一种基于梳状滤波器原理的重频跟踪方法

丁兴军，王星宇

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种基于梳状滤波器原理的重频跟踪方法

丁兴军，王星宇

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

面对现代电子战复杂的电磁环境以及不断涌现的新体制雷达，如何快速建立重频跟踪成为一个紧迫问题。利用雷达脉冲的相参性，提出了一种基于梳状滤波器原理的快速跟踪算法,利用重频信息产生梳状预测波门，对缓存的脉冲作同时匹配，解决了丢脉冲情况下的跟踪建立问题。为了将算法效能最优化，提出了一种双数字信号处理(DSP)+现场可编程门阵列(FPGA)的并行数据流硬件解决方案。实验结果表明该方法能极大地提高重频跟踪的成功率和降低虚警率。

梳状滤波器；重频跟踪；现场可编程门阵列

0 引 言

雷达信号PRF跟踪系统的作用是截获一定频域和空域范围内的雷达辐射源信号并跟踪雷达信号。随着电子信息的迅猛发展，电磁环境密集而复杂，新雷达体制不断涌现，其抗干扰能力不断完善，所有这些都对电子对抗系统，尤其是重频跟踪的成功率和有效性提出了新的挑战。

本文从复杂电磁环境下如何迅速建立跟踪入手，分析了传统重频跟踪中建立跟踪的薄弱点[1-3]，提出了利用梳状滤波器原理进行跟踪的措施，提高了建立跟踪的时效性。

1 传统建立跟踪算法的缺陷

在复杂电磁环境下，当重频跟踪器跟踪某一部雷达时，由于受到干扰，至少需要3个脉冲确定该序列为所引导的威胁目标雷达的脉冲序列。如图1，脉冲1作为起始脉冲，脉冲2确定脉冲重复间隔，脉冲3对脉冲序列进行再确认。

图1 雷达脉冲序列

针对这个建立跟踪的逻辑，当前主流算法都是脉冲1到达时首先触发半波门产生电路，产生1个半波门信号，首脉冲控制电路给出脉冲重复频率(PRF),计数电路采用减计数方式工作，当减为零时输出控制信号，控制波门产生电路产生波门。波门产生后，首脉冲控制电路判断波门内是否有脉冲，若有脉冲则进入正常跟踪状态；若没有脉冲则重新进行首脉冲捕捉。进入正常跟踪状态后，需要连续正确捕捉到一定数量脉冲数后(最低1个，例如脉冲3)建立跟踪，才准许对外输出跟踪波门。这种算法在简单电磁环境下很有效，但在复杂电磁环境下则很难建立跟踪。如图2，虚线为缺失脉冲。接收机由于灵敏度或者同时到达信号等原因出现丢脉冲现象，没有连续的重频间隔，按照当前算法则很难建立跟踪。在作战情况下，每个脉冲都很珍贵，如若不慎，容易贻误战机。

图2 复杂环境下丢脉冲序列

2 基于梳状滤波器原理的重频跟踪方法

梳状滤波器是由许多按一定频率间隔排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过。梳状滤波器的特性曲线象梳子一样，故被称为梳状滤波器。

对于重频跟踪来说，就是根据雷达信号的重频，产生预到达波门(捕获波门)，落在预到达波门内的就是所期望的雷达脉冲[4]。传统的跟踪算法都是在收到一个脉冲后，预测下一个脉冲，之前出现的脉冲都丢弃。这种算法割裂了雷达脉冲之间的相关性，所以在复杂电磁环境下，效能很差[5]。基于脉冲累积这种思想，可以同时预测多个波门，只有落在波门内的脉冲数量超过门限，才可确认当前序列为引导威胁雷达目标序列，从而建立跟踪输出跟踪波门。这种基于梳状滤波器原理的重频跟踪方法，即用梳状捕获波门进行重频跟踪。如图3，如果门限设为3个脉冲，则可以判定成功建立跟踪。

图3 梳状捕获波门示意图

3 算法步骤

(1) 在现场可编程门阵列(FPGA)内部对每个跟踪通道开辟17个脉冲缓冲区，当缓冲区满时，第1个脉冲自动流出。

(2) CPU根据引导威胁目标参数装订到达方向(DOA)、射频(RF)、脉宽(PW)三参数关联比较器。

(3) FPGA根据装订重频序列，生成17齿梳状捕获波门，若重频不足16个，则重复输入。以4参差为例，序列如下:Pri1、Pri2、Pri3和Pri4。则梳状捕获如下重频:(Pri1,Pri2,Pri3,Pri4), (Pri1,Pri2,Pri3,Pri4), (Pri1,Pri2,Pri3,Pri4), (Pri1,Pri2,Pri3,Pri4)。若设Pri1=100,Pri2=110,Pri3=120,Pri4=130，单位为μs，则生成梳状捕获波门如图4。

(4) FPGA对经关联比较器匹配后的脉冲(Filt_rdy)打上时戳，存入缓冲区。

(5) 缓冲区内每进1个脉冲，序列确认电路则用梳状捕获波门对缓冲区内的脉冲作匹配，若不匹配则调整梳状捕获波门捕捉PRI的顺序，具体操作就是循环移位操作。如初始为(Pri1,Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15,Pri16),第1次循环移位后变为(Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15,Pri16,Pri1)。

若一直遍历到(Pri16,Pri1,Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15),就回到初始态(Pri1,Pri2,Pri3,Pri4,Pri5,Pri6,Pri7,Pri8,Pri9,Pri10,Pri11,Pri12,Pri13,Pri14,Pri15,Pri16)，等待下一个进入缓冲区的脉冲继续进行捕获。若能成功匹配成功3个脉冲，则转入步骤(6)，进行重频预测跟踪，并输出波门。

(6) 用最新匹配的重频值的下一个重频值实时预测下一个脉冲，并同步给出预到达波门和半波门。若捕获波门内无脉冲，则进行消失计数。不管当前重频值是否跟踪成功，在捕获波门过去后，立即转入对下一个重频值的捕捉，直到消失计数大于判消失阈值。若判为消失后，则自动转入步骤(5)，进行雷达序列再确认，如此循环往复,如图5所示。

图4 16齿梳状捕获波门

图5 雷达序列确认电路示意图

4 硬件实现

本文硬件平台采用了双DSP+FPGA的并行结构。DSP采用TMS320C6000，FPGA采用ALTERA EP2S180 芯片。DSP与FPGA通过外围存储器接口(EMIF)进行数据交换，DSP1与DSP2通过Serial RapidIO进行数据交换[6]。硬件平台着重考虑了高速无瓶颈大动态范围数据分配内部局部总线，保证双DSP做到真正意义上的并行全速运行，同时做到软件运行与硬件数据传输的无缝连接，使协同工作的编程难度降低。

硬件的功能划分如图6所示。DSP1的功能就是接受外部威胁目标引导报文，通过EMIF总线对FPGA滤波器和跟踪器进行参数预装，并读取跟踪状态寄存器内容，上报跟踪状态。DSP2实现的是快速分选的功能。读取先进先出(FIFO)中经过参数匹配后的脉冲描述字(PDW)，进行累积分析，实时更新威胁目标参数信息，并通过RapidIO上报到DSP1，DSP1接收到目标更新参数后，对滤波器和跟踪器中的预置参数进行微调，保证跟踪的连续性。

图6 硬件功能划分示意图

FPGA实现参数滤波和PRF跟踪功能。FPGA接收DSP的参数预置，对输入的PDW进行参数匹配，输出匹配Filt_rdy。Filt_rdy分为3路：作为雷达序列确认电路的输入信号、作为捕获波门产生电路的输入信号以及作为FIFO锁存PDW的使能信号。重频跟踪器是重频跟踪的核心电路，其由雷达序列确认电路、捕获波门产生电路、脉冲捕获成功判断和波门产生电路等部件组成。雷达序列确认电路对输入的Filt_rdy进行匹配，当匹配成功时，会输出脉冲序列匹配成功标志，触发捕获波门产生电路，进入正常的跟踪模式。脉冲捕获成功判断电路流水判断捕获波门内的脉冲是否为有效跟踪脉冲，并输出标志给跟踪丢失判断电路。跟踪丢失判断电路对输入的跟踪标志进行累积判决并将跟踪结果写入跟踪状态寄存器。若连续多次未捕获成功，则判跟踪丢失。同时使能捕获波门产生电路接收雷达序列确认电路的触发并控制波门产生电路对外输出波门。波门产生电路生成跟踪时序，实时产生数字储频和噪声压制所需的不同波门。

5 结束语

本文所采用的基于梳状滤波器原理的重频跟踪方法，对于重频固定、参差、脉组等信号的跟踪效果改善显著;但在丢脉冲或收发隔离不理想时，对重频大抖动信号跟踪仍然不是很理想。下一阶段可以结合缓存的PDW，利用参数估计理论(如卡尔曼滤波等)产生捕获波门，只要样本适当，可以提高抖动信号的跟踪效率。

[1] 郜丽鹏，叶方，司锡才.PRF跟踪器设计与实现[J].弹箭与制导学报，2005,25(3):560-563.

[2] 钱志芳，胡小禹，张荣君，穆吉儒.一种适应复杂电磁环境的重频跟踪方法[J]电子设计工程，2015,23(9):142- 144.

[3] 才军，高纪明，赵建民.FPGA和CPLD 在雷达信号分选预处理器重的应用[J].系统工程与电子技术，2001,23(10):22-24.

[4] 赵长虹，赵国庆，刘东霞.对参差脉冲重复间隔脉冲列的重频分选[J].西安电子科技大学学报(自然科学版)，2003,30(3):381-385.

[5] 杨建军．通用通信干扰信号发生器设计[J]．无线电通信技术，2013,39(3):83-85.

[6] 邓鹏飞，张剑云，游志刚.基于DSP的雷达信号分选实用技术[J].现代雷达,2005,27(8):79-82.

A PRF Tracking Method Based on The Princple of Comb Filter

DING Xing-jun，WANG Xing-yu

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Facing to the complex electromagnetic environment and arising of new system radar in modern electronic warfare,it becomes an urgent problem how to rapidly establish pulse repetition frequency (PRF) tracking.This paper uses the coherent characteristics of radar pulse to propose a rapidly tracking algorithm based on comb filter principle,uses PRF information to generate comb prediction gate,performs matching to buffered pulse,which solves the problem to establish tracking in the state that pulses are lost.For optimizing the algorithm efficiency,a parallel data stream hardware solution project based on double digital signal processing (DSP)+field programmable gate array (FPGA) is proposed.The experiment results show that the method can greatly improve the success rate of PRF tracking and reduce the false alarm probability.

comb filter;pulse repetition frequency;field programmable gate array

2015-12-05

TN971

A

CN32-1413(2016)03-0067-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.017