（信号与信息处理专业论文）无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发.pdf

摘要 i i t ii r ir l i ii ii ii ii ii ii y 2 0 6 6 5 3 9 本文对基于外辐射源的无源雷达终端数据处理技术及其实现方法进行了研 究，首先介绍了数据处理相关理论，详细阐述了航迹处理、a d c o c k 天线测向和t - r 型双基地雷达目标定位技术；其次介绍了雷达系统开发的硬件平台，重点介绍了 多处理器平台设计以及信号处理板后端c p c i 总线通信接口设计；然后介绍了 w i n d o w s 2 0 0 0 x p 平台下w d m 设备驱动程序开发相关知识，并结合系统的软硬件 架构重点讨论了p c i 设备驱动程序的开发流程，包括配置空间的获取、设备的地 ”址映射以及d m a 数据传输的实现过程；最后基于v c + + 在p c 机上开发了终端显 控界面，在该界面中完成参数设置、数据处理和目标显示，并以实测数据验证了 方案的可行性。 关键字：数据处理c p c i 总线w d m显控界面 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h et e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t a t i o no ft e r m i n a ld a t ap r o c e s s i n g i nt h ep a s s i v er a d a rs y s t e mb a s e do ne x t e r n a li l l u m i n a t o r s f i r s t l y , i ti n t r o d u c e ss o m e d a t ap r o c e s s i n gt h e o r i e s ，t r a c kp r o c e s s i n g ，d i r e c t i o n f i n d i n gt e c h n i q u e 谢t ha d c o c k a n t e n n aa n dl o c a t i o nm e t h o do ft - rd o u b l e s t a t i o n sp a s s i v er a d a rs y s t e ma r ee l a b o r a t e d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h er a d a rs y s t e mi si n t r o d u c e d ，f o c u s i n go nt h e d e s i g no fm u l t ip r o c e s s o r sp l a t f o r ma n dt h ec p c ib u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei nt h e s i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d t h i r d l y , s o m er e l a t e dk n o w l e d g eo ft h ew d m d e v i c ed r i v e ri n w i n d o w s 2 0 0 0 x pp l a t f o r mi ss h o w n ，a n dc o n s i d e r i n gt h ea r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r ea n d h a r d w a r ei nt h ep a s s i v er a d a rs y s t e m ，h o wt od e v e l o pap c id e v i c ed r i v e ri n c l u d i n gt h e c o n f i g u r a t i o ns p a c ea c q u i s i t i o n ，d e v i c ea d d r e s sm a p p i n ga n dd m a d a t at r a n s m i s s i o ni s d e s c r i b e d f i n a l l y , at e r m i n a ld i s p l a ya n dc o n t r o li n t e r f a c ew h i c hr e a l i z e ss o m e f u n c t i o n sl i k e 嬲p a r a m e t e r ss e t t i n g ，d a mp r o c e s s i n ga n dt r a c kd i s p l a y i n gi np c 、i m v c + + i sd e v e l o p e d ，a n ds o m ed a t aa r eu s e dt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e k e y w o r d s ：d a t ap r o c e s s i n g c p c ib u sw d m d i s p l a ya n dc o n t r o l l u t e r f a c e 第一章绪论 1 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 无源雷达系统概述 近年来，随着武器科技的日新月异，尤其是反辐射导弹等的出现，担负着战 场“千里眼角色的雷达系统本身的安全面临着日益严峻的威胁。通常以单基地 形式出现的传统有源雷达，面临着“四大威胁 【l 】，即电子干扰、反辐射导弹、超 低空突防和隐身武器。虽然雷达研究人员采用了许多先进的措施通过改善传统雷 达性能指标来对抗这“四大威胁 ，但仍没有很好地解决这个问题。 为了解决这个问题，一种新型反隐身雷达系统被设计和提t 3 1 。这种雷达系统 本身并不对外发射电磁波，而是利用调频广播信号、数字或模拟电视信号等作为 外部辐射源，通过对空中飞行目标的散射信号进行相干检测【4 】，估计目标散射信号 的来向、多普勒频移以及散射信号相比直达波信号的时间延迟等参数，并以此来 识别和跟踪目标。 无源雷达属于一种特殊形式的双( 多) 基地雷达，这种双基地雷达系统通常 采用非合作式的民用机会照射源，主要包括以下三种：( 1 ) 通信信号【5 】( 包括g s m 信号、c d m a 信号、卫星信号等) ；( 2 ) 电视信号和调频广播f m 信号【5 1 ；( 3 ) 敌方 有源信号，如敌方预警机信号。 由于基于外辐射源的无源雷达的发射站和接收站是分开的，且接收站本身不 辐射电磁波，因而隐蔽性更好，面对“四大威胁时有良好的对抗性，提高了系 统的战场生命力。 随着材料科技的进步，开发出的一些特殊的涂料，带动了“隐身 科技革命。 发达国家在飞机、军舰等目标外体刷上隐身涂料，它们能吸收大量的照射电磁波， 从而使得反射回波变得更为微弱，雷达探测更加困难。然而，目前的隐身涂料有 一定的工作频率范围( 主要分布于1 g h z 一2 0 g h z ) ，对于其他频段的电磁波作用并 不明显。庆幸的是，民用辐射源均不工作在这一有效频段，所以采用这些辐射源 的雷达能使目标的隐身性能变差，从而可以作为一种很好的反隐身工具。 基于外辐射源的无源雷达除了本身战场生命力强、反隐身外，还具有如下优 点： ( 1 ) 工作频率低，分布范围广，便于多发射站联合定位【2 1 ； ( 2 ) 信号形式多样，可选择性强，不易被干扰1 5 1 ； 2 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 ( 3 ) 系统生存能力强，可多站多频段协调工作，甚至组网进行数据融合； ( 4 ) 本身不用装备发射机，故成本少、体积小、重量轻； 正由于无源雷达具有传统雷达所不具备的诸多优点，许多国家的科研院所、 军工企业等都对这种体制的雷达进行了深入研究，并取得了丰硕的科研成果j 1 1 2 国内外进展 随着人们对基于外辐射源体制无源雷达系统的重视，许多国家投入了大量的 人力物力进行了较为深入的理论研究论证和工程实践探索。在国外，许多国家在 该领域都取得了长足的进步，甚至有些该体制雷达系统已经用于实战部署。 说到无源雷达，不得不提的是“s l i e n ts e n t r y ( 沉默哨兵) 系统1 6 。该系统是 由一款美国洛克希德一马丁公司历时1 5 年研制成功的新型监视系统 5 1 。它通过对 进入接收机的商用调频广播电台或电视台发射的连续波信号( 5 0 8 0 0 m h z ) 和目标 回波信号进行相干处理，来获取目标的到达角、多普勒频移以及目标信号与直达 信号的时间差，从而实现目标探测、定位和跟踪1 4 】。该系统采用相控阵天线，可实 现6 0 1 0 5 。的方位覆盖和5 0 。的仰角覆盖，对散射面积为1 0 m 2 的目标探测距离可 达1 8 0 k i n ，经过改进后探测距离可达2 2 0 k i n 嗍。“沉默哨兵”系统还将全球5 5 0 0 0 多个有用的调频电台和电视广播台发射信号建立成数据库，在其中存有各信号源 的位置及载频等信号特征参数。理论上讲，依靠该数据库，系统可以工作于世界 上任何地方例。 捷克的台斯拉一帕尔杜比策公司是一家闻名于世的雷达系统设计公司，其推 出的t a m a r a 和v e ra - e 型雷达系统都取得了巨大的成功【副，而v e r a - e 系 统更是能将预警与战场情报综合在一起，形成高度有效的防空监测体系。根据不 同的实际战场需要，t a m a r a 和v e r a - e 都可分别二维平面定位( 利用三个基 站) 或三维空间定位( 利用四个基站) 【5 1 。 澳大利亚的r i n g e r 、f r a z e r 和a n d e r s o n 等研究分析了利用一些广播频段信号 作为无源雷达辐射源构建雷达系统的性能影响因子，结论表明该型雷达的性能指 标受接收机带宽、天线增益、积累时间等的影响较为明显【8 】。研究从雷达波形理论 出发，在特定参数条件下分析了机会发射波形的模糊函数、以及特定仿真环境下 的匹配滤波输出，评估目标探测特征。他们不仅从理论上分析了无源雷达性能指 标的影响因素，还利用调频广播信号作为辐射源，对广播信号直达波和月球反射 回波进行相干检测，根据到达的时间差估计了地月距剐引。 英国人对无源系统的研究相对较早，8 0 年代英国伦敦学院的h d g r i f f i t h s 教 授等人首先利用电视信号对运动目标进行定位，1 9 9 2 年还发表了利用卫星照射源 的研究工作【2 】。大约1 9 9 4 年，英国教授e e h o w l a n d 重新构建了一种利用电视信 第一章绪论 3 号对运动目标进行定位的系统【1 2 】，采用测量到达角( d o a ) 和多普勒( d o p p l e r ) 频移来 定位，取得了一定的效果。1 9 9 9 年，h o w l a n d 再次利用伦敦水晶宫的b b c 电视发 射机进行了基于电视信号的双基地雷达试验【2 】，用无源接收机测量空中目标散射信 号的到达角和多普勒频移实现对目标的跟踪，其跟踪距离可达离发射机1 5 0 k i n 、离 接收机2 6 0 k m 1 0 l 。 国内对基于外辐射源的无源雷达技术开展系统而全面的研究虽起步较晚，但 近年来已经深刻认识到该领域研究工作的重要性，很多科研院所都进行了相关的 研究工作，并取得了很大的成绩。其中，2 0 0 3 年中国电子科技集团1 4 所和南京理 工大学研制的系统利用9 7 5 m h z 调频广播信号成功探测到民航飞机目标，连续跟 踪2 0 0 k m 以上，实现了实时目标显示，同一波束同时跟踪3 5 个目标，取得了较 为理想的结果。 此外，国防科技大学、东南大学、西安电子科技大学等重点高校和中国电子 科技集团第3 8 研究所等单位也正在进行以f m 调频广播、数字电视、g s m 和c d m a 手机基站辐射信号等作为机会照射源的无源雷达技术研究，还有的已经建立了实 验系统，而基于g p s 卫星信号的无源雷达研究也在探索1 9 。 1 2 无源雷达信号处理流程 由于基于外辐射源的无源雷达本身并不辐射电磁波，而需要接受机会照射源 的直达波和空中目标的散射波，故通常采用如图1 1 所示的双基地模型。 目标 图1 1 基于机会照射源的无源雷达工作原理图 4 j 馥 额 电 厶 口 4 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 依据图1 1 ，单发单收( t - r 型) 无源雷达基本工作原理如下：调频电台或电 视台不断向空间辐射电磁波，该电磁波为连续波体制；在接收站，利用一路接收 天线( 辅助天线) 指向辐射源方向，用于接收直达波，作为参考信号；当空中飞 行目标经过电磁波辐射区域时，电磁波照射到目标后会被散射，在接收站再利用 全向天线( 接收天线) 接收这些散射回波，作为目标信号；通过对参考信号和目 标信号相干处理，可以获得飞行目标造成的多普勒频移等信息，最终实现目标检 测和定位。 在实际应用时，首先利用多通道接收模块分别接收目标信号和参考信号；其 次利用i c s 5 5 4 采集卡分通道进行数据采集，在该采集卡中分别进行中频正交采样 和数字下变频处理，因此，采集卡的输出数据为零频数字信号；由于接收机是多 通道同步接收，各个通道由于自身电路噪声等因素的影响，不可能都具有相同的 幅频特性，故需要进行通道校正，也就是通道均衡，使得各通道拥有相同的响应 特性：由于系统工作环境通常都较为复杂，目标通道采集到的信号除了目标回波 信号外，还有多径等杂波，需要利用参考信号进行杂波对消处理，即杂波抑制： 接收到的目标散射信号相比参考信号有一定的时间延迟( 或相位差) ，其反应了检 测目标相对接收机的距离，为了得到距离信息，常采用“距离多普勒处理 的方 法；由于无源雷达距离分辨率较低，从而带来众所周知的多普勒敏感问题，故还 需要进行多普勒补偿；然后对多普勒补偿后的信号进行单位平均恒虚警检测，获 得目标的多普勒与距离和；通过航迹处理，结合a d c o c k 天线测角理论，获得目标 的方位角信息；最后利用定位算法，结合距离与方位角信息获得目标的坐标，从 而实现定位并显示等。基于上述理论，基于外辐射源的无源雷达信号检测处理流 程如图1 2 所示。 - - - 啼 接收 i c s 距离目标数据 机模 5 5 4通道 杂波多普恒虚处理 数据 均衡抑制勒处 啼 警检与显 块 采集 理测不 - 啼啼 图1 2 无源雷达信号处理流程图 由于外辐射源通常是非合作式的，信号波形往往难以符合雷达波形的要求， 以调频广播信号为例，信号的最大调制频偏为+ 7 5 k h z ，带宽较小，从而导致目标 的距离分辨率较低。与脉冲体制雷达不同，参考信号中往往含有各种杂波，难以 提取出较为纯净的参考信号，故杂波往往难以完全消除。同时，广播电台发射信 号有一定的随机性( 说话停顿、节目中止等) 造成目标散射回波信号也有一定的 第一章绪论5 随机性，因此匹配滤波后的距离旁瓣和多普勒旁瓣较高，影响检测性能。为了实 现较理想的检测结果，无源雷达在相干处理时必须要有足够的积累实践，否则难 以实现较好的信噪比检测。通常我们以积累1 s 左右时间的数据作为一帧进行检测。 一一 距离多普勒处理的具体实现过程，通常分为时域处理和频域处理两步。如图 1 3 所示，首先将参考信号延迟一定的时间单元后与目标回波信号对应共轭相乘， 其次对相乘的结果进行快速傅里叶变换，最后将数据格式调整成左右对称后，获 得该延迟下对应的距离通道上的信号脉冲压缩结果。为了处理起来方便，通常将 延迟的时间单元取相应的数据采样周期数。由于数据积累时间较长( 常取1 s 左右) ， 必然导致数据采样点数较大，为了算法的快速实现，通常还需要对共轭相乘的结 果进行抽取滤波，以降低数据率。为了得到多个距离通道的信息，可以取连续的 多个延迟时间单元分别进行上述处理。 x 参考僚 x 目标信 抽取拙取抽取 i 抽取 抽取 士山0上 f f ti l f f t li f f ti f i t ii 孵 土 上上土上 输出格式转换 上 辫i l ! i 5 多逝虢仁息 图l - 3 距离多普勒处理算法示意图 1 3 论文内容及安排 本文主要介绍外辐射源无源雷达检测系统的后端数据处理技术及其在终端显 控平台上的实现过程，具体包括航迹处理( 航迹起始、航迹关联、航迹终结) 、距 离补偿、多普勒补偿、a d c o c k 天线测角、目标定位算法，以及数据传输时用到的 p c i 设备驱动程序和显控界面设计等实现过程。论文具体安排如下： 第一章，介绍无源雷达系统的基本概念、研究背景、国内外进展以及项目中 6 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 检测目标的信号处理流程。 第二章，介绍无源雷达目标定位系统( 基于a d c o c k 天线测向方法) 的后端数 据处理技术。 第三章，主要对通用信号处理板的板上资源、多处理器平台设计和通用信号 处理板后端不同的通信接口形式进行介绍。 第四章，介绍w i n d o w s 系统下的设备驱动程序开发流程及其相关的具体实现 技术。 第五章，讨论终端显控平台的开发过程及数据处理算法在显控平台上的实现 细节。 第二章数据处理相关理论 7 第二章无源雷达数据处理相关理论 2 1 外辐射源测角定位系统的构建 根据无源雷达的工作原理，其不对外辐射电磁波，而需要借助外辐射源来实 现目标检测，故在系统构建时，必须使用主、辅天线，其中，主天线通道用于接 收目标散射信号，辅助天线通道用于接收外部辐射源的直达波信号。 在实际应用中，采用a d c o c k 天线作为主天线通道。a d c o c k 天线是一组垂直 交叉的四元阵天线，四个天线阵元采用垂直极化方式，依靠垂直交叉的钢质固件 均匀分布在一个直径大约1 2 m 的圆环上，如图2 1 所示。由于a d c o c k 天线垂直极 化，故在水平方向上为全向天线，可以接收来自任意方向的目标信号，对于四元 阵a d c o c k 天线而言，当有目标信号出现时，将在四个阵元天线的采样信号中都被 检测出，从而便于定位；辅助天线采用的是一个水平极化天线，天线波束直接指 向外辐射源方向。 图2 1a d c o c k 天线无源雷达定位系统构建示意图 通过图2 1 所示的接收机天线，目标信号和直达波信号都将进入雷达接收机并 模拟混频到中频( 1 0 m h z ) ，然后通过i c s - 5 5 4 采集系统进行a d 变换、正交采样及 数字下变频，最后数据进入实时处理系统进行目标检测。 在实时处理系统中，首先进入d s p 板卡进行杂波抑制处理，用于消除接收信 8 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 号中的杂波及多径等影响；其次进行距离多普勒处理，既对目标信号进行了积累， 又在距离维和多普勒维进行了划分；然后进行单元平均恒虚警率检测，得到过门 限目标点参数；最后将过门限点的相关数据送至终端显控系统进行显示。 在终端显控系统中，首先通过p c i 总线，将处理结果读到内存，并存储在相 关数据结构中；其次将目标点进行航迹处理，在航迹处理中将进一步剔除虚警点， 同时也对目标点进行预测和补偿，以便形成平滑流畅的航迹；最后对目标航迹点 进行测角算法处理和目标定位，并实时显示出来。 因此，后端数据处理都在p c 机上进行，主要有航迹处理( 包括航迹起始、航 迹关联、航迹终止) 算法、测角算法、定位算法等，下面将一一介绍。 2 2 航迹处理相关理论 采样信号通过前面的恒虚警处理后，将提取出超过门限的检测信号，这些信 号中有目标信号，也有杂波尖峰等造成的干扰信号，这是由无源雷达强杂波和目 标信号微弱等因素造成的，恒虚警处理只能减少这些干扰，而不能消除，从而造 成上述检测结果中依然有较多的虚警点，如不进一步处理，将不利于后面的测角 和定位。 在该项目中，雷达的检测目标主要是空中的飞行目标，因此，在不同的时刻， 多普勒和距离维将出现不同的检测结果。而对于同一个检测目标，这些不同时刻 的结果将形成一条类似于飞行轨迹的航迹( 这还不是真正的地球坐标飞行航迹) ， 利用飞行目标检测点将形成航迹这一特点，我们可以进一步减少干扰点，同时也 可对目标航迹作进一步的补偿修正等处理，以便改善检测性能。 2 2 1 航迹起始算法 通过恒虚警检测，获得检测目标的速度和位置等参数后，航迹起始是形成一 条航迹的第一步。什么样的检测点能够启动一条新的稳定的航迹，对后续的航迹 处理至关重要。由于无源雷达工作体制依赖外辐射源，这决定了其检测的结果具 有数据不连续、相邻点迹之间间隔随机、检测误差大等特点，因此，必须采用符 合其自身特点的处理方法。 目前基于无源雷达的航迹起始算法主要有直观法、逻辑法、修正的逻辑法、 h o u g h 变换法等【l 】。航迹起始的具体操作分为临时航迹的产生与临时航迹的取消或 被确认为真实航迹。在具体应用时，选择什么样的航迹起始方法，要在航迹产生 的速度和产生虚假航迹的概率之间折衷，通常航迹产生速度快的方法产生虚假航 迹的概率也高。 第二章数据处理相关理论 9 逻辑法【1 6 1 是一种线性处理方法，实现起来较为简单、计算量小，航迹建立速 度较快，适用于目标相对稀疏的情况；h o u g h 变换法是一种批处理方法，能对多 次目标观测值同时处理来确定可能的航迹。该方法在杂波较强、观测值杂乱的情 况下能有效降低虚警率，检测指标更加可靠，但运算量非常大，实现起来较为困 难。综上所述，本文采用逻辑法。 图2 2 航迹起始原理图 如图2 2 所示，z ，乙，互乙表示雷达多次连续扫描的输入序列，事先确 定一个具体大小的波门，如果在第i 次扫描波门内出现符合要求的检测目标，则对 应的五为l ；否则为0 。将时间窗内1 的个数进行累加作为检测数，当检测数大小 达到事先所设定的门限m 时，航迹起始成功；否则，时间窗往后滑动一个扫描。 这实质上是给出当前需处理的目标点，构造出所有可能存在的航迹，最后利用相 关波门来进行判决，挑选出符合要求的点，并将不符合要求的情况删除。设波门 内所有的相继事件次数为n ，判决门限为m ，则对应的起始逻辑简称为“m n 逻辑，具体应用中，常采用的逻辑有2 3 ，3 4 ，3 5 ，4 5 等逻辑。在军队飞机 编队飞行的背景模拟中用3 4 逻辑最为合适，取3 5 逻辑则效果不明显。综合考虑 性能和计算复杂度，在多次扫描内，取1 2 历n l 是适宜的l l7 1 。 2 2 2 航迹关联算法 一条航迹起始成功后，后续检测点是否能作为目标点就是航迹关联要解决的 问题，常用的方法有最近邻域算法( t c n s f ) 、概率数据互联算法( p d a f ) 和联合概率 数据算法( j p d a ) 等【1 9 1 ，其中p d a f 和j p d a 需要利用当前量测值计算判决点属于 某航迹的概率并对其加权得到最终结果【1 8 】。然而这些实现方法计算量太大，不易 于实时处理，本文采用最近邻域算法。 在最近邻域法中，通常采用预测加判决的方式，即根据上一次的目标点参数 l o 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 对下一目标点的可能位置进行预测，在预测点的位置设定波门来对恒虚警检测后 获得的目标点进行筛选，从而减少需要最终判决的检测点数目。这种处理方法只 需处理当前检测点，而不需要判决全局检测点。 设观测向量为z ( 七) ，利用七一1 时刻的目标点参数对k 时刻的目标参数预测值 为x ( klk 一1 ) ，量测矩阵为h ( 七) ，w ( k ) 为零均值的白色高斯量测噪声，则k 时刻 的量测估计值为： z ( kk 1 ) = h ( k ) x ( kik 1 ) + 形( 七)( 2 1 ) 定义残差矩阵为d ( | ) ，则 d ( 七) = z ( 七) 一z ( 七fk一1)(2-2) 若有疗个检测点同时落入波门内，则需要分别计算各点的残差： 口( 七) = z 1 ( 后) 一z ( k i k 1 ) ，f = 1 , 2 ，刀( 2 3 ) 定义三为量测值与量测估计值的距离，也就是“新息范数 ，则 l = r f f m e e d f ( k ) 1 d f ( 尼) 】) ，江1 , 2 ，刀 ( 2 - 4 ) 通常，先根据所跟踪目标的飞行参数范围，设定一定的门限值，当量测点的 新息范数低于该门限值时，表示量测点进入了当前的目标跟踪波门。如果落入目 标跟踪波门内的量测值只有一个，那么该检测点不需额外判决就直接记录到航迹 中；但若有两个及以上的量测值落入跟踪波门内，则需要统计所有落入点的新息 范数，并选取最小范数的点，即和估计值相比误差最小的点作为目标点。 最近邻域法的最大的优点是计算量小，存在的问题则是在多目标跟踪情况下， 出现两条及以上轨迹交叉时，上述符合最小新息范数的判决点可能并不是当前航 迹的真实目标点，从而导致跟踪错误的事件发生【2 0 1 。 2 2 3 航迹终结算法 在多目标跟踪领域，利用航迹起始、关联算法形成稳定航迹后，被跟踪目标 随时有飞离雷达探测范围的可能，如果出现这种情况，雷达跟踪系统必须采取相 应的方法以确定航迹终结【2 3 】。目前的多目标跟踪终结技术主要有序列概率比检验 算法【2 4 1 、跟踪门算法、b a y e s 算法1 2 5 j 等。这里详细介绍序列概率比检验( s p r t ) 算 法的处理过程。 s p r t 算法的主要思想是先定义与检测结果相关的检验统计变量和航迹撤销 门限，当一次检测值确定为目标值时，增大检验统计量的值，否则，检验统计量 不变而门限值增大，当检验统计量小于门限时，航迹终止。在实际检测中，当目 标超出检测范围时，将不再出现真实目标点，故门限值将不断增大，从而实现航 第二章数据处理相关理论 迹的终结。 定义参数a l 、a 2 ： q = h 币e ol f o - 雨e o ) 呸= h f o - 西p f ) 其中，、名分别被定义为航迹检测概率和航迹虚警概率。 定义k 时刻的检测统计变量s t ( k ) 和航迹撤销门限瓦( 七) ： s t ( k ) = 肌口1 t a k ) = i n q4 - 红 c ：上 1 一口 其中，m 为检测数，口和为实现系统性能指标下允许的误差概率， 撤概率，为误撤概率【1 1 。 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 口为漏 当七时刻的量测值落入了相关波门内，被确定为目标点，则检测数m 增加1 ， 即检测统计量s t ( k ) 增加q ；当七时刻的量测值没有落入相关波门内，则被确定为 虚警点，检测数m 将不变，于是检测统计量s t ( k ) 保持不变，而航迹撤销门限( 七) 和时刻k 线性正相关，会随着时间的推移，每个时刻都增加口。 根据上述工作原理可知，跟踪判决逻辑可表示为：s t ( k ) 乏( 七) 时，航迹维持， 检测继续；s t ( k ) 疋( 后) ，航迹终结。 下面对一组调频广播信号的实测数据进行上面介绍的航迹处理，图2 3 是恒虚 警检测后没有进行航迹处理直接输出的目标点迹，可以看出由于外辐射源雷达系 统回波太微弱，为降低漏检率而不得不采用低门限，而雷达近区杂波较强，从而 造成了近距离单元区域出现较多虚警点；图2 4 是将检测结果利用航迹处理算法处 理之后的目标点迹，可以看出，航迹处理算法去除了大量近距离单元处的虚警点， 使检测结果更加可靠。 1 2 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 印 4 0 言 褪 妞3 0 1 0 0 言4 0 邑 氍 衄3 0 1 0 0 ko ：- 0 _ ：* - _ - k h+- ：- * _ i + 一 一一一一一 - - _ - * _ - _ _ - i - _ - k _ 刊 i i i i-iii 2 卯御1 5 01 卯0卯1 1 f i 0加2 卯 多普勒z ) 图2 3 实测数据航迹处理前直接输出的显示结果 2 5 02 c i d1 1 卯05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 多普勒即z ) 图2 4 实测数据航迹处理后输出的显示结果 2 3a d e o e k 天线测向原理 测向是实现目标定位的重要手段，在传统阵列天线测角中，通常采用等距分 布阵元，利用不同方位角上目标回波到达各阵元的距离差造成各阵元接收信号有 第二章数据处理相关理论 1 3 一定的时间差，从而形成一定相位差这一原理来进行方位角的计算和估计。 a d c o c k 天线实质上是将四个阵元平均分布于一个直径为1 2 m 左右圆上的阵 列天线，阵元垂直极化，从而构成一个水平方向上的全向天线。类似传统阵列天 一线测向原理，不同方位角的目标回波到达各阵元也有相位差，通过分析这些相位 差同样可以得到目标的方位角。 厂( f + 互) 图2 5a d e o c k 天线俯视图 + 万。、) z 如图2 5 所示，设a d c o c k 天线中的四个阵元分别对应于地理坐标的东、南、 西、北四个方位，可分别用e 、s 、w 、n 代表各阵元，天线的圆心为o ，天线 的半径为r 。假设目标从与正北方向成0 角的方向飞来，令到达o 的回波为厂o ) ， 则到达和s 的回波分别为( ，) = 厂( f + q ) 和( f ) = f o - - t 1 ) ，到达e 和的回波 分别为t ( f ) = f ( t + f 2 ) 和( f ) = f ( t - r 2 ) ，设光速为c ，则= r c o s ( o ) c ， 乃= r s i n ( o ) c 。 为了进行杂波抑制，还需要一路天线接收辐射源的直达波作为参考信号，设 参考信号为r ( t ) = ( r + o ) p 叩确( h 驯，其中厶为多普勒频移，取共轭后可得到 ，( r ) = 厂( ，+ o ) p 口吃( “驯。 对上述五路信号分别以时间间隔丁为采样周期进行时域采样，并对采样序列做 长度为的离散傅里叶变换后，得到： 毛( 珑丁) 2 小聊+ 釉丁j 2 州朋+ 石) 丁) 马以( 七) = f ( 后) ( 2 - 1 0 ) t ( r o t ) 2 小聊一秒j 2 州m 以) 丁) 马置( 后) = f ( 尼) p 柏7 i ( 2 - 1 1 ) 1 4 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 咖丁) = 坻m + 争) 丁) 叫( m 丁) _ 丛马鼍叫咖埘疋 ( 2 - 1 2 ) ( 聊班小们寺) r ) 叫( m 吲r ) j 玛扎叫咖叫媚( 2 - ，3 ) 将式( 2 1 0 ) 、( 2 - 11 ) 、( 2 - 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) 分别与式( 2 - 1 4 ) 卷积，并取最大值得到 见= 肋 咒( 七) o 岛( 后) ) e 胁 f ( k ) r r ( k + k d ) = e 心 a e ( 2 - 1 5 ) 见= 尬 五( 七) q 弓( 七) ) e 一鳓f ( k ) r r ( k + k d ) = e - j m n a e ( 2 - 1 6 ) 见= 妇 置( 七) o 碍( 七) ) p 地乇f ( k ) r r ( k + k d ) = e 衄屯a e ( 2 1 7 ) 见= 尬 k ( 七) o 辟( 尼) ) e 衄勺f ( k ) r t ( k + k a ) = e - j e r 2 a e ( 2 - 1 8 ) 其中，将f ( 七) 岛( 七+ ) 用a e 表示。 将式( 2 - 1 5 ) 与( 2 - 1 6 ) 作差，得到 d 惦= d 。一d s = 2 j s i n ( c g r l ) a e j = 2 j s i n ( 2 n r e o s ( o ) a ) a e l 1 9 ) 将式( 2 一1 7 ) 与( 2 - 1 8 ) 作差，得到 d o = 见一见= 2 j s i n ( c o j 2 ) a e = 2 ，s i n ( 2 万r s 证( 口) 五) 么e ( 2 2 0 ) 由式( 2 2 0 ) 与( 2 19 ) 相比得到 d 一，口 s i n ( 2 ，r rs i n ( o ) 2 ) s i n ( 2 z r rc o s ( o ) 2 ) ( 2 2 1 ) 当o o a d d d e v i c e = w d m a d d d e v i c e ； w d m a d d d e v i c e 即为程序员定义的a d d d e v i c e 例程入1 1 1 1 ，和d r i v e r e n t r y 例程 不一样，该例程名可以由程序员自己定义。 a d d d e v i e e 例程包括两个参数，一个是驱动对象d r i v e r o b j e c t ，由i o 管理器 负责创建；另一个是物理设备对象p h y s i c a l d e v i c e o 场e c t ，简称为p d o ，由底层驱 动负责创建，该例程的作用就是将功能设备对象( f d o ) 附加到p d o 之上，具体操 作有如下几个步骤： ( 1 ) 调用i o c r e a t e d e v i c e 等函数创建功能设备对象，即f d o 。在该函数中可以 设置设备对象的名称，也可不设置，如不设置，i o 管理器会自动以一个数字作为 该设备对象的名称。 ( 2 ) 创建完f d o 后，将f d o 的地址在设备扩展中保存下来，以便后续使用1 3 9 1 。 基于安全和稳定性的考虑，在驱动程序中应尽量避免使用全局变量，而采用设备 扩展，这样当系统中有同类型的多个设备时，可以根据需要分别调用。 ( 3 ) 调用i o a t t a c h d e v i c e t o d e v i c e s t a c k 函数，将f d o 附加到p d o 上。 ( 4 ) 设置f d o 的f l a g s 子域。该子域的一些设置是非常重要的，例如 d ob u f f e r e di 表示该设备为缓冲内存设备，d od e v i c ei n i t i a l i z i n g 表 示将f l a g s 上的d od e v i c ei n i t i a l i z i n g 位清零。 4 3i r p 及其处理 i r p ( f or e q u e s tp a c k a g e ) ，即输入输出请求包，是一种重要的w i n d o w s 内核数 据结构。上层应用程序与底层驱动程序通信时，应用程序发出i o 请求，操作系统 会将该请求转化为对应的i r pt 3 4 1 。 在i r p 结构体中，有两个重要的属性，即m a j o r f u n c t i o n 和m i n o r f u n c t i o n ，它 3 6 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 们分别记录着i r p 的主类型和子类型。系统先根据主类型将不同的i r p 传递给其对 应的派遣例程，然后再利用子类型进一步分支选择，以便做出真正需要的响应。 上面已经讨论过，d r i v e r e n t r y 例程中驱动对象有个m a j o r f u n c t i o n 函数指针数 组域，该数组的每个元素指向一个函数的入口地址，正是通过这个函数指针数组 实现了不同的i r p 与其对应派遣函数的内部关联。由于i r p 类型很多，每个驱动都 只要有针对性地对某些i r p 重点处理，对于其他不指定派遣函数的i r p ，系统会默 认其与函数关联。在进入 之前，系统自动将i o p l n v a l i d d e v i c e r e q u e s td r i v e r e n t r y m a j o r f u n c t i o n 数组全部初始化为! o p l n v a l i d d e v i e e r e q u e s t 函数的地址，相当于将 所有的i r p 都和该默认处理函数关联，直到进入d r i v e r e n t r y 例程中，再根据代码 对某些i r p 重新关联。图4 5 为i r p 与派遣函数的关系。 图4 5i r p 与派遣函数的关系 i i 【pm jc r e a t e 心m jl 也a d i l 冲m jw r i t e i r pm jc l o s e 在派遣函数中要针对不同的i r p 完成相应的功能，如与i r pm jr e a d 对应的 派遣函数要完成数据读入功能。此外，还有几个必须处理的工作： ( 1 ) 根据实际处理情况，设置对应的i r p 处理状态。如i r p 所要求的功能都顺 利完成，则可将其处理状态设置为s t a 矾y ss u c c e s s ，这样产生该i r p 的w i i l 3 2 应用函数也会返回t r u e ；如i r p 处理状态设置为不成功，则对应的w i n 3 2 函数 将返回f a l s e ，且可以通过g e t l a s t e r r o r 函数得到错误代码，该错误代码和i r p 的处理状态一致。 ( 2 ) 设置当前一次i r p 请求共完成的字节数。w i n 3 2a p i 函数r e a d f i l e 和 w r i t e f i l e 都附带有操作的字节数n u m b e r o f b y t e 这一输出参数，该参数值的获得正 第四章w d m 设备驱动程序开发 3 7 是通过设置i r p 完成字节数来实现的。 ( 3 ) 在派遣函数中一般都会将i r p 请求结束，这通过i o c o m p l e t e r e q u e s t 函数 来实现，在该函数中会设置i r p 开始处理时进入等待的事件对象，从而告知该i r p 处理已经完成。 一 4 4 应用程序与驱动程序间的通信 驱动程序是上层应用程序操作物理硬件的中间媒介，我们知道，在一个计算 机系统中，应用程序和驱动程序都有多个，因此必须定义一种标准的通信接口， 以便应用程序能够唯一准确地找到对应的驱动程序，这可通过两种方法来实现。 第一种方式是采用符号链接( s y m b o l i e l i n k ) 。即在驱动程序的a d d d e v i c e 例程 中创建设备时，调用i o c r e a t e s y m b o l i c l i n k 函数产生一个符号链接，作为该驱动的 标志，如下所示： i o c r e a t e s y m b o l i c l i n k ( l 1 | 尹刀l 踟 , & d e v n a m e ) ； 在内核模式下，符号链接是以“9 9 ( 或者“k d o s d e v i c e s ) 开头的，以上面 的代码为例就是“? 9 w d m l ，而在用户模式下，则是以“、 开头的，以上面 的代码为例，就是“w d m l ”。上面的代码之所以会多一个“ ，是由于c 语言 模式下，要实现一个“”字符必须在前面添加一个“ 的转义字符。 第二种方式是采用设备接口。由于符号链接容易产生命名冲突，例如，不同 的网卡厂商都将自己的网卡设备命名为“n e t c a r d d e v i c e 刀，在一个计算机上装载两 片这样的网卡，就会出现命名冲突。为了解决该问题，提出了创建“设备接口 的方式。 设备接口，即g u i d ，就是一组全局标识符，它是一个1 2 8 位的数字，通过一 定的算法产生，从小概率事件角度来看，能保证在全世界范围内不会产生冲突。 在v c 的工具中有一个创建g u i d 的工具，可以在命令行方式下输入g u i d g e n 进入。 如图4 6 所示，该工具为用户提供了四种不同的g u i d 产生方式，其实本质上 都是1 2 8 位的数字，只是输出形式不同而已，一般采用第二种方式，点击“n e w g u i d ”按钮后，再点击“c o p y ”按钮，就把产生的g u i d 复制到了剪切板中，可 以粘贴到驱动程序中对应的位置。 3 8 无源雷达数据处理技术及终端显控平台开发 图4 6g u i d 产生工具 在驱动程序a d d d e v i c e 例程中，利用设备接口定义设备的具体步骤如下： ( 1 ) 调用i o c r e a t e d e v i c e 函数创建设备对象。注意，不要指定设备名。 ( 2 ) 使用g