CN108594197A

CN108594197A - 一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法

Info

Publication number: CN108594197A
Application number: CN201810675350.6A
Authority: CN
Inventors: 谢仁宏; 乔帅; 王丽妍; 芮义斌; 李鹏; 郭山红; 仇雯; 王丙休
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: CN108594197B

Abstract

本发明公开了一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法，所述方法包括以下步骤：首先高速ADC模块接收雷达中频回波信号，并对其进行数字化处理，获得中频数字回波信号；接着FPGA模块对中频数字回波信号进行数字正交下变频处理，采集基带数据并将其存储于DSP的EMIF外扩存储器；然后DSP模块获取上一步存储的基带数据，之后根据基带数据求取加权系数，并将加权系数存储于DSP的EMIF外扩存储器；最后FPGA模块从DSP的EMIF外扩存储器读取加权系数，并根据加权系数对中频数字回波信号进行数字正交下变频处理，获得加权后的基带数据，实现自适应距离幅度加权。本发明能保证强杂波区域回波定点处理不溢出，提高远距离弱杂波区域的杂波基底，进而提高雷达的检测和虚警性能。

Description

一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法

技术领域

本发明属于地面活动目标侦察雷达数字信号处理领域，特别是一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法。

背景技术

地面雷达的目标回波中含有较强的地物杂波，对雷达的信号处理系统提出了更高的要求，开展地面目标侦察雷达的信号处理算法及实现研究，对提高地面侦察雷达的目标检测性能具有重要意义。

在地面雷达的信号处理过程中，FPGA一般都采用定点处理，这样无法适应地物回波的大动态范围。为了解决这个问题，通常会在FPGA信号处理过程中采取距离幅度固定加权的方式，但固定地物分布是随方位变化的，固定加权方法在不同方位上的处理会使性能有比较大的损失；而另外一种方法提出在FPGA处理过程采用浮点数来进行处理，这样可以保证数据较大的动态范围，但会大大提高数据运算量，需要更多的资源，同时不利于FPGA的实时处理。因此很有必要设计地面雷达自适应距离幅度加权方法，根据不同方位、不同距离地物回波功率大小来动态设置距离幅度加权特性，提高地面雷达的目标检测性能。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种地面雷达自适应距离幅度加权系统，包括高速ADC模块、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块、时钟模块、电源模块。

所述高速DAC模块的输入端与FPGA模块相连；所述高速ADC模块的输出端与FPGA模块相连；FPGA模块通过EMIF总线接口和GPIO接口与DSP模块相连；所述时钟模块与高速ADC、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块均相连；所述电源模块与高速ADC模块、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块均相连；

所述高速DAC模块，用于将FPGA产生的中频信号转化为模拟信号；

所述高速ADC模块，用于对雷达信号中的中频信号进行数字化处理；

所述FPGA模块，用于实现正交下变频、自适应距离幅度加权；

所述DSP模块，用于读取FPGA存储的数据并实时求取加权系数；

所述时钟模块，用于为高速DAC模块、高速ADC模块、FPGA模块、DSP模块提供工作时钟；

所述电源模块，用于为高速DAC模块、高速ADC模块、FPGA模块、DSP模块提供工作电压。

一种基于地面雷达自适应距离幅度加权系统的方法，包括以下步骤：

步骤1、高速ADC模块接收雷达中频回波信号，并对雷达中频回波信号进行数字化处理，获得中频数字回波信号；

步骤2、FPGA模块对所述中频数字回波信号进行数字正交下变频处理，之后采集P个基带数据并将采集到的P个基带数据存储于DSP的EMIF外扩存储器；

步骤3、DSP模块获取DSP的EMIF外扩存储器中存储的基带数据，之后根据P个基带数据求取加权系数，并将加权系数存储于DSP的EMIF外扩存储器；

步骤4、FPGA模块从DSP的EMIF外扩存储器读取加权系数，并根据加权系数对所述中频数字回波信号进行数字正交下变频处理，获得加权之后的基带数据，从而实现自适应距离幅度加权。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)本发明能实现自适应加权处理，适应性广；2)本发明的系统结构简单，容易实现；3)本发明的方法数据量小，资源占有率低；4)本发明处理速度快，可以实现实时处理。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明地面雷达自适应距离幅度加权系统框图。

图2为本发明地面雷达自适应距离幅度加权方法流程图。

图3为本发明实施例地面雷达自适应距离幅度加权方法流程图。

图4为本发明数字正交下变频处理框图。

图5为未进行自适应距离幅度加权的距离-多普勒三维图。

图6为进行自适应距离幅度加权的距离-多普勒三维图。

具体实施方式

本发明一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法，通过测量固定地物回波的距离-幅度特性，计算距离-幅度加权系数，从而实现随地物环境自适应调整的距离-幅度加权处理。

结合图1，本发明一种地面雷达自适应距离幅度加权系统，包括高速ADC模块、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块、时钟模块、电源模块；

高速DAC模块的输入端与FPGA模块相连；高速ADC模块的输出端与FPGA模块相连；FPGA模块通过EMIF总线接口和GPIO接口与DSP模块相连；时钟模块与高速ADC、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块均相连；电源模块与高速ADC模块、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块均相连；

高速DAC模块，用于将FPGA产生的中频信号转化为模拟信号；

高速ADC模块，用于对雷达信号中的中频信号进行数字化处理；

FPGA模块，用于实现正交下变频、自适应距离幅度加权；

DSP模块，用于读取FPGA存储的数据并实时求取加权系数；

时钟模块，用于为高速DAC模块、高速ADC模块、FPGA模块、DSP模块提供工作时钟；

电源模块，用于为高速DAC模块、高速ADC模块、FPGA模块、DSP模块提供工作电压。

FPGA模块内部设置一片双口RAM区，作为DSP的EMIF外扩存储器，用于FPGA与DSP之间的数据交互。

结合图2，本发明基于地面雷达自适应距离幅度加权系统的方法，包括以下步骤：

步骤1、高速ADC模块接收雷达中频回波信号，并对雷达中频回波信号进行数字化处理，获得中频数字回波信号。

步骤2、FPGA模块对所述中频数字回波信号进行数字正交下变频处理，之后采集P个基带数据并将采集到的P个基带数据存储于DSP的EMIF外扩存储器。

假设雷达在目标检测周期共发射N个脉冲，在目标检测周期之前还有M个参数设置周期；其中目标检测周期为用于目标检测的所有重复周期。

FPGA模块是在M个参数设置周期内采集基带数据并将基带数据存储于DSP的EMIF外扩存储器，不同时间的基带数据表示与雷达之间距离不同的物体。具体为：

在参数设置周期，先将加权系数初始化为1，之后以发射脉冲的上升沿为时间基准，设定采集基带数据的起始点为每个重复周期的t₁(us)时刻，采集基带数据的结束点为t₂(us)时刻，则采集基带数据的时间长度为：

△t＝t₂-t₁

设基带数据的采样频率为f_s(MSPS)，则采集、存储的基带数据个数P为：

P＝f_s·△t。

步骤3、FPGA通过GPIO接口产生中断信号之后，DSP模块获取DSP的EMIF外扩存储器中存储的基带数据，之后根据P个基带数据求取加权系数，并将加权系数存储于DSP的EMIF外扩存储器。其中DSP模块是在M个参数设置周期内对加权系数进行求取及存储。

根据P个基带数据求取加权系数，具体为：

步骤3-1、将P个基带数据等分成组数据，每组基带数据的个数N'为:

N'＝f_s·△t'

式中，△t为基带数据采样时间长度，△t'为自定义的时间间隔，f_s为基带数据的采样频率；

步骤3-2、将每组基带数据的绝对值进行排序，假设排序的结果为|D₁|≥|D₂|≥|D₃|≥...≥|D_N'|；

步骤3-3、将排序结果中的最大值|D₁|剔除，并对剩余的N₀个基带数据的绝对值求平均，所用公式为：

式中，|D_i|为第i个基带数据的绝对值，N₀<N'-1；

步骤3-4、求取加权系数，具体为：

假设基带数据为n位二进制有符号整数，则加权系数求取公式为：

在放大基带数据幅度的同时，不能使数据饱和，否则会在数据饱和的时间内导致无法检测目标，降低雷达的目标检测性能。同时为了简化设计，把加权系数表示为2的整数次幂，则将上述加权系数进行简化：

依次计算每个△t'时间内加权系数，并将个结果放到EMIF扩展存储单元中。

步骤4、FPGA模块在目标检测周期中每个重复周期内的t₁时刻开始，按自定义的时间间隔△t'从DSP的EMIF外扩存储器读取加权系数，并根据加权系数对所述中频数字回波信号进行数字正交下变频处理，获得加权之后的基带数据，从而实现自适应距离幅度加权。

参数设置周期结束后，在每个目标检测周期，按照之前存储的距离-幅度加权系数对数字下变频后的数据进行相同的处理，在一个积累周期内，固定使用同一种距离-幅度加权特性。在下一个积累周期再重新测量固定地物回波的幅度-距离特性，自适应调整距离幅度加权特性，从而实现随地物环境自适应调整的距离幅度加权处理。

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

结合图1，本发明地面雷达自适应距离幅度加权系统，包括高速ADC模块、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块、时钟模块、电源模块；

高速DAC模块，用于将FPGA产生的中频信号转化为模拟信号；

FPGA模块，用于实现正交下变频、自适应距离幅度加权；

DSP模块，用于读取FPGA存储的数据并实时求取加权系数；

本实施例中，高速ADC模块选用TI公司的16bit双通道高速ADC芯片ADS42JB69-250，其最高采样速率可达250MSPS，采用JESD204B数据接口。FPGA模块采用Xilinx公司高性价比的K7系列芯片XC7K410-1TFFG900I。为了实现快时间维数据的按距离单元整序，PFGA片外扩展2片4M×36bit的SSRAM缓存GS81280Z36GT-250I。DSP模块DSP采用TI公司的高性8核定点/浮点数字信号处理芯片TMS320C6678，其外扩4片2Gb DDR3动态RAM缓存，组成128M×64bit缓存。

雷达信号波形采用大时宽和小时宽两种LFM信号相组合的复合脉冲波形，以实现雷达的远、近程探测需要。雷达的脉冲重复周期为150us，包括21us的发射时间和129us的接收时间。雷达在目标检测周期共发射1536个脉冲，在检测周期之前还有3个参数设置周期。“检测周期”这里是指用于目标检测的所有重复周期，对于本系统就是1～1536个重复周期；“参数设置周期”是指雷达系统用于参数测量、参数设置的重复周期，其收发控制及工作方式与目标检测周期相同，但是这些重复周期不用于目标检测，本系统有3个参数设置周期。

结合图2、3，本发明地面雷达自适应距离幅度加权方法的具体实现为：

1、高速ADC模块接收雷达中频回波信号，并对雷达中频回波信号，进行数字化处理，获得中频数字回波信号。

2、结合图4，FPGA模块对所述中频数字回波信号进行数字正交下变频处理，之后在3个参数设置周期采集P个基带数据并将采集到的P个基带数据存储于DSP的EMIF外扩存储器。在参数设置周期，先将加权系数初始化为1，之后以发射脉冲的上升沿为时间基准，本实施例中设定采集数据的起点为t₁＝21us，采集数据的结束点为t₂＝81us，则采集数据的时间长度为：

△t＝t₂-t₁＝60us

采集数据的时间长度可以根据雷达的工作距离和工作场景设定。设基带数据的采样频率为f_s＝15MSPS，可以选择f_s＝M·B，其中B为信号带宽，M为正整数，则采集、存储的基带数据个数P为：

P＝f_s·△t＝900

由于基带数据的I路和Q路的幅值基本相等，为了简化设计，只存储I路数据。

3、FPGA通过GPIO接口产生中断信号之后，DSP模块获取DSP的EMIF外扩存储器中存储的基带数据，之后在3个参数设置周期内根据900个基带数据求取加权系数，并将加权系数存储于DSP的EMIF外扩存储器。

根据900个基带数据求取加权系数具体为：

(1)将900个基带数据等分成组数据，每组基带数据的个数N'为:

N'＝f_s·△t'＝15

式中，△t为基带数据采样时间长度，△t'为自定义的时间间隔，f_s为基带数据的采样频率；本实施例中取△t'为1us；

(2)、将每组基带数据的绝对值进行排序，假设排序的结果为|D₁|≥|D₂|≥|D₃|≥...≥|D₁₅|；

(3)、将排序结果中的最大值|D₁|剔除，并对剩余的N₀个基带数据的绝对值求平均，所用公式为：

式中，|D_i|为第i个基带数据的绝对值，N₀<N'-1；本实施例中取N₀＝3，且具体是对第2次大值、第3次大值、第4次大值求平均；

(4)、求取加权系数，具体为：

假设基带数据为n位二进制有符号整数，本实施例中取n＝16，则加权系数求取公式为：

将上述加权系数进行简化：

DSP模块将求取的加权系数存储在DSP的EMIF外扩存储器；

4、FPGA模块在目标检测周期按△t'＝1us的时间间隔从DSP的EMIF外扩存储器读取加权系数，并根据加权系数对所述中频数字回波信号进行数字正交下变频处理如图4所示，获得加权之后的基带数据，从而实现自适应距离幅度加权。

图5为未进行自适应距离幅度加权的距离-多普勒三维图，而图6为进行自适应距离幅度加权之后的距离-多普勒三维图。从图中可以看出，未进行自适应距离幅度动态加权之前，远区噪声基底在0dB左右，数值较小，在目标检测时会极大的增加虚警概率，降低目标检测性能；而在进行自适应距离幅度加权之后，噪声基底达到了40dB左右，会明显地提高检测性能。结果表明了这种自适应距离幅度加权方法的正确性。

本发明针对目前FPGA定点数据处理过程中，无法适应地面雷达地物回波大动态范围的问题，提出了一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法，本发明可以在保证强杂波区域回波定点处理不溢出的情况下，同时提高远距离弱杂波区域的杂波基地，从而提高雷达的检测性能。

Claims

1.一种地面雷达自适应距离幅度加权系统，其特征在于，包括高速ADC模块、高速DAC模块、FPGA模块、DSP模块、时钟模块、电源模块；

所述FPGA模块，用于实现正交下变频、自适应距离幅度加权；

所述DSP模块，用于读取FPGA存储的数据并实时求取加权系数；

2.根据权利要求1所述的地面雷达自适应距离幅度加权系统，其特征在于，所述FPGA模块内部设置一片双口RAM区，作为DSP的EMIF外扩存储器，用于FPGA与DSP之间的数据交互。

3.一种基于权利要求1或2所述系统的地面雷达自适应距离幅度加权方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的地面雷达自适应距离幅度加权方法，其特征在于，步骤2中所述FPGA模块采集P个基带数据并将P个基带数据存储于DSP的EMIF外扩存储器，具体为：假设雷达在目标检测周期共发射N个脉冲，在目标检测周期之前还有M个参数设置周期；其中目标检测周期为用于目标检测的所有重复周期；

FPGA模块是在M个参数设置周期内采集P个基带数据并将P个基带数据存储于DSP的EMIF外扩存储器，具体为：

在参数设置周期，先将加权系数初始化为1，之后以发射脉冲的上升沿为时间基准，设定采集基带数据的起始点为每个重复周期的t₁时刻，采集基带数据的结束点为t₂时刻，则采集基带数据的时间长度为：

△t＝t₂-t₁

设基带数据的采样频率为f_s，则采集、存储的基带数据个数P为：

P＝f_s·△t。

5.根据权利要求4所述的地面雷达自适应距离幅度加权方法，其特征在于，不同时间的基带数据表示与雷达之间距离不同的物体。

6.根据权利要求4所述的地面雷达自适应距离幅度加权方法，其特征在于，步骤3中所述DSP模块对加权系数进行求取及存储具体为：

DSP模块是在M个参数设置周期内对加权系数进行求取及存储。

7.根据权利要求3所述的地面雷达自适应距离幅度加权方法，其特征在于，步骤3所述DSP模块获取DSP的EMIF外扩存储器中存储的基带数据具体为：

FPGA通过GPIO接口产生中断信号，之后DSP模块获取DSP的EMIF外扩存储器中存储的基带数据。

8.根据权利要求3所述的地面雷达自适应距离幅度加权方法，其特征在于，步骤3所述根据P个基带数据求取加权系数具体为：

N'＝f_s·△t'

式中，|D_i|为第i个基带数据的绝对值，N₀<N'-1；

步骤3-4、求取加权系数，具体为：

将上述加权系数进行简化：

9.根据权利要求4或8所述的地面雷达自适应距离幅度加权方法，其特征在于步骤4所述FPGA模块从DSP的EMIF外扩存储器读取加权系数具体为：FPGA模块在目标检测周期中每个重复周期内的t₁时刻开始，按自定义的时间间隔△t'从DSP的EMIF外扩存储器读取加权系数。