一種脈沖多普勒雷達數(shù)字信號處理機的設(shè)計

1、    一種脈沖多普勒雷達數(shù)字信號處理機的設(shè)計        王 旭，何佩琨，毛二可 時間:2008年07月28日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>信號處理機<"cblue" " target

2、='_blank'>恒虛警檢測<"cblue" " target='_blank'>存儲控制<"cblue" " target='_blank'>數(shù)字信號<"cblue" " target='_blank'>運動目標            ? 摘 要： 針對某型脈沖對多普勒雷達的信號

3、處理要求，設(shè)計了一種全數(shù)字化<"cblue" " title="信號處理機">信號處理機。該信號處理機采用“ADC+FPGA+DSP+存儲器”結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)點。重點討論了信號處理中數(shù)據(jù)采集、脈沖積累及目標檢測的方法和實現(xiàn)。? 關(guān)鍵詞： 脈沖多普勒雷達；信號處理機；數(shù)據(jù)采集；恒虛警檢測? 多普勒雷達的主要功能就是在雜波背景下測量<"cblue" " title="運動目標">運動目標1。其基本原理是利用運動目標和背景雜波相對于雷達的徑向速度不

4、同而產(chǎn)生的多普勒頻率不同，從而在雷達回波中區(qū)分運動目標。脈沖多普勒雷達發(fā)射信號為脈沖串，其回波信號也為脈沖串。雷達信號處理機實現(xiàn)目標檢測和目標多普勒信號的提取。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，高速高精度的ADC轉(zhuǎn)換器件、大規(guī)模FPGA以及高性能<"cblue" " title="數(shù)字信號">數(shù)字信號處理器(DSP)日益普及，采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)雷達信號處理得到了廣泛應用。雷達數(shù)字信號處理機通常采用ADC轉(zhuǎn)換器將雷達回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用FFT運算實現(xiàn)多普勒濾波器組，然后利用<"cblue" " tit

5、le="恒虛警檢測">恒虛警檢測原理實現(xiàn)運動目標的檢測2。1 信號處理機設(shè)計要求和基本組成? 本文設(shè)計的脈沖多普勒雷達數(shù)字信號處理機為某型號對海矢量脫靶量測量雷達專用信號處理機，其性能直接影響雷達的測量精度。信號處理機設(shè)計不僅要滿足信號處理的精度和實時性要求，還要綜合考慮整個信號處理機的低功耗、可重構(gòu)性及可靠性。? 本文設(shè)計的信號處理機的基本功能是：將多路雷達接收機輸出的I、Q視頻信號按距離波門進行<"innerlink" " title="模數(shù)轉(zhuǎn)換">模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號并進行脈沖積累提高信噪比，然后從中

6、檢測運動目標，根據(jù)檢測結(jié)果錄取目標過靶前后的回波信號，通過數(shù)據(jù)傳輸接口將錄取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理計算機，還能接收遙控指令，控制處理機的工作模式。? 信號處理機采用“ADC+FPGA+DSP+存儲器”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，由ADC轉(zhuǎn)換、脈沖積累、<"cblue" " title="存儲控制">存儲控制、FFT運算、DSP以及遙控接口和數(shù)據(jù)傳輸接口等部分電路組成，如圖1所示。其中脈沖積累、存儲控制、FFT運算由FPGA實現(xiàn)。DSP處理器除了完成恒虛警目標檢測功能外，還作為整個處理機的總控制器控制處理機各部分的工作。信號處理機采用的數(shù)據(jù)流驅(qū)動方式進行

7、流水處理，各組成部分也分別采用流水方式工作，保證了信號處理機的實時性。? ?這種實現(xiàn)方案既能滿足信號處理的高速度和高精度的要求，且具有一定的靈活性和可擴展性，同時還能滿足系統(tǒng)的功耗、體積、重量和可靠性要求。2 信號處理機的設(shè)計與實現(xiàn)2.1 ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計? ADC轉(zhuǎn)換電路負責將雷達接收機輸出的目標回波I/Q視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。雷達采用脈沖多普勒體制，雷達發(fā)射脈沖寬度為200ns，為了保證在每個距離波門都能采到一點，ADC轉(zhuǎn)換時鐘至少為5MHz，且與發(fā)射脈沖嚴格同步，以保證各距離波門的采樣位置相對發(fā)射脈沖的延時一致。采樣時鐘的相位可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，以控制采樣時刻相對發(fā)射脈沖的延時。本

8、雷達作用距離為360m，另外為了進行接收機狀態(tài)在線監(jiān)測和校準，還在有效作用距離外發(fā)送參考信號，因此在進行數(shù)據(jù)鎖存時，需要將發(fā)射脈沖后12個采樣脈沖以及參考信號所在波門的數(shù)據(jù)進行鎖存。ADC轉(zhuǎn)換電路時序如圖2所示。其中T0為發(fā)射脈沖同步信號，ADCLK為采樣時鐘，T1為數(shù)據(jù)鎖存控制信號。T1信號前一個脈沖寬2 400ns，用于鎖存有效作用距離內(nèi)的回波采樣信號；后一個脈沖寬200ns，用于鎖存參考信號采樣。ADCLK和T1由接收機輸出60MHz時鐘分頻產(chǎn)生，該時鐘與T0嚴格同步。ADCLK與T1相對于T0的延時通過控制分頻器的起始相位進行調(diào)整，以確定距離波門的采樣位置。?2.2 脈沖積累電路設(shè)計?

9、 ?脈沖積累電路負責將ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果按距離波門進行可變次數(shù)的積累，以提高回波信號的信噪比。由于雷達脈沖重復頻率遠大于目標多普勒信號頻率，在不發(fā)生模糊的條件下，脈沖積累不但提高回波信號的信噪比，而且能降低實際輸出數(shù)據(jù)的采樣率，從而降低信號處理的速度和存儲量要求。脈沖積累電路功能為：在每個脈沖積累周期內(nèi)，對每個發(fā)射脈沖回波信號按距離波門將ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)依次進行累加，并將累加結(jié)果輸出到存儲控制電路。脈沖積累電路由數(shù)據(jù)輸入控制器、累加器、中間結(jié)果存儲器以及輸出控制器組成。其組成如圖3所示。? 脈沖積累時序如圖4所示。其中T1為距離波門鎖存信號，負責按距離波門鎖存ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，讀取中間結(jié)果，并將累加

10、結(jié)果存儲至中間結(jié)果存儲器；T2為累加起始控制信號，用于清零中間結(jié)果鎖存器，開始新的積累過程；T3為輸出控制信號，用于積累結(jié)束后將累加輸出至存儲控制器。通過調(diào)整T2和T3的位置則可獲得不同的積累次數(shù)。2.3 存儲控制電路設(shè)計? 存儲控制電路負責將經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換和脈沖積累的雷達回波信號分別送入數(shù)據(jù)存儲器和FFT處理器，且能在DSP處理器的控制下將存儲器中的存儲結(jié)果輸出。存儲控制電路由用于產(chǎn)生存儲數(shù)據(jù)地址的存儲地址產(chǎn)生器和用于控制數(shù)據(jù)存儲器總線控制權(quán)的總線切換電路組成。? 數(shù)據(jù)存儲階段，存儲地址產(chǎn)生器控制數(shù)據(jù)存儲器的總線，將輸出進行存儲。數(shù)據(jù)輸出階段，則通過總線切換將數(shù)據(jù)存儲器的總線控制權(quán)交由DSP

11、控制，DSP將數(shù)據(jù)讀出并通過數(shù)據(jù)輸出接口輸出。? 為了正確保存目標過靶前后的回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲采用循環(huán)存儲方式，即在檢測到目標前，數(shù)據(jù)在存儲器中按一定格式順序存儲，存儲到存儲器末地址后，則回到存儲器首地址繼續(xù)存儲數(shù)據(jù)；當檢測到目標后，繼續(xù)存儲一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，然后結(jié)束存儲。這樣不但能存儲檢測到目標后的回波數(shù)據(jù)，而且能夠保存一定數(shù)量的檢測到目標前的回波數(shù)據(jù)，從而能夠適當提高檢測門限，降低虛警概率，而在事后數(shù)據(jù)處理過程中，利用更復雜的檢測算法完整得到目標過靶前后的回波數(shù)據(jù)，計算脫靶量測量結(jié)果。2.4 FFT處理器設(shè)計? FFT處理器用于將脈沖積累后的雷達回波數(shù)據(jù)以512點為一幀完成去直流、加窗、FF

12、T、求模平方以及累加運算。信號處理器的存儲單元保證了整個信號處理器的流水工作方式,提高了整體處理速度。其功能框圖如圖5所示。? 去直流運算用于去除回波信號的直流成分，以便充分利用FFT處理器的動態(tài)范圍，減少固定雜波的影響。加窗運算則用于以降低頻譜泄漏。加窗運算器由窗函數(shù)存儲器和乘法器組成，窗函數(shù)存儲器存儲窗函數(shù)的量化值。將數(shù)據(jù)和窗函數(shù)值讀出送至乘法器的輸入端，完成乘法運算后，將結(jié)果截斷送至FFT運算器，完成加窗運算。兩個乘法器并行處理，以便同時對I、Q數(shù)據(jù)進行加窗運算。? FFT運算用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域以實現(xiàn)多普勒濾波器組。折中運算精度和速度，本設(shè)計FFT運算器采用逐級流水結(jié)構(gòu)的16位塊浮點結(jié)

13、構(gòu)實現(xiàn)按時間抽取基2（DIT-2）FFT運算。塊浮點算法相對定點運算有較高的精度,相對浮點運算硬件結(jié)構(gòu)簡單,是定點和浮點運算的折衷,從而保證了信號處理機的高速和高精度要求3。? 模平方運算用于將FFT運算結(jié)果就模平方獲得雷達回波信號的功率譜以便進行目標檢測。模平方運算由乘法器和加法器組成，其工作過程為首先將FFT結(jié)果的實部和虛部分別讀入兩個乘法器的輸入端與自己相乘，然后將兩個乘法器的輸入相加即得模平方結(jié)果。? 累加運算用于將多路接收機的回波共功率譜按距離波門進行累加，從而減小功率譜的方差，降低恒虛警檢測的虛警概率。? FFT處理器在每幀時間段內(nèi)要對所有4路接收機12個距離波門的雷達回波數(shù)據(jù)進行

14、處理，處理完畢后，F(xiàn)FT處理器自動通知DSP將結(jié)果讀出進行恒虛警檢測。2.5 恒虛警檢測器設(shè)計? 恒虛警檢測器用于在回波中檢測目標，采用單元平均恒虛警檢測方案，由DSP處理器實現(xiàn)。? FFT處理器完成一幀處理結(jié)果后，發(fā)送中斷給DSP處理器，DSP處理器按距離波門讀取FFT處理結(jié)果，在目標可能出現(xiàn)的頻率范圍內(nèi)進行選大處理，獲得目標功率的估計值，計算功率譜的均值作為噪聲功率估計值（計算平均時剔除目標所在頻點附近幾點以及存在雜波的低頻分量），再計算兩者的比值并與給定門限進行比較。如果超過門限則認為存在目標，否則認為沒有目標。? 為進一步降低虛警概率，在進行恒虛警檢測時采用二元檢測方案，在連續(xù)4幀中如

15、果有3幀檢測到目標才給出目標出現(xiàn)信號。2.6 信號處理機的實現(xiàn)? 本文設(shè)計的雷達數(shù)字信號處理機為基于DSP和FPGA的單板機，根據(jù)以上設(shè)計，該信號處理機有8路ADC轉(zhuǎn)換電路、2片F(xiàn)PGA、數(shù)據(jù)存儲器、DSP處理和外圍電路以及對外接口電路組成。? ADC轉(zhuǎn)換器件選用TI公司的ADS2806，它為雙路ADC轉(zhuǎn)換器件，可以保證I、Q兩路信號的一致性，采樣率為36MS/s，轉(zhuǎn)換位寬為12位，滿足系統(tǒng)要求。? 脈沖積累和存儲控制采用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)，F(xiàn)FT處理器采用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)。FPGA選用了Xilinx公司的Virtex II系列FPGA實現(xiàn)。脈沖積累和存儲控制FPGA選用XC2V250-6FG4

16、56，F(xiàn)FT處理FPGA選用XC2V1000-6FG456。兩片F(xiàn)PGA均采用VHDL語言按自頂向下的方法進行設(shè)計。設(shè)計文件經(jīng)過仿真、綜合、映射、布局、布線及仿真，達到設(shè)計要求。? 數(shù)據(jù)存儲器采用有掉電保護功能的NOVSRAM。NOVSRAM的讀寫控制時序與普通SRAM一樣，其內(nèi)部含有鋰電池和保護電路，可以在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。? DSP處理器選用ADI公司32位浮點處理器ADSP21060(SHARC)。其外圍電路有FLASH存儲器，用于存儲固化程序；上電復位和看門狗電路，用于監(jiān)測程序的運行等。? 信號處理機對外接口有數(shù)據(jù)傳輸接口和遙控接口。數(shù)據(jù)傳輸接口用于輸出存儲器存儲的目標回波數(shù)據(jù)，采用

17、USB2.0接口，其傳輸速度可達480Mb/s，可以滿足數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊蟆SB2.0接口芯片采用Philips生產(chǎn)的ISP1581實現(xiàn)。遙控接口用于接收遙控指令并返回處理機工作狀態(tài)信息，采用并行接口實現(xiàn)，由中斷信號實現(xiàn)握手。3 恒虛警檢測算法分析? 恒虛警檢測算法為整個雷達信號處理機的核心算法，算法采用單元平均恒虛警及二元檢測方案，在FFT處理結(jié)果上以頻率分辨單元為基礎(chǔ)進行檢測4。? 由于雜波多普勒頻率比目標多普勒頻率低，F(xiàn)FT處理結(jié)果中雜波數(shù)據(jù)主要集中在低頻部分，需檢測的運動目標多普勒頻率范圍位于頻域無雜波區(qū)，因此在FFT處理結(jié)果中剔除存在雜波分量的低頻部分即可降低雜波對目標檢測的影響。

18、? 接收機噪聲可以看作高斯白噪聲，無目標回波數(shù)據(jù)則為高斯白噪聲的采樣，假設(shè)其方差為2。如果數(shù)據(jù)中存在目標回波信號，回波信號幅度為A，則其信噪比為：? ? 經(jīng)N點FFT運算后，信號分量幅度為NA，噪聲方差為N2，信噪比為：? ? 這樣利用R個頻率分辨單元以閾值T進行目標檢測的虛警概率和檢測概率分別為4：? ? 本文測量雷達目標為過靶段的反艦導彈，其回波在連續(xù)數(shù)幀內(nèi)都應該存在，為了進一步降低虛警概率，提高檢測概率，可以采用二元檢測方案，即在連續(xù)M幀內(nèi)如果有多于K幀檢測到目標，則判斷為目標存在。采用二元檢測方案的檢測概率和虛警概率如下5：? ? 實際設(shè)計中，設(shè)定單次檢測虛警概率小于10-5，二元檢測策略為在連續(xù)4幀內(nèi)有3幀檢測到目標，F(xiàn)FT點數(shù)N為512，頻率分辨單元個數(shù)R為100。由（3）式可得檢測閾值T為0.194，由（5）式可得二元檢測的虛警概