相控阵雷达系统的设计与分析3

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1、相控阵雷达系统的设计与分析 - 1 - 第三章 相控阵雷达信号处理单元系统设计一部先进的雷达必定要具有先进的信号处理系统。由于相控阵雷达要处理多批、高速 目标，因此对信号波形设计与处理设备提出了更多、更高的要求。与相控阵天线波束扫描 的灵活性与自适应能力相适应，信号处理机应具有更强的自适应信号处理能力。相控阵天 线的多通道特性使相控阵雷达信号处理机具有多通道并行处理的特点。 本章首先讨论本相控阵雷达信号处理单元系统要求，由此来决定用 DSP 来进行信号处 理的必需条件; 然后介绍了 AD 公司的 DSP 芯片 ADSP 一 21060;充分利用 ADSP 一 21060 支持多处理器并行计算的

2、特点，提出了一种由 4 片 ADSP 一 21060 构成的并行计算网格结 构，并将它与传统的共享总线结构相比较:接着给出了系统整体结构图，讨论了它的基本工 作原理。最后提出了基于边界扫描的可测性设计在雷达信号处理单元上的实现。 3.1 相控阵雷达信号处理单元系统分析 本文研究的相控阵雷达是固定式多目标单脉冲体制测量雷达，主要用来完成某战术导弹 试验和火控雷达精度实验中的多个目标的跟踪测量任务。它具备自动搜索、截获和跟踪多 目标，具有较强的低空跟踪性能，能提供多种探测波形和与之相对应的应答式、反射式、 应答和反射混合等多种工作方式，以便达到最大的跟踪距离和最佳的分辨率。雷达视频信 号处理单元用

3、来完成雷达系统的双三通道距离信息和角误差信息的提取工作。其承担的主 要的信号处理任务如下: 恒虚警率(CACFAR 和自适应 CFAR) 处理; 双门限检测(CACFAR 检测器和自适应 CFAR 检测器); 动目标显示( 数字双脉冲单对消 DMTI); 动目标检测(DMTD:8 点 FFT 和恒虚警率处理); 角误差信号处理。 3.1.1 视频信号处理单元技术指标 根据雷达战术和技术指标的要求，可得到视频信号处理系统的有关技术指标如下: (1) A/D 采样频率和量化字长: 根据相控阵雷达战术指标对测距精度( 随机误差延 3m) 和系统带宽(l.7MHz 、5MHz 和 10MHz)的要求，

4、将 A/D 采样频率选取为 =50MHz 。此时，距离门的宽度为 3m。又根据 s f 相控阵雷达测距范围( 4000km)的要求，若距离的最小表示单位为 lm，则输出的距离数据 须用 21 位来表示。 根据系统对材刀改善因子的要求和芯片采购的限制，A/D 芯片的量化字长取 12 位。 (2)最大数据缓存深度:最大不模糊距离如下:(重复频率为 ) p f Hz f km Hz f km Hz f km Hz f km f c R p p p p p unamb 2000 , 75 1800 , 3 . 83 300 , 500 150 , 1000 2 根据雷达的最大不模糊距离(1000km)

5、和距离门(3m) 的宽度，可知每个重复周期所需的最 大数据缓存深度为 个采样数据( 当重复频率 150Hz 时)。考虑到在 333333 3 10 1000 3 p f相控阵雷达系统的设计与分析 - 2 - 脉冲发射的前后均存在盲区( 和 ) ，实际长度要略少一些。由于重复频率 =150Hz 是 a t b t p f 用于探测远距离小目标的，为了保持较高的数据率，不做 MTI 和 MTD ，因此，最多只需 要一个周期长度的缓存空间，且缓存深度小于 512k 个采样数据。 ， 当重复频率取 =1800Hz2000Hz 时，每个重复周期所需的最大数据缓存深度为 p f 个采样数据。由于重复频率

6、=1800Hz2000Hz 是用 27778 3 10 1800 10 15 . 0 3 6 p f 于探测低空目标的，需要做 MTI 和 MTD ，因此，如果 MTI 采用三脉冲双对消，MTD 采 用 8 点 FFT ，则需要缓存 10 个重复周期的采样数据，相应地，最大数据缓存空间为 277777 个采样数据，其缓存深度也小于 512k 个采样数据。 3.1.2 雷达信号分析由于相控阵雷达采用了应答和反射兼容的工作方式，它有两套接收机，视频信号处理系 统要对两种工作方式下的回波信号分别进行处理。该雷达的角度测量方法采用的是单脉冲 幅度比较法。它首先形成“和通道”( ) 、 “方位差通道”(

7、 )及“仰角差通道”( ) 信号，然后用“和通道”信号对差通道信号进行归一化处理，最终确定角误差信号。同时， 为了消除信号的盲相，确保得到的信号无损失，动目标检测采用 I、Q 双路检测方案，相 位检波器输出的 I 、Q 两路正交信号经过高速 A/D 变换后送到视频信号处理系统。由此可 见，最终送至视频信号处理系统的信号有六个通道共十二路。 反射方式的三个通道信号是调频脉冲经过脉冲压缩后的检波信号，而应答方式的三个 通道信号是单频脉冲经过窄带滤波后的检波信号，虽然二者在中频段的处理方法有所区别， 但其视频信号的处理方式是类似的。具体情况如下表所示:采样频率率 量化字长 重复周期 压缩脉宽 处理方

8、式150Hz 0.3s CFAR 50MHz 12300Hz、1818Hz 0.15s 150Hz 0.3s CFAR 50MHz 12300Hz、1818Hz 0.15s 150Hz 0.3s CFAR 反 射 方 式 50MHz 12300Hz、1818Hz 0.15s 150Hz 0.8s CFAR 50MHz 12300Hz 0.8s 150Hz 0.8s 50MHz 12300Hz 0.8s 150Hz 0.8s 应 答 方 式 50MHz 12300Hz 0.8s 注:150Hz 和 300Hz 的脉冲重复周期用于探测远距离小目标及中距离多目标;而 1818Hz 的脉冲重复周期只用

9、于探测低空目标，此时，为了解盲速，须进行频率参差。 当探测远程小目标和中高空多目标时，只对和通道做 CFAR 处理。而当探测低 空目标时，才对这三个通道做 MTI 、MTD 、CFAR 等一系列处理;相控阵雷达系统的设计与分析 - 3 - 对应答方式下的信号不做 MTD 处理。 当雷达处于全程搜索状态时，为了降低信号处理机的负载，提高系统实时处理的 能力，可将采样频率成倍数降低，最低采样频率可低至每个脉冲间隔 12 个取样。这样， 在搜索方式下，采样频率可取 =25MHz、12.5 MHz。 S f 3.1.3 视频信号处理单元的接口 视频信号处理单元与其他单元共有三个接口:采样数据输入接口、

10、数据通信接口、控 制与状态信号接口( 包含时钟与同步信号) 。 数据输入接口: 用于进行 A/D 采集数据的读取，A/D 采集的数据由输入缓存板通过数 据输入接口传输至处理单元; 由采样数据输入端口输入 16 位采样数据。 数据通信接口: 数据通信端口任务是向坐标测量计算机和数据记录机发送视频信号处 理板的运算结果( 包括距离信息和角误差数据) ，并接收来自中央控制单元的系统控制字， 向坐标测量计算机和数据记录机传送运算结果均采用块传输方式，系统控制字的读取采用 中断方式。 控制与状态信号端口: 控制与状态信号端口主要是根据系统控制字定义的工作模式， 向同步器、A/D 控制信号产生器、模拟器等

11、外设发出相应的控制命令，同时还读取上述设 备的状态字和检测字; 处理单元有自己的时钟，也可使用外部时钟，外时钟信号频率为 10MHz; 并向组合提供 8 个 10 MHz 的时钟信号供其他插件使用; 图 2.2 雷达信号处理单元在组合中 3.1.4 雷达信号处理单元的体系结构 雷达信号处理具有以下特点: 多任务性：现代雷达系统往往要做多种处理工作，如前所述，单是信号处理可能就有 同时进行脉冲压缩、多普勒滤波、恒虚警检测等多种类型的处理; 实时性：雷达信号处理系统要求是一个实时系统，不能发生数据堆积，影响雷达的反 应速度; 周期性：雷达的工作一般是周期性的，最小的周期是脉冲重复周期，大一点的周期

12、为 相参处理区间、波束驻留时间，天线扫描周期; 数据输出 A/D 数据输入 波门调制 模拟器 同步器 数据记录 16bit 16bit 雷达信号处理单元 INT1 INT2 控制信号相控阵雷达系统的设计与分析 - 4 - 并行性：雷达信号处理中具有很多并行性，其中最大的并行性在于现代雷达信号处理 是按距离单元进行的，而对各距离单元所做的运算是独立且相同的。对于多通道雷达， 通道间的处理也是并行的。此外，多任务和周期性也直接导致并行性; 流水性：雷达信号处理中，大部分进程之间的关系都是流水的; 阶段性：相控阵雷达工作过程往往由几个不同的阶段组成，各个阶段采取不同的处理 方式，一般分为搜索、截获、锁定、跟踪等阶段; 确定性：对于一个给定的雷达，总可以在运行前静态地确定系统在运行中所有可能发 生的活动，例如进程个数和关系、数据长度、通道数，数据传递周期等。 以上这些特点决定了雷达信号处理机的硬件结构应该是多处理器、多主从结构且具有高 度并行处理能力的高等计算机系统。 雷达信号处理单元是并行计算机系统，其软件可以分为两部分，即系统软件和处理软件。 处理软件尽量采用模块式的，不同的处理节点采用不同的处理软件;由于以上的特点，系统 软件不需要复杂的并行操作系统，只需一般简单的监探程序。