雷达信号处理及目标识别分析系统方案

1、雷达信号处理及目标识别分系统方案西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室二一年八月-23-一 信号处理及目标识别分系统任务和组成根据雷达系统总体要求，信号处理系统由测高通道目标识别通道组成。它应该在雷达操控台遥控指令和定时信号的操控下完成对接收机送来的中频信号的信号采集，目标检测和识别功能，并输出按距离门重排后的信号检测及识别结果到雷达数据处理系统，系统组成见图1-1。图1-1信号处理组成框图二 测高通道信号处理测高信号处理功能框图见图2-1。图2-1测高通道信号处理功能框图接收机通道送来中频回波信号先经A/D变换器转换成数字信号，再通过正交变换电路使其成为I和Q双通道信号，此信号经过脉冲压

2、缩处理，根据不同的工作模式及杂波区所在的距离单元位置进行杂波抑制和反盲速处理，最后经过MTD和CFAR处理输出检测结果。三 识别通道信号处理识别通道信号处理首先根据雷达目标的运动特征进行初分类，然后再根据目标的回波特性做进一步识别处理。目标识别通道处理功能框图见图3-1所示。图3-1识别通道处理功能框图四 数字正交变换数字正交变换将模拟中频信号转换为互为正交的I和Q两路基带信号，A/D变换器直接对中频模拟信号采样，通过数字的方法进行移频、滤波和抽取处理获得基带复信号，和模拟的正交变换方法相比，消除了两路A/D不一致和移频、滤波等模拟电路引起的幅度相对误差和相位正交误差，减少了由于模拟滤波器精度

3、低，稳定性差，两路难以完全一致所引起的镜频分量。图4-1 数字正交变换的原理我们希望得到的复包络信号，即数字鉴相器输出信号的频谱，正交插值实现原理图如图4-1，数字鉴相器的任务就是如何使频谱为图4-2(a)所代表的信号转换成频谱为图4-2(f)所示的信号，方法有四种：图4-2 正交插值实现原理图 低通滤波器法 数字乘积检波器法 Hilbert变换法 Bessel插值法这些方法实现过程特点各有不同，但在基本原理上是一致的。下面以低通滤波法为例来进行设计。采用低通滤波法的数字正交变换原理框图见图4-3。图4-3采用低通滤波器法的数字正交变换原理图经过数字正交换后，I(n)和Q(n)的数据速率可以通

4、过抽取降低下来，在的情况下如果按16:1抽取，这时I(n)和Q(n)的速率为5MHz，即。下面以仿真的形式验证中频数字正交插值的有效性。低通滤波器的参数：B5MHz， F0=60MHz，Fs80MHz。设计的低通滤波器为32阶，阻带-50dB。图4-4低通滤波器的幅频特性仿真信号条件:信号形式为线性调频信号，信号参数为带宽B5 MHz，信号中心频率f060 MHz，采样率fs80 MHz，AD采样之后的数据的时域波形和频谱如下图所示：图4-5AD采样的中频数字信号图4-6数字正交变换后的基带信号五 数字脉冲压缩1、脉冲压缩信号形式如下表5.1 信号形式序号信号种类时宽（us）带宽（MHz）1线

5、性调频1052线性调频2052、不同时宽下的脉冲压缩结果（加海明窗）：图5-1时宽10us、带宽5MHz脉压结果图5-2时宽20us、带宽5MHz脉压结果3、三种脉冲宽度下脉冲压缩处理所得的噪声改善因子：表5.2 脉压处理噪声改善因子时宽（us）带宽（MHz）理论改善因子（dB）加窗处理损失（dB）实际改善因子（dB）105171.115.9205201.118.9六 动目标检测1、固定重复频率的工作模式：固定重频分别为：800Hz和400Hz，动目标检测按照目标所处区域是否含有杂波分别采用不同的滤波器进行处理。表6.1不变T工作模式的重复周期表脉冲模式（PRT1M）脉冲模式（PRT2M）12

6、50s2500.0s杂波谱的分布情况：假定：地物杂波：0.3米/秒气象杂波：2m/s雷达杂波谱宽： （6.1）在0.0318m(f=9432MHz)的情况下可以计算得到：Hz （6.2）Hz（6.3）考虑到雷达天线扫描会引起杂波谱的展宽，实际的杂波谱会比上述值略宽一些，同时考虑雷达的重频较低，气象杂波的谱较宽，而且存在多普勒模糊，因此我们将在分析雷达回波气象杂波特性的基础上，优化滤波器凹口来实现对气象杂波的抑制。2、MTD滤波器的设计（1）重复频率为800Hz，积累脉冲数为16a对不含有杂波区域的MTD滤波器组采用均匀多普勒组和海明加权，实际处理中可采用FFT处理来实现。16个滤波器组的特性如

7、下图所示：图6-116个均匀脉冲多普勒滤波器组特性b对含有杂波区的MTD滤波器组特性（要求凹口深度-60dB，凹口宽度±30Hz），需要分别设计不同的滤波器组在实现杂波抑制的同时实现动目标检测。图6-216个均匀脉冲带凹口的MTD滤波器组特性（2）重复频率为400Hz，积累脉冲数为8a对不含有杂波区域的MTD滤波器组采用均匀多普勒组和海明加权，实际处理中可采用FFT处理来实现。8个滤波器组的特性如下图所示：图6-38个均匀脉冲多普勒滤波器组特性b对含有杂波区的MTD滤波器组特性（要求凹口深度-45dB，凹口宽度±30Hz），需要设计一个MTD滤波器在实现杂波抑制的同时实现动

8、目标检测。图6-48个均匀脉冲MTD滤波器特性表6.2 变T工作模式的重复周期表：工作模式（标识）脉冲模式（PRT1M）脉冲模式（PRT2M）变T模式T11333.375s(750.0Hz)1190.475s (840.0Hz)T22877.7s(347.5Hz)2364.075s (423.0Hz)七 恒虚警处理(CFAR)1、杂波背景下的CFAR检测杂波可以看作是许多独立照射单元回波的叠加，杂波包络的分布也接近瑞利分布，如果检测背景中存在此类杂波，检测门限可以通过计算杂波的均值得到，但是因为杂波在空间分布的未知性，求杂波均值的样本只能从被检测目标邻近单元来获得，这就是目前比较常用的单元平均

9、CFAR检测器。为了减少这类检测器在杂波边缘内侧虚警显著增大问题，一般采用其改进电路两侧单元平均选大电路，见图7-1。在被检测单元两侧各选L个单元，分别求这L个单元的均值，两者选大后输出，乘以门限乘子作为检测门限。图中被检测单元两侧各空出一个单元是为了避免目标本身对门限值的影响。单元个数L一般选8或16。由主控台设置确定。图7-1两侧单元平均选大CFAR检测器MTD滤波器有多路输出。所以，需要采用多路CFAR检测，见图7-2。图7-2MTD工作方式时的多路CFAR检测2、噪声恒虚警电路接收机噪声是白色高斯噪声，如果不存在杂波和其它干扰，在接收机的白色高斯噪声中，检测目标可以采用噪声电平恒虚警电

10、路。因为白色高斯噪声经幅度检波器以后，概率密度分布符合瑞利分布，所以只需求得其噪声均值，再乘以一个大于1的门限乘子，作为检测门限就可以将虚警概率控制在允许值以下。求取接收机噪声均值所用的数据一般在雷达休止期内(认为只存在白噪声)获得。但是计算白噪声均值所需的样本数要求很大，而一个休止期内可用的样本数很有限，所以一般需要上百个周期的休止期样本取平均，所以CFAR检测门限的变化是很慢的，一般也称为慢门限CFAR电路。门限产生电路如图7-3所示，单元平均电路在每次发射的休止期内取噪声数据取平均值，递归滤波在发射与发射之间进行，递归滤波器的结构见图7-4。为噪声CFAR的门限乘子，它也由主控台送来。图

11、7-3噪声恒虚警电路图7-4递归滤波器从图7-4可见，（7.1）这里，K是一个大于0小于1的数，表示跨发射周期的延迟，经过多个周期以后，将代表的均值。K值越接近于1，求平均的周期数越少，K值越接近于0，求平均的周期数就越多。八 窄带识别工作模式在窄带识别工作模式是在知道目标距离和径向速度的条件下工作，雷达工作在固定重频的模式下，为了消除远距离目标的距离盲区，采用两种重复频率，工作时主要工作在其中的一种重频下，当发现识别目标落入该重频的距离盲区时切换到另外一种工作重频，具体雷达参数设置如下：表8.1 窄带识别模式下的雷达重频及信号形式雷达重复频率（KHz）时宽（us）带宽（MHz）距离盲区（km

12、）4210n×37.5±0.34.2210n×35.7±0.3窄带信号条件下的信号处理过程首先根据目标的运动速度进行初步的分类，然后再利用目标的回波做进一步分类，目标识别处理的具体流程如下图所示：图8-1识别信号处理流程1、 速度判决部分处理实际中，三类飞机目标（喷气式飞机、螺旋桨飞机、直升机）在速度上有着明显的差异，理论上螺旋桨飞机、直升机的最大平飞速度要小于喷气式飞机的最大平飞速度，而螺旋桨飞机、喷气式飞机的最小平飞速度又要大于直升机的最小平飞速度。流程图中，V1是螺旋桨类飞机最大平飞速度，V2是螺旋桨类飞机的最小平飞速度，显然目标速度大于V1的只可

13、能是喷气式飞机，小于V2的只可能是直升机。对于目标速度（即速度大于等于V1且小于等于V2），目标可能是喷气式、螺旋桨、直升机中的任何一类，此时单纯的速度门限不足以区分三类目标。这就需要利用基于目标回波的时域和频域特征对目标进行分类。2、 杂波抑制部分处理杂波抑制是雷达信号处理中非常重要的一个环节。雷达探测的目标大多为运动目标,如飞机、舰船、导弹等,而雷达接收到的无源干扰主要为静止目标或低速目标,如地杂波、海杂波、气象杂波、箔条干扰等。运动目标和静止目标的差别主要体现在其速度上。这一速度差别反映在雷达回波中它们的多普勒频移不同。这样,在时域上互相混迭的目标回波信号和无源干扰有可能从频域上予以区分

14、。杂波抑制的好坏直接影响后续的信号处理，对于雷达自动目标识别来说也是尤为重要，既要保证尽可能的滤除地杂波、海杂波、气象杂波、箔条干扰等，又要保证低速目标不会被滤除。考虑采用MTI、杂波白化等方法。3、 特征提取部分处理基于处理后的回波信号的时域及频域信息，提取可以反映不同类别目标间差异的特征。4、 目标分类部分处理选取一些已知类别飞机的回波数据特征训练SVM分类器，并将已训练好的分类器参数存储在系统中。整个训练是离线过程，可以事先根据仿真和实测数据做好。将未知目标回波信号特征输入到训练好的分类器中，对未知目标进行综合分类，得到目标的类别标号（对应喷气式、螺旋桨、直升机三类）。5、 雷达波束驻留

15、时间对天线扫描的要求对于X波段雷达，为了对上述三类目标进行有效识别，要求对目标的连续观测时间（波驻时间）大于等于150ms。在窄带目标识别工作模式下对天线波束及伺服系统的要求：在俯仰扇扫，在目标所在区域的3°内扫描，俯仰转速：往返10次/秒（对应俯仰波束的波束驻留时间为：450ms）。九 步进频率识别工作模式1、雷达在检测到目标之后可转入步进频率识别工作模式，通过发射步进频率信号来获得宽带的一维距离像进行目标的分类。考虑到原有雷达系统的工作条件，选定步进频率工作模式下的参数：信号形式：线性调频信号时宽：10us线性调频信号带宽：5MHz频率步进参数：跳频间隔：4MHz 跳频点数：25

16、（合成带宽为105 MHz） 与窄带识别工作模式类似，步进频率识别工作模式也是在知道目标距离和径向速度的条件下工作，实际处理中进行开窗处理，雷达工作在固定重频的模式下，工作重频为800Hz。 2、调频步进信号的带宽合成方法目前常用的线性调频步进信号带宽合成处理方法主要有：时域带宽合成法和频域带宽合成法。在本雷达系统中我们将采用频域带宽合成法来获得目标的高分辨一维距离像。利用频域带宽合成方法形成高分辨一维距离像的步骤为：Step (1): 首先对子脉冲进行脉冲压缩，匹配函数频谱为： (9.1)Step (2): 对脉组内子脉冲的脉压结果进行频移，即乘以： (9.2)Step (3): 对同一个脉

17、组内子脉冲求和累加就可以实现频谱拼接： (9.3)Step (4): 对带宽合成后的信号加修正窗进行修正： (9.4)由于本雷达主要针对运动目标进行检测和识别，在运动目标的条件下，目标的径向速度会影响一维距离像的成像结果的质量，合成高分辨的一维距离像时，我们需要利用目标的运动参数进行补偿，信号处理流程如下：图9-1频域带宽合成信号处理流程3、 步进频率信号处理仿真：回波信号以点目标进行仿真，具体仿真参数如下：信号形式：线性调频信号时宽：10us线性调频信号带宽：5MHz频率步进参数：跳频间隔：4MHz 跳频点数：25（合成带宽为105 MHz） 重频：800Hz单次回波脉压的结果和合成距离像分

18、别如下图所示：图9-2单次回波脉压结果图9-3合成的高分辨距离像十 系统定时及对外接口1、信号处理及目标识别分系统负责整机的定时功能，定时信号有定时信号有导前脉冲、发射机调制脉冲、接收机主脉冲、显示主脉冲、显示帧同步脉冲和接收机选通脉冲等。2、信号处理及目标识别分系统对外信号接口（1）信号处理及目标识别分系统对外输出信号接口 发射分系统发射机调制脉冲：RS422差分信号（3.3v）（1对）；频率码信息：RS422差分信号（3.3v）（5对）；控制信号备用：RS422差分信号（1对）。 接收分系统频率码信息：RS422差分信号（3.3v）（5对）（与发射分系统公用）；接收机导前脉冲：RS422差

19、分信号（3.3v）（1对）；重频控制：RS422差分信号（3.3v）（4对）；接收机主脉冲：RS422差分信号（3.3v）（1对）；中频带宽选择控制：RS422差分信号（3.3v）（1对）；调频宽度控制：RS422差分信号（3.3v）（1对）；控制信号备用：RS422差分信号（3.3v）（1对）。（注：雷达收发分系统给出上述信号详细的时序关系） 录取及显示终端定时主触发：RS422差分信号（3.3v）；（1对）显示帧同步脉冲：RS422差分信号（3.3v）；（1对）显示时钟：LVDS接口；（1对）正常视频输出：LVDS接口；（1对）MTD加相参积累视频输出：LVDS接口；（1对）高分辨距离像：

20、与正常视频输出共用接口；识别分类结果信息输出：RS422串行口（1对、报文格式待定）。（注：录取及显示终端给出上述信号的时序关系及要求） 监控分系统BIT报文输出：RS422串行口。包含信息：80MHz时钟状态检测、AD功能状态检测、定时功能状态检测、信号处理功能状态检测、电源状态检测。（2）信号处理及目标识别分系统输入信号接口 中频回波信号（来自接收机）：中心频率60MHz，中频带宽5MHz（10MHz）；幅度Vp-p2V（50欧负载）；接口形式：SMA。 采样时钟（来自接收机）：频率80MHz，要求采样时钟抖动小于4.75s；（给出相应的相位噪声指标）；幅度：Vp-p2V；接口形式：SMA

21、。 俯仰及方位角码信息：RS422差分信号（3.3v）（1对）（来自伺服分系统）； 工作模式控制（来自监控分系统）正常测高模式、窄带识别、步进频率工作模式、频率码控制、带宽控制、手动变T等：RS422串行口。 其它信息（来自终端）MTD控制距离、目标距离、目标速度、目标航向、CFAR门限控制（二次门限）：RS422串行口。十一 信号处理分系统硬件及实现1、信号处理分系统硬件组成信号处理分系统包括1块A/D采样板、1块时序控制&信号接口板、1块信号处理板、1块存储板（实际装备可不用）和一块电源板等五个插件。图11.1 信号处理分系统硬件组成 信号处理分系统采用标准CPCI机箱，各插件均为

22、标准6U板卡，采用超大规模的FPGA和ADI公司的TIGER SHARC系列DSP的通用硬件平台，插件互换性强，种类少，便于维护和管理。信号处理分系统背板由两部分组成，其中下半部分为标准CPCI背板（包括CPCI总线及供电电源），上半部分为自定义背板（需要自行设计）。CPCI标准总线背板上传输的信号主要为控制信号及数据信息，自定义背板上的信号包括： 回波及中间处理数据、检测结果及识别结果； 工作模式控制及目标相关信息等； 同步信号、BIT信号； 整机定时信号；2、AD采样板（1）AD采样板的组成框图图11.2 AD板硬件组成（2）主要芯片选型： AD采样芯片拟选用模拟器件公司的AD6645ASQ-80，具体参数如下：最高采样率：80MHz采样位数：14位满量程模拟输入信号幅度：2.2Vp-p模拟输入带宽：270 MHz FPGA拟选用XILINX公司的XC5VSX50T3、信号处理板（1）信号处理板的组成框图图11.3 信号处理板硬件组成（2）主要芯片选型： DSP采用TIGER SHARC系列TS201处理器，主要完成信号检测及目标识别相关信号处理功能。 FPGA拟选用XC5VSX50T4、可靠信分析 产品的可靠度，