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米波MIMO雷达脉冲孔径合成算法研究及FPGA实现

xl46512 2012-05-08 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《米波MIMO雷达脉冲孔径合成算法研究及FPGA实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文米波MIMO雷达脉冲孔径合成算法研究及FPGA实现姓名:付朝伟申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:刘峥摘要I符等。

西安电子科技大学硕士学位论文米波MIMO雷达脉冲孔径合成算法研究及FPGA实现姓名:付朝伟申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:刘峥摘要II摘要米波MIMO雷达是源于MIMO通信系统的一种新体制雷达具有较高的探测性能和良好的“四抗”特性。其信号处理系统特别是脉冲/孔径合成处理是区别于其它雷达系统的关键所在。本文根据米波MIMO雷达的基本原理以FPGADSP组成的综合处理插件板为平台对系统的实现进行了研究。首先对一种典型的米波MIMO雷达SIAR的基本原理做了介绍在此基础上具体讨论了接收波束形成、脉冲/孔径合成、积累等算法的原理并进行了仿真验证。其次简单介绍了雷达信号处理总机的构成并详细描述了以FPGA为主DSP芯片为辅的综合处理板的组成。最后根据信号处理机接收的原始数据的格式和时序以及综合插件板的资源对综合处理过程的整体工作流程进行了规划。随后完成了两个关键模块接收DBF和脉冲/孔径合成的FPGA实现并且给出了ModelSim仿真结果与Matlab处理结果进行对比验证了设计的正确性。关键词:米波MIMO雷达波束形成脉冲/孔径合成DSP处理平台FPGAAbstractIIIAbstractMeterwaveMIMORadar,anewkindofradarsystemwhichcomesofMIMOcommunicationsystemisofhi}ghperformanceontargetdetectingandtrackingalongwith”fourcounteraction”capability.Thesignalprocessingsystem.especiallythepulseandaperturesynthesisprocessingsubsystemisthekeydifferencefromothertraditionalradarsystem.ThepaperisastudyonimplementationofthesystemontheFPGADSPbasedhardwareplatformsaysynthesisprocessingboardaccordingtotheessentialtheoryofmeterwaveMIMOradar.Inthepaper,thebasicconceptsandprinciplesofSTAR,atypicalkindofmeterwaveMIMOradar,areintroducedinbrieffirstly.AndsomesignalprocessingalgorithmincludingthemethodofreceiveDBF,impulseandaperturesynthesis(Dmatchedfilteringtechnique)andcoherentintegrationarediscussedandsimulated.ThenthestructureofsignalprocessorisintroducedinbriefandthesynthesisprocessingboardbasedmainlyonFPGAandsupplementedbyDSPisdescribedindetail.Lastly,theoverallworkflowofsynthesisprocessingboarddependendonthedataflowreceivedandtheresourcespossessedispresented.Furthermorewedesignedsomekeymodules.such嬲receiveDBF,impulse/aperturesynthesisandsomeessentialinterfacemodules.ToverifythevalidityofthedesignthesimulationusingModelSimsoftwareisimplementedanditsresultisprocessedandcomparedinMatlabwhichillustratesthee虢ctivenessoftheFPGAmodules.Keywords:MeterwaveMIMOradarDBFSynthesisprocessingDSPhardwareplatformFPGA西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切的法律责任。本人签名:年越鲷仁日期丝:!:銎.西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名:导师签名:日期之翌!竺:f:兰三第一章绪论第一章绪论.米波MIMO雷达系统概述现代雷达正面临着四大威胁【l捌即隐身技术、反辐射导弹(ARM)、综合电子干扰(ECM)和低空突防。而一种源于MIMO通信系统思想的新体制雷达米波MIMO雷达的引入提高了雷达的探测能力和雷达的“四抗"特性A】。米波MIMO雷达源于MIMO通信系统为多发多收雷达发射的信号波形具有多样性非相干或者正交。这样可以获得波形分集增益并且可以发射全向信号有效增大空间探测范围是一种典型的四维(距离、方位、仰角、速度)多功能(警戒和跟踪)MIMO雷达qs。而作为米波MIMO雷达的一种典型实现稀布阵综合脉冲孔径雷达即SIAR(Sparse.arraySyntheticImpulseandApertureRadar)其基本原理最早在年就由法国航空航天研究局提出来在多个部门的共同协作下经过十多年的努力研制成功了一个实验系统并在实验系统上验证了SIAR的基本原理。该体制的雷达采用米波波段发射、接收均为大型稀布天线阵列各个全向发射的天线发射经过正交编码的信号。现代隐身技术无论是形体隐身还是涂覆隐身对波长长的雷达(如米波雷达)效果不明显fJ因而米波MIMO雷达系统具有很好的反隐身性能而采用稀布阵则一定程度上克服了米波雷达角分辨率低的固有缺点保证所需的角分辨率。作为米波MIMO雷达的一种具体体制综合脉冲与孔径雷达(STAR)的基本思路为:多个全向天线阵列单元分别同时发射不同载频的宽脉冲信号使各天线信号相互正交在接收端收到的目标回波信号可通过三维匹配滤波得到窄脉冲并形成发射方向图。从原理上讲各发射单元发射常载频脉冲信号但当发射振元数较少时为了保证一定的距离分辨能力各发射单元发射信号的脉冲宽度不能太宽从而使雷达的威力受到限制。为了在保证一定距离分辨力的前提下提高雷达的威力经研究表明各发射单元也可以发射宽脉冲即时宽带宽积大于的信号若作适当波形优化也能使各发射信号相互正交(或近似正交)pJ。可以看出与常规雷达相比SIAR最显著的特点是:发射的信号正交从而不会在空间相干叠加形成方向图并且可以在接收端将各个发射天线发射的信号分离可以在接收端通过计算进行发射波束形成。由于以上的特点使SIAR具有了以下的优点。由于发射的信号为“全向发射”无需波束扫描因而可以实现长时间相米波MIMO雷达脉冲/孔径合成算法研究及FPGA实现干积累具有高的信号检测能力和良好的速度分辨力从而对于同样的作用距离要求的发射功率较小隐蔽性好不易被侦查。由于接收、发射波束形成均为在接收端通过DBF技术计算实现所以比较灵活可以同时形成与接收数字波束形成(DBF)相匹配的多个发射波束能同时检测和定位的目标数多能真正实现同时搜索和跟踪功能。与常规“宽发窄收”的雷达体制相比SIAR在接收端可获得等效发射方向图因而在波束意义上讲相当于可获得“双程”方向图降低了方向图的旁瓣提高了角分辨能力和测角精度。从以上优点可以看出稀布阵综合脉冲孔径雷达确实有助于提高雷达的检测能力和“四抗"特性。.米波MIMO雷达信号处理概述米波MIMO雷达系统在发射系统中通过对各个无方向性辐射单元的信号编码使得在具有大型天线阵特性的同时又能保证对全空域的各向同性照射.(全向发射)在接收系统中再根据编码分解出各个辐射阵元辐射的能量分量通过空间设置的单元做时延校正使各个信号分量重新相干组合而得到目标回波的窄脉冲(接收端进行发射波束形成同时完成脉压)。其信号处理与常规阵列天线的雷达具有相似的过程即:回波信号专中频正交采样专接收DBF脉冲/孔径合成(发射DBF脉冲压缩)专多普勒滤波/积累(包络补偿积累)CFAR)点迹处理专终端监控专选择跟踪目标。其中发射和接收系统完成信号的编码和发射回波信号的接收和中频正交采样形成各种时序和控制信号接收机校正以补偿各个接收机的相对初相从而有利于完成DBF。信号处理分系统分为搜索和跟踪两个通道。接收路原始回波I/Q数据及各种时序和控制等信号完成从接收DBF到点迹处理的搜索和跟踪处理。对于搜索通道又分为两个阶段。综合处理阶段完成CFAR以前的信号处理而点迹处理阶段则完成野值剔除、滤波和凝聚等数据处理【。终端监控系统完成雷达系统工作流程的控制和目标信息的显示。在实现该系统进行数字信号处理时有三种方案即使用ASIC/FPGA、DSP和CPU。DSP芯片也即通用数字信号处理器具有可编程性。它针对数字信号处理的特点对硬件结构进行了特殊的设置是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。CPU也称为微处理器在控制和其它通用功能方面比较强。第~章绪论经常与一些外围器件如存储器等相连构成主机板再配以适当的操作系统和软件很适合处理需要可视化、存储管理、进程管理的系统具有很强的交互性。在集成电路领域专用集成电路(ASIC)被认为是一种为专门目的而设计的集成电路是指因特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。FPGA可以认为是作为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。一般通过原理图、HDL对数字系统建模运用EDA软件仿真、综合生成基于一些标准库的网络表配置到芯片即可使用。它与ASIC的区别是用户不需要介入芯片的布局布线和工艺问题而且可以随时改变其逻辑功能使用灵活。可以看出主机板、DSP处理器实际上都是借助于智能芯片设计软件来完成算法的实现即“软件”的方法利于实现复杂的串行算法。而ASIC或者FPGA是利用硬件电路完成算法的实现所以在灵活性、实时性和并行性方面有很大的优势。特别是随着FPGA的发展FPGA内部集成了专用DSP模块和高速通信模块同时提高了数据的处理能力和吞吐量使得FPGA成为高性能数字信号处理的核心解决方案之一。作为一个大型的雷达系统米波MIMO雷达应用到了各种数字信号处理的实现方法。本文将主要研究在FPGA平台上实现部分雷达信号的处理算法。.研究内容及论文结构本文根据当前国防科技和雷达技术的需要以米波MIMO雷达为基础研究系统的工程实现。论文的主要内容安排如下:第一章简单介绍本论文所研究的雷达体制米波MIMO雷达系统的基本概念和其信号处理的基本流程及实现方法说明了论文的结构。第二章介绍了米波MIMO雷达的工作原理及回波信号的处理流程。首先以SIAR为例对米波MIMO雷达的工作原理做了详细的介绍与仿真说明其次对搜索阶段雷达回波信号的处理算法包括脉冲/孔径合成、波束形成、相干积累做了详细的阐述。第三章介绍了米波MIMO雷达系统的硬件平台。首先介绍整个信号处理总机的结构其次详细阐述综合处理分机的结构以及各个板卡的功能和硬件平台的设计。米波MIMO雷达脉冲/孔径合成算法研究及FPGA实现第四章讨论了在以FPGA为主DSP为辅的综合插件板上实现搜索过程中的综合处理。完成两个关键模块接收波束形成和脉冲/:fL径合成处理的设计和验证。第二章米波MIM雷达基本原理第二章米波MIMO雷达基本原理.引言常规相控阵雷达各个天线发射同频率的射频信号。由于频率相同信号会在空间叠加形成“相干斑”。在远场各个信号叠加形成平面波波前垂直于发射方向。为使该方向信号能量最强首先对每个发射阵元的信号乘以对应的权值调整各发射信号的相对初相以补偿各个信号传播过程中由于波程差带来的延时从而在该方向上信号相干叠加形成峰值。当变换另一组权值时便会在另一个方向发射的信号能量最强这样便形成了波束的扫描。然而随着空间目标密集度的增加和目标机动性的增强直接用发射波束进行扫描的阵列系统越来越显示出其不足之处。米波MIMO雷达各个天线系统发射正交编码频率调制的脉冲信号使信号在空间为非相干叠加从而各个方向辐射的功率为各个发射阵元之和即保证对整个空间的各向同性辐射。在接收端(可以是单一的接收站)综合出发射波束方向图并且同时完成脉冲的合成即将脉冲和方向图的合成融合在一起进行。可以在接收端进行信号处理同时形成多个波束充满想要监视的整个空间。由于可以“长相干积累"可以利用这个优势得到高的速度分辨率对目标进行精细的多普勒分辨。雷达回波的处理由信号处理和数据处理组成。信号处理是对回波信号进行目标检测的一系列处理并得到过门限的点迹信息而数据处理则根据一定准则完成对点迹信息的处理。本部分将以米波MIMO雷达的一种具体的体制SIAR为例研究其不同于常规相控阵雷达的信号处理技术。.SIAR基本原理SIAR的基本思路m:()在发射系统中通过对各个无方向性辐射单元的信号正交编码使得在具有大型天线阵特性的同时又能保证对全空域的各向同性照射()在接收系统中根据编码分解出各个辐射阵元辐射的能量分量通过空间设置的单元做时延校正使各个信号分量重新相干组合而得到目标回波的窄脉冲用以检测目标并对目标信息做出估计。!鲞选丛!坚Q重垄壁!!盟丝鱼堕蔓垫型塞丝!!鱼皇塞堡~.正交编码设SIAR发射阵为圆阵孔径为m有个发射阵元。任意两个发射单元i,i发射的信号为最O)最O)。到达空间任意~点的信号为咒O一‘)氏一fJ)。要满足正交性即要求:£s。“一t溉qti)at=|i()设各发射单元发射常载频脉冲信号:s。U)=rect(t)exp(j口At)其中包络为哪={艺纛托包络延时龇延时差t一。忽略不计则有:e晶(P虬(’o冲:广Ⅲof)exp【口』(fr,){expIjnfOfJ"r出:rect(tf)expjtc(f一f)r)】expJ‘r加腑=expjn(ff一n)】CM(ff)exp【口“一L)t)at=expjF(Lr一f,r,)FFT{rect(tf))。(^一ex一【:一(‘q一ft)】!:i!!:笋ex一【:z(』一正)(萼r)可见只要对于任意的l』qf(不同的时延代表了空间不同的位置)使群j删j第二章米波MIMO雷远基本原理{删{娜“月州口(=乱自:)Ⅲ棚“々目。堡骂苎!‘竺!军竺’罂罂翌图,其它不同方向的发射信号可见不同于常规相控阵雷达那样不同方向发射的信号波形相似只是幅度和初相不同。SIAR发射的信号各个方向能量相同但波形完全不同.并且只有特定的方向为“窄”脉冲其它方向都是“宽”脉冲。.发射波束形成分析上面给出的发射波形各阵元发射的波形为咒O)rect(f)exp(jrf,t)远场只有一个特定的方向发射的信号叠加形成了“窄”脉冲且幅度很大。对比常规相控阵的发射波束形成进行研究。波束形成属于空域滤波它与时间域滤波相似。是对空域的采样数据做加权求和处理目的是增强特定方向的功率实现方向角的选择。直观上解释各个阵元发射的信号初相相同.但各阵元发射的电磁波向某个方向传播时到达该方向波前处时有不同的延时。如果时延差为信号相干叠加会形成“波峰”合成波的幅度最大能量最强。如果时延差刚好附加度的相位则会形成“波谷”。所以我们在发射时就对各阵元发射的信号乘以一组相位困子对其初相进行调整.使其刚好补偿掉传播过程中的时延差那么信号在该方向上传输时能量便会加强其它方向便会减弱从而形成方向图改变权矢量便可以进行波束扫描。由于SIAR系统发射的是频率已知的Ne个正交信号所以在接收端完全可以分离出各发射天线对应的发射信号。如果调整它们之间的迟延时间那么发射米波MIMO雷达脉冲/孔径合成算法研究及FPGA实现的信号就能叠加形成大振幅的窄脉冲这等效于在发射端进行波束形成。从而就有了在接收端完成发射波束形成的特点。具体过程如图.所示。习调整曰狮ur发射波束综合..脉冲合成和匹配滤波图.发射波束形成框图对比步进调频信号天线发射一串宽脉冲每个重复周期载频步进跳变对N个重复周期的信号进行合成处理后便会将宽脉冲压缩为大幅的窄脉冲。而SIAR的各个天线发射的信号是步进跳变的相当于步进调频信号不同重复周期的信号同时发出。根据匹配滤波理论对合成信号进行合成处理后也会综合出“窄’’脉冲。设天线阵如图.所示:图.SIAR天线阵远场处有一目标T其仰角为够方位角为目标距阵中心的距离为R。这样由目标T反射到处的信号为:.聆=唧一墨刀/c一%)。中L忍蚴。甲(腆)。舟z疋(万一oF陇./q()进行中频正交采样乃=石=芴品歹=去Nm乃re=qNe,得:肼(刀)荟比甜。互%c一%)eXp(jrckaf’力互)(.)鼻=UI一.exp一jrfk(勖/c)cxp(jnAOToOEk)/C】其中Ts为采样间隔B为合成信号总带宽Tc为脉冲宽度Nm为脉宽内的第二章米波MIM雷达基本原理采样点数。远场情况下各发射信号的包络延时近似相等(窄带)。所以有:乃=删假一勖)喇砒鲈醒)州础磊锄】。砌碱.一。巨)/cj(.)根据匹配理论匹配滤波器的系数为乃(n)=ayr(吲%)。此处令口=】no=。匹配滤波器输出为:ST(n)=yr(n)厅(刀)=片“)厅(一刀)=Yr()Y'r(n)!啦^锄一』.=r()"“功=。y。ru)"u功(.)NmIrr善y’争删’等棚)铆’一专’OIl』』o由于P胁I鲈嵋=PjukAf.知匆=eXp(.’Jrave砌)=eXp(娶lVm砌)所以艺蜥(州百.COTJN厶eIP吖钒印zAOT,,OE,cI()ISr(n)l=l蜥(刀’百J厶PJ丽“P印圮I’上.)k=O写成矩阵形式嘲得I母伽)l=lhr写(刀)lI/r矽耳(刀)I。其中W=lP一惫掣lP一套掣枷一急掣x砌)P一’赢一砌一’P一穗掣州lP一熹c丁Ne!P一尝等胁()=diag(ejfoOT.OEo圮e/石fm..IOT帕Eqc)(.)=IIlll】N.x()一'中’一一’一】()=【孵(n半)yr(n竿)Yr(n半)】T()lslsls可以看出匹配滤波器可以分为三部分即:W耳)(FFT频分多路).【形耳(")】(相位补偿)专{【形耳(疗)】>(求和)这个过程跟上节介绍的发射波束形成过程一致。所以说SIAR在脉冲合成的同时也完成了孔径的合成。对应不同方向发射的合成信号的波形是截然不同的根据匹配滤波理论匹配滤波器h(n)=口s‘仰一no)不同方向需要的滤波器也不同。所以米波MIMO雷达脉冲/孔径合成算法研究及FPGA实现SIAR的匹配滤波为时空三维的匹配。需要说明的是合成的三个步骤(频分调相求和)只是理论上解释了脉冲和孔径合成的过程实际工程实现时只需设计一个匹配滤波器通过时域卷积或者频域相乘即可完成合成处理。假设信号为理想信号参数设置如下:中心频率:fo=IOOMHz脉宽:Te=us脉冲重复周期:袱r=lms各阵元载频:丘=五Gaf频差:Af=KHz频率编码:C。=一:目标信息(方位。俯仰.。距离.km速度m/s)利用Matlab进行仿真验证可以得到脉冲合成的效果如下图所示:第路扫薯收机收到的回、瘛距离黼元表雨积rn)趔辎图.第路接收机接收的回波信号合茹放隗结果未匹配处理结果距跏距狲图.脉冲合成处理结果其中左图用的是与(方位。俯仰.。)匹配的滤波器右图用的是与(方位。俯仰.。)匹配的滤波器。蔓三芏鲞堡!!些重垄至查堕型!.接收波束形成与多普勒滤波上面讨论的只是单个天线的脉冲吼径合成过程。在实际工作中SIAR采用收发分置的天线阵。接收阵由Nr个天线组成。所以可以进行接收波束形成从而形成双程方向图降低旁瓣。接收波束形成类似于常规相控阵.权向量计算时所需的频率选用信号中心频率fo。同时注意接收DBF的方向要与脉冲合成时的方向一致。脉冲孔径合成处理结果DBF脉冲合成处理结果曩i:o垂oIJ一一一oL一一覃J一一善再三瓣一I一一o:潮:车距离/km圈.台成处理结果根据模糊函数的定义使目标信号通过了一组匹配在不同多昔勒频率和方向上的输出响应的组合我们可以得到时空三维的模糊函数。距离一方位模糊图距离一俯仰模糊圈一|囝.单十天线台成娃理的模糊圈旷jr杠l旷Lj巾jr扯}nnOnnnn型罂晕西!!堡丝墅!坚Q堂些壁韭盟丝鱼堕整鲨堡塞墨!堕!塞堡距禹一方i寝瑚目蕾离~俯仃疃糊圈皑馨蔓图多路天线DBF后做合成处理的模糊目俯仰匹配距离和方位不匹配得出距离方位模糊图方位匹配距离和俯仰不匹配.得出距离方位模糊圈。图.是单个接收天线做合成处理的模糊图.图为进行DBF后进行匹配滤波的模糊图。可以看出由于进行了DBF后再作合成处理.相当于形成了双程方向图.对旁瓣的抑制很有益。多普勒滤波.也是脉冲相干积累的过程。是对相干脉冲串的不同脉冲重复周期同一距离单元的信号进行快速傅立叶变换(FF耵或FIR滤波处理。可以完成以下几个功能:)实现目标信号脉冲之间的相下积累提高信噪比。)从频域完成目标的分离同时完成目标的测速。)完成地杂波的抑制实现杂波与目标的分离。需要注意的是由于SIAR的特点.我们可以进行长相干积累.提高多普勒分辨率。由于积累时间较长.快速运动目标的包络移动较大将会跨越距离单元为了进行有效积累可以对目标的包络移动进行补偿以提高积累的性能。包络补偿须通过一线性相位全通(或近似全通)滤波器相位特性的斜率与须补偿的延迟差相适应。.信号处理流程仿真对本雷达来讲.信号处理系统是核心也是区别于别的雷达的关键。本雷达采用数字信号处理机.进行处理的信号是经过零中频采样的数字信号。由于米波MIMO雷达是四坐标雷达可以用来测量目标距离、方位、俯仰、速度四维信息又可以真正实现边搜索边跟踪。所以信号处理系统主要包括目标搜索和目标跟踪两大模块。发射机发射的信号为长脉冲组短脉冲组。发射阵元先发一组长脉冲然后蔓三兰鲞墼!!塑重垄墨查堕堡竖发一组短脉冲然后长脉冲组、短脉冲缀。短脉冲纽期间各发射单元发射常载频脉冲信号为了保证一定的距离分辨能力各发射单元发射信号的脉冲宽度不能太宽这样雷达作用距离受到限制。为了在保证一定距离分辨力的前提下提高雷达的威力各发射阵元发射一组线性调频信号(长脉冲)经适当波形优化.长脉冲问相互正交(或近似正交)嘲。由于发射机发射信号时接收机处于闭锁期所以短脉冲组也起到对长脉冲“补盲”的作用。所以要完成对整个空间的搜索.需要处理“长脉冲组短脉冲组”的一次回波数据我们称之为一个CPl。短脉冲组完成对近区的搜索。长脉冲组完成对远区的搜索。选择合适的参数如脉冲长度一个脉组的脉冲个数脉冲重复周期调频率等使得满足系统工作的需要。此外.为了取得好的性能对随机天线阵列和发射信号的频率编码进行优化。在这里我们选择如下参数仿真:阵元为随机圆阵有个接收天线和个发射天线。天线阵元示意图如下图所示:。避图收发阵元示意图(一)图收发阵元示意图(二)其中图为三维图圈的左图为侧视图右囤为俯视图短脉冲组:米波MIMO当选脉冲盯L径台成算法研究及FPGA实现中心频率:fo=lOOMHz脉宽:Te=us脉冲重复周期:PRT=Ims各阵元载频:^=工qv频差:vKHz频率编码:C州】长脉冲组:中心频率:^=MHz脉宽:Te=us脉冲重复周期:朋r=ms各阵元载频:^=foq矿频差:Ⅳ=lKHz调频带宽:B=KHz频率编码:o=:积累脉冲数为。可以看出发射信号的带宽为吼。=KHz选取采样间隔Ts=lus为了仿真测试.我们分别选取了一些用于长脉冲和短脉冲检测的目标信息。根据脉冲重复频率我们可以得出长脉冲组可以测得的最大不模糊速度为m/s盲区为kin.最大不模糊距离为kmi短脉冲组可以测得的最大不模糊速度为m/s盲区为km最大不模糊距离为km:所以设置目标信息如表所示:表目标信息目标信息方位(度)俯仰(度)距离岫)速度(nVs)选择DBF和脉冲孔径合成的方向为(=。p=.。)。对该雷达的工作流程进行仿真如下。接收机接收的回波信号如图所示(选择信噪比s^幔=一IOdb)。!!!!!竺!!!!!。要!兰篓坚!!坚型!!!苎L一一一}{黼誊籼圈短脉冲期间接收机的回波信号图长脉冲期问接收机的回波信号{g口#《儿经过接收DBF后的结果:合成处理结果:刘孳距离/kin图短脉冲DBF结果接收DBF”m结粜接收DBF"理结*(归一化)图长脉冲DBF结果P巨j葛^口nP丘离^口m圈短脉冲合成处理结果型喜芒咖枷瑚o.世晕S强划~米波MIMO前j占酥冲孔径合成算注研究及FPGA实现多普勒滤波结果&处理站粜音成*船目m离km*离^罔l长脉冲合成处理结果图短脉冲积累结果图长脉冲积累结果通过仿真分析可得t虽然匹配滤波器是对准(日=’p=.。)方向的但是由于波束有一定的宽度.(=。p=I‘)方向的目标也会被检测出来。通过以上处理确实可以得出目标的信息。.本章小结本章首先以SIAR为例对本论文的研究所依据的雷达体制的基本原理和信号处理算法做了详细的介绍并对回波直接做脉冲台成和先进行DBF后做脉冲合成两种方法得到的距离方位模糊图和距离俯仰模糊图做了比较。此外还对脉冲合成的匹配与失配的情况做了比较验证由结果可咀看出当DBF、脉冲合成的系数与目标方位匹配时很大地提高了信噪比提高了目标的检测概率。其次针对雷达系统实际工作时发射长、短脉冲组两种情况的信号处理流程包括接收波束形成脉冲孔径合成和相干积累等算法做了仿真和分析有助于了解整个雷达系统的工作流程为后续章节介绍的系统工程实现提供了理论支持。同时也有助于分析为实现该雷选系统要实施的算法的复杂度和要处理的数据量及吞吐率要求。使得我们在设计硬件平台时有据可依也为我们对FFGA处理结果进行分析和对比提供了参考。螋第三章综合处理硬件平台的设计第三章综合处理硬件平台的设计.引言在上一章介绍了米波MIMO雷达的工作流程和部分信号处理算法并且给出了Matlab仿真。数字信号处理机是该系统的核心也是有别于其它传统体制雷达的体现所以信号处理机的实现也较为复杂一共需个分机完成。每个分机又分为多个功能模块在不同平台上实现。综合处理算法中数据量很大再加上雷达信号处理实时性的要求我们将主要采用一些高端的FPGA利用其极高的并行性和高度的灵活性【的优点在“硬件”上实现其中一些算法并由DSP或者主机板辅助完成。本章将介绍雷达信号处理机的总体构成并详细介绍综合处理分机中综合处理板的具体硬件结构。.雷达系统组成及功能描述米波MIMO雷达是一个边搜索边跟踪雷达。目标搜索和目标跟踪处理为同时并行处理。目标搜索处理的主要任务是对想监测的空间进行扫描进而发现目标并较粗略地计算出目标的参数发给终端系统。终端系统根据需要将需要跟踪的目标信息发送至跟踪处理模块跟踪处理模块从接收机获取当前回波数据并对目标信息进行高精度的测量并将测量结果送至终端回显与此同时搜索模块不断地对空间进行搜索。..雷达系统的结构该雷达系统主要分为搜索、跟踪两个处理通道。搜索又包括信号处理(接收DBF脉冲/孔径合成积累CFAR)和数据处理(数据融合点迹处理)。信号处理系统的基本时钟和脉冲同步信号如一个CPI开始标志长短脉冲标志工作状态等均来自于雷达系统的时序控制部分。跟踪处理的信号处理流程与搜索处理相似主要通过DBF对估计的目标区域进行跟踪并对目标进行精确测高、测角。对于本系统来说信号处理系统主要完成以下功能即接收来自M个接收通道的原始视频回波I/Q信号、各种时序和控制信号监视度(方位)度(仰角)的空域形成M个堆积波束。对于某一波束指向经DBF后合成为一个米波MIMO雷达脉冲/孑L径合成算法研究及FPGA实现波束通道每一个波束通道内进行相应的脉冲/孔径合成积累、目标检测、点迹凝聚等处理完成目标的距离、方位、仰角、速度参数的测量(速度为模糊速度由终端处理模块解算出目标真实径向速度)同时对多批目标进行精跟踪处理。为了控制系统的工作模式和监控系统的运行状态信号处理系统还具有系统主要功能模块的静态检查功能以及系统正常工作时的动态故障定位功能信号处理系统还可以将原始视频、系统BIT、点迹处理结果(含距离、方位、俯仰、速度参数)等信息通过网络接口输出到终端系统。其信号处理流程的原理图如图.所示:图.信号处理机原理图根据以上信号处理流程图介绍雷达信号处理机的整体结构和工作流程。整个雷达系统由发射/接收系统一个数据接口分机信号处理分系统终端系统监控系统几部分组成。发射/接收系统按照设计好的雷达工作参数发射脉冲组接收回波信号并进行中频正交采样。数据接口分机负责产生整机时序如系统时钟、重频、大CPI、中CPI、小CPI、长短脉冲标志等并将前端天线接收机的采样数据整理打包送给信号处理分系统进行数字信号处理。监控系统负责控制和监视系统各部分的工作时序监测各模块是否工作正常并与终端系统通信。终端系统是可视化的可以交互地控制和观察各个模块的工作状况、信号处理模块的处理结果、选择跟踪目标等。系统框图如图.所示:可以看出信号处理分系统由两个综合处理分机一个跟踪处理分机一个点迹处理分机组成。分系统的各个分机内均有一块配有嵌入式操作系统的Vxworks主机板J。操作系统支持进程的调度和存储器的管理支持CPCIll】协议支持网络的各种协议使得对任务的管理和控制变得很容易。再编写一些运行在操作系统上的用户程序即可完成雷达系统的诸多功能。如雷达工作模式的选择发射接收校正系数的存取各个分机处理结果的上传通过CPCIt】协议控制分机内的各个插件板等。对网络的支持使得各分机可以通过网络相互传输信息使得信息得以共享。终端系统和监控系统可以发送一些控制信息给各个分机。在分机内各个插件板利用FPGA实现CPCI接口模块使得各个处理板成为主机板的CPCI插件板并且支持“热插拔”。所以可以通过CPCI协议由主机板控制完成信息第三章综合处理硬件平台的设计的交换。各个插件上的FPGA又支持其它高速数据接口所以分机间还可以通过其他协议完成数据的传输。如综合处理分机可以将处理结果通过光纤传送至点迹处理分机进行处理。图.米波MIMO雷达系统结构框图信号处理分系统几个分机间通过光纤接口进行数据传输分机内部通过CPCI接口进行数据传输与控制。综合处理分机主要要完成回波数据的前期信号处理工作包括数字波束形成、通道校正、自适应旁瓣对消、自适应频率选择、脉冲/孔径合成、多路包络补偿、相参与非相参积累、恒虚警检测等并将结果做打包处理通过光纤口送至点迹处理分机点迹处理分机对点迹信息进行处理并初步确定目标的距离、方位、俯仰、多普勒频率四维信息并进行单脉冲测角进一步精确目标的角度信息由主机板通过通过网络上传到终端计算机处理显示终端收到点迹信息后将目标的点迹根据位置与速度做相应的外推运算将预测的目标特性送至跟踪分机跟踪分机则根据预测的目标所在的方位、俯仰信息将天线指向对准目标位置根据距离信息确定波门对接口分机送来的回波数据做信号处理及点迹数据处理进行目标的跟踪与精确测量。..综合处理分机硬件架构上一节从整体上简述了米波MIMO雷达系统的构成。本节将重点介绍信号处理分系统的综合处理分机的结构。综合处理分机接收已经数字化的原始视频回波的I、Q信号主要完成从接收DBF到CFAR的整个信号处理过程并打包送出点迹。综合处理分机采用基于CPCI标准总线的U标准机箱。CPCI总线标准是年由PICMG(PCIIndustrialComputerManufacturer’sGroup“PCI工业计算机厂商联盟’’)提出的与PCI总线兼容并增强了PCI系统在米波MIMO雷达脉冲/孔径合成算法研究及FPGA实现电信或其它条件恶劣的工业环境中的可维护性、可靠性及数据通讯能力具有更好的机械特性和更多的扩展I/O可以自动识别板卡并自动配置系统资源很容易实现即插即用。CPCI板卡遵从Eurocard工业标准定义了U(ramXmm)和U(.mmXmm)两种板尺寸。U高度是满足位CPCI总线要求的最小尺寸U的尺寸是为了满足信号线外扩的需要以及板上器件空间外扩的需要。CPCI使用符合IEC.国际标准的高密度气密式针孔连接器其背板连接器共有个插座Jl~J。规范只定义了J和J的信号线管脚U的CPCI板包括了Jl和J的插座而J~J插座仅仅包含在U的CPCI板上其信号定义由用户自定义。每个机箱配有电源模块、一块系统板(VxWorks主机板)和若干个外围板卡(综合处理板插件)。主机板执行系统的初始化负责管理分机中的每一个插件为所有的插件板提供仲裁、时钟分配和复位等功能。真正的雷达信号处理功能在综合处理板插件中实现。每块综合处理板结构如图.所示。插件主要由片FPGA和一片DSP组成。在其中一片FPGA中实现CPCI总线协议的接口定义Jl、J的信号而CPCI协议的J接口自定义为高速接口与第一块FPGA连接J则连接了块FPGA引出的一些特殊用途的管脚从而使综合处理板成为一个U标准的CPCI外围插件。DSP芯片主要计算一些系数如自适应旁瓣相消的系数等辅助块FPGA完成诸如接收波束形成脉冲合成多普勒滤波恒虚警检测等信号处理。另外考虑到处理过程中数据量大的特点为每个综合处理板配备了多个存储块。其中FLASH可以提供通用DSP的程序存储或各种数据表格系数的存储SDRAM与TS的并行数据总线连接位宽bit构成DSP的一个外置大容量缓存区可以存放DSP的计算结果S洲与第一块FPGA相连提供数据输入/输出的缓存可以构成成乒乓结构第二、三块FPGA还连接有支持DDR的高速大容量SDRAM用作数据的缓存。第三章综合处理硬件平台的设计h曲t簟f薯嚣竺m‰。:詈::昌岫。。“量EPSEllJ一:托LbitLV唪Tro臣盈lI。I.。一一硅Joi型型。”c。Jlt圈,综合处理插件板结构图时钟模块利用晶振和可编程时钟芯片产生DSPSDRAM和各块FPGA所需的各种时钟。另外三个FPGA之间通过一些总线如高速LVDS总线普通的TTL总线相互连接。第一块FPGA和DSP通过簇总线连接而第二、三块FPGA则通过链路口与DSP相连。通过这些总线使插件内的各个处理器之间交叉连接方便了数据的共享和通信.提高了个处理嚣之间的协作性。下面简介插件板中即将用到的一些处理器芯片及其相关的资源。()ADSP"ISl芯片结构介绍DSP芯片选用ADI公司的高性能数字信号处理器ADSPTS。它的内核工作频率高达MHz有非常宽的存储器宽度是一款性能极高的静态超标量处理器专门对丈的信号处理任务和通信结构进行了优化。TS由DSP内核内部总线和片内存储器接口三部分组成。DSP内核主要包括了双运算块。职整型ALU致据对齐缓存器程序控制器中断控制器等。双运算块可以相互独立或一块工作支持SIMD引擎支持多种数据格式(bit浮点bit浮点bit、bit、bit、bit的定点)。包括一个寄存器组和个相互独立的运算单元即ALUCLU乘法器和移位器。取整型ALu除了可以对寄存嚣一米波MIMO雷达脉冲/孔径合成算法研究及FPGA实现器加载和用于数据的传输外还可以执行通用的整数操作。所以在运算密集型的情况下可以用来运算。TS片内拥有Mbit的eDRAM分为个Mbit的块。每个存储块与处理器内部条bit宽的总线交叉连接。该连接提供了很高的存储器带宽使DSP能够在一个周期内完成个bit的核内传输。以上结构使得DSP每周期能够执行多达条指令同时提高了I/O带宽与处理器性能比(BPR)。TS有专门的I/O处理器用于控制I/O的访问可以是内核控制也可以是DMA方式。片上的DMA控制器拥有个DMA通道提供无处理器核干预的零开销数据传输。外部簇总线可以被配置为bit或bit支持可编程的流水协议和慢速协议。同时提供了专门的SDRAM控制器实现了DSP与标准SDRAM的无缝接口。个链路口则提供了额外的bit全双向IO能力以双倍速率锁存数据执行点对点的数据传输。()FPGA结构介绍综合处理板最主要的算法和控制都是用FPGA实现的。根据数据吞吐量运算量和算法实现的复杂性FPGA选用ALTERA公司提供的StratixIIGX系列EPSGXl和片StratixIII系列的EPSEll芯片。FPGA(FieldProgrammableGateArray)即现场可编程门阵列它是在可编程阵列逻辑PAL(ProgrammableArrayLogic)、门阵列逻辑GAL(GateArrayLogic)、可编程逻辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)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(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)领域中的一种半定制电路而出现的具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。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。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输入输出模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。能完成任何数字器件的功能上至高性能CPU下至简单的系列电路都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木工程师可以通过传统的原理图输入法或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。通过EDA软件(如ModelSim)仿真我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后还可以利用FPGA的在线修改能力随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路可以大大缩短设计时间减少PCB面积提高系统的可升级性和可靠性。Stratix系列FPGA属ALTERA公司提供的高端产品。到目前一共有Stratix、StratixII、StratixIII、StratixIV和相应的基于收发器的StratixXXGX系列。Stratix和StratixGX是StratixFPGA系列中最早的型号。这一高性能FPGA系列引入了DSP硬核口模块以及Altera应用广泛的TriMatfix片内存储器和灵活的I/O结第三章综合处理硬件平台的设计构。StratixII口捌和StlatixIIGX型FPGA引入了自适应逻辑模块(ALM)体系结构采用了高性能输入分段式查找表(LUT)来替代输入LUT这也是Altera目前最新的高端FPGA所采用的结构。SWatixIllFPGA是业界功耗最低的高性能nmFPGA。可以借助逻辑型(L)、存储器增强型(E)和数字信号处理型(DSP)来综合考虑您的设计资源要求而不会采用资源比实际需求大得多的器件进行设计从而节省了电路板缩短了编译时间降低了成本。StratixIFlea面向大量应用的高端内核系统处理设计。StratixIVFPGA在所有rimFPGA中具有最大的密度、最好的性能和最低的功耗。StratixIVFPGA系列提供增强型(E)和带有收发器(GX和GT)的增强型器件满足了无线和固网通信、军事、广播等众多市场和应用的需求。这一高性能rimFPGA系列包含了同类最佳的llGbp收发器。在SttatixFPGA中AItera引入了全新的逻辑单元体系结构即自适应逻辑模块(AIM)以及经过改进的片内TfiMatrix存储器和数字信号处理(DSP)模块进一步提高了性能。SttatixIIFPGA提供I$OK等价逻辑单元(LE)和安排在TfiManix存储器模块中的MbRs片内RAM工作速率高达MHz其DDR存储器接口速率达到了Mbps。在rimStratixIIFPGA中密度最大器件的DSP模块数量增加到了个x馆乘法器数量达到个。建立在成熟的高性能体系结构之上StratixGXFPGA进一步扩展了带有片内收发器的高端FPGA的功能。采用了支持个全双工通道和时钟数据恢复(cDR)技术的收发器模块后每个通道的数据传输速率超过了.Ghps。StrafixlIGX器件采用非常灵活的自适应逻辑模块可实现最优的逻辑效率和性能(如图.所示)。DCombinationalEL%icAdderF’Logic』i了com。utboJt{。rcomber“RegisIer‘e。u“”图.自适应逻辑块单个ALM的输入针对两个输出功能进行灵活的划分使宽输入功能能够快速运行而窄输入功能能够高效利用剩余资源。对Lur输入的扩展和共享功能使每个StratixⅡGXALM在实现等价功能上能够比传统的输入LUT容纳更多的逻辑资源.可高效构建任何、或者输入逻辑功能降低全部组合逻辑所需的逻辑等级数量。这不但减少了对全都逻辑资源的占用而且还降低了对平均布线资一“k一删咖一米波MIMO雷达脉冲/孔径合成算法研究及FPGA实现源的占用。StratixIIGX的TriMatrix存储器基于与Stratix器件相同的创新存储器架构。TriMatrix存储器由三种容量的嵌入式RAM模块构成。TriMatrix存储器包括位M模块、K位MK模块和K位

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