CN109581316A - 一种雷达极化信息处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达极化信息处理方法，通过探测信号生成步骤、回波信号采集步骤、回波信号预处理步骤、回波信号极化处理步骤、回波信号处理结果显示步骤、FPGA重构步骤实现了雷达极化信息的探测,利用FPGA优秀的可重构特性，可以用一套资源实现两种处理方式，降低了极化信息探测的硬件成本，提升了极化信息探测的效率。

Description

一种雷达极化信息处理方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及对雷达极化信息的处理领域。
背景技术
随着现代雷达技术、信息技术、器件水平的发展和提高，雷达目标极化特性成为继其能量、频率、相位特性之后，雷达信息处理和电子对抗等领域研究的重要对象。如今极化技术已被广泛应用于遥感、机载/星载合成孔径雷达、导弹防御雷达、气象雷达、毫米波制导雷达等系统。极化信息在雷达抗干扰、抗杂波、微弱目标检测、自动目标识别等领域的成功应用证明极化散射矩阵的所有元素都具有应用价值。
FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
对于雷达的极化探测来说，要求雷达只发射一次探测信号即可得到目标的极化回波信号，探测信号往往由两个调制信号相干叠加得到，在接收时，需要利用信号调制的正交性分离出不同发射极化对应的矢量回波信号，进而才能得到完整的目标散射矩阵，现有技术中，主要存在两种极化信息的探测方法，一个是分时极化测量，这种方法测量的雷达只用包含一路发射通道，通过极化选择器来完成不同极化分量的分时发射，这种方法与常规的单天线雷达结构一致，可以有效的利用现有的雷达设备进行探测，节省成本，缺点是极化选择器会引入极化信号的交叉干扰，影响测量的准确性和精度，因此往往用来探测静态目标；还有一种方法是瞬时极化测量方法，这种方法需要包含两路发射、接收通道来进行探测，其优点是获取的极化信息更为准确，精度高，缺点是无法常规雷达设备无法直接利用，造成方法的成本相对较高。当前，两种探测方法往往是独立存在，处理系统都是针对特定的探测方式来设计的，无法做到通用和灵活适配。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、构思巧妙的雷达极化信息处理方法和处理器，通过FPGA自身的灵活性和可重构性，根据实际应用的需求调整处理方式，可以很好的适应不同的测试方法和雷达设备。
本发明通过以下的方案来实现：
一种雷达极化信息的处理方法，包括以下步骤：
探测信号生成步骤：根据探测目标的不同，控制终端选择不同的雷达配置文件，并将配置文件烧入到FPGA的ROM中，雷达运行时，FPGA主控芯片将配置文件加载到高速RAM中，在所述FPGA主控芯片中生成先进先出队列，根据配置文件中的时序参数，将配置文件中的探测信号数据写入到所述先进先出队列中，再经过数模转换后，通过滤波得到探测信号并通过雷达天线进行发射；
回波信号采集步骤：所述FPGA主控芯片控制雷达的天线构成传输通道接收来自目标的模拟回波信号；
回波信号预处理步骤：所述FPGA主控芯片将传输通道采集得到的纵向、横向回波信号进行下变频、累加处理；
回波信号极化处理步骤：将预处理后的回波信号进行模数转换，然后由所述FPGA主控芯片进行加权、合并处理，随后通过先进先出队列缓存到高速RAM中。
回波信号处理结果显示步骤：控制终端通过高速总线读取所述高速RAM中的数据，并进行显示。
FPGA重构步骤：所述控制终端对配置文件进行修改，将配置文件中的工作模式修改为瞬时测量或者分时测量，由所述FPGA主控芯片加载至ROM中，当雷达运行时，将配置文件加载至高速RAM中，所述FPGA主控芯片根据配置文件对FPGA电路进行重构。
进一步，所述配置文件中具体包括：探测信号的波形参数、调频参数、时钟参数、雷达发射功率、发射周期、工作模式等。
进一步，所述根据配置文件中的时序参数，将配置文件中的探测信号数据写入到所述先进先出队列具体包括：需要读取外部的时钟源作为时序参数的基准时钟。
进一步，所述将配置文件中的探测信号数据写入到所述先进先出队列中具体为：当FPGA主控芯片检测到时序参数的上升沿时，才将所述探测信号写入到先进先出的队列中。
进一步，将预处理后的回波信号进行模数转换，然后由所述FPGA主控芯片进行加权、合并处理具体为：步骤A：将数字信号进行抽样和校正；步骤B：将校正后的信号发送给滤波器进行过滤处理；步骤C：将所述回波信号与全零的数据进行积分累加；步骤D：将处理完的数据进行结果校验。
进一步，所述结果校验具体采用基于stocks的矢量校验方法。
进一步，所述将预处理后的回波信号进行模数转换，然后由所述FPGA主控芯片进行加权、合并处理具体包括：所述FPGA主控芯片将所述回波数据与全零的数据进行积分累加。
进一步，所述FPGA主控芯片根据配置文件对FPGA电路进行重构具体为：所述FPGA主控芯片根据配置文件对电路区域重新划分，使之适配新的处理函数，适配完成后，还需要进行在线模拟测试。
进一步，所述控制终端还可以对所述FPGA主控芯片下达复位、断电、中止、采集、处理、保存等指令。
进一步，所述FPGA主控芯片具体为Xilinx公司的Virtex2系列。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
首先，极化信息的测量分为分时和瞬时两种场景和方式，两种方式的应用场景和适用对象并不相同，利用FPGA优秀的可重构特性，可以用一套资源实现两种处理方式，降低了极化信息探测的硬件成本，提升了极化信息探测的效率。
其次，本发明可以根据不同的探测对象、探测场景进行自身的调整，发射不同的探测信号，并进行针对性的回波采集、回波处理，方式灵活、准确。
最后，本发明中涉及的方法具有高度的系统集成性，减少了开发难度，缩短的研发周期。
附图说明
图1是本发明实施例的结构框图；
图2是本发明一实施例的方法步骤图；
图3是本发明一优选实施例的方法步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意的方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
图1是本发明的一个结构框图，雷达目标极化特性的测量是雷达极化领域的基础性问题，如何准确获取目标的极化特征信息，并加以有效利用，长期以来一直是雷达探测技术领域备受关注的前沿问题，提高雷达系统的探测能力，使之能够适应复杂多变的战场环境、具备智能化探测识别能力，成为现代雷达的发展趋势。
近年，FPGA已成为高性能数字信号处理系统中的关键部件，尤其在雷达、数字通讯、网络、视频和图像处理领域。就雷达应用领域而言，FPGA在雷达信号模拟、雷达信号处理和雷达信号采集等方面有着巨大的开发潜能。
然而，在现有技术中，两种主流的极化信息探测方法：分时探测和瞬时探测设备往往是单独设计、开发、应用，进行特征场景下的探测不具备通用性，资源利用率较低。
下面结合具体的实施例来对本发明进行说明。
实施例一：
图2示出了一种本发明方法的步骤图，包括：
一种基于FPGA的雷达极化信息的处理方法，包括以下步骤：探测信号生成步骤：根据探测目标的不同，控制终端选择不同的雷达配置文件，并将配置文件烧入到FPGA的ROM中，雷达运行时，FPGA主控芯片将配置文件加载到高速RAM中，在所述FPGA主控芯片中生成先进先出队列，根据配置文件中的时序参数，将配置文件中的探测信号数据写入到所述先进先出队列中，再经过数模转换后，通过滤波得到探测信号并通过雷达天线进行发射。
优选地，极化是一种电磁波的属性，它可以用来描述电磁波的矢量特征，当被探测目标受到电磁波照射时会出现所谓的“极化效应”，即散射波的极化状态相对于入射波会发生改变，因此，目标的回波信号可以优秀的体现目标的物理特性。对于不同的目标，探测的手段和方式并不同，对于静止的目标，采用分时极化探测可以有很好的效果，而对于移动的目标，瞬时极化探测具有更好的准确性，而这一点是在发射探测信号时就需要确定好的，通过事先将两种探测方式用配置文件配置好的形式来进行定制，可以有效提升雷达的执行效率，当执行不同的探测手段时，加载不同的配置文件就可以了。
优选地，配置文件可以具体包括：所述探测信号的波形参数、调频参数、时钟参数、雷达发射功率、发射周期、工作模式等。其中波形参数具体包括幅度、频率，工作模式包括分时探测模式和瞬时探测模式两种。
同时，还需要设置一个外部的时钟源来为整个FPGA电路提供基准时钟以保证电路的有序运行。优选地，可以选用1GHz的时钟源作为总时钟源，然后根据需要对其进行分频，选择合适的频率作为基准时钟源，本发明对此不作限定。
而先进先出队列是FPGA内部一种常用的资源，可以通过FPGA的制造商提供的配置工具生成相应的先进先出队列，开发者可以根据自身的需要对先进先出队列进行定制，其在FPGA中的作用主要是相当于一个缓冲器和整流器，对FPGA高速读取的数据进行缓存和调整，以适应不同的数据带宽和长度。当FPGA主控芯片检测到时序参数的上升沿时，才将所述探测信号写入到先进先出的队列中。
回波信号采集步骤：所述FPGA主控芯片控制雷达的天线构成传输通道接收来自目标的模拟回波信号。
不同的极化信息探测方式，对于雷达的天线有着不同的需求，对于分时测量来说，因为可以分时段交替的发射和接收横向、纵向信号，因此只需要一根天线就可以实现，可以有效的利用现有的常规雷达设备；而瞬时极化测量来说，因为同一时刻需要发射和接收横向和纵向信号，因此需要两根天线构成正交的传输通道。
回波信号预处理步骤：所述FPGA主控芯片将传输通道采集得到的纵向、横向回波信号进行下变频、累加处理。
优选地，通过下变频，将双天线采集到的信号进行分别处理，进而可以得到回波信号的纵向、横向的极化信息。优选地，为了纵向、横向极化信息的相位和幅度一致，在对极化信息进行信号采集后，通过限长冲击响应滤波器来进行相位和幅度的修正。
回波信号极化处理步骤：将预处理后的回波信号进行模数转换，然后由所述FPGA主控芯片进行加权、合并处理，随后通过先进先出队列缓存到高速RAM中。
如图3所示是本发明优选地一个实施例，所述加权、合并处理具体还包括：步骤A：将数字信号进行抽样和校正；步骤B：将校正后的信号发送给滤波器进行过滤处理；步骤C：将所述回波信号与全零的数据进行积分累加；步骤D：将处理完的数据进行结果校验。
同时，在步骤B中，优选地，滤波器可以选用两个高低频段的梳状滤波器分别过滤纵向和横向的极化信息，以筛除杂乱信号，提升极化信息的精度。
优选地，所述积分累加具体操作为：判断累加的次数是否已经达到预设值，若没有达到，则将本次累加结果进行缓存，等待下一个周期的回波数据到来，并与之进行进一步的累加，直到累加次数达到预设值。
电磁波可以由幅度、频率、相位以及极化等特性参量来进行描述，而杂波和目标的散射回波信号也成为了极化信息的一部分，具体表现为在一个采样周期内，在正常极化信息的周围产生一定的起伏，而stocks矢量可以很好对这种现象进行描述，进而对得到的极化信息进行有效的校验。
回波信号处理结果显示步骤：控制终端通过高速总线读取所述高速RAM中的数据，并进行显示。
PCI总线是很主流的独立于处理器的局部总线，最高传输速率可以达到132MB/s，同时也具备优良的兼容性，可以还可以即插即用，是作为外部板卡连接到主板上的首选，因此，可以优选采用PCI总线来传输数据。
FPGA重构步骤：所述控制终端对配置文件进行修改，将配置文件中的工作模式修改为瞬时测量或者分时测量，由所述FPGA主控芯片加载至ROM中，当雷达运行时，将配置文件加载至高速RAM中，所述FPGA主控芯片根据配置文件对FPGA电路进行重构。
优选地，所述FPGA主控芯片根据配置文件对FPGA电路进行重构具体为：所述FPGA主控芯片根据配置文件对电路区域重新划分，使之适配新的处理函数，适配完成后，还需要进行在线模拟测试。
所述控制终端还可以对所述FPGA主控芯片下达复位、断电、中止、采集、处理、保存等指令。
进一步，所述FPGA主控芯片具体为Xilinx公司的Virtex2系列。
Xilinx公司是全球领先的FPGA解决方案供应商，其提供多种高性能、扩展性强的FPGA芯片，其中Virtex2是该公司的第一代解决方案，框架成熟，价格低廉。
以上描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员应当理解，这仅是举例说明，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种雷达极化信息处理方法，包括以下步骤：探测信号生成步骤：根据探测目标的不同，控制终端选择不同的雷达配置文件，并将配置文件烧入到FPGA的ROM中，雷达运行时，FPGA主控芯片将配置文件加载到高速RAM中，在所述FPGA主控芯片中生成先进先出队列，根据配置文件中的时序参数，将配置文件中的探测信号数据写入到所述先进先出队列中，再经过数模转换后，通过滤波得到探测信号并通过雷达天线进行发射；
回波信号采集步骤：所述FPGA主控芯片控制雷达的天线构成传输通道接收来自目标的模拟回波信号；
回波信号预处理步骤：所述FPGA主控芯片将传输通道采集得到的纵向、横向回波信号进行下变频、累加处理；
回波信号极化处理步骤：将预处理后的回波信号进行模数转换，然后由所述FPGA主控芯片进行加权、合并处理，随后通过先进先出队列缓存到高速RAM中；
回波信号处理结果显示步骤：控制终端通过高速总线读取所述高速RAM中的数据，并进行显示；
FPGA重构步骤：所述控制终端对配置文件进行修改，将配置文件中的工作模式修改为瞬时测量或者分时测量，由所述FPGA主控芯片加载至ROM中，当雷达运行时，将配置文件加载至高速RAM中，所述FPGA主控芯片根据配置文件对FPGA电路进行重构。
2.根据权利要求1所述的雷达极化信息处理方法，所述配置文件中具体包括：所述探测信号的波形参数、调频参数、时钟参数、雷达发射功率、发射周期、工作模式等。
3.根据权利要求1所述的雷达极化信息处理方法，所述根据配置文件中的时序参数，将配置文件中的探测信号数据写入到所述先进先出队列前还包括：需要读取外部的时钟源作为时序参数的基准时钟。
4.根据权利要求1所述的雷达极化信息处理方法，所述将配置文件中的探测信号数据写入到所述先进先出队列中具体为：当FPGA主控芯片检测到时序参数的上升沿时，才将所述探测信号写入到先进先出的队列中。
5.根据权利要求1所述的雷达极化信息处理方法，将预处理后的回波信号进行模数转换，然后由所述FPGA主控芯片进行加权、合并处理具体为：步骤A：将数字信号进行抽样和校正；步骤B：将校正后的信号发送给滤波器进行过滤处理；步骤C：将所述回波信号与全零的数据进行积分累加；步骤D：将处理完的数据进行结果校验。
6.根据权利要求5所述的雷达极化信息处理方法，所述结果校验具体采用基于stocks的矢量校验方法。
7.根据权利要求5所述的雷达极化信息处理方法，所述积分累加具体操作为：判断累加的次数是否已经达到预设值，若没有达到，则将本次累加结果进行缓存，等待下一个周期的回波数据到来，并与之进行进一步的累加，直到累加次数达到预设值。
8.根据权利要求1所述的雷达极化信息处理方法，所述FPGA主控芯片根据配置文件对FPGA电路进行重构具体为：所述FPGA主控芯片根据配置文件对电路区域重新划分，使之适配新的处理函数，适配完成后，还需要进行在线模拟测试。
9.根据权利要求1所述的雷达极化信息处理方法，所述控制终端还可以对所述FPGA主控芯片下达复位、断电、中止、采集、处理、保存等指令。
10.根据权利要求1所述的雷达极化信息处理方法，所述FPGA主控芯片具体为Xilinx公司的Virtex2系列。
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