CN102654574A

CN102654574A - 基于fpga的多普勒中心估计方法

Info

Publication number: CN102654574A
Application number: CN2012101585437A
Authority: CN
Inventors: 梁毅; 陈凯; 王虹现; 邢孟道
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: CN102654574B

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的多普勒中心估计实现方法，主要解决现有技术估计多普勒中心占用资源多、处理速度慢的问题。其实现方法是：将单个距离单元方位连续数据通过一阶寄存器生成错位向量；通过调用FPGA内部的乘法器对单个距离单元方位连续数据和错位向量进行共轭相乘，对相乘结果进行累加求均值操作，得到单个距离单元方位连续数据的自相关值R；根据自相关值R计算R相角的余弦值；将自相关值R相角的余弦值作为查找地址，进行反余弦查表，得到自相关值R的相角；对自相关值R的相角进行修正，得到单个距离单元方位向连续数据的多普勒中心估计结果。本发明减少了系统功耗，提高了处理速度，可用于星载合成孔径雷达SAR实时成像中。

Description

基于FPGA的多普勒中心估计方法

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，涉及多普勒中心估计方法，可应用于雷达实时信号处理系统设计，特别是星载合成孔径雷达SAR实时成像中。

背景技术

多普勒中心估计是SAR成像处理的重要组成部分，在成像处理中的作用至关重要。多普勒中心估计不准确会造成图像的整体偏移，影响场景中目标的定位，恶劣时造成场景信号频带与参考信号频带失配，无法成像。

常用的多普勒中心估计方法主要有能量均衡法、相关函数法、最优估计法。其中相关函数法比较稳健，可以适合于大多数均匀场景，在时域估计参数其计算量小，并且通过取能量大的距离单元、多距离单元平均后其算法的精度较高，在实时处理中获得了较多的采用。现有机载SAR实时处理系统中，对多普勒中心的估计通常采用数字信号处理器DSP作为核心处理芯片，DSP的优势是可供使用的软件资源丰富，内部模块标准化，通用性强、灵活性好，调试简单，但缺点是按取指、译码、执行等这样的固定模式工作，对资源效率利用不足。对于星载SAR系统来说，不仅要求运算速度高，而且由于空间环境条件的限制，对处理器芯片的抗辐射、热设计等也提出了更高的要求，DSP芯片没有航天级的产品，因此机载系统中用DSP实现的方法已不能适应星上系统的要求，必须选择新的器件来实现星载SAR星上实时成像处理。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于现场可编程门阵列FPGA的多普勒中心估计方法，以减少占用资源，提高多普勒中心估计的处理速度。

本发明的技术思路是：通过一阶寄存器实现错位操作；通过调用FPGA内部的IP核，实现共轭相乘、累加、求均值和除法运算，求得回波数据的自相关值R；根据自相关值R的实部和虚部，计算得到自相关值R相角的余弦值；通过“反余弦”查表，得到自相关值R的相角；根据自相关值R虚部的符号位，对自相关值R的相角进行修正，得到回波数据的多普勒中心估计结果。其实现步骤包括如下：

（1）将反余弦表存入FPGA的ROM中，以备后续的查表使用；

（2）对单个距离单元方位向连续数据进行错位操作，得到错位向量；对单个距离单元方位向连续数据和错位向量的对应元素进行共轭相乘操作，得到一组相乘结果。

（3）对这组相乘结果的元素进行累加求均值操作，得到单个距离单元方位向连续数据的自相关值R；

（4）根据自相关值R的实部和虚部，求得自相关值R相角的余弦值；再将自相关值R虚部的符号位用寄存器flag暂存下来，供后续操作使用；

（5）对自相关值R相角的余弦值进行反余弦查表，得到自相关值R的相角；

（6）根据寄存器flag的值，对自相关值R的相角进行修正，若flag的值为1，则对自相关值R的相角加上-π，若flag的值为0，则对自相关值R的相角不做改变；

（7）根据回波数据的脉冲重复频率PRF和圆周率π通过MATLAB软件生成量化参数，将经步骤（6）后得到的自相关值R的相角值与该量化参数相乘，得到多普勒中心估计结果。

本发明具有如下优点：

第一，本发明采用FPGA作为核心处理芯片，FPGA内部集成大量的乘法器、RAM甚至处理器核，具有基于数据流的强大定点处理能力，处理速度快，灵活性好，提高了整个系统的实时性。

第二，本发明通过计算自相关值R相角的余弦值，再对该余弦值进行反余弦查表完成，大幅度地提高了计算自相关值R相角的精度。

第三，本发明中采用了流水处理和并行处理技术，充分发挥了FPGA运算的优势，节省了整个多普勒中心估计过程的处理时间以及FPGA内部存储资源，在很大程度上提高了估计效率。

附图说明

图1是本发明的总流程图；

图2是本发明中自相关处理子流程图；

图3是本发明中计算多普勒中心子流程图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1.将反余弦表存入FPGA中。

1.1）在MATLAB软件中产生一列浮点数序列e=-1，-511/512，-510/512，······，0，1/512，2/512，······，511/512，该浮点数序列e共包含1024个元素，相邻元素之间的间隔为1/512，求出序列e的反余弦值，将e的反余弦值量化成16位有符号二进制定点数序列，并将其存入存储初始化文件MIF，则该存储初始化文件MIF即为反余弦表；

1.2）调用FPGA中的一个ROM存储器，并用生成好反余弦表对该ROM存储器进行初始化，这样在往FPGA中加载程序时反余弦表就会自动存入FPGA内部。

步骤2.对单个距离单元方位向连续的回波数据进行错位相乘操作。

参照图2，本步骤地具体实现如下：

2.1）回波信号经过高速采样得到数字信号，并对其进行预处理得到二维回波数据，将二维回波数据的单个距离单元方位连续数据送入FPGA，这时应确保数据连续，若不能保证，则先将数据存入FPGA中一个深度较小的FIFO缓冲器进行缓冲，然后从两个FIFO缓冲器中读取，使数据满足连续要求；

2.2）将单个距离单元方位连续数据打入一阶寄存器，得到错位向量；调用FPGA内部的一个乘法器，将单个距离单元方位连续数据和错位向量分别作为被乘数和乘数，完成两者的对应元素共轭相乘操作，得到一组相乘结果。

步骤3.对相乘结果的元素进行累加求均值操作。

3.1）在MATLAB软件中将浮点数1/1024量化成16位二进制定点数，将其作为参数送入FPAG；

3.2）调用FPGA的累加器IP核实现对这组相乘结果元素的累加操作，得到一个累加结果；由于单个距离单元数据的方位向点数为1024，所以将求均值的除法运算，即将累加结果除以1024，变换为乘法运算，即对累加结果乘以1/1024，此处乘以步骤3.1）量化好的16位二进制定点数，得到单个距离单元方位向连续数据的自相关值R。

步骤4.求自相关值R相角的余弦值。

参照图3，本步骤地具体实现如下：

4.1）调用FPGA中的乘法器IP核，将该IP核Parameter Settings中的Multiplierconfiguration选为“Multiply’dataa’input by itself”；

4.2）利用所述乘法器IP核，分别对自相关值R的实部和虚部进行平方操作；调用FPGA中的加法器对两个平方结果进行相加，将相加结果通过FPGA中的开方器，将得到的开方结果作为分母，自相关值R的虚部作为分子，通过FPGA中的除法器，得到自相关值R相角的余弦值；将自相关值R虚部的符号位用寄存器flag暂存下来，供后续操作使用。

步骤5.对自相关值R相角的余弦值进行反余弦查表。

以自相关值R相角的余弦值为地址，从存储在FPGA的ROM中的反余弦表中找到对应值，即为自相关值R的相角。

步骤6.根据寄存器flag的值，对自相关值R的相角进行修正。

由于FPGA的ROM中存储的反余弦值范围为0到π，而自相关值R相角的范围为-π到π，所以要对从ROM中读出的反余弦值进行修正。具体修正方法为:若寄存器flag存储的自相关值R虚部的符号位的值为1，说明自相关值R虚部为负数，则自相关值R在复坐标系的3、4象限，即自相关值R的相角在-π到0范围内，故对自相关值R相角加上-π进行修正；若寄存器flag存储的自相关值R虚部的符号位的值为0，说明自相关值R虚部为正数，则自相关值R在复坐标系的1、2象限，即自相关值R的相角在0到π范围内，故不需对其进行修正。

步骤7.计算单个距离单元方位向连续数据的多普勒中心。

7.1）用脉冲重复频率PRF除以2倍的圆周率π，得到有符号的浮点小数，再用MATLAB软件将该浮点小数量化成与自相关值R相角具有相同位宽的有符号定点数，也就是将该浮点小数扩大2的整数幂倍后再取整，该整数的大小与自相关值R相角的位宽有关，将量化得到有符号定点数作为量化系数，供FPGA使用；

7.2）调用FPGA内部的乘法器，对经步骤6修正后的多普勒自相关值R的相角乘以步骤7.1）生成的PRF/2π量化系数，得到单个距离单元方位向连续数据的多普勒中心估计值。

本发明的结果可以通过以下实测进一步说明：

1.验证和仿真条件

用ModelSim软件做功能仿真时，输入数据是5组用MATLAB软件量化后的方位向采样点数为1024，经预处理后16位有符号定点单个距离单元数据。

2.验证和实测结果

用FPGA和MATLAB分别对5组单个距离单元方位向连续数据进行多普勒中心估计，将两者所得结果进行对比，结果如表1。

表1FPGA与MATLAB对单个距离单元数据的多普勒中估计结果对比表

从表1中可以看出，FPGA得到的结果与MATLAB计算结果的相对偏差很小，满足精度要求。可见，本发明中所述多普勒中心估计方法是基于FPGA可以实现的，并取得良好效果的。

Claims

1.一种基于FPGA的多普勒中心估计方法，包括如下步骤：

（1）将反余弦表存入FPGA的ROM中，以备后续的查表使用；

2.根据权利要求1所述的多普勒中心估计方法，其中所述步骤（1）的反余弦表，是根据-1到1上的反余弦值，通过MATLAB软件量化生成。

3.根据权利要求1所述的多普勒中心估计方法，其中所述步骤（2）的错位共轭相乘，是通过将单个距离单元方位向连续数据打入一阶寄存器生成错位向量，再调用FPGA内部的乘法器将单个距离单元方位向连续数据与错位向量进行共轭相乘。

4.根据权利要求1所述的多普勒中心估计方法，其中所述步骤（3）的累加操作，是通过调用FPGA的累加器IP核实现。

5.根据权利要求1所述的多普勒中心估计方法，其中所述步骤（3）的求均值中用到的除法运算，是将其转换为乘法运算，再调用FPGA内部的乘法器实现。

6.根据权利要求1所述的多普勒中心估计方法，其中所述步骤（5）的反余弦查表，是通过将自相关值R相角的余弦值作为查找地址，读取存储反余弦表的ROM实现。