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          一種近距雷達目標檢測信號處理的FPGA實現(xiàn)

          作者:■ 洛陽光電技術(shù)發(fā)展中心 霍力君 時間:2004-11-02 來源:電子設(shè)計應(yīng)用2003年第6期 收藏

          摘   要: 本文在闡述某種原理和技術(shù)發(fā)展狀況的基礎(chǔ)上,著重討論用設(shè)計高性能的系統(tǒng)的方法,并給出一個應(yīng)用實例。
          關(guān)鍵詞:  ;;
          前言
          FPGA及其相關(guān)技術(shù)是當代微電子技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物,目前已經(jīng)成為開發(fā)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的主要方式之一。
          系統(tǒng)要求利用在與被探測目標的短暫交會過程中,對獲得的多普勒信號進行頻譜分析并完成動目標的識別檢測。交會的短暫性對信號處理系統(tǒng)的實時性提出了嚴格的要求,在毫秒級的時間范圍內(nèi)完成對回波信號的處理,并在雜波環(huán)境中識別出運動目標來,同時給出目標的速度信息供后續(xù)處理使用;同時系統(tǒng)在設(shè)備體積、功耗方面的嚴格要求使信號處理機必須小型化;雷達系統(tǒng)智能化、可編程化的發(fā)展趨勢又要求信號處理系統(tǒng)具有可重構(gòu)性,以適應(yīng)任務(wù)的變化和系統(tǒng)升級的需要。
          將FPGA技術(shù)應(yīng)用于近距雷達系統(tǒng)設(shè)計,構(gòu)造高性能的機,同時可以提高系統(tǒng)集成度,減小電路規(guī)模,從而提高可靠性。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/3674.htm

          圖1 某種近距雷達信號處理框圖

          圖2 基于FPGA的近距雷達數(shù)字信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

          用于近距雷達的數(shù)字處理技術(shù)
          眾所周知,雷達信號處理要求信號處理機具有對大批量數(shù)據(jù)的高速處理能力、強雜波環(huán)境下正確識別目標的能力。對某種用于探測近距離運動目標的雷達系統(tǒng)來說,數(shù)字信號處理的任務(wù),是要實現(xiàn)對回波的A/D變換、數(shù)據(jù)預(yù)處理和緩沖積累、時-頻域變換、坐標系轉(zhuǎn)換、時域-頻域目標信號檢測和目標運動參數(shù)(如速度)的提取。
          采用FFT(快速傅立葉變換)完成對回波信號由時間序列向頻譜序列變換的過程。對信號做FFT,等效將信號通過一個在頻率軸上緊密排列的濾波器組,主要有以下兩方面的作用:1.對信號做頻譜分析、獲取準確的目標速度信息;2.提高信噪比和信雜比,進一步抑制噪聲和雜波干擾。
          為獲得回波信號的功率譜數(shù)據(jù),需要將FFT計算所得的迪卡爾坐標系下的復(fù)數(shù)形式變換到極坐標系下的模值和相角表示形式,也就是作復(fù)數(shù)求模運算?;诰€性逼近的近似求模算法適合近距雷達這種實時性要求極高、運算精度要求適中的應(yīng)用場合。
          由于雷達探測前端遭遇的雜波分布情況比較復(fù)雜,雜波干擾的強度相差很大,如果采用固定的檢測門限,干擾電平增大幾分貝時,將大量地增加虛警,因而要求信號處理能夠采用恒虛警(CFAR)目標檢測技術(shù)。
          對于高斯類雜波,較早的CFAR檢測是噪聲電平恒定電路,它適合于接收機內(nèi)部噪聲的平均功率水平變化較慢的情況,稱為慢門限CFAR;當雜波特性在時間和空間上劇烈變化時應(yīng)采用快門限CFAR,需要利用參考單元估計檢測單元背景雜波的平均功率水平,顯然用這種方法得到的檢測閾值是隨著雜波的變化而自適應(yīng)變化的,在理論上檢測的虛警率因此而維持恒定。對于波束掃描雷達系統(tǒng),可以靠天線的掃描獲得不同距離和方位單元的雜波圖,從而進行雜波圖恒虛警檢測。但對于固定波束的雷達系統(tǒng)來說,獲得足夠多的、不同距離單元的回波信號比較困難,因此適合在FFT變換后采用頻域恒虛警檢測算法。
          圖1給出該近距雷達的信號處理框架。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在時序單元產(chǎn)生的信號控制下,啟動對目標回波多普勒信號的采集和A/D變換,將目標多普勒信號轉(zhuǎn)換成多位數(shù)字信號。時域數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后,被裝入1#雙口RAM中緩存,等采樣信號積累到預(yù)定的N個時,F(xiàn)FT模塊開始做N點快速傅利葉變換,獲得其頻譜的N點復(fù)數(shù)抽樣。經(jīng)求模運算后,保留其中反映功率譜信息的模值數(shù)據(jù),并存入2#雙口RAM。 目標檢測單元調(diào)用2#RAM中的頻域數(shù)據(jù)并進行分析,識別頻譜的峰值位置,提取出目標的速度信息;計算頻域雜波水平,并實現(xiàn)自適應(yīng)門限恒虛警檢測算法,從而完成雜波環(huán)境中的實時動目標檢測(MTD)處理過程。
          從圖1可以看出,同其它類別的雷達系統(tǒng)不同的是,作為一類目標探測識別裝置,某近距雷達在目標檢測單元之前,可以認為都是對信號的預(yù)處理。選擇FPGA,充分利用FPGA容量大,速度快、內(nèi)嵌足量存儲器的特點,將上述的FFT、求模、CFAR檢測、數(shù)據(jù)緩沖存儲器及外圍的控制電路用單片F(xiàn)PGA設(shè)計,替代以通用DSP處理器構(gòu)造的規(guī)模龐大的系統(tǒng),從而達到提高性能、簡化電路,降低功耗,提高可靠性的目的。

          圖 3 主狀態(tài)控制下各時序單元處理時序關(guān)系

          圖 4 QUARTUS II環(huán)境下恒虛警處理單元時序仿真波形

          近距雷達信號處理的FPGA實現(xiàn)
          Top-Down結(jié)構(gòu)分析
          采用Top-Down(自頂向下)的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法學(xué),基于FPGA實現(xiàn)方案的近距雷達數(shù)字處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以由圖2說明。
          有限狀態(tài)機FSM(Finite State Machine)是基于可編程邏輯器件,特別是利用硬件描述語言HDL實現(xiàn)帶有狀態(tài)控制的復(fù)雜算法的必需手段。對于一個復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng),往往要用狀態(tài)機嵌套來完成系統(tǒng)信號流向和狀態(tài)的控制、轉(zhuǎn)換,使系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的邏輯流程工作。
          近距雷達目標檢測信號處理機頂層由主狀態(tài)機控制,主狀態(tài)機響應(yīng)雷達系統(tǒng)的指令,完成對各個分狀態(tài)機的調(diào)度;數(shù)據(jù)采集預(yù)處理、FFT、坐標系轉(zhuǎn)換和CFAR檢測這四個分狀態(tài)機又分別控制各自的下層子狀態(tài)機動作,從而完成數(shù)據(jù)的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、時域預(yù)處理、頻譜分析、坐標系轉(zhuǎn)換、目標譜線識別和CFRA檢測等一系列處理任務(wù)。
          信號處理FPGA設(shè)計
          FPGA設(shè)計技術(shù)主要包括:對硬件描述語言HDL及代碼編寫技巧的掌握,尤其是可綜合風(fēng)格的寄存器傳輸RTL級模型的建立和有限狀態(tài)機的合理設(shè)計、對FPGA自身結(jié)構(gòu)和內(nèi)部資源的深入了解等。
          在近距雷達數(shù)字信號處理的FPGA方案開發(fā)過程中,利用目前最優(yōu)秀的HDL仿真軟件ModelSim5.6編譯和仿真Verilog HDL程序代碼;利用LeonardoSpectrum2002對設(shè)計進行綜合優(yōu)化;利用QUARTUS II進行布局布線,并基于一片10萬門規(guī)模的FPGA-ACEX1K100完成設(shè)計。圖3為信號處理主狀態(tài)機控制下個處理單元的時序關(guān)系。
          恒虛警處理單元實際上是本信號處理機的核心部件,因此,可以說FFT頻譜分析單元是影響系統(tǒng)實時性的關(guān)鍵部件,而恒虛警檢測單元則決定著近距雷達對目標的識別能力和整機性能。其工作過程如下:產(chǎn)生2# RAM的寫地址,控制FFT頻譜分析單元(這里包含復(fù)數(shù)求模單元,視為一體)輸出總線上的數(shù)據(jù),將其按地址存入2# RAM中,完成頻域數(shù)據(jù)緩沖;對2# RAM連續(xù)尋址,分析功率譜數(shù)據(jù),識別目標譜線從而完成對目標速度信息的獲??;在考慮近場回波多普勒展寬效應(yīng)的基礎(chǔ)上,對2# RAM局部尋址,分別計算出頻域背景兩側(cè)雜波水平,并作最終的雜波估計;在考慮系統(tǒng)虛警率的前提下作CFAR目標判別,給出決策信號。由此可見,CFAR處理有限狀態(tài)機可以分為如下六個工作狀態(tài):
          ?空閑狀態(tài)(等待主狀態(tài)機指令)WAIT state;
          ?對2# RAM的寫數(shù)據(jù)操作WRITE state;
          ?對功率譜數(shù)據(jù)的分析和目標譜線識別MAX state;
          ?頻域左雜波計算 LEFT CLUTTER state;
          ?頻域右雜波計算及最終的雜波水平估計 RIGHT CLUTTER state;
          ?CFAR目標決策 DETECT state。
          圖4給出CFAR處理部分在QUARTUSII下的時序仿真結(jié)果。
          基于FPGA的近距雷達信號處理機設(shè)計,實際上是一個復(fù)雜的過程,鑒于篇幅所限,此處不再過多敘述。
          信號處理的設(shè)計結(jié)果:硬件電路由FPGA芯片ACEX1K100及其必須配套的配置EPROM芯片、電源芯片及前置信號調(diào)理電路組成,形式簡潔,可靠性高。全電路在一塊100

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