基于FPGA的副瓣信号抑制技术研究

刘秋飞，邵晓刚，郭睿刚，王志凌

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

现代电子信息作战模式使得[1-2]雷达面临的电磁环境日趋复杂，不具备抗干扰能力的雷达在现代战争中是没有生命力的[3]。在复杂电磁环境下，强杂波或大目标回波信号会经过雷达天线波束副瓣进入雷达接收机。此时，若进入雷达天线波束副瓣的信号较强，则雷达系统会将该天线指向方向视为敌方目标信号方向，从而造成雷达测向偏差，进而造成对作战武器错误引导。

为解决雷达副瓣信号所产生的虚假，通常的方法是增加一个或多个全向辅助天线，使其增益低于雷达天线波束主瓣的增益且略高于天线波束第一副瓣的增益。通过幅度加权处理，将辅助天线通道接收信号与雷达主天线通道接收信号进行幅度比较，进而实现副瓣信号抑制。本文对基于辅助天线的副瓣信号抑制方法进行归纳与总结，对数字实现方法进行了分析与改进。

1 基于辅助天线的副瓣信号抑制原理

设定雷达主天线对应接收机主通道，主通道所接收的信号量表示为X。全向辅助天线对应雷达接收机辅助通道，辅助通道所接收的信号量表示为Y。为实现雷达副瓣信号抑制，主通道信号量X与辅助通道信号量Y需满足公式(1):

Z=X-WTY，Z>0

(1)

式中，W=[w1，w2，…，wn]T，Y=[y1，y2，…，yn]T，上标T表示转秩运算；Z表示主通道与辅助通道的幅度差值；W表示辅助通道的权重系数。根据公式(1)，副瓣信号抑制可基于比幅法来实现。若主通道信号幅度高于辅助通道信号幅度，正常输出主通道信号检测结果；反之，则将此时的主通道接收信号视为干扰信号，并对主通道检测结果进行抑制。基于全向辅助天线的副瓣信号抑制原理框图如图1所示。

图1 基于辅助天线的副瓣信号抑制原理框图

2 数字副瓣信号抑制实现方法

目标信号经过天线接收及前端模拟混频后转换为模拟中频信号。A/D转换器将模拟中频信号进一步转换为便于FPGA芯片处理的数字中频信号。通过数字混频正交分解，可从数字中频信号中提取出所需的数字基带信号。最终通过CORDIC算法对数字基带信号进行幅度信息提取。数字接收机雷达信号的幅度提取过程如图2所示。

图2 雷达信号幅度信息提取流程

为提高宽带雷达目标的侦测处理能力，数字处理通过数字信道化算法将宽带信道分解为多个窄带信道，在提高信号检测灵敏度的同时可将不同频率的信号进行分离，增强了系统多信号处理能力。在数字信道化算法基础上，本文根据运算量将数字副瓣信号抑制实现方法分为单点比幅法、多点累加比幅法及多点计数比值法。

2.1 单点比幅法

顾名思义，单点法是指同一时刻通过对雷达接收机主通道及辅助通道的单个目标信号幅度信息进行分析处理，进而实现副瓣信号抑制的方法。主通道信号与各辅助通道信号经过数字信道化后，通过对各个窄带信道的信号进行CORDIC运算,可得到主辅通道各窄带信道相应的幅度信息。同时，通过各辅助通道窄带信道信号幅度信息以及上位机下发的权重系数，可进一步计算出各辅助通道窄带信道幅度信息的上下界。将主通道的各窄带信道幅度信息分别与各辅助通道窄带信道的幅值上下界进行比较。若主通道各窄带信道幅度信息高于相应的各辅助通道窄带信道幅值上界，则不进行副瓣信号抑制，正常输出主通道信号检测结果；若主通道窄带信道幅度信息低于相应的各辅助通道窄带信道幅值下界，则进行副瓣信号抑制，对主通道信号检测结果进行匿影处理。单点比幅法的算法流程如图3所示。

图3 单点比幅法算法流程

相较于多点累加比幅法与多点计数比值法，单点比幅法优势在于能够做到对雷达波束副瓣信号的快速响应，且所消耗的FPGA芯片资源不多。

2.2 多点累加比幅法

相较于单点比幅法，多点累加比幅法对接收机主通道及辅助通道的过门限信号量幅度信息进行综合分析，最终实现系统副瓣信号抑制功能。雷达中频信号经过A/D变换、数字信道化、CORDIC等处理之后，可得到主辅通道各窄带信道的幅度信息。与单点比幅法所不同的是，多点累加比幅法在A/D之后即对各辅助通道进行加权处理，目的在于减少乘法器个数，降低FPGA芯片资源占用率。得到主辅通道各窄带信道的幅度信息后，分别对主辅通道的幅度信息进行过门限检测、幅度累加等处理。最终通过对主辅通道的幅度累加值进行比较，进行副瓣信号抑制与否的判决。多点累加比幅法的算法流程如图4所示。

图4 多点累加比幅法算法流程

相较于单点比幅法，多点累加比幅法的优势在于能够充分利用主辅通道的幅度信息，避免因个别信号的不稳定对副瓣抑制功能所造成的判决紊乱。由于主辅通道各信道中累加器的存在，使得多点累加比幅法所占用的FPGA芯片资源要多于单点比幅法。

2.3 多点计数比值法

多点计数比值法是在多点累加比幅法的基础上进行优化发展而来的。多点计数比值法继承了多点累加比幅法提取主辅通道各信道幅度信息的手段，但在后续的幅度信息处理上多点计数比值法则更为巧妙。在得到主辅通道各信道幅度信息后，多点计数比值法对主辅通道各信道幅度信息进行过门限检测、累加计数等处理。通过对主辅通道各信道幅度信息过门限检测累加计数值的比较，将主辅通道信号幅度比较转换为主辅通道信号过门限脉宽比较，最终实现系统副瓣信号抑制功能。多点计数法的算法流程如图5所示。

图5 多点计数比值法算法流程

多点计数比值法继承了单点比幅法与多点累加比幅法的优势，在保证系统副瓣信号抑制功能稳定性的同时减少了FPGA芯片资源的消耗。多点计数比值法创造性地将雷达接收机主辅通道信号的幅度比较转换为过门限信号计数值(信号脉宽)的比较，拓展了数字副瓣信号抑制方法的实现思路。

3 性能分析

纵观本文所提出的单点比幅法、多点累加比幅法以及多点计数比值法，通过消耗适量的DSP48E以及LUT逻辑门电路等FPGA芯片资源即可实现，是硬件可实现的数字副瓣信号抑制实现方法。单点比幅法、多点累加比幅法以及多点计数比值法虽然均可实现副瓣信号抑制功能，但三者在资源消耗、功能稳定性等方面均有所差异。相比较而言，单点比幅法具有最低的FPGA芯片资源消耗，能够做到对副瓣信号的快速响应。但实践中存在辅助天线增益低于主天线波束第一副瓣增益的情况，因此需要人为抬高辅助天线增益，此时若使用单点比幅法实现副瓣信号抑制会导致整机系统灵敏度的损失。此外，单点比幅法对输入信号的质量要求较高，易受干扰信号影响。而多点累加比幅法与多点计数比值法通过提取主辅通道过门限幅度信息的统计特征，从而能够有效改善整机系统灵敏度与系统抗干扰性能。不同的是，多点累加比幅法具有更多的FPGA芯片资源消耗，而多点计数比值法在保证系统副瓣信号抑制功能稳定性的同时大大降低了资源消耗。

4 结束语

本文对数字处理领域内的副瓣信号抑制实现方法进行了总结与分析，对单点比幅法、多点累加比幅法以及多点计数比值法的算法流程进行了着重的研究与分析。此外，本文对各副瓣信号抑制方法的优劣性也进行了分析。各副瓣信号抑制方法自身特性的不同决定了其应用场景的不同。针对雷达副瓣信号所产生的虚假信号问题，数字副瓣信号抑制方法简单高效。本文所提的副瓣信号抑制方法具备丰富的功能扩展性，通过进一步的研究与分析可实现诸如副瓣信号对消、干扰抑制等功能。