长时间积累技术的方案设计与工程实现

杨 振，张 绘，王媛媛，李 剑

(中国电子信息产业集团南京长江电子信息产业集团，江苏南京 210038)

对雷达回波信号进行长时间积累，可利用一段时间内每个时刻的目标能量，从而提高回波信号的信噪比，是检测低可观测目标的有效手段。同时，可在不改变系统硬件的同时大幅增加雷达的威力。随着积累时间的延长匀速运动的目标会发生距离走动，而进行转向或加减速等机动运动的目标，除了距离走动还会发生多普勒扩散等问题［1］。已有学者对这些问题进行了研究，并取得了良好的效果，但大多限于理论仿真阶段。本文提出了一种段内相干积累，段间非相干积累的方法，段内相干积累时不产生多普勒扩散，段间非相干积累时进行距离补偿，解决了长时间积累带来的跨距离单元与跨多普勒单元的问题，且由于算法简单，运算量小，可以简便高效地应用于工程实现。

1 算法原理

本文提出的段内相干积累段间非相干积累的方法如下。假设积累时间内的脉冲总数为M，首先，将这M个脉冲分为K段，每一段内有M/K=N个脉冲;其次，分别对每段中的N个脉冲进行相干积累，得到K组相干积累结果;再次，根据假定的速度分别对每段结果的距离走动进行补偿;最后，对补偿后的数据进行段间的非相参积累，得到最终的积累结果［2］。在对脉冲进行分段时需注意，每段内的脉冲在进行相干积累时不能产生多普勒扩散，这就要求段内相参积累的多普勒分辨单元需较宽，即使目标速度有变化，在段内短时间内也不会跨速度单元。此外分段时还需注意，在每段的相参积累时间内，目标移动的距离不能超过一个距离单元，即要求相参积累时间不能过长。经过上述两个约束，就能使目标的回波能量经过段内相干积累聚集到一点，之后的速度补偿与非相干积累就能有效地聚集目标能量。而非相干积累虽不能防止距离走动，但对其进行距离补偿较容易，从硬件可实现上考虑，对所有脉冲进行相干积累的运算量与存储量过大，所以相干积累与非相干积累相结合的方法较为合理。其次，段内短时间的相干积累使得多普勒分辨单元较宽，相当于将速度单元“粗粒化”，避免了目标由于速度变化产生跨速度单元的现象。

下面以实例来描述本算法，假设雷达脉冲重复频率为500 Hz，信号带宽为3 MHz，目标最大径向速度为500 m/s。对应的距离分辨率为50 m，脉冲重复周期为2 ms，可运算出目标运动0.1 s会发生距离走动，因此每段段内相干积累脉冲数应＜50，考虑到基于FFT的多普勒滤波器组的相参积累，选取段内相参积累脉冲数为32。取得的脉冲数过少，相应的非相干积累次数则会增加，从而增大积累损失。此外相干积累脉冲数为32时，多普勒分辨单元宽度约为15.6 Hz，可防止高速目标速度变化所带来的多普勒扩散［3－4］。

这里以2 s积累时间为例，总脉冲数为1 024个，将积累脉冲分为32段，每段32个脉冲。分别对32段的回波做段内相干积累。由于分段考虑了两个约束因素，段内无距离走动以及多普勒扩散，只需在段间考虑距离补偿。可根据每段已知的速度判断每段段间是否产生距离走动，当在第i个脉冲时发生走动(其位于第［i/32］+1段)时，若 i－［i/32］×32 ＞16，则不移动第［i/32］+1段进行补偿，而从第［i/32］+2段开始移动进行距离补偿;若 i－［i/32］×32＜16，则从第［i/32］+1段开始移动进行距离补偿。这里［*］表示取整运算。当这32段距离补偿均完成后，则将这32段数据按照距离单元进行累加，即作非相干积累。经过以上步骤便完成了分段长时间积累［5－6］。

2 关键处理方案

根据上述考虑，以3 MHz、2 s积累时间的处理方式为例，以32个脉冲为一组作相干积累是合理的。将1 024个脉冲分成32组，每组内的32个脉冲到齐后，就进行相干积累，再求模。但段间非相干积累前的补偿速度未知，这就需要对目标可能的所有速度进行补偿。将补偿速度分档，按照不同的速度档，分多路进行距离校准，再叠加到以前组的非相干积累数据上。将各路叠加结果分别存储，和下一组相干积累后的模值叠加。待所有脉冲组处理完毕后，将会有多路积累结果。分别做CFAR检测，检测结果选大后就是最终结果。

2 s内飞机飞过的距离为500×2=1 000 m;距离分辨力为3e8/(2×3e6)=50 m;最大越距离单元走动量为1 000/50=20个距离单元;无越距离单元走动的时间为50/500=0.1 s，即100 ms;脉冲重复周期为1/500=0.002 s，无越距离单元走动的最大脉冲数为100/2=50个;积累2 s时间的积累脉冲数为2 000/2=1 000次;积累1 000次回波未发生越距离单元走动的最大速度为50/2=25 m/s，所以需补偿的速度刻度为25 m/s。具体的速度通道补偿方法如表1所示。

表1 补偿通道方法

整个长时间积累方案的处理流程如图1所示。

图1 处理流程

3 硬件实现及验证

根据本信号处理任务的研究背景，需对13个波束进行处理，每个波束主要完成的处理有:脉冲压缩、段内相参积累和段间非相参积累、恒虚警检测和多普勒通道选大。

完成13个波束的长时间积累共需4个信号处理板。为方便维护及升级，信号处理板设计为通用形式，每个信号处理板主要由4片DSP和一片大容量FPGA组成。结合此科研任务雷达系统设计要求，对多方面因素进行考虑后，选择ADI公司的ADSP－TS201处理器。其作为ADI公司TigerSHARC系列第二代产品(ADSP－TS201处理器)，是当前业界处理能力最强的浮点DSP，同时兼容定点处理，600 MHz时钟频率条件下可达到4.8 GMACS和3.6 GFLOPS的运算速度。片内存储器可达24 Mbit，加之合理的结构以及高带宽的I/O接口，使得ADSP－TS201S在无线通信、军事、图像等高端市场的应用更加广泛。对于本系统而言，输入FPGA的数据可达600 MHz的差分LVDS信号，FPGA内部需足够的存储空间做数据的存储，其内部的乘法器资源也必须满足后续的数据处理。同时便于系统日后升级，对于数据的传输提出了高达2.5 GHz的光纤传输方案，这对FPGA的I/O传输速度提出了较高的要求。同时本系统对处理器的温度范围、质量类型也达到了军用标准的要求。所以选用Xilinx公司推出的新一代高端可编程逻辑器件 Virtex－5系列的SXT95T。

实际处理过程中，前3个信号处理板每个板需处理4个波束的数据，其中第一片DSP完成4路波束的脉压，第二片DSP完成4路波束的段内相参积累，其余两片DSP分别完成前后2路波束的段间非相参积累和恒虚警检测。第4号处理板只处理一路波束，板上的3片DSP分别完成这一路波束的脉压，段内相参积累，段间非相参积累和恒虚警检测。第4号处理板除了完成这一路波束的处理，还需汇集前3个信号板的处理结果。第4号处理板接收前3个处理板12路波束的处理结果，将其汇总到第4片DSP中，并做13路波束的聚心处理，再将最终的处理结果发送给定时板，为后续的存储以及数据处理做准备。

整个信号处理的总体结构如图2所示。

图2 信号处理结构

按照设计方案，相参积累脉冲数和非相参积累脉冲数均为32，考虑目标径向速度的正负，距离走动的速度补偿通道为39个。

图3为39路距离补偿后每路对应的非相参积累结果。补偿速度为正的通道号为正，补偿速度为负的通道号为负。由图3可看出，第13路补偿的效果最佳。本次试验的目标速度为340 m/s，按照表1的速度补偿通道划分，恰好处于第13路，即325～350 m/s所对应的补偿通道。图5～图9为第13路的补偿结果。图4为非相参积累前的一次段内相参积累结果。

图3 每个补偿通道对应的非相参积累结果

图4 段内相参积累结果

图5 非相参积累后的结果

图6 段内相参积累距离维视图

图7 段内相参积累结果多普勒维视图

图8 段间非相参积累距离维视图

图9 段间非相参积累结果多普勒维视图

从图中可看出，图5中处理结果的信噪比远大于图4。如图8所示，第13路补偿通道的补偿效果较好，补偿后目标回波能量几乎均聚集在一个距离单元中;如图9所示，在2 s的积累时间内，目标的多普勒频率是时变的，但变化较小，在多普勒单元中扩散了大约2～3个单元，对非相参积累的增益有一定影响。

非相参积累前，32段的段内相参积累结果的平均信噪比约为18 dB，距离走动补偿后第13路的段间非相参积累结果的信噪比约为29 dB。可得非相参积累使信噪比增加了约11 dB，相当于信号和噪声幅度之比增加了3.6倍，功率之比增加了13倍，介于～32之间。13倍的功率增益相对于理想情况下的32倍来说有不小的损失，一方面是由非相参积累本身的特性决定;另一方面是受到了目标能量多普勒扩散的影响，如图9所示。从最终的处理结果来看，段内相干积累段间非相干积累的处理效果较好，能够有效的在长时间内积累目标能量，并准确给出目标的速度与距离。

该算法相对于传统的32脉冲的MTD算法，只是增加了MTD的次数，若干次矩阵平移以及32次矩阵加法，所需运算量小，且可在FPGA与DSP内并行处理，所以较易于在工程中实现。

4 结束语

本文提出了段内相干积累段间非相干积累的长时间积累方法。该方法能有效地校正距离走动并避免出现多普勒扩散，其原理简单，运算量小，所需的运算量和存储量均在所设计的电路板上实现，此外该方法及其运行的设备工作稳定、可靠。最终的测试试验和实测数据试验均表明，该方法能有效地对目标信号进行长时间的积累，符合系统要求。

［1］保铮.雷达信号的长时间积累［C］.南京:中国电子学会雷达学术年会，1999:9－15.

［2］王俊，张守宏.微弱目标积累检测的包络移动补偿方法［J］.电子学报，2000，28(12):55 －59.

［3］MO Li，WU Siliang，LI Hai.Radar detection of range migrated weak target through long term integration［J］.Chinese Journal of Electronics，2003，12(4):539 －544.

［4］吴兆平，何学辉，苏涛.带有距离走动和多普勒扩散的高速运动目标检测［J］.哈尔滨工程大学学报，2010，31(4):476－480.

［5］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2002.

［6］SKOLNIK M I.Radar handbook［M］.Second Edition.Newyork:McGraw － Hill，2003.