一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统，包括顺次连接的信号调理电路、AD转换电路、FPGA模块、ARM处理器和上位机，其中：信号调理电路，将多普勒信号变换成适合系统电路处理的模拟信号；AD转换电路，将模拟信号转换成数字信号，并输入FPGA模块进行处理；FPGA模块作为协处理器，完成从时域信号到频域信号的转换；ARM处理器作为主控制器，负责整个系统的运行、控制各模块间的通信以及数据的传输与存储，将FPGA模块输出的频域信号传送至上位机；上位机，对频域信号做功率谱识别、追踪法去除野点、拟合处理，最终得到速度曲线，并计算得到初速度值。本发明专利技术具有集成度高、功耗低、成本低的优点，应用范围广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测速雷达
，具体涉及一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统及方法。
技术介绍
兵器测试技术是发展兵器技术的基础，是兵器科研与生产不可缺少的一环。而弹丸飞行速度的测量又是武器系统各种运动参数测试中一项至关重要的内容。它是衡量武器特性的一个重要指标，对武器的设计与检测具有重要意义。传统的测速技术如天幕靶测试、线圈靶测试等方法因测试过程繁琐，精度较差，已不能满足实时战地测试的需求。而毫米波测速雷达因其具有体积小、重量轻、测试简便、精确、操作使用方便等特点成功应用于火炮或枪的内、外弹道参数的测试。毫米波测速雷达的测速原理是利用电磁波在空间传播遇到运动目标时产生多普勒效应来进行的，即雷达发射的电磁波(频率为f0)遇到运动目标时所产生的回波信号(频率为f0±fd)，其中fd为多普勒频率，它与目标径向速度vr的关系为fd＝[2vr/(c+vr)]f0，其中c为光速，一般c＞＞vr，由此得vr＝(λ0/2)fd，其中λ0＝c/f0，为发射电磁波的波长。由此可见，只要测得fd(f0和c是已知的)，即可由公式求出径向速度vr。测量fd大致有2种方法：时域法和频域法，但因雷达工作环境恶劣(如枪、炮的冲击振动，火焰电离等的影响)，会使接收到的多普勒信号的“背景”十分复杂，信噪比大大降低，采用传统的时域处理方法对被淹没在干扰和噪声中的多普勒信号检出或识别往往是困难的，使得测频精度明显下降，因此通常采用频谱分析方法，它的主要思想就是在分析信号频率的基础上，确定信号的功率谱值大小，通过搜索功率谱找到功率峰值，即可找到弹丸径向速度对应的频率，可以大大提高测频精度和可靠性。专利申请号为CN201410831719.X，专利技术名称为“毫米波测速雷达”的中国专利，主要用于道路车辆测速，减少交通事故的发生。但它并不适用于外弹道毫米波测速雷达。专利申请号为CN 201511027374.3，专利技术名称为“一种室内靶道光幕测速装置连发射击弹丸信号识别方法”的中国专利，属于外弹道参数测量领域，但它具体涉及一种室内靶道光幕测速装置连发射击弹丸信号识别方法，不能够提供室外距离较远的靶场外弹道测速。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种集成度高、功耗低、成本低的基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统及方法，以高效、准确地测定武器外弹道的初速度。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统，包括顺次连接的信号调理电路、AD转换电路、FPGA模块、ARM处理器和上位机，其中：信号调理电路，将多普勒信号变换成适合系统电路处理的模拟信号；AD转换电路，将模拟信号转换成数字信号，并输入FPGA模块进行处理；FPGA模块作为协处理器，完成从时域信号到频域信号的转换；ARM处理器作为主控制器，负责整个系统的运行、控制各模块间的通信以及数据的传输与存储，将FPGA模块输出的频域信号传送至上位机；上位机，对频域信号做功率谱识别、追踪法去除野点、拟合处理，最终得到速度曲线，并计算得到初速度值。进一步地，所述ARM处理器有两方面的作用，一是对FPGA模块进行控制，包括：系统复位，软件触发，延时参数设置；另一方面是读取FPGA模块中的功率谱数据并传送至上位机进行分析，最终得到目标的运动参数。进一步地，所述FPGA模块由地址译码模块、AD转换控制电路模块、总线模块、时钟发生模块、乒乓FIFO存储模块、FFT处理模块、输出FIFO存储模块七个模块组成，乒乓FIFO存储模块存储AD采样值，FFT处理模块读取乒乓FIFO存储模块中的缓存数据，进行FFT处理后将结果缓存到输出FIFO存储模块中，ARM处理器与FPGA模块之间的数据传输通过总线模块进行。一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理方法，包括以下步骤：步骤1，信号调理电路将多普勒信号变换成适合系统电路处理的模拟信号；步骤2，AD转换电路将模拟信号转换成数字信号，并输入FPGA模块进行处理；步骤3，FPGA模块作为协处理器，完成从时域信号到频域信号的转换；步骤4，ARM处理器作为主控制器，负责整个系统的运行、控制各模块间的通信以及数据的传输与存储，将FPGA模块输出的频域信号传送至上位机；步骤5，上位机对频域信号做功率谱识别、追踪法去除野点、拟合处理，最终得到速度曲线，并计算得到初速度值。进一步地，步骤3所述FPGA模块作为协处理器，完成从时域信号到频域信号的转换，具体如下：对AD转换电路输出的数字信号进行扩展并存储，乒乓FIFO存储模块存满1024点后开始做FFT变换，将FFT变换结果缓存到输出FIFO存储模块中，FIFO存储模块的数据通过总线模块从FPGA模块传输到ARM处理器。进一步地，步骤5所述上位机对频域信号做功率谱识别、追踪法去除野点、拟合处理，最终得到速度曲线，并计算得到初速度值，具体如下：(1)上位机对频域信号做功率谱识别，求出当前时间点信号的最大功率谱，然后计算出最大功率谱对应的频率fd(t)以及对应的速度值，再根据多普勒原理得出当前时间点对应的速度v(t)；(2)在弹道上采集64个时间点的数据，并得到该64个时间点对应的速度V(t)；(3)根据该64个时间点所对应的速度-时间关系，得到速度-时间曲线，并采用追踪法去除野点；(4)用线性拟合的方法得到最终的速度曲线，并计算得到初速度值。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于ARM嵌入式技术+FPGA器件相结合的测速系统通用性能好、功能可扩展性强、测试精度和测试效率高；(2)在外弹道速度和时间关系的测试中，采用先进可靠的频谱分析法，从而有效地在各种复杂的背景干扰和噪声中提取有用的信号，并提高了雷达测试的作用距离、测试精度和可信度，以及整机的抗干扰能力；(3)具有集成度高、功耗低、成本低的优点，可应用于火炮、靶场等领域，还可以进一步推广到其他各种武器测速范围的应用。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是毫米波雷达的结构框图。图2是本专利技术基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统的结构示意图。图3是本专利技术中FPGA模块的软件结构框图。图4是本专利技术基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理方法的流程图。具体实施方式结合图1～2，本专利技术基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统，包括顺次连接的信号调理电路、AD转换电路、FPGA模块、ARM处理器和上位机，其中：信号调理电路，将多普勒信号变换成适合系统电路处理的模拟信号；AD转换电路，将模拟信号转换成数字信号，并输入FPGA模块进行处理；FPGA模块作为协处理器，完成从时域信号到频域信号的转换；ARM处理器作为主控制器，负责整个系统的运行、控制各模块间的通信以及数据的传输与存储，将FPGA模块输出的频域信号传送至上位机；上位机，对频域信号做功率谱识别、追踪法去除野点、拟合处理，最终得到速度曲线，并计算得到初速度值。进一步地，所述ARM处理器有两方面的作用，一是对FPGA模块进行控制，包括：系统复位，软件触发，延时参数设置；另一方面是读取FPGA模块中的功率谱数据并传送至上位机进行分析，最终得到目标的运动参数。结合图3，所述FPGA模块由地址译码模块、AD转换控制电路模块、总线模块、时钟发生模块、乒乓FIFO存储模块、FFT处理模块、输出FI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统，其特征在于，包括顺次连接的信号调理电路、AD转换电路、FPGA模块、ARM处理器和上位机，其中：信号调理电路，将多普勒信号变换成适合系统电路处理的模拟信号；AD转换电路，将模拟信号转换成数字信号，并输入FPGA模块进行处理；FPGA模块作为协处理器，完成从时域信号到频域信号的转换；ARM处理器作为主控制器，负责整个系统的运行、控制各模块间的通信以及数据的传输与存储，将FPGA模块输出的频域信号传送至上位机；上位机，对频域信号做功率谱识别、追踪法去除野点、拟合处理，最终得到速度曲线，并计算得到初速度值。

【技术特征摘要】
1.一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统，其特征在于，包括顺次连接的信号调理电路、AD转换电路、FPGA模块、ARM处理器和上位机，其中：信号调理电路，将多普勒信号变换成适合系统电路处理的模拟信号；AD转换电路，将模拟信号转换成数字信号，并输入FPGA模块进行处理；FPGA模块作为协处理器，完成从时域信号到频域信号的转换；ARM处理器作为主控制器，负责整个系统的运行、控制各模块间的通信以及数据的传输与存储，将FPGA模块输出的频域信号传送至上位机；上位机，对频域信号做功率谱识别、追踪法去除野点、拟合处理，最终得到速度曲线，并计算得到初速度值。2.根据权利要求1所述的基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统，其特征在于，所述ARM处理器有两方面的作用，一是对FPGA模块进行控制，包括：系统复位，软件触发，延时参数设置；另一方面是读取FPGA模块中的功率谱数据并传送至上位机进行分析，最终得到目标的运动参数。3.根据权利要求1所述的基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理系统，其特征在于，所述FPGA模块由地址译码模块、AD转换控制电路模块、总线模块、时钟发生模块、乒乓FIFO存储模块、FFT处理模块、输出FIFO存储模块七个模块组成，乒乓FIFO存储模块存储AD采样值，FFT处理模块读取乒乓FIFO存储模块中的缓存数据，进行FFT处理后将结果缓存到输出FIFO存储模块中，ARM处理器与FPGA模块之间的数据传输通过总线模块进行。4.一种基于外弹道毫米波测速雷达信号实时处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，信号调理电路将多普勒信号变换成适合...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡征宇，李亚飞，程风雷，杜莹莹，叶心静，张建城，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32