CN105158746A - 一种基于fpga的目标旋转微多普勒信号产生方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于FPGA的目标旋转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：根据需要模拟目标的标量角速度通过累加器产生相位信息；将相位信息通过坐标旋转数字计算方法将相位信息转换为正弦和余弦信息；用步骤2获得正弦和余弦信号对模拟的雷达信号进行变化，获得具有旋转微多普勒效应的信号相位信息；最后再通过坐标旋转数字计算方法将该相位信息转换为正弦和余弦信号即具有旋转微多普勒效应的雷达信号。从而具有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的目标旋转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，特别涉及旋转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旋转微多普勒特性的一些不足，本发明提出一种能够模拟目标旋转微多普勒特性的方法,达到实现模块结构简单，易于实现，能够灵活的调整参数，实时的模拟出目标旋转的微多普勒特性的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于FPGA的目标旋转微多普勒信号产生方法,该方法首先根据需要模拟的目标标量角速度对产生需要变化相位,再对该相位转换为正余弦信号，将该正余弦信号对以后的模拟雷达信号进行变化，获得加入了旋转微多普勒效应的信号相位信息，最后将该相位信息转化为正余弦信号，从而实现发明目的。因而本发明一种基于FPGA的目标旋转微多普勒信号产生方法包括：

步骤1：根据需要模拟目标的标量角速度通过累加器产生相位信息；

步骤2：将相位信息通过坐标旋转数字计算方法(CORDIC)将相位信息转换为正弦和余弦信息；

步骤3：用步骤2获得正弦和余弦信号对模拟的雷达信号进行变化，获得具有旋转微多普勒效应的信号相位信息；

步骤4：最后再通过坐标旋转数字计算方法将该相位信息转换为正弦和余弦信号即具有旋转微多普勒效应的雷达信号。

进一步的所述步骤3的具体方法为：

步骤3.1：将步骤2获得余弦信息乘以B，再除以标量的角速度，这个为第1路数据；

其中

其中ω为目标的旋转角速度，r_P表示目标在目标本地坐标系中自身所处的位置，目标的旋转初始欧拉角为

r₃₁＝sin(θ₀)*sin(ψ₀)

r₃₂＝-sin(θ₀)*sin(ψ₀)

r₃₃＝cos(θ₀)

步骤3.2：将步骤2获得正弦信号乘以C，再除以标量角速度，为第2路信号，其中

步骤3.3：将获得第1路和第2路信号进行相加，获得相加信号；

步骤3.4：采用步骤3.1、3.2、3.3相同的方法获得额外两路相加信号；

步骤3.5：将获得三路相加信号，及模拟目标方位角向量进行乘累加运算；

步骤3.6：将步骤3.5的运算结果与A相乘，其中A＝2fΩ/c，f为载波频率，Ω为ω的模值，ω表示目标的旋转角速度，c为光速；

步骤3.7：将步骤3.6的结果进行数据统筹转换，获得相位信息。

进一步的所述步骤3中模拟雷达信号的数据包括：旋转目标相对于雷达的方位角和俯仰角、旋转目标所处方位角和俯仰角、旋转初始欧拉角、角速度、雷达载波单频信号频率、散射中心点相对于旋转中心的位置坐标。

本发明的有益效果是，可以根据旋转微多普勒特性的不同灵活实时地调整参数，模拟出目标在一定范围内不同的旋转微多普勒特性。

附图说明

图1为本发明一种基于FPGA的刚体目标旋转微多普勒信号产生方法的原理框图；

图2为数据转换模块内部组成结构图；

图3为雷达与旋转目标间的几何关系；

图4为微多普勒调制信号实部时域MATLAB仿真图；

图5为微多普勒调制信号虚部时域MATLAB仿真图；

图6为微多普勒调制信号的MATLAB时频分析图。

具体实施方式

如图3，雷达空间固定坐标系是(X，Y,Z),目标本地坐标系(x，y，z)，参考坐标系是(X′，Y′，Z′)平行于雷达空间固定坐标系并位于目标本地坐标系的原点。

目标在雷达坐标系(X，Y,Z)中的方位角和俯仰角分别是α和β，某散射中心旋转初始欧拉角为旋转角速度

则因旋转引起的多普勒频移为：

f为载波频率，Ω为ω的模值， $\stackrel{\→}{n}={\[cos\left(\mathrm{\α}\right)*cos\left(\mathrm{\β}\right)sin\left(\mathrm{\α}\right)*cos\left(\mathrm{\β}\right)sin\left(\mathrm{\β}\right)\]}^T,$

r₃₁＝sin(θ₀)*sin(ψ₀)

r₃₂＝-sin(θ₀)*sin(ψ₀)

r₃₃＝cos(θ₀)

以目标本地坐标系为观察坐标系，当目标围绕轴x、y和z以角速度ω＝(ω_x,ω_y,ω_z)^Τ旋转时，在目标本地坐标系中所表示的位于r_Ρ＝(x_Ρ,y_Ρ,z_Ρ)^Τ处的点散射P将移到参考坐标系中用描述的新位置，并且旋转单位矢量变为

Ω＝||ω||

在时间t旋转矩阵变为

${\widehat{\mathrm{\ω}}}^{\′}=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\ω}}_z^{\′}& {\mathrm{\ω}}_y^{\′}\\ {\mathrm{\ω}}_z^{\′}& 0& -{\mathrm{\ω}}_x^{\′}\\ -{\mathrm{\ω}}_y^{\′}& {\mathrm{\ω}}_x^{\′}& 0\end{array}\right]$

由于公式(1)中所得的是所要产生的调制信号的频率值，由相位与频率的关系以及利用公式(1)的积分得到相位值表达式：

$\stackrel{\→}{n}={\[cos\left(\mathrm{\α}\right)*cos\left(\mathrm{\β}\right)sin\left(\mathrm{\α}\right)*cos\left(\mathrm{\β}\right)sin\left(\mathrm{\β}\right)\]}^T,$

该公式即为该新发明方法中所要用到的基本理论公式。

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以对正余弦值进行一系列转换，(旋转目标相对于雷达的方位角和俯仰角、旋转目标的空间旋转速度、雷达载波单频信号频率在A、B、C、D因子中有所包含，后文会有所详述)。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。

假设雷达载波单频信号频率为1G，且位于(U＝1000m,V＝5000m,W＝5000m)的目标围绕着x、y和z轴以初始欧拉角(θ＝20°，ψ＝20°)和角速度ω＝[π,2π,π]作旋转。假设其中一个散射点的位置为(x＝5m，y＝5m，z＝5m)。

在公式(1)，A＝2fΩ/c，所以A、B、C、D的值可提前通过matlab计算得到，A、B、C、D作为该发明模块的输入值，继而得到相应的调制信号。

在该例中输入的Ω要经过(Ω/2π)×2³²的处理再作为频率字输入模块中，这是因为在表达式(2)中cosΩt和sinΩt是作为角频率值，范围大小为2π，而该模块的频率字输入口为32位，范围大小为2³²。所以要先对Ω进行转换，实现数据的归一化。经归一化后的数据作为频率字输入给相位累加器，累加器输出相应的相位值出输给CORDIC模块1，CORDIC模块输出对应的sinΩt值和cosΩt

该例中在输入值方面，为了在内部数据处理的精确性，对B、C值输入模块同时提前进行了2³²的放大，对D值也同时进行2¹⁶倍的扩大，为了保证数据输出的正确性，在处理过程中，对数据会进行相应的截位。

将得到的cosΩt与B相乘再除以Ω(在该处，Ω为原值)得到行向量b(维数为3)，将sinΩt与C相乘再除以Ω(在该处，Ω为原值)得到行向量c(维数为3)，将b与c相加后再与D相乘，最后再与A相乘。但该处得到的相位值不能直接作为相位值传给CORDIC模块2，因为与A相乘得到的值为真实的相位值，范围为2π，而CORDIC模块2的相位值输入端口为15位，范围为2¹⁵。所以要将与A相乘得到的结果除以2π后再乘以2¹⁵。最后得到的结果作为相位输入值传入CORDIC模块2，从而得到相应的旋转微多普勒调制信号。相关结果请见附图。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的目标旋转微多普勒信号产生方法，该方法包括：

步骤1：根据需要模拟目标的标量角速度通过累加器产生相位信息；

步骤2：将相位信息通过坐标旋转数字计算方法将相位信息转换为正弦和余弦信息；

步骤3：用步骤2获得正弦和余弦信号对模拟的雷达信号进行变化，获得具有旋转微多普勒效应的信号相位信息；

步骤4：最后再通过坐标旋转数字计算方法将该相位信息转换为正弦和余弦信号即具有旋转微多普勒效应的雷达信号。

2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的目标旋转微多普勒信号产生方法，其特征在于所述步骤3的具体方法为：

步骤3.1：将步骤2获得余弦信息乘以B，再除以标量的角速度，这个为第1路数据；

其中

其中ω为目标的旋转角速度，r_P表示目标在目标本地坐标系中自身所处的位置，目标的旋转初始欧拉角为

r₃₁＝sin(θ₀)*sin(ψ₀)

r₃₂＝-sin(θ₀)*sin(ψ₀)

r₃₃＝cos(θ₀)

步骤3.2：将步骤2获得正弦信号乘以C，再除以标量角速度，为第2路信号，其中

步骤3.3：将获得第1路和第2路信号进行相加，获得相加信号；

步骤3.4：采用步骤3.1、3.2、3.3相同的方法获得额外两路相加信号；

步骤3.5：将获得三路相加信号，及模拟目标方位角向量进行乘累加运算；

步骤3.6：将步骤3.5的运算结果与A相乘，其中A＝2fΩ/c，f为载波频率，Ω为ω的模值，ω表示目标的旋转角速度，c为光速；

步骤3.7：将步骤3.6的结果进行数据统筹转换，获得相位信息。

3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的目标旋转微多普勒信号产生方法，其特征在于所述步骤3中模拟雷达信号的数据包括：旋转目标相对于雷达的方位角和俯仰角、旋转目标所处方位角和俯仰角、旋转初始欧拉角、角速度、雷达载波单频信号频率、散射中心点相对于旋转中心的位置坐标。