CN108919200A - 一种基于fpga的任意雷达波形在线设计方法 - Google Patents

一种基于fpga的任意雷达波形在线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于FPGA的任意雷达波形在线设计方法，上位机101根据设置的雷达波形参数，生成零频信号波形数据，并通过网络发送给发射波形存储器102，发射波形存储器102的数据经过上变频模块103提升至中频发射信号，并输出至雷达发射模块，实现任意波形生成。上位机101生成脉冲压缩系数的频域数据，通过网络存储至脉冲压缩系数存储器104，脉冲压缩模块105根据脉冲压缩系数存储器104的值对雷达回波进行脉冲压缩，其中脉冲压缩模块使用了优化结构的频域脉冲压缩算法，降低硬件消耗，以低延迟，高吞吐量的方式完成脉冲压缩。

Description

一种基于FPGA的任意雷达波形在线设计方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别是雷达波形在线更改设计方法。
背景技术
传统的雷达发射波形设计需要根据应用要求和场景设计优化，脉冲宽度，信号带宽，信号形式一般是固定的。然而根据实际的雷达安装场地的不同以及同一部雷达面对不同的应用需求(比如海浪测量，溢油检测)，固定的发射波形设计往往无法满足所有的应用需求。在某些安装场地，比如对于有补盲脉冲的雷达，如果安装场地离需要观测的区域较远，此时补盲脉冲不但无用，还占用发射时序。此时固定的发射波形无法合理的利用雷达能量，充分发挥雷达效能。
对于脉压体制雷达，改变信号形式的同时需要脉冲压缩滤波器的系数也需要随之更改。根据脉冲压缩理论：
h[n]＝x[n]·w[n]
其中，y[n]为脉冲压缩滤波器输出，x'[k]为雷达回波数据，h[n]为对应的脉冲压缩滤波器系数，x[k]为波形零频IQ数据，w[n]为匹配网络加权序列。上述公式也可以使用频域计算：
y[n]＝IFFT(FFT(x'[k])·FFT(h*[n-k]))
设x'[k]的长度为M,h[n]长度为N，频域计算脉冲压缩FFT点数需要大于等于M+N-1。如果雷达探测范围较大，则回波数据x'[k]较长，则M较大，因此需要使用大点数的FFT实现频域脉冲压缩。传统的频域脉压使用的是固定点数的FFT频域脉压算法，对于大点数的FFT处理，不仅消耗处理资源，同时处理时间也会大大增加。
上述问题可以通过重叠相加法解决，重叠相加法的FFT点数仅需不小于两倍的滤波器长度即可，与处理的数据长度无关。然而重叠相加法需要对处理数据补N个零，降低处理速度，形成数据流的延迟间隔，导致算法无法实时流水处理。
发明内容
本发明的目的在于设计一种应用于雷达信号处理当中的基于FPGA的任意雷达波形在线设计方法，提供一种优化结构的频域脉冲压缩方法，本方法使用重叠相加法计算，通过优化结构提高算法处理的吞吐量，减少资源消耗和处理时间，为在线更改雷达波形提供了一种更好的信号处理解决方案。
实现本发明目的的技术解决方案为：
1、通过上位机界面设计波形，并将零频波形数据发送给FPGA；FPGA将零频波形数据上变频至中频，并用DA转换成模拟信号，通过TR组件发射出去。
2、雷达接收通道中，AD转换器采集TR的下变频信号，其中AD转换器应满足带通采样定理。FPGA获取AD数据后，完成正交下变频，将数据下变频至零频信号。其中下变频滤波器带宽和抽取值，满足系统设计波形的最大带宽。
3、假设脉冲压缩滤波器h[n]长度为N，上位机对h[n]进行2N点的FFT得到H[W]，并通过网络将H[W]发送给FPGA，FPGA将系数存入RAM当中。
4、在FPGA中构建两个包含2N点FFT、乘法器和2N点IFFT的通路，下变频数据按照N个数据点分段，每段数据乒乓送入这两个通路中：先将下变频的数据流的N个数据流水送入第一个处理通路，当N个数据处理进入FFT模块后，该通路接下来的N个数据输入数据置0，同时将下变频数据的接下来的N个数据流水送入第二个处理通路中。当N个数据输入第二个通道的FFT模块后，第一个通路处理的数据为N个下变频数据和N个零，即完成了对第一个通道的补零操作。此时再将下变频数据接下来的N个数据流水送入第一个通路中，第二个通道数据输入数据置0。当第一通道输入N个需处理的数据后，此时第二个通道数据为N个回波数据和N个零，即完成了对第二个通道的补零操作。重复这个乒乓过程，直至所有的需要处理的数据都处理完成。根据过程可以看出整个过程为流水乒乓操作，无补零延时，可以实时流水处理雷达回波数据。
5、上述步骤中的第一通道和第二通道各自的2N个FFT输出与RAM中存储的2N个脉冲压缩系数对应相乘，之后执行2N点IFFT。对于第一通道和第二通道的IFFT输出直接相加即可得到最终的脉冲压缩输出y[n]。脉冲压缩结果可输出至后续雷达相参处理。
通过实施上述本发明一种基于FPGA的任意雷达波形在线设计方法，具有以下技术效果：
1、使用优化结构的脉冲压缩模块大大减少了硬件消耗和处理延迟，实现对雷达回波数据流水处理的频域脉冲压缩方法。
2、由于波形数据和脉冲压缩系数是由上位机产生并发送给FPGA的，因此本发明可以根据雷达安装场地和应用需求，实时的改变雷达波形参数，合理利用雷达能量。
附图说明
图1整体结构图；
图2发射通路示意图；
图3接收通路示意图；
图4优化结构的重叠相加法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
1)发明的整体结构示意图如图1所示，包括了雷达的发射通道和接收通道，实现了任意波形生成了和对相应波形回波的脉冲压缩处理。
2)如附图2所示，上位机将零频IQ数据X(n)通过网口发送至FPGA，FPGA将发射波形的零频IQ数据存入RAM中，在下一个雷达周期读取RAM中的数据并通过上变频模块至中频，由DA转换为模拟信号，信号经过TR，天线发射出去。
3)如附图3所示，AD转换器采集TR输出的下变频模拟信号，经过数字正交后进行数字下变频，其中数字下变频的抽取值与滤波器带宽应该根据雷达最大需要的带宽和采用率决定。具体而言，如果AD采样率是200MHz，雷达信号最大带宽是40MHz，则抽取率应不大于4，滤波器通带带宽不小于40MHz。
4)假设所有应用波形中最长的脉冲压缩滤波器h[n]长度为N，上位机对h[n]补0至2N，然后做2N点的FFT得到H[W]，并通过网络将H[W]发送给FPGA，FPGA将系数存入ram当中。
5)如附图4所示，在FPGA中构建两个2N点FFT模块(FFT1,FFT2)、乘法模块(MULT1和MULT2)和2N点IFFT(IFFT1,IFFT2)通路，两个通路的FFT，乘法器，IFFT模块均工作在与数据流相同的时钟下。下变频数据按照N个数据分段，每段乒乓送入这两个通路中：先将下变频的数据流的N个数据流水送入第一个处理通路FFT模块FFT1，模块FFT1输出当前输入数据的索引值XN_INDEX1，当XN_INDEX1等于N时，将模块FFT1输入置0，XN_INDEX1随着时钟继续增加，同时当XN_INDEX1等于N时，启动第二路的FFT模块FFT2，并将下变频数据输入模块FFT2中，模块FFT2输出当前输入数据的索引值XN_INDEX2，当XN_INDEX2等于N时，此时输入模块FFT1的数据为N个下变频数据和N个0，共2N个数据，XN_INDEX1此时值为2N。进一步将下一个N点数据输入FFT1模块，FFT2模块的输入置0，当XN_INDEX2等于2N时，FFT2模块的输入为N个下变频数据和N个0。XN_INDEX1此时值为N。实现对FFT1和FFT2的乒乓操作，每一路的数据均为N个下变频数据和N个0，均完成了补0操作。重复上述步骤，直至整个雷达回波数据处理结束。
6)如附图4所示，上述FFT1模块，FFT2模块按照自然顺序输出2N个FFT的值，并由XK_INDEX1,XK_INDEX2给出输出结果的索引，乘法模块根据XK_INDEX1,XK_INDEX2将FFT1和FFT2的输出与上位机发过来的2N个脉压系数相乘完成乘法操作，乘法模块的输出送入IFFT1和IFFT2模块中，并将IFFT1和IFFT2的输出结果相加，即可得到最终的输出结果y[n]。并将最终结果通过网络发送给上位机进行后续的相参处理。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的任意雷达波形在线设计方法，其特征在于：
(1)、通过上位机界面设计波形，并将零频波形数据发送给FPGA；FPGA将零频波形数据上变频至中频，并用DA转换成模拟信号，通过TR组件发射出去；
(2)、雷达接收通道中，AD转换器采集TR的下变频信号，其中AD转换器应满足带通采样定理；FPGA获取AD数据后，完成正交下变频，将数据下变频至零频信号；
(3)、假设匹配滤波器长度为N，则需要做2N点的FFT；在FPGA中构建两个2N点FFT、乘法器和2N点IFFT通路，原始数据按照N个数据为一组乒乓送入这两个通路中：先将下变频的数据流的N个数据流水送入第一个处理通路，当N个数据进入FFT模块后，该通路接下来的N个数据输入数据置0，同时将下变频数据的接下来的N个数据流水送入第二个处理通路中；当N个数据输入第二个通道的FFT模块后，第一个通路FFT处理的数据为N个下变频数据和N个零，即完成了对第一个通道的补零操作；此时再将下变频数据接下来的N个数据流水送入第一个通路中，第二个通道数据输入数据置0；当第一通道输入N个需处理的数据后，此时第二个通道数据为N个回波数据和N个零，即完成了对第二个通道的补零操作；重复这个乒乓过程，直至所有的需要处理的数据都处理完成；根据过程可以看出整个过程为流水乒乓操作，无补零延时，可以使用重叠相加法实时流水处理雷达回波数据；
(4)、上述步骤中的第一通道和第二通道的2N个FFT输出与RAM中存储的2N个脉冲压缩系数对应相乘，之后执行2N点IFFT；对于第一通道和第二通道的IFFT输出直接相加即可得到最终的脉冲压缩输出y[n]；脉冲压缩结果可输出至后续雷达相参处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的任意雷达波形在线设计方法，其特征在于：所述的脉冲压缩系数的生成需要满足：假设脉冲压缩滤波器h[n]长度为N，上位机对h[n]补零至长度为2N，进行2N点的FFT得到H[W]，并通过网络将H[W]发送给FPGA，FPGA将系数存入RAM当中。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于FPGA的任意雷达波形在线设计方法，其特征在于：所述下变频滤波器带宽和抽取值设计，满足系统设计波形的最大带宽。
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