CN104820214A - 一种基于fpga的点目标振动微多普勒信号产生方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法，涉及模拟微波信号产生领域。该方法包括：一个累加器，两个CORDIC模块和一个数据转换模块，数据转换模块包括乘法器和除法器；累加器用于根据目标振动频率产生相应的相位，CORDIC模块1从累加器接收相位产生相应的正弦值，通过数据转换模块中的乘法器利用已有的目标数据A和目标振动频率f_ν两个因子对CORDIC模块1产生的正弦值进行数据调整，再将调整结果通过除法器转换为相位值，最后通过CORDIC模块2输出微多普勒调制信号。可以根据振动微多普勒特性的不同灵活实时地调整参数模拟出一定范围内不同的振动微多普勒特性。

Description

一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法

技术领域

本发明涉及模拟微波信号产生领域，特别涉及振动微多普勒调制信号模拟产生的方法。

背景技术

目前，雷达目标模拟器技术的发展已经比较成熟。现在的大多数雷达目标模拟器可以模拟出目标的径向速度、RCS、距离、个数以及模拟假目标和欺骗目标等等。雷达目标模拟器的发展与应用极大地方便了雷达系统的开发与研制。随着人们对目标微多普勒特性逐渐深入研究，发现分析目标微多普勒特性可以成为一种新的雷达目标识别的手段，基于不同目标的微运动特性不同，可以利用雷达对目标回波的微多普勒特性进行分析，进而辨别不同目标。但是现在的雷达目标模拟器中都没有产生相应微多普勒信号的模块，使得对能够进行微多普勒特性检测并分析的雷达系统的研制与开发造成了一定程度上的困难。

发明内容

为了克服雷达目标模拟器在模拟目标振动微多普勒特性的一些不足，本发明提出一种能够模拟目标振动微多普勒特性的方法。该方法的实现模块结构简单，易于实现，能够灵活的调整参数，实时的模拟出目标振动的微多普勒特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：总体路线为利用两级CORDIC子模块产生微多普勒调制信号，随后对收到雷达信号或者自检信号进行微多普勒特性调制，从而实现发明目的。本发明是一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法，该方法包括：一个累加器，两个CORDIC模块和一个数据转换模块，数据转换模块包括乘法器和除法器；累加器用于根据目标振动频率产生相应的相位，CORDIC模块1从累加器接收相位产生相应的正弦值，通过数据转换模块中的乘法器利用已有的目标数据A(A的具体表达式在后文的公式(2)中可见)和目标振动频率f_ν两个因子对CORDIC模块1产生的正弦值进行数据调整，再将调整结果通过除法器转换为相位值，最后通过CORDIC模块2输出微多普勒调制信号。

所述累加器根据输入的频率字产生相应的相位。

所述数据转换模块中乘法器对CORDIC模块1产生的正弦值进行数据调整的方法为将正弦值乘以A/f_ν，再利用除法器将截位后的乘法器结果除以π。

所述数据转换模块中的乘法器利用的已有目标数据包括：振动点目标相对于雷达的方位角和俯仰角、振动点目标的振动方位角和俯仰角、振动幅度、振动频率、雷达载波单频信号频率。

本发明的有益效果是，可以根据振动微多普勒特性的不同灵活实时地调整参数模拟出一定范围内不同的振动微多普勒特性。

附图说明

图1为本发明一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法的原理框图；

图2为雷达与振动点目标间的几何关系；

图3为微多普勒调制信号实部时域MATLAB仿真图；

图4为微多普勒调制信号虚部时域MATLAB仿真图；

图5为单频信号未被微多普勒调制时的MATLAB时频分析图；

图6为单频信号经过多普勒调制以及微多普勒调制后的MATLAB时频分析图。

具体实施方式

如图1，累加器用于根据输入的频率字产生相应的相位，CORDIC模块1从累加器接收相位产生相应的正弦值。数据转换模块主要由乘法器和除法器组成，用以对正弦值进行数据转换，形成相位值(A中包含了振动点目标相对于雷达的方位角和俯仰角、振动点目标的振动方位角和俯仰角、振动幅度、振动频率f_ν、雷达载波单频信号频率，A的具体公式表示可见后文)。另外CORDIC模块2接收经转换所得的值直接作为输入所需的相位值，产生微多普勒调制信号。

如图2，雷达位于空间固定坐标系(X,Y,Z)原点，振动点目标为P点在O点附近振动。O点参考坐标系为(X′,Y′,Z′)的原点，假设O点相对于雷达是静止的，O点相对于雷达的仰角为β，方位角为α。振动点目标以频率f_ν和振动振幅D_ν，并且在参考坐标系中振动的方位角和俯仰角分别为α_P和β_P，c为光速，为载频f，振动点目标引起的微多普勒频移为

       $f_{\mathrm{mD}}=\frac{{2\mathrm{ff}}_{\mathrm{\ν}}{D}_{\mathrm{\ν}}}{c}[\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_P)\cos \mathrm{\β}\cos {\mathrm{\β}}_P+\sin \mathrm{\β}\sin {\mathrm{\β}}_P]\cos \left({2\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ν}}t\right)---\left(1\right)$

对于公式：

       $f_{\mathrm{mD}}=\frac{{2\mathrm{ff}}_{\mathrm{\ν}}{D}_{\mathrm{\ν}}}{c}[\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_P)\cos \mathrm{\β}\cos {\mathrm{\β}}_P+\sin \mathrm{\β}\sin {\mathrm{\β}}_P]\cos \left({2\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ν}}t\right),$

在本发明中，先按照具体需求设定f、f_ν、D_ν、α、α_P、β、β_P容易得到f_mD是以f_ν为频率，以

       $\frac{{2\mathrm{ff}}_{\mathrm{\ν}}{D}_{\mathrm{\ν}}}{c}[\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_P)\cos \mathrm{\β}\cos {\mathrm{\β}}_P+\sin \mathrm{\β}\sin {\mathrm{\β}}_P]$

为幅度的余弦函数。

将得到的频率以及幅度传到本发明所设计的模块中，则可得到相应的微多普勒调制信号，进而可以对雷达信号进行微多普勒调制。

令：

       $A=\frac{{2\mathrm{ff}}_{\mathrm{\ν}}{D}_{\mathrm{\ν}}}{c}[\cos (\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_P)\cos \mathrm{\β}\cos {\mathrm{\β}}_P+\sin \mathrm{\β}\sin {\mathrm{\β}}_P]---\left(2\right)$

则设：f_g＝Asin(2πf_νt)    (3)

可构造信号：

       $\begin{array}{c}m-\mathrm{signal}=\exp (j+2\mathrm{\π}\×f_g/\left({2\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ν}}\right))\\ =\exp (j\×2\mathrm{\π}\×A\sin \left({2\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ν}}t\right)/\left({2\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ν}}\right))=\exp (j\×\frac{A}{f_{\mathrm{\ν}}}\×\sin \left({2\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ν}}t\right))\end{array}---\left(4\right)$

对该信号的相位对时间进行求导可得：

2π×A×cos(2πf_νt)＝ω＝2π×f_mD

则：

m-signal＝exp(j×2π×f_g/(2πf_ν))

＝exp(j×2π×Α×sin(2πf_νt)/(2πf_ν))

正是本发明模块所要产生的微多普勒调制信号。

本发明模块先依据f_ν的值，将f_ν按照表达式(f_ν/f_s)·2³²(f_s为采样率，2³²中的“32”是代表f_ν输入端口的位数，可依据f_ν端口的位数而进行相应变化)转换为二进制输入累加器得到相位值传给CORDIC模块1，CORDIC模块1产生相应的sin(2πf_νt)正弦值(在本发明中两级CORDIC模块均用旋转模式，即输入若干位二进制作为相位值后，得到对应的正弦值和余弦值，详细原理可参考CORDIC算法的相关文献)。然后利用A和f_ν两个因子对其进行数据调整，即乘以A/f_ν，得到一个乘积。将所得乘积经适当截位后传入除法器转换为相位值，将此相位值传入下一级CORDIC模块2，得到所要求的微多普勒调制信号。

下面以一组简单数据进行详细说明，现取：

α＝0°，α_P＝0°，β＝0°，β_P＝0°，D_ν＝2m，f_ν＝100Hz，fc＝10MHz，以1GHz为采样率，设目标的径向速度为300m/s,则可由公式多普勒频移与径向速度的关系可得，目标径向速度的多普勒频移为10Hz。将相应输据带入公式中可得A＝13.333…，将fv的输入端口设置为32位二进制，A/fv的输入端口设置为10位二进制。因f_ν的输入端口为32位，则可由表达式(f_ν/f_s)·2³²得到f_ν输入端口的真实二进制输入值(这里的f_s为数据采样率，f_ν为目标振动频率)，累加器以此为步进值进行累加，得到的结果进行截位后作为相位值传给CORDIC模块1，CORDIC模块1产生sin(2π×1000×t)的正弦值(16位)后(相当于得到了公式(4)中的sin(2πf_νt)项)，与A×1024/f_ν(十位二进制)进行相乘得到26位二进制有符号数，因为A/f_ν扩大了1024倍以及后一级的CORDIC模块2的相位输入端口设置为十五位，所以要将所得乘积截掉低十一位后，再传入后一级的除法器转换为相位值，传给下一级CORDIC模块2。以下将对为何可以将除法器所得结果作为相位输入到CORDIC模块2作出解释。

因为：

m-signal＝exp(j×2π×Asin(2πf_νt)/(2πf_ν))＝exp(j×(A/f_ν)×sin(2πf_νt))可得相位值为(A/f_ν)×sin(2πf_νt)，但是(A/f_ν)×sin(2πf_νt)所得乘积经截位后所得的十五位有符号二进制数据代表的范围大小为2。虽然后面一级CORDIC模块相位输入端口也为十五位有符号数，但代表的范围大小为2π，所以必须利用除法器将乘积截位后所得结果除以π(即得到了公式(4)中的(A/f_ν)×sin(2πf_νt)项)，方可送入到后一级的CORDIC模块。在后文附图中，可见到该例的MATLAB的仿真图以及modelsim仿真图。注意，该例中，为使仿真图较为明显，所以将D_ν的值设置的偏大。在实际应用中可以根据实际具体需求，在该发明模块结构框架下，可以进行相关参数的更改以及各端口数据位数的更改。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法，该方法包括：一个累加器，两个CORDIC模块和一个数据转换模块，数据转换模块包括乘法器和除法器；累加器用于根据目标振动频率产生相应的相位，CORDIC模块1从累加器接收相位产生相应的正弦值，通过数据转换模块中的乘法器利用已有的目标数据A和目标振动频率f_ν两个因子对CORDIC模块1产生的正弦值进行数据调整，再将调整结果通过除法器转换为相位值，最后通过CORDIC模块2输出微多普勒调制信号。

2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法，其特征在于所述累加器根据输入的频率字产生相应的相位。

3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法，其特征在于所述数据转换模块中乘法器对CORDIC模块1产生的正弦值进行数据调整的方法为将正弦值乘以A/f_ν，再利用除法器将截位后的乘法器结果除以π。

4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的点目标振动微多普勒信号产生方法，其特征在于所述数据转换模块中的乘法器利用的已有目标数据包括：振动点目标相对于雷达的方位角和俯仰角、振动点目标的振动方位角和俯仰角、振动幅度、振动频率、雷达载波单频信号频率。