CN102841333B - 多频点全向外辐射源雷达比幅测向cpu实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，采用CPU+GPU异构硬件平台，并行性强的处理模块和逻辑性强的处理模块分别在GPU和CPU上实现，平台简单且利用率高，对系统进行扩展时操作简单，灵活性强。凝聚和测角处理在CPU中进行的，具体采用边凝聚边比幅的测角方法，将点迹凝聚和比幅测角相结合，省去了凝聚之后对数据的重组时间，凝聚和测角过程嵌入在多线程中进行进一步节省时间，将包含角度信息的目标点传终端显控平台。本发明解决了单个频点外辐射源雷达探测系统目标定位效果差，及多频点精度高但计算量大耗时长的问题。处理速度快，测角精度高，测角范围广可用于外辐射源雷达的目标检测与定位中。

Description

多频点全向外辐射源雷达比幅测向CPU实现方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及雷达无源测向方法，具体是一种基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，可在Visual studio软件集成开发平台下，在CPU上实现基于多频点全向的雷达系统比幅测向。

背景技术

近年来利用广播、电视、卫星等民用照射源的无源雷达探测技术越来越受到雷达领域的重视。无源雷达系统本身不需要发射信号，而是利用环境中已有的或者目标本身的发射的电磁波信号进行目标探测与定位，因此它解决了常规有源雷达其发射信号易于被敌方侦收和截获，也容易遭受电子干扰和反辐射导弹的袭击的问题，具有抗干扰、抗反辐射导弹、抗低空突防和反隐身的综合“四抗”潜力。然而，由于其辐射源的非协作性，外辐射源雷达的探测性能往往较常规雷达系统差，需要采用更复杂的信号处理手段，因此计算量比较大。

无源探测技术是电子侦查的关键技术可进行威胁告警和并指明威胁方向，辅助辐射源的分选和识别，引导干扰机的干扰方向，辅助实现对辐射源的定位。而较高的测向定位精度是实现这些功能的关键，根据测向原理，无源测向技术有比幅法和比相法两种，全方位比幅测向技术是比幅测向方法的一种，它有着处理简单测向精度高等诸多优点，目前广泛应用与各种侦查设备。考虑到单频点外辐射源雷达的探测性能往往较常规雷达系统精度差。

多频点的全向测向定位技术在无源雷达探测系统中广泛应用，它可以大大提高定位精度，使整个系统的可选择性明显变大，可实现三站或更多站确定一个目标点，所以基于多频点多波束的外辐射源雷达比幅测向方法应运而生。目前在实际实现方面，无源雷达定位跟踪系统的数据处理实现算法主要是通过开发专用信号处理板如DSP进行数据处理，但这种硬件平台搭建复杂，相对于数据处理运算量的增加，一般只能依靠硬件规模的成倍增加来实现，不仅数据处理硬件结构规模随着数据处理量的增加而大幅增加，且开发费用相对较高。此外，信号处理板的开发、调试周期长，可操作性较差，当处理规模增大时，硬件规模必然增大，开发难度加大，且难以满足实时系统科研实验及算法验证等需求。

参考文献：外辐射源雷达系统的侧向及定位算法研究，秦军振，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2009年7月9日。

发明内容

本发明的目的在于克服外辐射源雷达使用单频点测向方法探测性能比常规雷达系统精度差的缺点，以及现有的多频点全向外辐射源雷达比幅测向方法存在算法复杂，硬件结构复杂，实现成本高等缺陷提出一种实现简单，平台设置通用性强，便于移植，可扩展，适用性强的多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法。

多频点外辐射源雷达信号实时处理系统是一项功能复杂的包含多项发明创新的大系统，基本的组成依信号传输处理方向有天线接收部分、雷达信号实时处理部分、终端显示部分，本发明是多频点外辐射源雷达信号实时处理系统中的雷达信号实时处理部分中的比幅测角部分。

本发明是一种基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，该实现方法在外辐射源雷达处理系统中使用，适用环境是：

设整个外辐射源雷达处理系统采用8阵元天线同时接收8个调频广播信号，每一个调频台对应一个频点，对于每一个频点，将8阵元天线信号与设定的18组8*1维的权值分别进行DBF即数字波束形成，得到18路波束信号，其中1路为参考信号ref，另外17路为目标回波信号echo_i，i=1，2，…，17；最终该外辐射源雷达处理系统利用8圆阵天线，实现了18波束的360°全方位测向，波束之间间隔为20°。本发明的整个外辐射源雷达处理系统采用CPU+GPU并行处理系统架构，并行性强的数字波束形成处理模块、杂波相消处理模块、脉压处理模块、恒虚警检测处理模块放在GPU上实现，并行性弱的比幅测角模块放在CPU上进行，平台简单，处理时间快，实时性强。外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法包括有：

步骤1：雷达信号处理系统启动，系统进行开机初始化，输入预置参数，包括信号处理中杂波相消的阶数，恒虚警门限值，该门限由经验值经不断调试得到。

步骤2：根据调频广播基站的位置信息，雷达信号处理系统计算数字波束形成权值。

步骤3：雷达系统开始工作，雷达信号处理系统中的数据采集模块依次对八阵元天线输出的8路调频信号同步进行放大，带通采样，数字化，数字化下变频处理得到8路数字基带信号I、Q信号；数字信道化接收模块再对这8路基带I、Q信号进行数字信道化处理，每一路得到8个频点信号，即得到8*8=64路信号。

步骤4：信号处理机接收前端传入的64路数据，并全部传给信号处理机的GPU显存，在GPU中接着依据计算的数字波束形成权值进行数字波束形成，即DBF，得到18*8路波速信号，即每个频点18个波束，对波束信号进行杂波相消，再进行距离-多普勒二维相关运算和恒虚警检测处理，一个频点得到了17组过门限的目标点，该门限就是步骤1中的恒虚警门限值，这样8个频点就得到了8*17=136组过门限的点，每个目标点包含距离信息，多普勒信息和幅度信息。数字波束形成DBF、杂波相消处理、距离-多普勒二维相关运算处理和恒虚警检测处理过程中8个频点是并行进行的，同时开辟4个线程，每一个线程处理2个频点，可以很好的节省时间从而满足实时性的要求。

步骤5：经恒虚警检测后过门限的点由信号处理机的GPU显存导入信号处理机的CPU内存中，在CPU中进行雷达信号的比幅测角处理。

步骤6：将比幅测角处理中用到的测向表和参考波束的偏北角参数读入信号处理机的CPU内存中。测向表为比幅测角查表所用，17个波束要17个测向表。

步骤7：在比幅测角之前要做点迹凝聚处理，确定凝聚处理要用的矩形框大小，其中矩形框的长度为可能属同一目标的距离跨度，宽度为多普勒跨度，以某一过门限的点为中心点，所有的在距离方向上小于等于矩形框长度并且在多普勒方向上小于等于矩形框宽度的过门限点都认为与中心点同属一个目标，将所有这些点凝聚为一个目标点。这种处理主要考虑到恒虚警检测之后一个目标可能跨越几个点迹，也就是说在距离和多普勒两个方向上可能存在几个点属于同一个目标的情况，所以为进一步减少虚假目标，提高系统性能。

步骤8：使用边凝聚边测角的方法获得目标角度信息，在单波速内做点迹凝聚，每凝聚出一个点，就在其它波束中凝聚并寻找跟该点属于同一目标的点，若没找到，则舍弃该点，继续凝聚下一点，若找到了，则对所有找到的点进行比幅，若其中两个幅度最大的点在相邻波束中，则根据相邻两天线的幅度方位特性图估计目标的方位信息；最后根据参考波束的偏北角计算出目标角度，并将角度信息暂存，若两个幅度最大的点不在相邻波束中，则不做比幅，继续凝聚下一目标点，当所有波束的过门限点都被凝聚过之后就完成了一个频点的比幅测角，得到了1个频点的1组目标点。

步骤9：对同一线程的下一频点做边凝聚边测角，得到该频点的一组目标点，继而完成一个线程的比幅测角。

步骤10：所有线程都处理完毕后，得到了8组目标点，每一组对应1个频点，每一个目标点包括距离信息，多普勒信息和方位信息，再将这些信息以数据结构的标准形式传送给终端显示模块，最后终端显示模块对8个频点的目标信息进行目标融合检测和航迹处理，获得目标的位置信息，并显示目标的真实航迹。

外辐射源雷达探测系统就是要先得到目标的距离信息，多普勒信息和方位信息才能最终得到目标的运动速度信息以及高度信息，在恒虚警检测之后得到了8组过门限的目标点，这些目标点包括了距离信息，多普勒信息和幅度信息，但并不携带方位信息，要想在终端显控平台利用方位信息显示目标的真实航迹就必须经过测角，得到这一方位信息，然而多频点全向的外辐射源雷达系统的测角处理数据量庞大，算法实现起来极其复杂且逻辑性强，对此本发明采用了CPU+GPU并行处理架构，将逻辑性强的比幅测角处理过程放在CPU上实现，并行性强的数字波束形成DBF、杂波相消、脉压和恒虚警检测处理过程放在GPU上，分工明确，硬件平台简单且得到高效利用。

本发明的实现还在于：步骤6中将测向表，参考波束的偏北角读入信号处理机的CPU内存的内容包括：

6.1)根据天线的方向特性，计算所有相邻波束的幅度方位关系，并设置为测向表；

6.2)将测向表读入CPU内存，参考波束的选择及其偏北角θ₀由终端显控平台中的监控模块提供。

6.3)给恒虚警之后所有过门限的点都加入频点信息和波束信息，并按照频点信息和波束信息分别存储，8个频点的所有8*17个波束，就存储为8*17组过门限的点；每个点包含频点信息，波束信息，距离信息，多普勒信息和幅度信息。

比幅测角就是根据相邻波束幅度差与方位信息的对应关系得出目标的角度信息，将该幅度和方位信息写成测向表方便后面测角时查询，参考波束的偏北角由终端显控平台提供，可随时对其进行改变更新。目标点中加入频点信息和波束信息将属于不同频点不同波束的目标点分开，便于后续测角处理。

本发明的实现还在于：步骤7中测角之前的点迹凝聚过程包括：

7.1)根据脉压部分对目标信号抽取之后的实际采样率和运动目标速度的经验值估计凝聚处理中用到的矩形框的大小，设其长度为p个距离单元，宽度为q个多普勒单元；

7.2)以一个过门限的点为中心点，将其左右各p个距离单元，上下各q个多普勒单元矩形框内的几个点凝聚为同一个目标点，凝聚得到的目标点的距离信息，多普勒信息和幅度信息分别取矩形框内所有目标点距离信息的平均值，多普勒信息的平均值和幅度信息的最大值。

点迹凝聚就是为了在恒虚警检测之后进一步减少虚假目标，给测角处理减轻了大量负担，不仅节省了整个雷达系统的处理时间，而且使外辐射源雷达探测系统的目标探测性能更强。

本发明的实现还在于：步骤8中边凝聚边测角的比幅测向方法包括：

8.1)18个波束在空域是环形等间隔排列的，根据监控模块提供的参考波束信息确定参考波束是第几个波束并获得参考波束的偏北角，设选择第18个波束为参考波束，其偏北角为θ₀；

8.2)处理过程中选择一个波束为中间波束，从此中间波束开始做凝聚处理，选择参考波束后面的第二个波束为首个中间波束；

8.3)若中间波束中存在没有被凝聚过的过门限点，则按照步骤8中的凝聚单元数在本波束中找到所有与第一个没有凝聚过的过门限点属于同一目标的点，这些点通过点迹凝聚处理得到一个目标点p2，并进行步骤8.4)，若中间波束中所有点都已经凝聚过，则中间波束更新为后面的第2个波束，并跳回8.3)，直到除参考波束以外的所有波束中的点都凝聚过为止，则1个频点的所有测角处理都完成；

8.4)判断中间波束的前一个波束中有无没有凝聚过的过门限点，若有，则判断第一个这样的点与8.3)中得到的p2是否为同一目标，若是，则在此波束之中继续寻找所有与p2属于同一目标的点，并将这些点凝聚为一个目标点p1，若在该波束中没有找到未凝聚过的点或者第一个未凝聚的点跟p2不属于同一目标，则执行下一步；

8.5)判断中间波束的后一个波束中有无没有凝聚过的过门限的点，若有，则判断第一个这样的点与8.3)中得到的p2是否为同一目标，若是，则在此波束中继续寻找所有与p2属于同一目标的点，并将这些点凝聚为一个目标点p3，若在该波束中没有找到未凝聚过的点或者第一个未凝聚的点跟p2不属于同一目标，则执行下一步；

8.6)若经8.4)，8.5)判断后发现在中间波束的相邻波束中都没有与p2同属于一个目标的过门限点，即p1，p3不存在，则跳至8.3)凝聚中间波束的下一个点；

8.7)若经8.4)，8.5)判断后发现在中间波束的相邻波束中有与p2同属于一个目标的过门限点，即p1，p3至少有一个存在，则继续在其它波束中寻找与p2同属一个目标的点，最后会得到最多17个临时目标数据；

8.8)对8.7)得到的最多17个临时目标数据按照幅度值从大到小进行排序，取其中最大和次大的两个目标数据；

8.9)判断最大和次大值的两个目标是否在相邻波束上，若不在相邻波束上，则跳回到8.3)，若在相邻波束上则对两点的幅度值取对数后相减，根据6.1)给出的幅度方位关系估算出目标相对等信号轴的偏角设为β，等信号抽如说明书附图中图3所示，即最大目标点所在波束与次大目标点所在波束相交的中心轴线；

8.10)依据最大目标所在波束的波束信息n可算得目标的角度为θ₀+(n-1)*Δθ+10+β；其中Δθ为20°，θ₀为参考波束的偏北角；这样就得到了一个目标点的角度信息；

8.11)将最终得到的目标点以一定的数据格式暂存，该目标的距离信息为最大目标的距离信息和次大目标的距离信息的平均值，多普勒信息为最大目标的多普勒信息和次大目标的多普勒信息的平均值，角度信息为8.10)所求得的角度，然后跳回8.3)继续做测角处理；

8.12)当所有作为中间波束的波束中已无未凝聚过的点时，则该频点的所有目标点已全部完成了比幅测角，重新得到了1组目标点，每个目标点均包含有方位信息。每个目标点具体包括：频点信息，波束信息，距离信息，多普勒信息和方位信息，重新得到的这组目标点的数目较恒虚警之后已明显减少。

边凝聚边比幅的测角方法使凝聚跟比幅同时进行，两个处理模块融合在一起，不仅节省了凝聚之后对数据进行重新组织的时间，实现起来更加方便，而且可以将这两个处理过程一起嵌入在为杂波相消，脉压以及恒虚警检测所开辟的线程当中，实现8个频点的并行处理，进一步节省时间，同时处理过程在所有波束范围内进行，能够解决3个或3个以上波束同时检测出同一目标的情况。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)因为三个调频广播基站就可以确定一个目标的具体位置信息，但有的站点可能看不到目标，所以多于三个的基站就可以使整个系统具有更好的频点可选择性，本发明采用了8个调频广播基站来确定目标的具体位置信息，使外辐射源雷达探测系统不仅可选择性好，而且探测精度更高；

2)因为多波束可实现全方位测向，所以测角范围很广，本发明中采用八阵元的圆阵天线同时接收八个频点的调频信号，每个调频信号均通过数字波束形成得到了18个波束，实现了全方位的测向，所以不仅测角范围很广，而且硬件条件容许的情况下波束越多测角精度越高；

3)本发明因为使用的硬件平台为CPU+GPU的架构，利用多线程编程，在GPU端实现并行性好的杂波相消模块，脉压模块，以及恒虚警检测模块，在CPU端实现比幅测角模块，所以硬件平台简单且利用效率高，运算速度快；

4)因为比幅测角模块使用的是标准C语言，编程简单，便于调试，可移植性强，可在windows和1inux等各种操作系统环境下运行，所以较其他专用信号处理板的专用语言具有更好的适用性；

5)本发明中因为CPU内存的冗余量很大，在以后想要增加频点个数、波束个数的时候，仅仅通过增加信号处理模块所需的GPU卡，更改程序部分参数即可，所以具有很好的系统灵活性和可扩展性；

6)本发明中采用了边凝聚边比幅的测角方法将凝聚跟测角过程相结合，不仅节省了凝聚之后对数据进行重新组织的时间，而且可以将该过程一起嵌入在为杂波相消，脉压以及恒虚警检测所开辟的线程当中，实现8个频点的并行处理，进一步节省时间，提高了效率，具有更好的实时性；

7)因为本发明中边凝聚边比幅的测角方法是按距离由远及近的顺序在所有波束内凝聚并寻找目标，最后将目标确定在两个最大幅度波束内，解决了3个以上波束都能看到同一目标时，目标波束信息难以确定的问题。

附图说明

图1是整个外辐射源雷达处理系统的系统示意图；

图2是本发明外辐射源雷达系统多频点并行处理方框图；

图3是本发明应用系统的方框图；

图4是本发明具体测角方法的方框图；

图5是本发明中比幅测角原理示意图；

图6是本发明的比幅测角角度和波束号的映射示意图；

图7是本发明实施例比幅测角整个流程图；

图8是本发明实施例比幅测角之后多目标雷达PPI显示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

实施例1

针对传统有源雷达发射的信号容易被敌人侦查和截获的不足，提出了多频点多波速外辐射源雷达信号实时处理系统，见图1，该系统是一项功能复杂的包含多项发明创新的大系统，基本的组成依信号传输处理方向有天线接收部分、雷达信号实时处理部分、终端显示部分，本发明是多频点外辐射源雷达信号实时处理系统中的雷达信号实时处理部分中的比幅测角部分。

本发明是一种基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，该实现方法在外辐射源雷达处理系统中使用，适用环境是：

设整个外辐射源雷达处理系统采用8阵元天线同时接收8个调频广播信号，对于每一个调频台来说，将8阵元天线信号与设定的18组8*1维的权值分别进行DBF即数字波束形成，得到18路波束信号，其中1路为参考信号ref，另外17路为目标回波信号echo_i，i＝1，2，…，17；本发明使得整个外辐射源雷达处理系统采用CPU+GPU并行处理系统架构，将并行性强的数字波束形成处理模块、杂波相消处理模块、脉压处理模块、恒虚警检测处理模块放在GPU上实现，并行性弱的比幅测角模块放在CPU上进行，平台简单，实时性强。

参照图3外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法包括有：

步骤1：雷达信号处理系统启动，系统进行开机初始化，输入预置参数，包括信号处理中杂波相消的阶数，用于滤除虚警点的恒虚警门限值。

步骤2：根据调频广播基站的位置信息，雷达信号处理系统计算数字波束形成权值。

步骤3：雷达系统开始工作，雷达信号处理系统中的数据采集模块将8阵元天线输出的8路信号通过电缆送入8路低噪声放大器进行宽带放大，经放大后的每路信号送入带通滤波器进行带通采样，得到8路模拟中频信号再通过A／D变换器对模拟中频信号进行数字化，并将数字化后的中频信号进行数字下变频处理，得到8路数字基带I、Q信号；数字信道化接收模块对数据采集模块得到的8路数字基带信号进行数字化接收，将每路数字基带信号送入FPGA做数字信道化处理，在FPGA中经过抽取、多相滤波器组后选大输出8个频点的信号，分别对应于调频广播基站的信号发射频率f₁，f₂，…，f₈，即共输出8*8=64路信号。

数据传输模块，用于将数字信道化接收机获得的64路数字基带信号进行打包处理，并通过2块千兆网卡导入到信号处理模块中进行信号处理。

步骤4：信号处理机接收前端传入的64路数据，并从这64路信号中抽取频点号一致的8路信号作为1组，共得到8组信号，将这8组信号分别与给定的18*8组8*1维的权值进行数字波束形成DBF，共获得8*18路波束信号，即8个频点的信号，每个频点的信号对应于1个调频广播基站，分为18路波束信号，其中1路为参考信号ref_j，另外17路为目标回波信号echo_ji，其中了为频点号，j=1，2，…，8，i为波束号，i=1，2，…，17，接下来分别对8个频点的参考信号ref_i和目标回波信号echo_ji进行自适应杂波相消、距离-多普勒二维相关运算和恒虚警检测处理，一个频点得到了17组过门限的目标点，8个频点得到了8*17＝136组过门限的点，每个目标点包含距离信息，多普勒信息和幅度信息；杂波相消处理，脉压处理和恒虚警检测处理在信号处理机的GPU上进行，8频点的处理过程是并行进行的，可很好的节省时间从而满足实时性要求，此处开4个线程，每一个线程处理两个频点。上述部分不属于本发明的重点研究内容，但却跟本发明密切相关。

步骤5：经恒虚警检测后过门限的点由信号处理机的GPU显存导入信号处理机的CPU内存中，在CPU中进行雷达信号的比幅测角处理。在比幅测角之前的处理并行性很强，使用GPU可有效利用其处理并行运算强的特点，而比幅测角实现的逻辑性很强，包括很多循环判断，放在GPU上并不能很好的利用其并行运算的特点，放在处理逻辑运算能力强的CPU上实现。

步骤6：将比幅测角处理中用到的测向表和参考波束的偏北角参数读入信号处理机的CPU内存中。

步骤7：考虑恒虚警检测之后一个目标可能跨越几个点迹，也就是说在距离和多普勒两个方向上可能存在几个点属于同一个目标的情况，所以为进一步减少虚假目标，提高系统性能，在比幅测角之前要做点迹凝聚处理，确定凝聚处理要用的矩形框大小，其中矩形框的长度为可能属同一目标的距离跨度，宽度为多普勒跨度，以某一过门限的点为中心点，所有的在距离方向上小于等于矩形框长度并且在多普勒方向上小于等于矩形框宽度的过门限点都认为与中心点同属一个目标，将所有这些点凝聚为一个目标点。

步骤8：参照图4为边凝聚边比幅的测角方法的具体实施步骤，在单波速内做点迹凝聚，每凝聚出一个点，就在其它波束中凝聚并寻找跟该点属于同一目标的点，若没找到，则舍弃该点，继续凝聚下一点，若找到了，则对所有找到的点进行比幅，若其中两个幅度最大的点在相邻波束中，则根据相邻两天线的幅度方位特性图估计目标的方位信息；最后根据参考波束的偏北角计算出目标角度，并将角度信息暂存，若两个幅度最大的点不在相邻波束中，则不做比幅，继续凝聚下一目标点，当所有波束的过门限点都被凝聚过之后就完成了一个频点的比幅测角，得到了1个频点的1组目标点。

步骤9：对同一线程的下一频点做边凝聚边比幅的测角处理，得到该频点的一组目标点，继而完成一个线程的比幅测角。

步骤10：所有线程都处理完毕后，得到了8组目标点，每一组对应1个频点，每一个目标点包括距离信息，多普勒信息和方位信息，再将这些信息以数据结构的标准形式传送给终端显示模块，对8个频点的目标信息进行目标融合检测和航迹处理，获得目标的位置信息，并显示目标的真实航迹。

本发明使用CPU+GPU的架构硬件平台，因为GPU并行处理能力强，CPU便于处理逻辑运算，所以在GPU端实现并行性好的杂波相消模块，脉压模块，以及恒虚警检测模块，在CPU端实现比幅测角模块，这样硬件平台不仅简单且利用效率高，运算速度快。

实施例2

基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法同实施例1。

参照图1，本发明提出的多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法应用于外辐射源雷达处理系统，外辐射源雷达处理系统由8阵元天线、数据接收机、基于CPU+GPU异构并行架构的信号处理机，终端显控平台组成。其中8阵元天线接收调频广播信号，接收的信号中主要包括目标信号，直达波信号，地物杂波及多径杂波信号，这些信号经数据接收机接收，并通道均衡和下变频处理后，由以太网卡将数据传至CPU+GPU异构并行架构信号处理机，信号处理机对信号进行实时性处理，将信号处理后的数据做点迹凝聚，比幅测角后得到目标的方位信息，然后传到终端显控平台进行目标的航迹处理。

本发明使用的硬件平台为CPU+GPU的异构平台，利用多线程编程，图2所示为整个外辐射源雷达信号处理系统的信号并行处理过程，具体方案中采用了8频点，每个频点经过数字波束形成DBF得到了18个波束，再通过杂波相消处理在每个波束中滤去图1中所示的地物杂波信号、直达波信号和多径杂波信号，得到目标回波信号，再经过脉压处理，恒虚警检测处理得出了目标的距离和多普勒信息，在本发明中经过点迹凝聚和比幅测角处理得到目标的方位信息，把带有方位信息的目标点信息传给终端显控模块显示目标真实航迹。8个频点并行处理，开辟4个线程，每一个线程做2个频点，线程内的两个频点顺序处理，所以是串行的，但属于不同线程的频点之间是并行处理的。

GPU端实现并行性好的杂波相消模块，脉压模块，以及恒虚警检测模块，也就是说上述模块的工作在GPU平台上进行，在CPU端实现凝聚和比幅测角模块，合理的分配硬件资源使得本发明硬件平台简单且利用效率高，运算速度快。CPU内存的冗余量仍很大，在以后想要增加频点个数、波束个数的时候，仅仅通过增加信号处理模块所需的GPU卡，更改程序部分参数即可，所以具有很好的系统灵活性和可扩展性。

实施例3

基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法同实施例1-2，多频点全方位外辐射源雷达探测系统由8个频点经过数字波束形成分别形成了18个波束，然后每一个波束均经过信号处理机得到了本波束中过门限的点，该门限值是经验值，用于恒虚警检测中滤去虚警目标，所以过门限的点就是滤除大部分虚警目标之后的点，然后每个频点的所有过门限的点都经过比幅测角模块得到本频点中含有方位信息的目标点，最后将所有频点的目标点传给终端显控平台进行航迹显示。

本发明比幅测角的基本原理是通过比较同一目标在相邻波速上的不同幅度值，求幅度差，利用幅度差与方位的对应关系，得出偏离等信号轴的偏角，参照图5，波束1，2为同一目标的两个相同且彼此部分重叠的波束，如果目标处在两波束的交叠轴OA方向，则由两波束收到的信号强度相等，否则一个波束收到的信号强度高于另一个。所以称OA为等信号轴。当两个波束收到的信号强度相等时OA等信号轴方向即为目标方向。通过比较两个波束信号的强弱就可以判断目标偏离等信轴的方向，并可用查表法估计出偏离等信号轴的大小。

参照图6，对于本发明中单个频点，其18个波束覆盖整个360°区域，假设参考波束为第18号波束，图6中将第18号波束画为最前面的波形，该波束对应的偏北角为θ₀，目标在第n-1和第n号波束之间入射，本发明要对信号的处理就是要求出目标的偏北角，这两个波束的等信号轴的角度为θ₀+(n-1)*Δθ+1／2Δθ，若经比幅查表得到目标偏离等信号轴的偏角为β，则目标角度为等信号轴的偏北角加上偏角β，最终目标角度为θ₀+(n-1)*Δθ+1／2Δθ+β，参见图6中的θ。

因为三个调频广播基站就可以确定一个目标的具体位置信息，但有的站点可能看不到目标，所以多于三个的基站就可以使整个系统具有更好的频点可选择性，本发明采用了8个调频广播基站来确定目标的具体位置信息，使外辐射源雷达探测系统不仅可选择性好，而且探测精度更高；又因为多波束可实现全方位测向，所以测角范围很广，本发明中采用8阵元的圆阵天线同时接收8个频点的调频信号，每个调频信号均通过数字波束形成得到了18个波束，实现了全方位的测向，所以不仅测角范围很广，而且硬件条件容许的情况下波束越多测角精度越高。

实施例4

基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法同实施例1-3。

参照图7，本发明中外辐射源雷达边凝聚边比幅的测角方法，其具体实现步骤详细说明如下：

一：在做比幅测角之前要做必要的数据准备工作：

(1a)根据天线方向特性，计算相邻两天线的幅度方位关系图，设置测向表；不同的天线具有不同的方向特性，所以在测角之前要事先列出幅度和方位的关系表，即测向表，以便后面步骤查表所用。

(1b)将上步得到的测向表读入CPU内存，要想得到准确的方位信息除了测向表之外，还要有参考波束的偏北角θ₀，因为测向表查出的只是相对两波束等信号轴的角度。θ₀由终端显控平台提供。

(1c)将信号处理的恒虚警之后得到的17个波束过门限的每一个点都重新组合成一个结构体，即包含频点号f_id，波束号b_id，距离range，多普勒fd_id，幅度a_v信息，并由17个结构体的数组分别存储17波束的点迹。将每一个数组的最后一个元素的幅度值设为0，这样在步骤(2a)中可通过判断某点幅度是否为0选择是否入栈。

二：进行波束内的点迹凝聚并且判断多波束之间相邻点迹是否属于同一目标：

(2a)对于每一个频点，将(1c)中得到的17个结构体数组中的点分别压入事先初始化了的17个栈中，即stack[1],stack[2]，…，stack[17]，此处在每次入栈的点都要做一次判断，若幅度不为0，则入栈，否则入栈结束跳到(3e)执行。

(2b)由于18个波束在空域是环形等间隔排列的，参考波束的波束号由终端显控平台提供，假设第18个波束为参考波束，其偏北角为θ₀；理论上从任一个波束开始做点迹凝聚都是可以的，但考虑编程的方便选择从第2个波束开始做点击凝聚；然后按照步骤(2c)，(2d)，(2e)以及(2g)来对其它波束进行判断。

(2c)判断栈stack[2]是否为空，若不为空则取出栈顶的第一个元素，并且通过点迹凝聚在本波束中找到全部跟该点属于同一目标的点，凝聚的时候选择左右各p个距离单元，上下q个多普勒单元，最后将这些点取平均并存为temp[2]，若为空则继续判断后面第2个波束即执行(2c)；若所有栈均为空，则本算法结束，说明本频点的所有目标点的方位信息都已得出。

(2d)判断stack[1]是否为空，若不为空则判断栈顶元素是否跟temp[2]属于同一目标，若是则设置标志位flag1=1，而后在本波束中寻找全部跟temp[2]属于同一目标的点，最后将这些点取平均得到temp[1]；若本波束中没有则执行(2e)。

(2e)判断stack[3]是否为空，若不为空则判断栈顶元素是否跟temp[2]属于同一目标，若是则设置标志位flag2=1，而后在本波束中寻找全部跟temp[2]属于同一目标的点，最后将这些点取平均得到temp[3]；若本波束中没有则执行(2f)。

(2f)判断flag1和flag2是否有一个为1，若有则执行(2g)，若两者全部为0，则跳到(2c)继续判断下一个目标点。

(2g)flag1和flag2中只要有一个为1，就代表有相邻波束检测到了同一个目标，接下来先恢复flag1和flag2为0，这同时也说明了找到了该频点的一个目标，所以将该频点的目标数num加1，然后继续搜寻其它波束并做与第1和3波束同样的操作，最后得到temp[1]，temp[2]，......temp[17]这17个临时目标数据。

三：根据(2g)中得到的各波束的目标点，通过比幅，判断，查表等步骤得出一个带有方位信息的目标点：

(3a)比较全部17个临时目标数据temp[1]，temp[2]，......temp[17]，比出幅度最大跟次大的两个点，虽然这17个数据中很可能含有幅度为0的数据，但是不影响结果。

(3b)根据数据中波束号这一项判断(3a)中得到的两点是否是相邻波束的点，若是则执行(3c)，否则将temp[1],temp[2]，......temp[17]全部置0后丢弃该目标点，跳回(2c)执行。

(3c)对(3a)中得到的两点取对数并且相减，查表得到相对等信号轴的偏角设为β，则由最大波束的波束号n可求得目标角度为θ₀+(n-1)*Δθ+10+β；其中Δθ为20°，同时将temp[1],temp[2]，......temp[17]全部置0。

(3d)这样就得到了一个目标的角度信息，然后跳回(2c)继续搜寻目标点迹。

(3e)这样就得到了该频点的所以目标的点，这些点包含测得的方位信息，然后加上频点号，目标总数组成一个结构体frep[1]。

四：根据上述步骤就得到了代表一个频点的包含目标个数和所以目标信息的结构体frep[1]，考虑CPU+GPU的架构实现中是多线程并行执行的，得到一个频点的目标点也就得到了所有8个频点的含有角度信息的所有目标点迹；所以所有八个频点为frep[1]，frep[2]，...，frep[8]；最后将其传给终端显控平台进行航迹处理。

点迹凝聚就是为了在恒虚警检测之后进一步减少虚假目标，给测角处理减轻了大量负担，不仅节省了整个雷达系统的处理时间，而且使外辐射源雷达探测系统的目标探测性能更强。测角是为了给后端终端显控平台提供目标的方位信息，本发明中边凝聚边比幅的测角方法使凝聚跟比幅同时进行，两个处理模块融合在一起，不仅节省了凝聚之后对数据进行重新组织的时间，实现起来更加方便，而且可以将这两个处理过程一起嵌入在为杂波相消，脉压以及恒虚警检测所开辟的线程当中，实现8个频点的并行处理，进一步节省时间，同时处理过程在所有波束范围内进行，解决了3个以上波束都能看到同一目标时，目标波束信息难以确定的问题。

实施例5

基于同时多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法同实施例1-4。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1)实验条件：

实验中硬件平台：工作站选用的是Intel Xeon多核处理器，4块GPU显卡型号为NVIDATelsa C2050，外加一台普通的PC机。

实验中的软件平台：windows7.0操作系统，Visual Studio2008+CUDA以及MATLAB

MATLAB仿真数据每帧采用1个调频台1s的信号数据，其中包含1路参考波束数据和17路目标回波波束数据，总数据量为200000*18个复数，假设其它7个频点都使用这个数据，仿真数据一共用100帧其中包含3个目标，目标具体位置

参数如下：

1-40帧数据中：

目标1：径向速度200m／s，多普勒频率为133Hz，时延通道数为100，在第1，2，3号波束中能看到目标，实际在第2号波束中，角度在35°左右；

目标2：径向速度-600m／s，多普勒频率为-400Hz，时延通道数为251，在第7，8，9号波束中能看到目标，实际在第8号波束中角度在157°左右；

41-100帧数据中：

目标1：径向速度240m／s，多普勒频率为161Hz，时延通道数为87，在第1，2，3号波束中能看到目标，实际在第2号波束中，角度在35度左右；

目标3：径向速度240m／s，多普勒频率为160Hz，时延通道数为320，在第14，15，16号波束中能看到目标，实际在第15号波束中，角度在295°左右；

2)实验内容及结果：

2.1)采用本发明提出的方法，在Visual Studio2008平台上对1个频点18个波束的调频台信号经过CPU+GPU异步并行架构信号处理机，进行自适应杂波相消，消除信号中的多径杂波和直达波，然后对杂波相消结果进行距离-多普勒二维处理和恒虚警检测处理，然后对检测后的数据进行比幅测角，最后经终端显控平台显示出目标航迹，方位信息；

经终端显控平台显示的测角结果如图8所示，图中显示了该方法测得的3个目标，该处显示的目标角度信息跟仿真目标的实际角度基本相同，本发明在多频点全方位的外辐射源雷达探测系统中利用CPU+GPU异构硬件平台在CPU上运用边凝聚边比幅的测角方法精确测出了目标的角度信息。

综上，本发明的基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，采用CPU+GPU异构硬件平台，并行性强的处理模块和逻辑性强的处理模块分别在GPU和CPU上实现，平台简单且利用率高，对系统进行扩展时操作简单，灵活性强。凝聚和测角处理在CPU中进行的，具体采用边凝聚边比幅的测角方法，将点迹凝聚和比幅测角相结合，省去了凝聚之后对数据的重组时间，凝聚和测角过程嵌入在多线程中进行进一步节省时间，将包含角度信息的目标点传终端显控平台。本发明解决了单个频点外辐射源雷达探测系统目标定位效果差，及多频点精度高但计算量大耗时长的问题。处理速度快，测角精度高，测角范围广可用于外辐射源雷达的目标检测与定位中。

Claims (4)

1.一种基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，该实现方法在外辐射源雷达处理系统中使用，适用环境是：

设整个外辐射源雷达处理系统采用8阵元天线同时接收8个调频广播信号，将8阵元天线信号与设定的18组8*1维的权值分别进行DBF即数字波束形成，得到18路波束信号，其中1路为参考信号ref，另外17路为目标回波信号echo_i，i=1，2，…，17；其特征在于：整个外辐射源雷达处理系统采用CPU+GPU并行处理系统架构，数字波束形成处理模块、杂波相消处理模块、脉压处理模块、恒虚警检测处理模块放在GPU上实现，比幅测角模块放在CPU上进行，外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法包括有：

步骤1：雷达信号处理系统启动，系统进行开机初始化，输入预置参数，包括信号处理中杂波相消的阶数，用于滤除虚警点的恒虚警门限值；

步骤2：根据调频广播基站的位置信息，雷达信号处理系统计算数字波束形成权值；

步骤3：雷达信号处理系统中的数据采集模块依次对八阵元天线输出的8路调频信号同步进行放大，带通采样，数字化，数字化下变频处理得到8路数字基带信号I、Q信号；数字信道化接收模块再对这8路基带I、Q信号进行数字信道化处理，每一路得到8个频点信号，即得到8*8=64路信号，该64路信号经网线送到信号处理机；

步骤4：信号处理机接收前端传入的64路数据，并全部传给信号处理机的GPU显存，在GPU中接着依据计算的数字波束形成权值进行数字波束形成，即DBF，得到18*8路波速信号，即每个频点18个波束，对波束信号进行杂波相消，再进行距离-多普勒二维相关运算和恒虚警检测处理，恒虚警之后幅度过门限值得点为过门限的点，一个频点得到了17组过门限的目标点，8个频点得到了8*17=136组过门限的点，每个目标点包含距离信息，多普勒信息和幅度信息；

步骤5：经恒虚警检测后过门限的点由信号处理机的GPU显存导入信号处理机的CPU内存中，在CPU中进行雷达信号的比幅测角处理；

步骤6：将比幅测角处理中用到的测向表和参考波束的偏北角参数读入信号处理机的CPU内存中；

步骤7：在比幅测角之前要做点迹凝聚处理，确定凝聚处理要用的矩形框大小，其中矩形框的长度为可能属同一目标的距离跨度，宽度为多普勒跨度，以某一过门限的点为中心点，所有的在距离方向上小于等于矩形框长度并且在多普勒方向上小于等于矩形框宽度的过门限点都认为与中心点同属一个目标，将所有这些点凝聚为一个目标点；

步骤8：使用边凝聚边比幅的测角方法获得目标角度信息，在单波速内做点迹凝聚，每凝聚出一个点，就在其它波束中凝聚并寻找跟该点属于同一目标的点，若没找到，则舍弃该点，继续凝聚下一点，若找到了，则对所有找到的点进行比幅，若其中两个幅度最大的点在相邻波束中，则根据相邻两天线的幅度方位特性图估计目标的方位信息；最后根据参考波束的偏北角计算出目标角度，并将角度信息暂存，若两个幅度最大的点不在相邻波束中，则不做比幅，继续凝聚下一目标点，当所有波束的过门限点都被凝聚过之后就完成了一个频点的比幅测角，得到了1个频点的1组目标点；

步骤9：对同一线程的下一频点做边凝聚边比幅的测角处理，得到该频点的一组目标点，继而完成一个线程的比幅测角；。

步骤10：所有线程都处理完毕后，得到了8组目标点，每一组对应1个频点，每一个目标点包括距离信息，多普勒信息和方位信息，再将这些信息以数据结构的标准形式传送给终端显示模块。一

2.根据权利要求1所述的基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，其特征在于；步骤6中将测向表，参考波束的偏北角读入信号处理机的CPU内存的内容包括：

6.1)根据天线的方向特性，计算所有相邻波束的幅度方位关系，并设置为测向表；

6.2)将测向表读入CPU内存，参考波束的选择及其偏北角θ₀由终端显控平台中的监控模块提供；

6.3)给恒虚警之后所有过门限的点都加入频点信息和波束信息，并按照频点信息和波束信息分别存储，8个频点的所有8*17个波束，就存储为8*17组过门限的点，每个点包含频点信息，波束信息，距离信息，多普勒信息和幅度信息。

3.根据权利要求1所述的基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，其特征在于；步骤7中测角之前的点迹凝聚过程包括：

7.1)根据脉压部分对目标信号抽取之后的实际采样率和运动目标速度的经验值估计凝聚处理中用到的矩形框的大小，设其长度为p个距离单元，宽度为q个多普勒单元；

7.2)以一个过门限的点为中心点，将其左右各p个距离单元，上下各q个多普勒单元矩形框内的几个点凝聚为同一个目标点，凝聚得到的目标点的距离信息，多普勒信息和幅度信息分别取矩形框内所有目标点距离信息的平均值，多普勒信息的平均值和幅度信息的最大值。

4.根据权利要求3所述的基于多频点全向外辐射源雷达比幅测向的CPU实现方法，其特征在于：步骤8中边凝聚边比幅的测向方法包括：

8.1)18个波束在空域是环形等间隔排列的，根据监控模块提供的参考波束信息确定参考波束是第几个波束并获得参考波束的偏北角，设选择第18个波束为参考波束，其偏北角为θ₀；

8.2)处理过程中选择一个波束为中间波束，从此中间波束开始做凝聚处理，选择参考波束后面的第二个波束为首个中间波束；

8.3)若中间波束中存在没有被凝聚过的过门限点，则按照步骤8中的凝聚单元数在本波束中找到所有与第一个没有凝聚过的过门限点属于同一目标的点，这些点通过点迹凝聚处理得到一个目标点p2，并进行步骤8.4)，若中间波束中所有点都已经凝聚过，则中间波束更新为后面的第2个波束，并跳回8.3)，直到除参考波束以外的所有波束中的点都凝聚过为止，则1个频点的所有测角处理都完成；

8.4)判断中间波束的前一个波束中有无没有凝聚过的过门限点，若有，则判断第一个这样的点与8.3)中得到的p2是否为同一目标，若是，则在此波束之中继续寻找所有与p2属于同一目标的点，并将这些点凝聚为一个目标点p1，若在该波束中没有找到未凝聚过的点或者第一个未凝聚的点跟p2不属于同一目标，则执行下一步；

8.5)判断中间波束的后一个波束中有无没有凝聚过的过门限的点，若有，则判断第一个这样的点与8.3)中得到的p2是否为同一目标，若是，则在此波束中继续寻找所有与p2属于同一目标的点，并将这些点凝聚为一个目标点p3，若在该波束中没有找到未凝聚过的点或者第一个未凝聚的点跟p2不属于同一目标，则执行下一步；

8.6)若经8.4)，8.5)判断后发现在中间波束的相邻波束中都没有与p2同属于一个目标的过门限点，即p1，p3不存在，则跳至8.3)凝聚中间波束的下一个点；

8.7)若经8.4)，8.5)判断后发现在中间波束的相邻波束中有与p2同属于一个目标的过门限点，即p1，p3至少有一个存在，则继续在其它波束中寻找与p2同属一个目标的点，最后会得到最多17个临时目标数据；

8.8)对8.7)得到的最多17个临时目标数据按照幅度值从大到小进行排序，取其中最大和次大的两个目标数据；

8.9)判断最大和次大值的两个目标是否在相邻波束上，若不在相邻波束上，则跳回到8.3)，若在相邻波束上则对两点的幅度值取对数后相减，根据6.1)给出的幅度方位关系估算出目标相对等信号轴的偏角设为β，等信号轴，即最大目标点所在波束与次大目标点所在波束相交的中心轴线；

8.10)依据最大目标所在波束的波束信息n可算得目标的角度为

θ₀+(n-1)*△θ+10+β；其中△θ为20°，θ₀为参考波束的偏北角；这样就得到了一个目标点的角度信息；

8.11)将最终得到的目标点以一定的数据格式暂存，该目标的距离信息为最大目标的距离信息和次大目标的距离信息的平均值，多普勒信息为最大目标的多普勒信息和次大目标的多普勒信息的平均值，角度信息为8.10)所求得的角度，然后跳回8.3)继续做测角处理；

8.12)当所有作为中间波束的波束中已无未凝聚过的点时，则该频点的所有目标点已全部完成了比幅测角，重新得到了1组目标点，每个目标点均包含有方位信息。

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