雷達信號處理及目標識別分析系統(tǒng)方案

1、雷達信號處理及目標識別分系統(tǒng)方案西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室二一年八月-23-一 信號處理及目標識別分系統(tǒng)任務和組成根據(jù)雷達系統(tǒng)總體要求，信號處理系統(tǒng)由測高通道目標識別通道組成。它應該在雷達操控臺遙控指令和定時信號的操控下完成對接收機送來的中頻信號的信號采集，目標檢測和識別功能，并輸出按距離門重排后的信號檢測及識別結(jié)果到雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)組成見圖1-1。圖1-1信號處理組成框圖二 測高通道信號處理測高信號處理功能框圖見圖2-1。圖2-1測高通道信號處理功能框圖接收機通道送來中頻回波信號先經(jīng)A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過正交變換電路使其成為I和Q雙通道信號，此信號經(jīng)過脈沖壓

2、縮處理，根據(jù)不同的工作模式及雜波區(qū)所在的距離單元位置進行雜波抑制和反盲速處理，最后經(jīng)過MTD和CFAR處理輸出檢測結(jié)果。三 識別通道信號處理識別通道信號處理首先根據(jù)雷達目標的運動特征進行初分類，然后再根據(jù)目標的回波特性做進一步識別處理。目標識別通道處理功能框圖見圖3-1所示。圖3-1識別通道處理功能框圖四 數(shù)字正交變換數(shù)字正交變換將模擬中頻信號轉(zhuǎn)換為互為正交的I和Q兩路基帶信號，A/D變換器直接對中頻模擬信號采樣，通過數(shù)字的方法進行移頻、濾波和抽取處理獲得基帶復信號，和模擬的正交變換方法相比，消除了兩路A/D不一致和移頻、濾波等模擬電路引起的幅度相對誤差和相位正交誤差，減少了由于模擬濾波器精度

3、低，穩(wěn)定性差，兩路難以完全一致所引起的鏡頻分量。圖4-1 數(shù)字正交變換的原理我們希望得到的復包絡信號，即數(shù)字鑒相器輸出信號的頻譜，正交插值實現(xiàn)原理圖如圖4-1，數(shù)字鑒相器的任務就是如何使頻譜為圖4-2(a)所代表的信號轉(zhuǎn)換成頻譜為圖4-2(f)所示的信號，方法有四種：圖4-2 正交插值實現(xiàn)原理圖 低通濾波器法 數(shù)字乘積檢波器法 Hilbert變換法 Bessel插值法這些方法實現(xiàn)過程特點各有不同，但在基本原理上是一致的。下面以低通濾波法為例來進行設計。采用低通濾波法的數(shù)字正交變換原理框圖見圖4-3。圖4-3采用低通濾波器法的數(shù)字正交變換原理圖經(jīng)過數(shù)字正交換后，I(n)和Q(n)的數(shù)據(jù)速率可以通

4、過抽取降低下來，在的情況下如果按16:1抽取，這時I(n)和Q(n)的速率為5MHz，即。下面以仿真的形式驗證中頻數(shù)字正交插值的有效性。低通濾波器的參數(shù)：B5MHz， F0=60MHz，F(xiàn)s80MHz。設計的低通濾波器為32階，阻帶-50dB。圖4-4低通濾波器的幅頻特性仿真信號條件:信號形式為線性調(diào)頻信號，信號參數(shù)為帶寬B5 MHz，信號中心頻率f060 MHz，采樣率fs80 MHz，AD采樣之后的數(shù)據(jù)的時域波形和頻譜如下圖所示：圖4-5AD采樣的中頻數(shù)字信號圖4-6數(shù)字正交變換后的基帶信號五 數(shù)字脈沖壓縮1、脈沖壓縮信號形式如下表5.1 信號形式序號信號種類時寬（us）帶寬（MHz）1線

5、性調(diào)頻1052線性調(diào)頻2052、不同時寬下的脈沖壓縮結(jié)果（加海明窗）：圖5-1時寬10us、帶寬5MHz脈壓結(jié)果圖5-2時寬20us、帶寬5MHz脈壓結(jié)果3、三種脈沖寬度下脈沖壓縮處理所得的噪聲改善因子：表5.2 脈壓處理噪聲改善因子時寬（us）帶寬（MHz）理論改善因子（dB）加窗處理損失（dB）實際改善因子（dB）105171.115.9205201.118.9六 動目標檢測1、固定重復頻率的工作模式：固定重頻分別為：800Hz和400Hz，動目標檢測按照目標所處區(qū)域是否含有雜波分別采用不同的濾波器進行處理。表6.1不變T工作模式的重復周期表脈沖模式（PRT1M）脈沖模式（PRT2M）12

6、50s2500.0s雜波譜的分布情況：假定：地物雜波：0.3米/秒氣象雜波：2m/s雷達雜波譜寬： （6.1）在0.0318m(f=9432MHz)的情況下可以計算得到：Hz （6.2）Hz（6.3）考慮到雷達天線掃描會引起雜波譜的展寬，實際的雜波譜會比上述值略寬一些，同時考慮雷達的重頻較低，氣象雜波的譜較寬，而且存在多普勒模糊，因此我們將在分析雷達回波氣象雜波特性的基礎上，優(yōu)化濾波器凹口來實現(xiàn)對氣象雜波的抑制。2、MTD濾波器的設計（1）重復頻率為800Hz，積累脈沖數(shù)為16a對不含有雜波區(qū)域的MTD濾波器組采用均勻多普勒組和海明加權，實際處理中可采用FFT處理來實現(xiàn)。16個濾波器組的特性如

7、下圖所示：圖6-116個均勻脈沖多普勒濾波器組特性b對含有雜波區(qū)的MTD濾波器組特性（要求凹口深度-60dB，凹口寬度±30Hz），需要分別設計不同的濾波器組在實現(xiàn)雜波抑制的同時實現(xiàn)動目標檢測。圖6-216個均勻脈沖帶凹口的MTD濾波器組特性（2）重復頻率為400Hz，積累脈沖數(shù)為8a對不含有雜波區(qū)域的MTD濾波器組采用均勻多普勒組和海明加權，實際處理中可采用FFT處理來實現(xiàn)。8個濾波器組的特性如下圖所示：圖6-38個均勻脈沖多普勒濾波器組特性b對含有雜波區(qū)的MTD濾波器組特性（要求凹口深度-45dB，凹口寬度±30Hz），需要設計一個MTD濾波器在實現(xiàn)雜波抑制的同時實現(xiàn)動

8、目標檢測。圖6-48個均勻脈沖MTD濾波器特性表6.2 變T工作模式的重復周期表：工作模式（標識）脈沖模式（PRT1M）脈沖模式（PRT2M）變T模式T11333.375s(750.0Hz)1190.475s (840.0Hz)T22877.7s(347.5Hz)2364.075s (423.0Hz)七 恒虛警處理(CFAR)1、雜波背景下的CFAR檢測雜波可以看作是許多獨立照射單元回波的疊加，雜波包絡的分布也接近瑞利分布，如果檢測背景中存在此類雜波，檢測門限可以通過計算雜波的均值得到，但是因為雜波在空間分布的未知性，求雜波均值的樣本只能從被檢測目標鄰近單元來獲得，這就是目前比較常用的單元平均

9、CFAR檢測器。為了減少這類檢測器在雜波邊緣內(nèi)側(cè)虛警顯著增大問題，一般采用其改進電路兩側(cè)單元平均選大電路，見圖7-1。在被檢測單元兩側(cè)各選L個單元，分別求這L個單元的均值，兩者選大后輸出，乘以門限乘子作為檢測門限。圖中被檢測單元兩側(cè)各空出一個單元是為了避免目標本身對門限值的影響。單元個數(shù)L一般選8或16。由主控臺設置確定。圖7-1兩側(cè)單元平均選大CFAR檢測器MTD濾波器有多路輸出。所以，需要采用多路CFAR檢測，見圖7-2。圖7-2MTD工作方式時的多路CFAR檢測2、噪聲恒虛警電路接收機噪聲是白色高斯噪聲，如果不存在雜波和其它干擾，在接收機的白色高斯噪聲中，檢測目標可以采用噪聲電平恒虛警電

10、路。因為白色高斯噪聲經(jīng)幅度檢波器以后，概率密度分布符合瑞利分布，所以只需求得其噪聲均值，再乘以一個大于1的門限乘子，作為檢測門限就可以將虛警概率控制在允許值以下。求取接收機噪聲均值所用的數(shù)據(jù)一般在雷達休止期內(nèi)(認為只存在白噪聲)獲得。但是計算白噪聲均值所需的樣本數(shù)要求很大，而一個休止期內(nèi)可用的樣本數(shù)很有限，所以一般需要上百個周期的休止期樣本取平均，所以CFAR檢測門限的變化是很慢的，一般也稱為慢門限CFAR電路。門限產(chǎn)生電路如圖7-3所示，單元平均電路在每次發(fā)射的休止期內(nèi)取噪聲數(shù)據(jù)取平均值，遞歸濾波在發(fā)射與發(fā)射之間進行，遞歸濾波器的結(jié)構見圖7-4。為噪聲CFAR的門限乘子，它也由主控臺送來。圖

11、7-3噪聲恒虛警電路圖7-4遞歸濾波器從圖7-4可見，（7.1）這里，K是一個大于0小于1的數(shù)，表示跨發(fā)射周期的延遲，經(jīng)過多個周期以后，將代表的均值。K值越接近于1，求平均的周期數(shù)越少，K值越接近于0，求平均的周期數(shù)就越多。八 窄帶識別工作模式在窄帶識別工作模式是在知道目標距離和徑向速度的條件下工作，雷達工作在固定重頻的模式下，為了消除遠距離目標的距離盲區(qū)，采用兩種重復頻率，工作時主要工作在其中的一種重頻下，當發(fā)現(xiàn)識別目標落入該重頻的距離盲區(qū)時切換到另外一種工作重頻，具體雷達參數(shù)設置如下：表8.1 窄帶識別模式下的雷達重頻及信號形式雷達重復頻率（KHz）時寬（us）帶寬（MHz）距離盲區(qū)（km

12、）4210n×37.5±0.34.2210n×35.7±0.3窄帶信號條件下的信號處理過程首先根據(jù)目標的運動速度進行初步的分類，然后再利用目標的回波做進一步分類，目標識別處理的具體流程如下圖所示：圖8-1識別信號處理流程1、 速度判決部分處理實際中，三類飛機目標（噴氣式飛機、螺旋槳飛機、直升機）在速度上有著明顯的差異，理論上螺旋槳飛機、直升機的最大平飛速度要小于噴氣式飛機的最大平飛速度，而螺旋槳飛機、噴氣式飛機的最小平飛速度又要大于直升機的最小平飛速度。流程圖中，V1是螺旋槳類飛機最大平飛速度，V2是螺旋槳類飛機的最小平飛速度，顯然目標速度大于V1的只可

13、能是噴氣式飛機，小于V2的只可能是直升機。對于目標速度（即速度大于等于V1且小于等于V2），目標可能是噴氣式、螺旋槳、直升機中的任何一類，此時單純的速度門限不足以區(qū)分三類目標。這就需要利用基于目標回波的時域和頻域特征對目標進行分類。2、 雜波抑制部分處理雜波抑制是雷達信號處理中非常重要的一個環(huán)節(jié)。雷達探測的目標大多為運動目標,如飛機、艦船、導彈等,而雷達接收到的無源干擾主要為靜止目標或低速目標,如地雜波、海雜波、氣象雜波、箔條干擾等。運動目標和靜止目標的差別主要體現(xiàn)在其速度上。這一速度差別反映在雷達回波中它們的多普勒頻移不同。這樣,在時域上互相混迭的目標回波信號和無源干擾有可能從頻域上予以區(qū)分

14、。雜波抑制的好壞直接影響后續(xù)的信號處理，對于雷達自動目標識別來說也是尤為重要，既要保證盡可能的濾除地雜波、海雜波、氣象雜波、箔條干擾等，又要保證低速目標不會被濾除?？紤]采用MTI、雜波白化等方法。3、 特征提取部分處理基于處理后的回波信號的時域及頻域信息，提取可以反映不同類別目標間差異的特征。4、 目標分類部分處理選取一些已知類別飛機的回波數(shù)據(jù)特征訓練SVM分類器，并將已訓練好的分類器參數(shù)存儲在系統(tǒng)中。整個訓練是離線過程，可以事先根據(jù)仿真和實測數(shù)據(jù)做好。將未知目標回波信號特征輸入到訓練好的分類器中，對未知目標進行綜合分類，得到目標的類別標號（對應噴氣式、螺旋槳、直升機三類）。5、 雷達波束駐留

15、時間對天線掃描的要求對于X波段雷達，為了對上述三類目標進行有效識別，要求對目標的連續(xù)觀測時間（波駐時間）大于等于150ms。在窄帶目標識別工作模式下對天線波束及伺服系統(tǒng)的要求：在俯仰扇掃，在目標所在區(qū)域的3°內(nèi)掃描，俯仰轉(zhuǎn)速：往返10次/秒（對應俯仰波束的波束駐留時間為：450ms）。九 步進頻率識別工作模式1、雷達在檢測到目標之后可轉(zhuǎn)入步進頻率識別工作模式，通過發(fā)射步進頻率信號來獲得寬帶的一維距離像進行目標的分類?？紤]到原有雷達系統(tǒng)的工作條件，選定步進頻率工作模式下的參數(shù)：信號形式：線性調(diào)頻信號時寬：10us線性調(diào)頻信號帶寬：5MHz頻率步進參數(shù)：跳頻間隔：4MHz 跳頻點數(shù)：25

16、（合成帶寬為105 MHz） 與窄帶識別工作模式類似，步進頻率識別工作模式也是在知道目標距離和徑向速度的條件下工作，實際處理中進行開窗處理，雷達工作在固定重頻的模式下，工作重頻為800Hz。 2、調(diào)頻步進信號的帶寬合成方法目前常用的線性調(diào)頻步進信號帶寬合成處理方法主要有：時域帶寬合成法和頻域帶寬合成法。在本雷達系統(tǒng)中我們將采用頻域帶寬合成法來獲得目標的高分辨一維距離像。利用頻域帶寬合成方法形成高分辨一維距離像的步驟為：Step (1): 首先對子脈沖進行脈沖壓縮，匹配函數(shù)頻譜為： (9.1)Step (2): 對脈組內(nèi)子脈沖的脈壓結(jié)果進行頻移，即乘以： (9.2)Step (3): 對同一個脈

17、組內(nèi)子脈沖求和累加就可以實現(xiàn)頻譜拼接： (9.3)Step (4): 對帶寬合成后的信號加修正窗進行修正： (9.4)由于本雷達主要針對運動目標進行檢測和識別，在運動目標的條件下，目標的徑向速度會影響一維距離像的成像結(jié)果的質(zhì)量，合成高分辨的一維距離像時，我們需要利用目標的運動參數(shù)進行補償，信號處理流程如下：圖9-1頻域帶寬合成信號處理流程3、 步進頻率信號處理仿真：回波信號以點目標進行仿真，具體仿真參數(shù)如下：信號形式：線性調(diào)頻信號時寬：10us線性調(diào)頻信號帶寬：5MHz頻率步進參數(shù)：跳頻間隔：4MHz 跳頻點數(shù)：25（合成帶寬為105 MHz） 重頻：800Hz單次回波脈壓的結(jié)果和合成距離像分

18、別如下圖所示：圖9-2單次回波脈壓結(jié)果圖9-3合成的高分辨距離像十 系統(tǒng)定時及對外接口1、信號處理及目標識別分系統(tǒng)負責整機的定時功能，定時信號有定時信號有導前脈沖、發(fā)射機調(diào)制脈沖、接收機主脈沖、顯示主脈沖、顯示幀同步脈沖和接收機選通脈沖等。2、信號處理及目標識別分系統(tǒng)對外信號接口（1）信號處理及目標識別分系統(tǒng)對外輸出信號接口 發(fā)射分系統(tǒng)發(fā)射機調(diào)制脈沖：RS422差分信號（3.3v）（1對）；頻率碼信息：RS422差分信號（3.3v）（5對）；控制信號備用：RS422差分信號（1對）。 接收分系統(tǒng)頻率碼信息：RS422差分信號（3.3v）（5對）（與發(fā)射分系統(tǒng)公用）；接收機導前脈沖：RS422差

19、分信號（3.3v）（1對）；重頻控制：RS422差分信號（3.3v）（4對）；接收機主脈沖：RS422差分信號（3.3v）（1對）；中頻帶寬選擇控制：RS422差分信號（3.3v）（1對）；調(diào)頻寬度控制：RS422差分信號（3.3v）（1對）；控制信號備用：RS422差分信號（3.3v）（1對）。（注：雷達收發(fā)分系統(tǒng)給出上述信號詳細的時序關系） 錄取及顯示終端定時主觸發(fā)：RS422差分信號（3.3v）；（1對）顯示幀同步脈沖：RS422差分信號（3.3v）；（1對）顯示時鐘：LVDS接口；（1對）正常視頻輸出：LVDS接口；（1對）MTD加相參積累視頻輸出：LVDS接口；（1對）高分辨距離像：

20、與正常視頻輸出共用接口；識別分類結(jié)果信息輸出：RS422串行口（1對、報文格式待定）。（注：錄取及顯示終端給出上述信號的時序關系及要求） 監(jiān)控分系統(tǒng)BIT報文輸出：RS422串行口。包含信息：80MHz時鐘狀態(tài)檢測、AD功能狀態(tài)檢測、定時功能狀態(tài)檢測、信號處理功能狀態(tài)檢測、電源狀態(tài)檢測。（2）信號處理及目標識別分系統(tǒng)輸入信號接口 中頻回波信號（來自接收機）：中心頻率60MHz，中頻帶寬5MHz（10MHz）；幅度Vp-p2V（50歐負載）；接口形式：SMA。 采樣時鐘（來自接收機）：頻率80MHz，要求采樣時鐘抖動小于4.75s；（給出相應的相位噪聲指標）；幅度：Vp-p2V；接口形式：SMA

21、。 俯仰及方位角碼信息：RS422差分信號（3.3v）（1對）（來自伺服分系統(tǒng)）； 工作模式控制（來自監(jiān)控分系統(tǒng)）正常測高模式、窄帶識別、步進頻率工作模式、頻率碼控制、帶寬控制、手動變T等：RS422串行口。 其它信息（來自終端）MTD控制距離、目標距離、目標速度、目標航向、CFAR門限控制（二次門限）：RS422串行口。十一 信號處理分系統(tǒng)硬件及實現(xiàn)1、信號處理分系統(tǒng)硬件組成信號處理分系統(tǒng)包括1塊A/D采樣板、1塊時序控制&信號接口板、1塊信號處理板、1塊存儲板（實際裝備可不用）和一塊電源板等五個插件。圖11.1 信號處理分系統(tǒng)硬件組成 信號處理分系統(tǒng)采用標準CPCI機箱，各插件均為

22、標準6U板卡，采用超大規(guī)模的FPGA和ADI公司的TIGER SHARC系列DSP的通用硬件平臺，插件互換性強，種類少，便于維護和管理。信號處理分系統(tǒng)背板由兩部分組成，其中下半部分為標準CPCI背板（包括CPCI總線及供電電源），上半部分為自定義背板（需要自行設計）。CPCI標準總線背板上傳輸?shù)男盘栔饕獮榭刂菩盘柤皵?shù)據(jù)信息，自定義背板上的信號包括： 回波及中間處理數(shù)據(jù)、檢測結(jié)果及識別結(jié)果； 工作模式控制及目標相關信息等； 同步信號、BIT信號； 整機定時信號；2、AD采樣板（1）AD采樣板的組成框圖圖11.2 AD板硬件組成（2）主要芯片選型： AD采樣芯片擬選用模擬器件公司的AD6645ASQ-80，具體參數(shù)如下：最高采樣率：80MHz采樣位數(shù)：14位滿量程模擬輸入信號幅度：2.2Vp-p模擬輸入帶寬：270 MHz FPGA擬選用XILINX公司的XC5VSX50T3、信號處理板（1）信號處理板的組成框圖圖11.3 信號處理板硬件組成（2）主要芯片選型： DSP采用TIGER SHARC系列TS201處理器，主要完成信號檢測及目標識別相關信號處理功能。 FPGA擬選用XC5VSX50T4、可靠信分析 產(chǎn)品的可靠度，