝置告警，實現(xiàn)對來襲導(dǎo)彈的識別與告警。

圖9 反輻射導(dǎo)彈信號功率譜

圖10 反輻射導(dǎo)彈信號對數(shù)功率頻譜

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)據(jù)采集和信號處理相關(guān)理論，設(shè)計了一種反輻射導(dǎo)彈識別與告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有從炮瞄雷達上采集Ⅰ波段接收機的I路視頻信號，對采集到的信號進行實時分析與處理，檢測出反輻射導(dǎo)彈回波信號，向報警裝置發(fā)出指令，并根據(jù)信號特征計算目標距離和速度。該裝置已經(jīng)在某型炮瞄雷達上進行多次試驗。從試驗數(shù)據(jù)來看，該裝置能檢測出反輻射導(dǎo)彈信號，并通過報警裝置發(fā)出警報。下一步的研究工作是：采用集成化設(shè)計方法提高系統(tǒng)的可靠性，改進信號處理算法，減少虛警率。

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Design of ARM’s Distinguish and Alarm System

XIE Qi-feng
（Airborne Training Base，Guilin 541003，China）

TJ761

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.037

1002-0640（2017）09-0166-05

2016-08-06

2016-09-08

空軍武器裝備資助項目（KJ2012277）

謝奇峰（1978- ），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士。研究方向：武器系統(tǒng)的控制、仿真。