一种基于FPGA的动目标雷达散射截面测量方法技术

本发明专利技术属于无线电测量技术领域，具体的说是涉及一种基于FPGA的动目标雷达散射截面测量方法。本发明专利技术提出了一种基于FPGA的动目标雷达散射截面高精度测量的实现方法，在距离域对传统的频域脉冲压缩硬件结构进行改进，提出一种基于缓存的频域脉冲压缩硬件结构，只使用一个乘法器就可以实现背景技术中所述的理论方法，同时在多普勒域提出一种动目标检测与chirp‑z变换结合的新的硬件结构。本发明专利技术模块结构清晰，IP核复用度高，硬件结构简单，测量精度高，处理速度快，系统实时性高，系统功耗较低。 1

A method for measuring radar cross section of moving targets based on FPGA

The invention belongs to the field of radio measurement technology, in particular to a method for measuring radar cross section of moving targets based on FPGA. A method of high precision measurement for radar cross section of moving target radar based on FPGA is proposed in this invention. The hardware structure of traditional frequency domain pulse compression is improved in range domain, and a frequency domain pulse compression hardware structure based on caching is proposed. Only one multiplier can be used to realize the theoretical side in the background technology. Meanwhile, in the Doppler domain, a new hardware structure combining moving target detection with chirp Z transform is proposed. The structure of the invention has clear structure, high IP core reusability, simple hardware structure, high measurement precision, fast processing speed, high real-time performance and low power consumption. One

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的动目标雷达散射截面测量方法
本专利技术属于无线电测量
，具体的说是涉及一种基于FPGA的动目标雷达散射截面测量方法。
技术介绍
随着雷达应用技术的发展，雷达目标特性测量的应用变得越来越重要。雷达散射截面(RCS)作为定量表征目标对雷达散射特性的物理量，是衡量目标雷达散射特性的重要参数，因此，雷达目标的雷达散射截面测量在无线电测量领域起着重要作用。在诸如车辆等大型目标的雷达散射截面测量方面，ZhulinZong等人在《HighAccuracyMeasurementofVehicleRCSUsingRange-DopplerMatchingMethod》提出了一种在地面杂波背景下进行高精度雷达散射截面测量的方法，能够有效减少时频域能量起伏，降低背景杂波对雷达散射截面测量的影响。本专利技术是在该文章的理论基础上，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的实现方法。上述文章所提出的方法要求在频域脉冲压缩处理过程中，将多个具有时移的匹配函数与回波数据相乘，若使用传统的频域脉冲压缩硬件结构，每增加一个具有时移的匹配函数，在提高测量精度的同时也会耗费FPGA更多的乘法器资源和存储资源；在多普勒域处理中，因为采用了与chirp-z变换结合的多普勒滤波器组，所以要在传统动目标检测处理后加入chirp-z变换处理，会使得处理时间延长，为了满足雷达数据处理的实时性，需要保证在一个相参处理周期内处理完成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于FPGA的动目标雷达散射截面高精度测量的实现方法，在距离域对传统的频域脉冲压缩硬件结构进行改进，提出一种基于缓存的频域脉冲压缩硬件结构，只使用一个乘法器就可以实现
技术介绍
中所述的理论方法，同时在多普勒域提出一种动目标检测与chirp-z变换结合的新的硬件结构。本专利技术模块结构清晰，IP核复用度高，硬件结构简单，测量精度高，处理速度快，系统实时性高，系统功耗较低。本专利技术的技术方案是：雷达向待测动目标发射线性调频信号s(t)，s(t)表示为如下公式1：其中，Tp为脉冲宽度，fc为载波频率，K为调频率(B为信号的带宽)，采样频率为fs(fs≥1.2B)，表示为如下公式2：一个相参处理周期重复发送的脉冲数目为M，脉冲重复周期(PRT)为T，待测动目标的最大尺寸为D，将雷达和待测动目标布置在一个中间无遮挡的外场环境，雷达和待测动目标之间的距离至少为雷达远场测试条件Rmin(Rmin≥2fcD2/c,c为光速)，最大为雷达最大不模糊距离Rmax(Rmax＝(T-Tp)×c/2,c为光速)，待测动目标在雷达波束范围内以速度v背向雷达运动。如图1所示，FPGA信号处理部分主要包括频域脉冲压缩模块，恒虚警检测模块，取模模块，求最大值模块，乒乓转置缓存模块，动目标检测(MTD)模块和chirp-z变换模块。具体包括如下步骤：a.频域脉冲压缩模块的功能是对回波进行脉冲压缩处理，先将回波和其具有时移的匹配函数二者的傅里叶变换结果相乘，再将乘积进行傅里叶逆变换，然后比较一个相参处理周期中第一个脉冲重复周期的回波模值，得到最大模值对应的最优匹配函数，该相参处理周期之后的所有脉冲重复周期的回波均和该最优匹配函数做脉冲压缩。频域脉冲压缩模块如图2所示，主要由FFT模块，匹配函数输出选择模块，FFT输出选择缓存模块，复数乘法器模块，取模模块，求最大值模块，IFFT模块和IFFT输出选择缓存模块构成。具体实现步骤如下：a1.FFT模块的功能是对回波进行傅里叶变换。FFT模块的输入数据为采样到的雷达回波数据，使用FPGA片内的FFTIP核实现。设置FFT的处理点数(ceil表示朝正无穷大方向取整)，FFTIP核的工作时钟频率设为采样频率fs，选择流水线型结构，并选择逆序输出以减少输出延迟时间，控制IP核的输入信号将IP核的工作模式配置为FFT。a2.匹配函数输出选择模块的功能是输出选定的匹配函数系数的傅里叶变换结果。匹配函数输出选择模块使用FPGA的一块片内单端口ROMIP核实现，具体实现步骤如下：(1)对匹配函数进行预处理。将线性调频信号s(t)的匹配函数h(t)的时移τ等分成τdiv份，得到τdiv个匹配函数其对应的匹配函数序号为1～τdiv，表示为如下公式3：将这τdiv个匹配函数通过MATLAB做nfft点FFT，量化后依次存储到FPGA的一块片内单端口ROMIP核中，ROM深度设置为τdiv×nfft。(2)在匹配函数输出选择模块收到FFT输出选择缓存模块的写完成脉冲信号时，开始判断此时处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，则将存储在ROMIP核中的τdiv个匹配函数的系数依次读取出来，并延迟若干时钟周期与FFT输出选择缓存模块的输出数据对齐，再送到复数乘法器模块；如果不是，则根据步骤a8求最大值模块得到的最优匹配函数的序号，选择对应的ROMIP核的读地址范围，读出对应的匹配函数的系数，再送到复数乘法器模块。a3.FFT输出选择缓存模块的功能是将回波的傅里叶变换结果进行缓存，再通过判断，只读出一次或者重复读出。FFT输出选择缓存模块的输入数据来自FFT模块，FFT输出选择缓存模块使用一块深度为nfft的片内简单双端口RAMIP核实现。具体实现方法如下：将频域脉冲压缩的FFT模块输出的数据，以其输出的对应下标信号作为写地址，输出有效指示信号作为写使能信号，写到一块简单双端口RAMIP核中。写完成时产生一个写完成脉冲信号，给到匹配函数输出选择模块。写完成的同时判断此时处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，将简单双端口RAMIP核中的数据按顺序重复读出来τdiv次；如果不是，将简单双端口RAMIP核中的数据只读出来1次。最后将读出来的数据送到复数乘法器模块。a4.复数乘法器模块的功能是进行复数乘法运算。复数乘法器模块的两路输入数据分别来自匹配函数输出选择模块和FFT输出选择缓存模块，使用FPGA片内的一个复数乘法器IP核实现。a5.IFFT模块的功能是对回波进行傅里叶变换。IFFT模块的输入数据来自复数乘法器模块，使用FPGA片内的FFTIP核实现。设置IFFT的处理点数为nfft，FFTIP核的工作时钟频率设为采样频率fs，选择流水线型结构，并选择逆序输出以减少输出延迟时间，控制IP核的输入信号将IP核的工作模式配置为IFFT。a6.IFFT输出选择缓存模块的功能是将频域脉冲压缩结果进行缓存，再将最优匹配函数对应的频域脉冲压缩结果读取出来。IFFT输出选择缓存模块的输入数据来自IFFT模块，使用FPGA片内的τdiv块深度为nfft的简单双端口RAMIP核实现。具体实现方法如下：(1)向简单双端口RAMIP核中写入数据时，先判断此时处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，将IFFT输出数据依次写入τdiv块简单双端口RAMIP核中；如果不是，默认将IFFT输出数据写入其中一块固定简单双端口RAMIP核中。(2)写完成后，将步骤a8中求最大值模块输出的最优匹配函数序号Hn_max的指示信号作为开始读取的控制信号。读取时先判断此时处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，再判断最优匹配函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的动目标雷达散射截面测量方法，设定雷达向待测动目标发射线性调

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的动目标雷达散射截面测量方法，设定雷达向待测动目标发射线性调频信号s(t)为：其中，Tp为脉冲宽度，fc为载波频率，K为调频率，B为信号的带宽，采样频率为fs，fs≥1.2B，为：在一个相参处理周期重复发送的脉冲数目为M，脉冲重复周期为T，待测动目标的最大尺寸为D，将雷达和待测动目标布置在一个中间无遮挡的外场环境，雷达和待测动目标之间的距离至少为雷达远场测试条件Rmin，Rmin≥2fcD2/c,c为光速，最大为雷达最大不模糊距离Rmax，Rmax＝(T-Tp)×c/2，c为光速，待测动目标在雷达波束范围内以速度v背向雷达运动，获取到雷达回波数据后，其特征在于，采用FPGA实现动目标雷达散射截面测量，具体包括：a、采用频域脉冲压缩模块对回波数据进行脉冲压缩处理，所述频域脉冲压缩模块包括FFT模块、匹配函数输出选择模块、FFT输出选择缓存模块、复数乘法器模块、取模模块、求最大值模块、IFFT模块和IFFT输出选择缓存模块；其中，所述FFT模块用于接收采样到的雷达回波数据，将回波数据经过FFT后输出到FFT输出选择缓存模块；FFT模块采用FPGA片内的FFTIP核实现，设置FFT的处理点数ceil表示朝正无穷大方向取整，FFTIP核的工作时钟频率设为采样频率fs，选择流水线型结构，并选择逆序输出以减少输出延迟时间；所述FFT输出选择缓存模块用于将频域脉冲压缩的FFT模块输出的数据，以其输出的对应下标信号作为写地址，输出有效指示信号作为写使能信号，写到一块简单双端口RAMIP核中，在写完成时产生一个写完成脉冲信号，并发送到匹配函数输出选择模块；写完成的同时判断此时处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，将简单双端口RAMIP核中的数据按顺序重复读出来τdiv次；如果不是，将简单双端口RAMIP核中的数据只读出来1次，最后将读出来的数据送到复数乘法器模块；所述匹配函数输出选择模块用于在收到FFT输出选择缓存模块的写完成脉冲信号时，判断此时处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，则将存储在ROMIP核中的τdiv个匹配函数的系数依次读取出来，并延迟若干时钟周期与FFT输出选择缓存模块的输出数据对齐，再送到复数乘法器模块；如果不是，则根据求最大值模块得到的最优匹配函数的序号，选择对应的ROMIP核的读地址范围，读出对应的匹配函数的系数，再送到复数乘法器模块；所述存储在ROMIP核中的τdiv个匹配函数的系数为：将线性调频信号s(t)的匹配函数h(t)的时移τ等分成τdiv份，得到τdiv个匹配函数其对应的匹配函数序号为1～τdiv，为：将这τdiv个匹配函数通过MATLAB做nfft点FFT，量化后依次存储到FPGA的一块片内单端口ROMIP核中，ROM深度设置为τdiv×nfft；所述复数乘法器模块的两路输入数据分别来自匹配函数输出选择模块和FFT输出选择缓存模块，经过乘法处理后输出到IFFT模块；所述IFFT模块用于对输入的数据进行IFFT，IFFT模块使用FPGA片内的FFTIP核实现；设置IFFT的处理点数为nfft，FFTIP核的工作时钟频率设为采样频率fs，选择流水线型结构，并选择逆序输出以减少输出延迟时间；所述取模模块的输入数据来自IFFT模块，取模模块完成如下运算：其中，real表示回波数据的实部，imag表示回波数据的虚部，result表示计算出的回波数据的模值，取模模块使用FPGA片内的乘法器IP核，加法器IP核和平方根IP核实现；所述求最大值模块的输入数据来自取模模块，求最大值模块输出一个相参处理周期中第一个脉冲的回波最大模值对应的距离单元序号max_cell_index1和匹配函数序号Hn_max及其指示信号，具体包括：判断处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，就比较进入该模块的前后两个数据的大小，否则不进行比较；在处理一个相参处理周期中第M个脉冲的回波数据时将存储最大值的寄存器清零；所述IFFT输出选择缓存模块的输入数据来自IFFT模块，IFFT输出选择缓存模块使用FPGA片内的τdiv块深度为nfft的简单双端口RAMIP核实现：向简单双端口RAMIP核中写入数据时，先判断此时处理的是否是一个相参处理周期中第一个脉冲的回波数据，如果是，将IFFT输出数据依次写入τdiv块简单双端口RAMIP核中；如果不是，默认将IFFT输出数据写入其中一块固定简单双端口RAMIP核中；写完成后，根据最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：马擎堃，宗竹林，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51