一種近距雷達目標檢測信號處理的FPGA實現

2020-11-22 電子產品世界

摘   要： 本文在闡述某種近距雷達目標檢測原理和FPGA技術發展狀況的基礎上，著重討論用FPGA設計高性能的數位訊號處理系統的方法，並給出一個應用實例。
關鍵詞：  FPGA；近距雷達；目標檢測；數位訊號處理
前言
FPGA及其相關技術是當代微電子技術迅速發展的產物，目前已經成為開發複雜數字系統的主要方式之一。
某近距雷達系統要求利用在與被探測目標的短暫交會過程中，對獲得的都卜勒信號進行頻譜分析並完成動目標的識別檢測。交會的短暫性對信號處理系統的實時性提出了嚴格的要求，在毫秒級的時間範圍內完成對回波信號的處理，並在雜波環境中識別出運動目標來，同時給出目標的速度信息供後續處理使用；同時系統在設備體積、功耗方面的嚴格要求使信號處理機必須小型化；雷達系統智能化、可編程化的發展趨勢又要求信號處理系統具有可重構性，以適應任務的變化和系統升級的需要。
將FPGA技術應用於近距雷達系統設計，構造高性能的數位訊號處理機，同時可以提高系統集成度，減小電路規模，從而提高可靠性。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/3674.htm

圖1 某種近距雷達信號處理框圖

圖2 基於FPGA的近距雷達數位訊號處理系統結構圖

用於近距雷達目標檢測的數字處理技術
眾所周知，雷達信號處理要求信號處理機具有對大批量數據的高速處理能力、強雜波環境下正確識別目標的能力。對某種用於探測近距離運動目標的雷達系統來說，數位訊號處理的任務，是要實現對回波的A/D變換、數據預處理和緩衝積累、時－頻域變換、坐標系轉換、時域－頻域目標信號檢測和目標運動參數(如速度)的提取。
採用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幹擾。
為獲得回波信號的功率譜數據，需要將FFT計算所得的迪卡爾坐標系下的複數形式變換到極坐標系下的模值和相角表示形式，也就是作複數求模運算。基於線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用場合。
由於雷達探測前端遭遇的雜波分布情況比較複雜，雜波幹擾的強度相差很大，如果採用固定的檢測門限，幹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採用恆虛警(CFAR)目標檢測技術。
對於高斯類雜波，較早的CFAR檢測是噪聲電平恆定電路，它適合於接收機內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採用快門限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變化的，在理論上檢測的虛警率因此而維持恆定。對于波束掃描雷達系統，可以靠天線的掃描獲得不同距離和方位單元的雜波圖，從而進行雜波圖恆虛警檢測。但對於固定波束的雷達系統來說，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變換後採用頻域恆虛警檢測算法。
圖1給出該近距雷達的信號處理框架。模數轉換電路在時序單元產生的信號控制下，啟動對目標回波都卜勒信號的採集和A/D變換，將目標都卜勒信號轉換成多位數位訊號。時域數據經預處理後，被裝入1#雙口RAM中緩存，等採樣信號積累到預定的N個時，FFT模塊開始做N點快速傅利葉變換，獲得其頻譜的N點複數抽樣。經求模運算後，保留其中反映功率譜信息的模值數據，並存入2#雙口RAM。 目標檢測單元調用2#RAM中的頻域數據並進行分析，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，並實現自適應門限恆虛警檢測算法，從而完成雜波環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處理。選擇FPGA，充分利用FPGA容量大，速度快、內嵌足量存儲器的特點，將上述的FFT、求模、CFAR檢測、數據緩衝存儲器及外圍的控制電路用單片FPGA設計，替代以通用DSP處理器構造的規模龐大的系統，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 主狀態控制下各時序單元處理時序關係

圖 4 QUARTUS II環境下恆虛警處理單元時序仿真波形

近距雷達信號處理的FPGA實現
Top-Down結構分析
採用Top-Down(自頂向下)的現代數字系統設計方法學，基於FPGA實現方案的近距雷達數字處理系統的結構可以由圖2說明。
有限狀態機FSM(Finite State Machine)是基於可編程邏輯器件，特別是利用硬體描述語言HDL實現帶有狀態控制的複雜算法的必需手段。對於一個複雜的數字系統，往往要用狀態機嵌套來完成系統信號流向和狀態的控制、轉換，使系統按照預先設定的邏輯流程工作。
近距雷達目標檢測信號處理機頂層由主狀態機控制，主狀態機響應雷達系統的指令，完成對各個分狀態機的調度；數據採集預處理、FFT、坐標系轉換和CFAR檢測這四個分狀態機又分別控制各自的下層子狀態機動作，從而完成數據的採集、模數轉換、時域預處理、頻譜分析、坐標系轉換、目標譜線識別和CFRA檢測等一系列處理任務。
信號處理FPGA設計
FPGA設計技術主要包括：對硬體描述語言HDL及代碼編寫技巧的掌握，尤其是可綜合風格的寄存器傳輸RTL級模型的建立和有限狀態機的合理設計、對FPGA自身結構和內部資源的深入了解等。
在近距雷達數位訊號處理的FPGA方案開發過程中，利用目前最優秀的HDL仿真軟體ModelSim5.6編譯和仿真Verilog HDL程序代碼；利用LeonardoSpectrum2002對設計進行綜合優化；利用QUARTUS II進行布局布線，並基於一片10萬門規模的FPGA－ACEX1K100完成設計。圖3為信號處理主狀態機控制下個處理單元的時序關係。
恆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實時性的關鍵部件，而恆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：產生2# RAM的寫地址，控制FFT頻譜分析單元(這裡包含複數求模單元，視為一體)輸出總線上的數據，將其按地址存入2# RAM中，完成頻域數據緩衝；對2# RAM連續尋址，分析功率譜數據，識別目標譜線從而完成對目標速度信息的獲取；在考慮近場回波都卜勒展寬效應的基礎上，對2# RAM局部尋址，分別計算出頻域背景兩側雜波水平，並作最終的雜波估計；在考慮系統虛警率的前提下作CFAR目標判別，給出決策信號。由此可見，CFAR處理有限狀態機可以分為如下六個工作狀態：
?空閒狀態(等待主狀態機指令)WAIT state；
?對2# RAM的寫數據操作WRITE state；
?對功率譜數據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下的時序仿真結果。
基於FPGA的近距雷達信號處理機設計，實際上是一個複雜的過程，鑑於篇幅所限，此處不再過多敘述。
信號處理的設計結果：硬體電路由FPGA晶片ACEX1K100及其必須配套的配置EPROM晶片、電源晶片及前置信號調理電路組成，形式簡潔,可靠性高。全電路在一塊100

fpga相關文章:fpga是什麼

相關焦點

  • 第六講 DSP在雷達信號處理中的應用
    在動目標指示（mti）或動目標檢測（mtd）中，採用fir濾波器可以濾除雜波幹擾，提高信雜比，而通過恆虛警處理（cfar）完成目標的檢測。在機載都卜勒雷達中，為了抑制地雜波的幹擾，採用了複雜的自適應濾波器組。在陣列信號處理以及波束形成中，進行數據校正及加權係數計算和控制，均需要大量的複數運算。
  • 人體檢測 毫米波雷達 - CSDN
    目標檢測雷達，該類型雷達主要是通過機械/電子波束掃描，實現對觀測區域目標距離、速度和角度的探測，配備相應的數據處理單元，可以實現對目標的識別（散射特性）、跟蹤和預測（kalman濾波、粒子濾波等）。毫米波對地觀測雷達，該類型雷達主要是毫米波合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR）,該類型雷達主要實現對地成像觀測，獲取地面區域的SAR圖像。
  • FPGA的機載合成孔徑雷達數位訊號處理機接口板卡的設計與實現
    機載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是以「合成孔徑」原理和脈衝壓縮技術為理論基礎,以高速數字處理和精確運動補償為前提條件的高解析度成像雷達對於機載合成孔徑雷達成像處理來講,僅有目標的原始回波數據是不夠的
  • 雷達學術入門--脈衝雷達信號處理概述
    基本原理如上圖所示，脈衝式雷達的基本工作流程，我們可以做如下闡述：雷達首先發射一個探測脈衝，脈衝信號到達目標後被目標反射至雷達端。這一回波中包含了目標距離、速度、角度等參數信息。雷達的任務是對回波進行處理提取出目標信息，從而對目標進行定位或跟蹤。
  • 採用FPGA實現多種類型的數位訊號處理濾波器
    濾波器是任何信號處理系統的關鍵組成部分，隨著現代應用的日趨複雜，濾波器設計的複雜程度也日益提高。採用 FPGA 設計和實現的高性能濾波器的能力是模擬方法所望塵莫及的。
  • 基於DDS的單脈衝體制雷達目標模擬的實現
    利用DDS晶片AD9857設計了一種單脈衝體制雷達的目標模擬器。通過數字交匯技術將模擬目標和雷達掃描波束進行交匯，計算出DDS晶片的控制參數。關鍵詞 單脈衝；目標模擬；比幅測角；和差波束 單脈衝體制雷達能在一個回波脈衝內獲得關於目標位置的全部信息，這使雷達在工作過程中節約了大量的時間和能量，所以得到廣泛應用。單脈衝測角方法主要有3種：幅度比較法、相位比較法和幅度相位比較法。目前多數相控陣雷達採用的和差波束測角就是一種幅度比較單脈衝測角方法。
  • 基於DSP和FPGA的機器人聲控系統設計與實現
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/21345.htm 本次設計採用了性價比較高的數位訊號處理晶片tms320vc5509作為語音識別處理器，具有較快的處理速度，使機器人在脫機狀態下，獨立完成複雜的語音信號處理和動作指令控制，fpga系統的開發降低了時序控制電路和邏輯電路在pcb板所佔的面積[1]，使機器人的"大腦"的語音處理部分微型化、低功耗。
  • 基於BF533和FPGA的雷達信號模擬器設計實現
    隨著軍事技術的高速發展，現代雷達系統面臨著嚴峻的挑戰。為適應新形勢，在現代數位訊號處理技術和數字計算機高速發展的基礎上，計算機仿真技術得到廣泛應用，這也促使雷達信號模擬技術快速發展。雷達信號模擬器是現代模擬技術與雷達技術相結合的產物，其在實際雷達系統不具備的條件下產生出所需的雷達回波信號，這在雷達調試、性能評估等方面具有重要用途。
  • 基於FPGA的複數浮點協方差矩陣實現
    O 引言 協方差矩陣的計算是信號處理領域的典型運算，是實現多級嵌套維納濾波器、空間譜估計、相干源個數估計以及仿射不變量模式識別的關鍵部分，廣泛應用於雷達、聲吶、數字圖像處理等領域。
  • 超高速雷達數位訊號處理技術簡介
    綜述了超高速雷達數位訊號處理技術的應用背景、研究內容、關鍵技術及解決方法.採用超高速數位訊號處理技術實現了超高速數據採集、高速數字本文的目的，就是綜述超高速雷達數位訊號處理技術的應用背景、研究內容、關鍵技術及解決方案，並介紹作者已經實現的一些超高速雷達數位訊號處理系統.
  • 聲納圖像動態範圍擴展與FPGA實現
    基於課題組研製的多波束成像聲納原理樣機的研製，分析了數據動態範圍壓縮導致圖像細節丟失的原因及其對成像質量的影響，採用JPL快速平方根近似算法改善了開方運算FPGA實現過程的資源佔用和系統延時。最後，對改進設計方案進行了實驗驗證，通過多波束成像聲納系統的消聲水池實驗證明了本文動態範圍擴展方法的有效性和可行性，系統成像質量改善明顯，達到優化設計的預期目標。
  • 《雷達信號處理基礎》之雷達信號分析基礎
    雷達發射機所發出的信號，它不包含任 何信息。當雷達發射的信號碰到目標後， 目標就對這個信號進行調製，並反射（這 個反射信號通常稱為回波），此時目標的 全部信息就蘊藏在這個回波中，對它進行 處理就可以提取目標的信息。
  • 頻率捷變雷達及其信號處理
    頻率捷變雷達，這是一種特殊的脈衝雷達體制，它發射脈衝的載頻在一定頻帶內快速變化，可以按照既定規律變化，也可以隨機變化。那脈間頻差範圍達到多大才可以稱為頻率捷變雷達，並具備頻率躍變的特性呢？在上面這本《頻率捷變雷達信號處理》，詳細介紹了頻率捷變雷達的優勢、重點分析了頻率步進雷達的精密測量技術以及頻率捷變雷達的抗幹擾性能。當相鄰脈衝載頻的頻差大於脈寬倒數時，可以使海浪、雲雨、箔條等分布目標的雜波去相關，減小雜波方差，從而改善信雜比，也就可以有效抑制海雜波及其他雜波的幹擾。
  • 量子雷達:使用量子糾纏作為目標檢測的微波量子照明新型檢測技術
    一支由奧地利科學技術研究院、麻省理工學院、英國約克大學、義大利卡梅裡諾大學的科學家聯合組成的一個研究團隊的物理學家發明了一種新的雷達原型，該原型使用量子糾纏作為目標檢測的方法。量子力學成功集成到設備中可能會對生物醫學和安全行業產生重大影響。該研究發表在最近的《科學進展》雜誌上。
  • 用FPGA實現FFT算法
    引言　　DFT(Discrete Fourier Transformation)是數位訊號分析與處理如圖形、語音及圖像等領域的重要變換工具，直接計算DFT的計算量與變換區間長度N的平方成正比。
  • 雷達與信號處理專家 哈爾濱工業大學兩院院士劉永坦教授
    劉永坦是中國雷達與信號處理技術專家，中國科學院院士，中國工程院院士。祖籍湖北武漢，1936年12月1日生於江蘇南京。劉永坦院士研製新體制對海探測雷達，突破多項關鍵技術，解決了在強海雜波，大氣噪聲及電臺幹擾背景下信號處理和目標檢測問題，並建成了中國第一個對海探測新體制雷達站。在逆合成孔徑雷達研究中，發展了運動補償理論，並針對大寬帶信號提出了全系統的補償技術，成功的實現了對運動目標的雷達成像。1991年當選為中國科學院學部委員（院士）。1994年首批中國工程院院士。
  • 一種基於FPGA的全光纖電流互感器控制電路設計
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/262432.htm　　目前檢測和控制電路實現主要有兩種方案，一種是以數位訊號處理晶片(DSP)為核心，由於DSP的速度越來越快，使得DSP成為很多數據處理和信號檢測方案的首選，但在時序控制方面是其瓶頸，由於時序控制精度和速度直接影響光纖電流互感器的檢測精度
  • fpga應用領域_fpga應用三個主要方向
    fpga的優勢 　　1）通信高速接口設計。FPGA可以用來做高速信號處理，一般如果AD採樣率高，數據速率高，這時就需要FPGA對數據進行處理，比如對數據進行抽取濾波，降低數據速率，使信號容易處理，傳輸，存儲。 　　2）數位訊號處理。包括圖像處理，雷達信號處理，醫學信號處理等。
  • 基於ADSP TS201的雷達信號處理機設計
    摘要：開發了一套以4片TS201和一片FPGA為核心的雷達信號處理系統。DSP僅通過鏈路口實現點對點通信，內存空間獨立。系統僅用一副板卡即完成了雷達數據處理，使其具有硬體結構簡單、體積小、程序易調試、整體可靠性高等特點，可以實現副瓣對消、四路信號的脈衝壓縮與動目標檢測等功能，該系統已成功應用於實際工程中。
  • 詳細分析:FMCW雷達測距/測速原理,及典型應用場景
    通常，脈衝雷達具有較高的峰值功率和較小的佔空比，而連續波雷達則具有100%的佔空比和較低的功率。FMCW雷達在發射功率低的情況下實現高解析度的場景中十分有用，包括汽車雷達，近距成像和其他許多應用場景。差頻信號經低通濾波和放大後送數位訊號處理器，完成對差頻信號的FFT、檢測，對目標數據進行處理後送顯控終端顯示。三角波調頻連續波雷達正是通過採用正負調頻斜率來消除距離與速度的耦合，進而進行目標速度的估計。