基于FPGA的反辐射导引头信号处理方法及系统与流程

本发明涉及一种信号处理技术，特别是一种基于fpga的反辐射导引头信号处理方法及系统。

背景技术：

现代雷达和电子战的性能已经发展到非常高的水平。雷达系统作为一种电磁传感器，在现代战争的地位举足轻重，先进的雷达系统往往能在战场上率先侦测到敌方并快速响应。为反制雷达系统，诞生了反辐射导弹。反辐射导弹是对电磁辐射源设备最有效的武器，利用敌方设备的电磁波引导，摧毁敌方雷达等设备。在反辐射导弹于恶劣电磁环境中截获、收集敌方雷达信号的过程中，反辐射导引头系统至关重要。

反辐射导引头系统即一个能够适应复杂的现代电子战的侦察接收机。由于其侦测到的往往都是非合作信号，因此要求具有宽输入带宽、高灵敏度和分辨率、大动态范围和同时处理到达多个信号的能力。除此之外，还必须能适应现代高密集的信号环境，对接收到的大量信息必须实时或准实时地进行处理。其最主要的特点是频带宽，几乎覆盖整个无线频段。

因此，针对雷达的反辐射导引头系统可以看作一个对宽带雷达信号的检测和提取。软件无线电中的数字信道化接收机能够满足该系统频段覆盖的要求。同时，利用现场可编程门阵列(fpga)的可重构和并行化的特点，在fpga上实现数字信道化接收机以及信道化之后的雷达信号检测和处理，能够满足反辐射导引头系统要求的实时性。基于fpga的反辐射导引头信号处理方法和系统，可以实现大带宽雷达信号的捕获和高数据速率的实时处理，为精准打击敌方雷达提供技术支持。但是，当前fpga芯片和高速ad芯片通道相位特性易受工作环境，如温度、湿度等因素的影响，使系统对目标雷达的定向测角结果不准确。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是消除环境对雷达定向测角结果的影响。

未解决上述问题，本发明的基于基于fpga的反辐射导引头信号处理方法包括：对反辐射导引头接收的串行数据进行采样且转换为n路并行数据；根据采样数据和频率阈值得到有效信道；对有效信道输出的信号幅度进行校准；对校准后的信号过门检测和测量参数。

进一步地，检测其中一路通道数据在规定时间内的幅度均值作为调整反辐射导引头接收信号增益的依据。

进一步地，根据采样数据和频率阈值得到有效信道包括：将n路并行数据同时输入到m路通道中依次做延迟处理；对m路并行数据进行多相滤波；对多相滤波后的信号进行fft运算得到信道频率；选择在一定频率范围内的信道为有效信道。

进一步地，对有效信道输出的信号幅度进行校准包括获取校准值，校准值包括初始法向校准值：在暗室环境下反辐射导引头发射并接收一法向信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差；初始闭环校准值：在实验室环境下反辐射导引头发射并接收一特定频率的信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差；实时闭环校准值：在反辐射导引头工作过程中反辐射导引头发射并接收一特定频率的信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差。

进一步地，对有效信道输出的信号幅度进行校准还包括用初始闭环校准值和实时闭环校准值间的差值补偿反辐射导引头工作过程中通道间的不一致性。

未解决上述问题，本发明的基于fpga的反辐射导引头信号处理系统，其特征在于，包括对反辐射导引头接收的串行数据进行采样且转换为n路并行数据的单元；根据采样数据和频率阈值得到有效信道的单元；对有效信道输出的信号幅度进行校准的单元；对校准后的信号过门检测和测量参数的单元。

进一步地，系统还包括检测其中一路通道数据在规定时间内的幅度均值作为调整反辐射导引头接收信号增益的依据的单元。

进一步地，根据采样数据和频率阈值得到有效信道的单元包括：将n路并行数据同时输入到m路通道中依次做延迟处理子单元；对m路并行数据进行多相滤波子单元；对多相滤波后的信号进行fft运算得到信道频率子单元；选择在一定频率范围内的信道为有效信道子单元。

进一步地，对有效信道输出的信号幅度进行校准的单元包括获取校准值子单元，校准值包括初始法向校准值：在暗室环境下反辐射导引头发射并接收一法向信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差；初始闭环校准值：在实验室环境下反辐射导引头发射并接收一特定频率的信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差；实时闭环校准值：在反辐射导引头工作过程中反辐射导引头发射并接收一特定频率的信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差。

进一步地，对有效信道输出的信号幅度进行校准的单元还包括用初始闭环校准值和实时闭环校准值间的差值补偿反辐射导引头工作过程中通道间的不一致性子单元。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的基于fpga的反辐射导引头信号处理方法和系统，可以对2～18ghz频带内的雷达信号进行捕获，并实时处理400mhz带宽内的信号，同时通过实时校准系统来降低因温度和湿度等工作环境因素带来的通道相位误差，使得后续测向相较于传统的目标雷达测向系统更加可靠，便于实现对目标雷达的精准打击。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明步骤s1的流程图。

图3为本发明步骤s2的流程图。

图4为本发明步骤s3的流程图。

图5为本发明步骤s310的流程图。

图6为本发明步骤s320的流程图。

图7为本发明系统的示意图。

图8为本发明系统第一单元示意图。

图9为本发明系统第五单元示意图。

图10为本发明系统第二单元示意图。

图11为本发明系统第三单元示意图。

图12为本发明系统第四单元示意图。

图13为本发明系统前端的射频前端系统示意图。

具体实施方式

图7是本发明信号处理系统的一个实施例方式示意图，包括对反辐射导引头接收的串行数据进行采样且转换为n路并行数据的第一单元100；根据采样数据和频率阈值得到有效信道的第二单元200；对有效信道输出的信号幅度进行校准的第三单元300；对校准后的信号过门检测和测量参数的第四单元400。

结合图8，第一单100元包括ad采样子单元110、串并转换子单元120、系统时钟子单元130、相位同步子单元140。进一步地，ad采样子单元110对反辐射导引头接收的串行数据进行ad采样；串并转换子单元120将串行数据转换为n路并行数据；系统时钟子单元130实现n路并行数据的时间同步；相位同步子单元140实现n路并行数据的相位同步。本实施例中，ad采样子单元110中包括xilinx的selectiointerfacewizardip核，该ip核对串行数据进行采集。本实施例中，串并转换子单元120中包括n个fifo存储器，对转换为并行数据的n路信号进行缓存。n路数据所在通道中其中一路为检测通道，其余为辅助通道。图8至图13中的箭头表示信号传输方向。

进一步地，该系统还包括检测其中一路通道数据在规定时间内的幅度均值作为调整反辐射导引头接收信号增益的依据的第五单元500。结合图9，第五单元500包括门限阈值子单元510、比较子单元520、增益调节反馈子单元530。其中，门限阈值子单元510根据系统测试时的具体数据设置上、下门限阈值；比较子单元520对接收的信号幅度与门限阈值进行比较；增益调节反馈子单元530根据比较的信息反馈增益改变量，若幅度均值小于下门限阈值时提高增益，若大于上门限阈值时降低增益。

结合图10，第二单元200包括将n路并行数据同时输入到m路通道中依次做延迟处理的延迟子单元210；对m路并行数据进行多相滤波的多相滤波子单元220；对多相滤波后的信号进行fft运算得到信道频率的fft运算子单元230；选择在一定频率范围内的信道为有效信道的选择子单元240。延迟子单元210中设置抗混叠信道化模型，本实施例中抗混叠信道化模型为m取值为64，输入的数据同时输入至64路中，并依次按照0～63个时钟延迟后进行64倍抽取，得到64路并行数据。多相滤波子单元220采用fir原型低通滤波器对m路数据进行多相滤波，本实施例中fir原型低通滤波器参数如下：

通带截止频率：10.5mhz

阻带起始频率：11.5mhz

阻带抑制：70dbc

长度：512阶。

本实施例中fft运算子单元230中采用n点复数fft运算实现2n点实数fft运算，对多相滤波后的信号进行64点fft，得到64路信道数据。本实施例中，选择子单元240设置400mhz为阈值，信号频率在400mhz内的为有效信道。

结合图11，第三单元300包括校准取值子单元310、校准子单元320。其中校准取值子单元310获取三个工作状态下的校准值，三个工作状态和相应的校准值分别为：暗室环境下的初始法向校准值、在实验室环境下的初始闭环校准值、在反辐射导引头工作过程中的实时闭环校准值。获取各校准值的方法为：

(1)初始法向校准值：在暗室环境下反辐射导引头发射并接收一法向信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差；

(2)初始闭环校准值：在实验室环境下反辐射导引头发射并接收一特定频率的信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差；

(3)实时闭环校准值：在反辐射导引头工作过程中反辐射导引头发射并接收一特定频率的信号后辅助通道与检测通道间的幅度相位差。

校准子单元320在相应工作状态下对信号进行校准，校准的方法为实际信号的幅度相位减去校准值。通过校准实现通道间的一致性。

进一步地，考虑到工作环境比如温度会对通道相位有影响，在第三单元300中还设置用初始闭环校准值和实时闭环校准值间的差值补偿反辐射导引头工作过程中通道间不一致性的反馈子单元330。实时闭环校准值和初始闭环校准值差值就表示环境的影响，相位差计算后再补偿这个值可以减小环境的影响。此校准也有校准子单元320实现。

结合图12，第四单元400包括选择检测通道并对检测通道内的有效信道中信号幅度进行过门限检测的检测子单元410；获取检测到的脉冲数据的到达时间、脉宽、幅度、频率和通道相位差、lfm信号的调频斜率等参数的参数获取子单元420；对有效信道的信号数据按照到达时间与信道标号从小到大的顺序分别输出的输出子单元430。其中，监测子单元410包括信号检测门限模块411、检测模块412。信号检测门限模块411对检测通道求取各有效信道的信号幅度，其幅度最小值与预设门限因子的乘积即为信号检测门限。检测模块412将信号的幅度与检测门限比较，根据当前信号幅度是否大于门限的比较结果，以及是否有连续8个点过门限的判决策略得到脉冲；若当前信号幅度大于门限，且有连续8个点过门限则检测到信号。参数获取子单元420中各参数的获取方法为：

(1)信号到达时间：脉冲上升沿标志对应的系统时间；

(2)脉冲宽度：脉冲上升沿和下降沿之间对应的系统时间差；

(3)脉冲幅度：通过对检测方波内的信号进行幅度积累然后取均值得到；

(4)脉冲频率：根据数字鉴相的方法通过测量检测通道相邻采样点间的延迟相位差得到；

(5)通道相位差：各通道与检测通道的瞬时相位差值；

(6)lfm信号的调频斜率，对脉内采用滑窗方法以16点滑动速率，每16点取其频率值计算调频斜率，再取平均值。

结合图13，本系统与前端射频前端系统600匹配连接，其中射频前端系统600用于控制射频前端模块的混频器的本振频率，可以发射和接收信号，同时控制功率放大器，实现信号功率的自动增益控制。具体地，射频前端系统600包括射频信号接收模块610、下变频模块620和功率放大模块630。其中射频信号接收模块610用于接收2～18ghz的射频信号；下变频模块620用于将2～18ghz的射频信号下变频到1.5ghz的中频；功率放大模块630用于对接收到的信号进行功率放大，提高信噪比。

图1是本发明基于上述系统的一种信号处理方法的实施方式示意图，结合图1对基于fpga的反辐射导引头信号处理方法进行具说明。

一种基于fpga的反辐射导引头信号处理方法，包括以下步骤：

步骤s1，对每路通道输入的信号同时进行ad采样，得到相应的采样数据，并计算其幅度反馈到接收机前端作为自动增益控制的依据；

步骤s2，对ad采样数据进行抗混叠信道化处理，根据系统指标得到含实际信号的有效信道；

步骤s3，根据信道化输出的各信道iq信号，进行信号的过门限检测和参数测量，测量的信号参数包括到达时间、脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲频率、lfm信号调频斜率以及各通道与检测通道相位差等。

结合图2，步骤s1包括以下步骤：

步骤s110，对串行数据进行ad采样并转化为n路并行数据；

步骤s120，实现n路并行数据的时间同步和相位同步；

步骤s130，选择一路作为检测通道，计算检测通道数据在固定时间内的幅度均值，并与门限阈值比较，以此调整接收机增益，实现自动增益控制。

经过步骤s1，将信号的幅度控制在合适的区间内，便于后续子单元对信号的检测。

本实施例中步骤s1采用供应商xilinx的selectiointerfacewizardip核对1.2gsps串行数据进行采，但是本发明的技术方案不限于上述产品对数据进行采样。基于上述xilinx产品实现的步骤s110具体为：采用xilinx的selectiointerfacewizardip核对1.2gsps串行数据进行采集，经过串并转换后输出150msps的并行数据。该ip核采用fpga硬件上的iserdese2和iddr等专用硬件资源实现。

步骤s120中，将n路(本实施例为8路)ad采样的并行数据通过n个fifo存储器进行缓存，用系统时钟(为配合上述实施例，本实施例中步骤s120采用150mhz系统时钟)读出以实现n路信号的时间同步。

步骤s120中，通过ad芯片的测试模式，实现n路fifo缓存器输出数据的相位同步。

步骤s130中，首先根据系统测试时的具体数据设置上、下门限阈值，若幅度均值小于下门限阈值时提高增益，若大于上门限阈值时降低增益。

结合图3，步骤s2包括以下步骤：

步骤s210，将步骤s1的数据同时输入得到m路并行数据，延迟后得到m路并行数据；

步骤s220，对m路并行数据进行多相滤波；

步骤s230，根据经典fft蝶形图算法对多相滤波后的信号进行fft运算，得到信道数据；

步骤s240，根据射频前端滤波器带宽设置信号频率在一范围内的信道为有效信道。

本实施例中，步骤s210构建抗混叠信道化模型，即m取值为64，输入的数据同时输入至64路中，并依次按照0～63个时钟延迟后进行64倍抽取，得到64路并行数据。

本实施例中，步骤s220中，采用fir原型低通滤波器对m路数据进行多相滤波，其中fir原型低通滤波器参数如下

通带截止频率：10.5mhz

阻带起始频率：11.5mhz

阻带抑制：70dbc

长度：512阶。

本实施例中，步骤s230中采用n点复数fft运算实现2n点实数fft运算，对多相滤波后的信号进行64点fft，得到64路信道数据。

本实施例中，步骤s240设置400mhz为阈值，信号频率在400mhz内的为有效信道。该实施例中，因为射频前端对射频信号滤波带宽是400mhz，1.2g采样只有400mhz为有效的，其他是混叠的，处理没有意义，因此指对有效信道进行处理。

结合图4，步骤s3的具体过程为：

步骤s310，对步骤s2处理后的信号进行校准；

步骤s320，选择检测通道并对检测通道内的有效信道中信号幅度进行过门限检测；

步骤s330，获取检测到的脉冲数据的到达时间、脉宽、幅度、频率和通道相位差、lfm信号的调频斜率等参数；

步骤s340，对有效信道的信号数据按照到达时间与信道标号从小到大的顺序分别输出。

理论上，通道间的相位差应为0，但由于不同工作状态下各通道性能差异可能造成幅相误差，因此需要对输入信号进行校准。结合图5，步骤s310中，通过加载预存的校准值对输入信号进行校准。所述校准值包括暗示环境下、实验室环境下和导引头工作过程等三个工作状态下辅助通道和参考通道的幅度相位差，采集的相应校准值在相应工作状态下对信号进行校准，即减去校准值实现通道间的一致性。每一校准值的获取方法如下：

(1)在暗室环境下预存初始法向校准值：反辐射导引头的射频前端发射法向信号，反辐射导引头的收发通道接收该信号，辅助通道与检测通道间的幅度相位差即校准值；

(2)在实验室环境下初始闭环校准值：控制反辐射导引头的射频前端发射特定频率的信号，反辐射导引头的收发通道接收发射特定频率的信号，辅助通道与参考通道的幅度相位差即校准值；

(3)在导引头工作过程中实时闭环校准值：进入跟踪状态前通过控制射频前端发射特定频率的信号，反辐射导引头的收发通道接收发射特定频率的信号，辅助通道与参考通道的幅度相位差即校准值。

实时闭环校准值主要是考虑到工作环境比如温度会对通道相位有影响，实时闭环校准值和初始闭环校准值差值就表示环境的影响，相位差计算后再补偿这个值可以减小环境的影响。

步骤s320中，有效信道可以为上述的400mhz带宽内的信道，进行64点fft，得到64路信道数据后的6～28信道为有效信道。结合图6，步骤s320的具体过程包括：

步骤s321，对检测通道求取各有效信道的信号幅度，其幅度最小值与预设门限因子的乘积即为信号检测门限；

步骤s322，将信号的幅度与检测门限比较，根据当前信号幅度是否大于门限的比较结果，以及是否有连续8个点过门限的判决策略得到脉冲；若当前信号幅度大于门限，且有连续8个点过门限则检测到信号。

步骤s330中各参数的获取方法为：

(1)信号到达时间：脉冲上升沿标志对应的系统时间；

(2)脉冲宽度：脉冲上升沿和下降沿之间对应的系统时间差；

(3)脉冲幅度：通过对检测方波内的信号进行幅度积累然后取均值得到；

(4)脉冲频率：根据数字鉴相的方法通过测量检测通道相邻采样点间的延迟相位差得到；

(5)通道相位差：各通道与检测通道的瞬时相位差值；

(6)lfm信号的调频斜率，对脉内采用滑窗方法以16点滑动速率，每16点取其频率值计算调频斜率，再取平均值。

步骤s330中，所述通道的相位差为辅助通道和检测通道之间信号的相位差。本实施例中，系统一共7个通道一路检测通道，其他6路辅助通道，需要算检测通道和辅助通道之间的相位差。

步骤s340中，通过fifo缓存器对不同信道数据进行缓存。