CN104049242A - 一种基于fpga的船用雷达抗同频干扰信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的船用导航雷达抗同频干扰信号处理方法，对经过模数转换的视频回波信号进行三脉冲参差时序处理，同时叠加抗干扰变量，实现动态同步干扰异步化；然后对同步干扰异步化后的回波信号进行改进型三脉冲反异步处理；最后再对反异步处理后的回波信号进行滑窗积累。本发明相比现有技术具有以下优点：基于随机电路和模式修正，通过时序设计实现雷达发射周期的动态参差化；通过改进型三脉冲反异步相关，提高了小目标以及干扰单元中目标的检测能力；通过滑窗积累处理，进一步减少了同频干扰剩余，提高了检测信噪比。

Description

一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法

技术领域

本发明涉及船舶导航雷达领域，尤其涉及的是一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法。

背景技术

当前，船舶导航雷达功能已经远远超过最初的目标探测和测距，已广泛应用于航海避碰和海上救援，以及完成船只进出港口的导航和结队保持队形等，对保障船舶航行安全具有举足轻重的意义。不仅大型、远洋船舶必须安装，渔船、游艇等小型船舶也普遍安装导航雷达。

在近海，特别是在港口附近时，由于同时开机的船舶导航雷达频率相同或相近，会出现严重的同频干扰现象，且数量越多、距离越近干扰就越严重。同频干扰会影响回波画面、降低目标检测和跟踪性能等。对于船舶导航雷达而言，由于其磁控管的发射频率的不稳定性以及使用环境的特殊性等，决定了常规的抗同频干扰方法失效或抑制效果有限。因此，需要寻找新型的信号处理技术来改善复杂条件下抗同频干扰性能，并推动该技术在此领域的广泛应用。

现有技术中，将发射信号同步干扰异步化处理后，常规的相邻周期反异步基本原理是，将当前周期距离单元上的回波和上一周期同一距离单元上的回波作比较，若相邻周期回波基本相同则判为正常回波信号，否则判为异步干扰信号。如果采用三脉冲相关反异步，则关联连续三个脉冲重复周期的回波作比较，进行正常回波与干扰的判别。这种简单的反异步处理虽能取得一定的干扰抑制效果，但是存在如下问题：首先，多周期比较准则很难建立，特别是船用导航雷达使用环境决定了目标脉间具有很大的起伏特性，对于低信噪比小目标则更加难以处理；其次，当同频干扰数量很多时，参差量的选择不能完全保证干扰在相邻多周期内有足够大的幅度差异，干扰会产生剩余；再次，如果目标与干扰在处理周期内距离单元上重合，即目标淹没在干扰中时，因为干扰单元输出被禁止，则在剔除干扰的同时也丢失了目标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的船用雷达抗同频干扰信号处理方法，实现了同型雷达发射信号的动态参差化，降低了干扰抑制处理对小目标信号以及干扰单元内目标信号的漏警概率，减少了恶劣环境下的同频干扰剩余并提高了检测信噪比。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法，包括步骤如下：

步骤一、对经过模数转换的视频回波信号进行三脉冲参差时序处理，同时叠加抗干扰变量，实现动态同步干扰异步化。

步骤二、然后基于同步干扰异步化后的相邻三周期回波信号，进行改进型三脉冲反异步处理。

步骤三、再对改进型三脉冲反异步处理后的回波信号进行滑窗积累处理。

作为上述方案的进一步优化，经所述步骤一处理得到的雷达发射信号的表达式为：

$s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}x(t-i*T_{r\left(1\right)}\left(t\right)-(n-i-j)*(T_{r\left(2\right)}\left(t\right)+\mathrm{\ϵ})-j*(T_{r\left(3\right)}\left(t\right)+2*\mathrm{\ϵ}))$

式中，x(t)为固定载频单脉冲信号: $x\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}K\cos 2\mathrm{\π}{f}_{0}t& 0\≤t\≤\mathrm{\τ}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,$ 其中τ为发射脉冲宽度，K为发射脉冲幅度，f₀为发射固定载频。n为整数且n≥0，i＝ceil(n/3)，ceil为向上取整，j＝fix(n/3),fix为向下取整，T_r(1)(t)、T_r(2)(t)、T_r(3)(t)代表三脉冲参差重复周期，ε为关联开机参数的随机变量。

作为上述方案的进一步优化，经所述步骤二的改进型三脉冲反异步处理得到表达式为：

${r_n}^{\&prime;}\left(t_m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}(r_n(t_m-T_{r(\mathrm{rem}(n,3)+1)}\left(t_m\right))+r_n(t_m+T_{r(\mathrm{rem}(n-\mathrm{1,3})+1)}\left(t_m\right)))& \mathrm{\&Delta;}{r}_m\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ r_n\left(t_m\right)& \mathrm{\&Delta;}{r}_m<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

n≥2，r_n(t_m)为第n周期m距离单元的回波信号，对应当前的脉式中，

冲重复周期为T_{r(rem(n,3)+1)}(t_m)。Δr_m＝max(|r_n(t_m)-r_n(t_m-T_{r(rem(n,3)+1)}(t_m))|,|r_n(t_m-T_{r(rem(n-1,3)+1)}(t_m))-r_n(t_m)|)，t_m为m距离单元对应的采样时刻。δ为设置的幅度判别差异值，rem为求余运算，r_n'(t_m)为改进型三脉冲反异步处理后的回波信号。

作为上述方案的进一步优化，经所述步骤三的滑窗积累处理后，m单元n周期的滑窗积累输出表达式为：

$y_n\left(t_m\right)=(\underset{s=n-N}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r_s}^{\&prime;}\left(t_m\right)+{r_n}^{\&prime;}\left(t_m\right)-{r_{n-N}}^{\&prime;}\left(t_m\right))/N$

雷达每探测一次，m距离单元的新信号r_n'(t_m)进入积累器，而最先的信号r_n-N'(t_m)离开积累器，实时处理从第N个周期开始，即n≥N。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法在雷达脉冲重复周期参差化基础上，叠加了动态随机变量，保证了同型雷达开机状态的干扰参数非相关性，对于同时开机雷达数量多、距离近的情况，干扰抑制优化效果显著，辅以手动抗干扰模式修正效果更佳。

降低了针对小目标的错误判决带来的影响，被误判剔除的小目标可有效恢复。同时，干扰单元内的目标可最大程度地保留。降低了多干扰源以及强干扰源剩余，同时提高了目标的检测信噪比。基于数模混合的硬件设计以及基于FPGA的模块化软件设计，带来了可维修性和灵活性的大大提高。

附图说明

图1是本发明的一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法的流程图。

图2为本发明的同步干扰异步化后的改进型三脉冲反异步方法示意图。

图3为本发明的第N周期滑窗积累处理实现的示意图。

图4为本发明的基于数模混合设计硬件平台的FPGA接口示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1，其为本发明较佳实施例提供的一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法的流程图。一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法，包括步骤如下：基于雷达发射信号，微波单元接收到原始回波信号，混频放大处理后得到视频回波信号，再经模数转换。

步骤一、对经过模数转换的视频回波信号进行三脉冲参差时序处理，同时叠加抗干扰变量，实现动态同步干扰异步化。

处理后的雷达发射信号的表达式为：

$s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}x(t-i*T_{r\left(1\right)}\left(t\right)-(n-i-j)*(T_{r\left(2\right)}\left(t\right)+\mathrm{\&epsiv;})-j*(T_{r\left(3\right)}\left(t\right)+2*\mathrm{\&epsiv;}))$

式中，x(t)为固定载频单脉冲信号: $x\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}K\cos 2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t& 0\&le;t\&le;\mathrm{\&tau;}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,$ 其中τ为发射脉冲宽度，K为发射脉冲幅度，f₀为发射固定载频。n为整数且n≥0，i＝ceil(n/3)，ceil为向上取整，j＝fix(n/3),fix为向下取整，T_r(1)(t)、T_r(2)(t)、T_r(3)(t)代表三脉冲参差重复周期，ε为关联开机参数的随机变量。

本发明的三脉冲动态参差时序处理，叠加了干扰抑制处理，实现同步干扰异步化。具体实现时，叠加了关联开机参数的随机变量ε，确保多部同型雷达同时开机时的非相关性。同时，在参差量的选择上确保三点：一是保证相邻脉间同频干扰能错开多个距离分辨单元；二是保证在不同工作模式下，重复周期的参差带来的雷达平均功率的变化，不会影响目标的作用距离；三是保证在不同的量程下，目标在距离上不会出现模糊。

步骤二、再基于同步干扰异步化后的相邻三周期回波信号，进行改进型三脉冲反异步处理。

参见图2，为本发明的同步干扰异步化后的改进型三脉冲反异步方法示意图。

对正常通道视频回波信号，采用延迟线设计，产生相邻连续三个周期回波信号，基于中间周期回波进行判决。

如果同一距离单元当前周期回波幅度值，相比于前后任意一个周期的幅度值大δ，则认为当前周期距离单元内回波为干扰，否则判为正常回波。

然后，将中间周期回波与前后周期回波做比较，考虑到动平台环境下目标多周期起伏性，将幅度判别差异值δ设置较小，确保目标，尤其是小目标不被误判舍弃。最后，对于判决为目标的视频回波送原值，对于判决为干扰的视频回波进行改进型三脉冲反异步处理，表达式为：

${r_n}^{\&prime;}\left(t_m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}(r_n(t_m-T_{r(\mathrm{rem}(n,3)+1)}\left(t_m\right))+r_n(t_m+T_{r(\mathrm{rem}(n-\mathrm{1,3})+1)}\left(t_m\right)))& \mathrm{\&Delta;}{r}_m\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ r_n\left(t_m\right)& \mathrm{\&Delta;}{r}_m<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

n≥2，r_n(t_m)为第n周期m距离单元的回波信号，对应当前的脉式中，

冲重复周期为T_{r(rem(n,3)+1)}(t_m)。Δr_m＝max(|r_n(t_m)-r_n(t_m-T_{r(rem(n,3)+1)}(t_m))|,|r_n(t_m-T_{r(rem(n-1,3)+1)}(t_m))-r_n(t_m)|)，t_m为m距离单元对应的采样时刻。δ为设置的幅度判别差异值，rem为求余运算，r_n'(t_m)为改进型三脉冲反异步处理后的回波信号。由于三脉冲反异步运算需要关联连续三个周期的回波信号，故在实时处理时从第三个周期开始，即n≥2。

改进后的三脉冲反异步方法，对于误判被剔除的小目标，通过后续的前后两周期相关处理后可以“找回”。同时，前后周期相关处理降低了多干扰源剩余，对于异步干扰则能更好地压缩。而且相比于干扰单元直接“挖去”的常规做法，此方法可以最大程度地保留叠加或淹没在干扰中的目标。

步骤三、再对改进型三脉冲反异步处理后的回波信号进行滑窗积累处理。

参见图3，所述滑窗积累处理的方法为：在波束驻留目标的多周期时间内，利用目标的包络幅度信息，在多周期回波间按距离单元进行非相参累加求平均处理，考虑到雷达回波图像显示的边缘平滑性，非相参累加的工程设计由滑窗积累器实现。滑窗宽度与波束扫描过目标期间能收到的回波总数N相匹配，滑窗宽度内始终保持同一距离单元当前N个周期信号。雷达每探测一次，m距离单元的新信号r_n'(t_m)进入积累器，而最先的信号r_n-N'(t_m)离开积累器，实时处理从第N个周期开始，即n≥N，则m单元n周期的滑窗积累输出为：

$y_n\left(t_m\right)=(\underset{s=n-N}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r_s}^{\&prime;}\left(t_m\right)+{r_n}^{\&prime;}\left(t_m\right)-{r_{n-N}}^{\&prime;}\left(t_m\right))/N$

进一步剔除强干扰源造成的剩余，通过滑窗积累处理实现。对于船用导航雷达而言，其磁控管的非相参性决定了信号处理一般在时域上进行。回波信号进行滑窗积累处理主要起两个作用：一是提高了目标的信噪比，一般来说经过N次积累后信噪比提高倍。同时，由于海杂波相关性与时间呈反比，也能部分提高对海浪杂波信杂比；二是在滑窗积累处理间隔内，N个周期回波按距离单元滑窗积累，可大大减少干扰剩余，尤其对雷达画面上的点状和斑状干扰抑制效果明显。

如图4所示，基于数模混合设计硬件平台的FPGA接口示意图。本发明的一种基于FPGA的船用导航雷达抗同频干扰信号处理方法集成于综合抗同频干扰信号处理模块中，其中综合抗同频干扰信号处理模块包括3个子模块，分别为参差时序产生子模块、脉冲相关干扰抑制子模块和滑窗积累子模块。其中参差时序产生子模块基于60MHz同步时钟产生系统导前触发脉冲信号，通过电平转换和驱动后以TTL接口方式送往微波单元(Microware Unit)。脉冲相关干扰抑制子模块基于双口RAM(Random Access Memory)实现数据延迟处理和三脉冲数据对齐，相关处理后数据实时送往滑窗积累子模块。滑窗积累子模块基于双口RAM实现多周期数据缓存处理，在保证目标的波束有效驻留时间内，在多周期时序调度下，完成滑窗积累和求平均处理。FPGA器件选用Altera公司的Cyclone芯片，其对外的主要物理接口有SRAM(Static RAM)、ADC(Analog-Digital Conversion)、DAC(Digital-Analog Conversion)和ARM(Advanced RISC Machines)处理器等。SRAM容量为2M*36bit，支持Cyclone与其进行高速率、大容量数据乒乓缓存处理。ADC和DAC分别为10bit和8bit的转换器，实现Cyclone内数字信号与微波单元内模拟信号间的数据通信。ARM处理器通过并行数据总线与Cyclone进行数据通信和任务管理。

本发明的一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法集成采用一片Cyclone芯片，完成抗同频干扰综合信号处理技术的工程实现。在FPGA中工程实现：基于随机电路和模式修正，通过时序设计实现雷达发射周期的动态参差化；通过改进型三脉冲反异步相关处理，提高了小目标以及干扰单元中目标的检测能力；通过滑窗积累处理，进一步减少了同频干扰剩余，提高了检测信噪比。经过上述综合处理后，各种恶劣环境下同频干扰抑制效果提高明显，且基于FPGA的工程设计实现灵活高效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、对经过模数转换的视频回波信号进行三脉冲参差时序处理，同时叠加抗干扰变量，实现动态同步干扰异步化；

步骤二、然后基于同步干扰异步化后的相邻三周期回波信号，进行改进型三脉冲反异步处理；

步骤三、再对改进型三脉冲反异步处理后的回波信号进行滑窗积累处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法，其特征在于：经所述步骤一处理得到的雷达发射信号的表达式为：

$s\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}x(t-i*T_{r\left(1\right)}\left(t\right)-(n-i-j)*(T_{r\left(2\right)}\left(t\right)+\mathrm{\&epsiv;})-j*(T_{r\left(3\right)}\left(t\right)+2*\mathrm{\&epsiv;}))$

式中，x(t)为固定载频单脉冲信号: $x\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}K\cos 2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t& 0\&le;t\&le;\mathrm{\&tau;}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,$ 其中τ为发射脉冲宽度，K为发射脉冲幅度，f₀为发射固定载频。n为整数且n≥0，i＝ceil(n/3)，ceil为向上取整，j＝fix(n/3),fix为向下取整，T_r(1)(t)、T_r(2)(t)、T_r(3)(t)代表三脉冲参差重复周期，ε为关联开机参数的随机变量。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法，其特征在于：经所述步骤二的改进型三脉冲反异步处理得到表达式为：

${r_n}^{\&prime;}\left(t_m\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}(r_n(t_m-T_{r(\mathrm{rem}(n,3)+1)}\left(t_m\right))+r_n(t_m+T_{r(\mathrm{rem}(n-\mathrm{1,3})+1)}\left(t_m\right)))& \mathrm{\&Delta;}{r}_m\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ r_n\left(t_m\right)& \mathrm{\&Delta;}{r}_m<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

n≥2，r_n(t_m)为第n周期m距离单元的回波信号，对应当前的脉式中，

冲重复周期为T_{r(rem(n,3)+1)}(t_m)。Δr_m＝max(|r_n(t_m)-r_n(t_m-T_{r(rem(n,3)+1)}(t_m))|,|r_n(t_m-T_{r(rem(n-1,3)+1)}(t_m))-r_n(t_m)|)，t_m为m距离单元对应的采样时刻。δ为设置的幅度判别差异值，rem为求余运算，r_n'(t_m)为改进型三脉冲反异步处理后的回波信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的船用雷达抗同频干扰信号处理方法，其特征在于：经所述步骤三的滑窗积累处理后，m单元n周期的滑窗积累输出表达式为：

$y_n\left(t_m\right)=(\underset{s=n-N}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r_s}^{\&prime;}\left(t_m\right)+{r_n}^{\&prime;}\left(t_m\right)-{r_{n-N}}^{\&prime;}\left(t_m\right))/N$

雷达每探测一次，m距离单元的新信号r_n'(t_m)进入积累器，而最先的信号r_n-N'(t_m)离开积累器，实时处理从第N个周期开始，即n≥N。