CN110308427A - 基于fpga的lfm脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法。该方法将LFM脉冲雷达回波采样数据分段进行频域脉冲压缩，最后对各段进行截取拼接得到最终的频域脉压结果。本发明在保证数据处理正确性和实时性的情况下，能够大大节省FPGA的乘法器资源。

Description

基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法

技术领域：

本发明属于雷达信号处理领域，特别是一种基于FPGA的线性调频(LinearFrequency Modulation，LFM)脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法。

背景技术

随着雷达技术的迅猛发展，对雷达系统的作用距离，目标信号的分辨力和测量精度等要求也越来越高。由雷达信号理论可知，雷达的作用距离受发射机峰值功率的限制，需要提高脉冲宽度增大信号能量；信号带宽又决定了雷达的距离分辨率。对于单一载频信号，时宽带宽积接近于1，距离分辨力与作用距离之间存在矛盾。根据匹配滤波器理论，采用基于线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)的脉冲压缩技术，在宽脉冲内实施线性调频来增大信号的频带宽度，从而得到大时宽带宽积的发射信号，对接收的回波信号进行匹配滤波，即脉冲压缩以获得具有较高分辨力的窄脉冲，较好的解决了雷达作用距离与距离分辨力之间的矛盾。

随着雷达探测目标的功能越来越复杂，对雷达信号处理器的硬件结构以及处理速度提出了越来越高的要求。过去单一采用DSP(Digital Signal Processing)芯片实现的雷达信号处理器已经不能满足要求，而FPGA(Field-Programmable Gate Array)不仅体积小，设计灵活，还具有丰富的逻辑资源以及快速的并行处理数据的能力，使其和DSP配合能完成复杂系统的信号处理任务。基于FPGA+DSP的信号处理架构已经成为现在雷达最常用的信号处理架构。FPGA一般用于初级的信号处理如匹配滤波，脉冲压缩，快速傅里叶变换(FastFourier Transformation，FFT)等等；DSP则完成复杂的信号处理如动目标检测,恒虚警检测等等。

基于LFM脉冲波形的脉冲压缩技术能够在确保雷达作用距离的前提下提高距离分辨力，是实现高分辨的有效途径。脉冲压缩是指发射宽脉冲调制信号经过接收压缩处理后获得窄脉冲的过程。脉冲压缩是由数字脉冲压缩滤波器实现的，其本质可描述为有限长单位脉冲响应h(n)与有限长输入信号x(n)的离散线性卷积，假设x(n)为L点，h(n)为M点，则输出序列y(n)可表示为：

在实际应用中，若采用上式的数字脉压时域处理方法，当滤波器的阶数很高，而且信号x(n)是复数形式时，实现脉压过程会消耗FPGA大量的乘法器资源，用FPGA很难实现该处理过程。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法，包括以下步骤：

步骤1、对数字脉冲压缩滤波器系数h(n),进行N点的FFT，得到频域响应H(k)＝FFT[h(n)]；

步骤2、将LFM脉冲雷达回波采样数据s(n)分段得s_i(n)(i＝0,1,2,…)，对各段分别进行N点的FFT,S_i(k)＝FFT[s_i(n)]；

步骤3、将H(k)和S_i(k)进行频域相乘，得到相乘结果Y_i(k)＝S_i(k)*H(k)；

步骤4、对频域相乘的结果Y_i(k)进行逆FFT，得到y_i(n)＝IFFT(Y_i(k))；

步骤5、对y_i(n)各段进行截取拼接得到脉冲压缩结果数据y(n)。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用FPGA+DSP的信号处理架构，保证了信号处理的速度和灵活性；(2)LFM脉冲雷达解决了传统雷达在测距时存在的雷达作用距离和距离分辨力之间的矛盾；(3)数字脉冲压缩采用频域的处理方法，并且采用快速傅里叶变换来执行，节省大量的FPGA硬件资源。(4)采用分段卷积的算法，并且对输出结果进行截取拼接，避免了圆周卷积出现混叠带来的影响。

附图说明

图1是频域脉冲压缩处理流程图。

图2是1个CPI内回波采样数据。

图3是1个PRI内回波采样数据。

图4是脉冲压缩滤波器系数h(n)时域波形。

图5是脉冲压缩滤波器系数h(n)经过FFT后得到的频域响应H(k)。

图6是对图3的1个PRI的数据进行分段后得到的s_i(n)(i＝1,2,3,4)的时域图形。

图7是s_i(n)经过FFT得到的频谱S_i(k)。

图8是S_i(k)与H(k)频域相乘结果Y_i(k)。

图9是Y_i(k)各段经过IFFT得到的频域脉压结果y_i(n)。

图10是y_i(n)各段进行拼接得到最终的频域脉压结果y(n)。

图11是图3中1个PRI的时域脉压结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法，包括以下步骤:

步骤1、对数字脉冲压缩滤波器系数h(n)，进行N点的FFT，得到频域响应H(k)＝FFT[h(n)]具体为：

步骤1-1：确定脉冲压缩滤波器的系数h(n)具体为：

设输入的线性调频信号为s(t)，脉冲压缩滤波器的脉冲响应为

h(t)＝ks^*(t_d-t)

上式中，t_d为脉冲压缩滤波器的延时，K为增益常数。

脉压采用数字滤波器来实现，这时输入信号s(t)需要通过A/D转换器转换为数字信号s(n),假设被压缩信号的脉宽t_p内共有M个采样

M＝t_p×f_s

f_s为A/D的采样率，M也称为滤波器的长度。则脉冲压缩滤波器的脉冲响h(n)表示为

h(n)＝s^*(M-1-n)n＝0,1,2，…,M-1

步骤1-2：确定进行一次FFT或IFFT的点数N具体为：

本发明频域脉冲压缩处理流程图如图1所示，将s(n)分成相等长度的段s_i(n),为了方便做FFT，每段长度取N＝2^k(k取整数)，再将每段s_i(n)与h(n)分别经过N点FFT变换到频域再进行频域脉压。由圆周卷积算法可知，每段s_i(n)频域脉压后得到的脉压数据中只有N-M+1个点不存在混叠。因此要想获得完整连续的卷积结果，对s(n)进行分段时需要将步进设为N-M+1。若N取得很小，s(n)进行分段时步进会很小，分的段数会增多，数据处理的时间变长，从而导致数据处理的实时性变差；若N取得过大，FFT以及之后的逆FFT消耗的乘法器资源会增加。因此N的取值要根据芯片的资源，以及待处理数据的速率来决定，一般满足N>2M,且与M处于同一个数量级。

N确定了以后就可以对滤波器系数h(n)，进行N点的FFT，得到频域响应H(k)＝FFT[h(n)]。

步骤2、将LFM脉冲雷达回波采样数据s(n)分段得s_i(n)(i＝0,1,2,…)，对各段分别进行N点的FFT,S_i(k)＝FFT[s_i(n)]具体为：

由步骤1-2可知每段s_i(n)与h(n)频域脉压后只有N-M+1个点不存在混叠，因此对s(n)进行分段时需要将步进设为N-M+1，即每相邻的两段数据之间存在M-1个重叠的采样点，之后将每段频域脉压后结果舍弃前M-1个值，因为前M-1个值与y_i(n)发生了混叠，不是想要的线性卷积的结果。最后将每段结果的后N-M+1个数据拼接起来，就是想要的最终结果。这里需要对采样数据的开头和结尾部分进行特殊处理，对于开头的第一段数据，由于前面没有信号数据，因此需要在s₀(0)的开头补上M-1个零值，而对于最后一段数据往往会出现不够N个值的情况，这时需要在后面补齐零值。

步骤3、将H(k)和S_i(k)进行频域相乘，得到相乘结果Y_i(k)＝S_i(k)*H(k)；

步骤4、对频域相乘的结果Y_i(k)进行逆FFT，得到y_i(n)＝IFFT(Y_i(k))；

步骤5、对y_i(n)各段进行截取拼接得到脉冲压缩结果数据y(n)具体为：

将y_i(n)各段的前M-1个数据舍弃，将余下的N-M+1个数据拼接起来得到最终的脉冲压缩结果y(n)。

实施例

结合图1，本发明基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法，步骤如下:

仿真条件：带宽B＝40MHz，脉宽T＝32us，脉冲重复周期Tr＝512us的LFM脉冲信号，1个CPI(Coherent Processing Interval)内包含10个PRI(Pulse Repetition Interval)，A/D的采样率为50mhz，每个PRI内采样点数为25600，目标距离10000m，速度1500m/s，信噪比10dB。一个CPI内回波采样数据如图2所示,图3为1个PRI内的回波采样数据。

第一步：

由脉宽T＝32us，A/D采样率为50MHz，可得数字脉冲压缩滤波器的长度M为1600阶，根据发射信号波形生成滤波器系数h(n)如图4所示。进行一次FFT或逆FFT的点数N取为8192，图5为h(n)经过8192点FFT得到的频域响应H(k)。

第二步：

对图3的1个pri内25600点的回波数据进行分段，第一段的开头补上1599个零，每段长度为8192点，步进为6593，一共可以分成4段s_i(n)(i＝1,2,3,4)，最后一段不足8192点用零补齐。接下来对分成的4段做8192点的FFT得到S_i(k)(i＝1,2,3,4)。图6为分段之后s_i(n)的时域图形,图7为s_i(n)的频谱S_i(k)。

第三步：将H(k)和S_i(k)进行频域相乘，得到相乘结果Y_i(k)(i＝1,2,3,4)如图8所示；

第四步：对Y_i(k)各段进行8192点逆FFT，得到y_i(n)(i＝1,2,3,4)如图9所示；

第五步：将y_i(n)各段的前1599个数据舍弃，将余下的6593个数据拼接起来得到最终的脉冲压缩结果y(n)如图10所示。

图11是对图3中的数据进行时域脉冲压缩得到的脉压结果。通过比对，频域脉压与时域脉压结果完全相同，验证了本发明提出的频域脉冲压缩算法的正确性。

本发明的基于FPGA的频域数字脉压处理方法，能够在保证处理速度的前提下大大节省FPGA的乘法器资源；并且该方法采用分段卷积的算法，最后对各段结果进行截取拼接，避免了圆周卷积出现混叠带来的影响。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对数字脉冲压缩滤波器系数h(n)进行N点的FFT，得到频域响应H(k)＝FFT[h(n)]；

步骤2、将LFM脉冲雷达回波采样数据s(n)分段得s_i(n),i＝0,1,2,…，对各段分别进行N点的FFT,S_i(k)＝FFT[s_i(n)]；

步骤3、将H(k)与S_i(k)进行频域相乘，得到相乘结果Y_i(k)＝S_i(k)*H(k)；

步骤4、对频域相乘的结果Y_i(k)进行逆FFT，得到y_i(n)＝IFFT(Y_i(k))；

步骤5、对y_i(n)各段进行截取拼接得到脉冲压缩结果数据y(n)。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法，其特征在于，步骤1中对数字脉冲压缩滤波器系数h(n)进行N点的FFT，得到频域响应H(k)＝FFT[h(n)]的具体方法为：

步骤1-1：确定脉冲压缩滤波器的系数h(n)具体为：

设输入的线性调频信号为s(t)，脉冲压缩滤波器的脉冲响应为h(t)＝ks^*(t_d-t)

上式中，t_d为脉冲压缩滤波器的延时，K为增益常数；

脉压采用数字滤波器实现，此时输入的信号s(t)需要通过A/D转换器转换为数字信号s(n)，假设被压缩信号的脉宽t_p内共有M个采样

M＝t_p×f_s

f_s为A/D转换器的采样率，M为滤波器的长度，则脉冲压缩滤波器的脉冲响h(n)表示为

h(n)＝s^*(M-1-n)n＝0,1,2，…,M-1

步骤1-2：确定进行一次FFT或IFFT的点数N：

将回波采样数据s(n)分成相等长度的段s_i(n),每段长度取N＝2^k，k取整数，再将每段s_i(n)与h(n)分别经过N点FFT变换到频域再进行频域脉压；由圆周卷积算法可知，每段s_i(n)频域脉压后得到的脉压数据中只有N-M+1个点不存在混叠；对s(n)进行分段时将步进设为N-M+1，N>2M，且与M处于同一个数量级；确定N后对滤波器系数h(n)进行N点的FFT，得到频域响应H(k)＝FFT[h(n)]。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法，其特征在于，步骤2将LFM脉冲雷达回波采样数据s(n)分段得s_i(n),i＝0,1,2,…，对各段分别进行N点的FFT,S_i(k)＝FFT[s_i(n)]，具体为：

由步骤1-2可知每段s_i(n)与h(n)频域脉压后只有N-M+1个点不存在混叠，对s(n)进行分段时将步进设为N-M+1，即每相邻的两段数据之间存在M-1个重叠的采样点，之后将每段频域脉压后结果舍弃前M-1个值；最后将每段结果的后N-M+1个数据拼接起来，即得到最终结果；对采样数据开头部分的第一段数据，在s₀(0)的开头补上M-1个零值，对采样数据结尾部分的最后一段数据，在后面补齐零值。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法，其特征在于，步骤5对y_i(n)各段进行截取拼接得到脉冲压缩结果数据y(n)，具体为：

将y_i(n)各段的前M-1个数据舍弃，将余下的N-M+1个数据拼接起来得到最终的脉冲压缩结果y(n)。