一种Capon波束形成方法、系统及FPGA技术方案

本发明专利技术属于雷达信号处理技术领域，公开了一种Capon波束形成方法、系统及FPGA，包括：获取雷达的M路接收数据，并构建各路接收数据的协方差矩阵；采用改进的Guess

【技术实现步骤摘要】
一种Capon波束形成方法、系统及FPGA


[0001]本专利技术属于雷达信号处理
，涉及一种Capon波束形成方法、系统及 FPGA。

技术介绍

[0002]Capon波束形成算法作为雷达信号处理DOA估计(波达方向估计)的重要 手段，具有抗干扰能力强、目标探测分辨率高和能够较大限度地提高阵列天线增 益等特点，广泛应用于国防军事、无线电通信、声呐探测以及智能驾驶等领域。 另外，随着近些年来智能驾驶概念的兴起，不断有来自各行各业的研究团队开始 探索毫米波雷达在智能驾驶领域作为辅助驾驶的可行性，在雷达信号处理的方案 中，Capon波束形成算法就被包括其中，可见Capon波束形成算法是作为毫米波 雷达信号处理的重要手段。
[0003]传统的Capon波束形成算法的实现过程中，一般会采用上位机或者硬件加速 器固化的方式去实现，但是，这些方法往往会受限于硬件结构固定和信号处理时 间过长的缺陷，无法灵活地适应各种工程环境，而且从而增大开发难度。同时， 这些方法虽然可以节约成本，但是开发人员无法对内部结构做任何操作，而且这 种方案可移植性差，对于功能拓展也存在阻碍。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中，Capon波束形成算法实现时，往往 会受限于硬件结构固定和信号处理时间过长的缺陷，无法灵活地适应各种工程环 境，而且增大开发难度的缺点，提供一种Capon波束形成方法、系统及FPGA。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术第一方面，一种Capon波束形成方法，包括：
[0007]获取雷达的M路接收数据，并构建各路接收数据的协方差矩阵；
[0008]采用改进的Guess
‑
Jardon迭代方法，求解各协方差矩阵的逆矩阵；
[0009]获取不同空间角度的导向矢量，并结合各协方差矩阵的逆矩阵，得到不同空 间角度的Capon波束倒谱值；
[0010]将不同空间角度的Capon波束倒谱值进行冒泡排序，按照从小到大的顺序挑 选出M个Capon波束倒谱值作为Capon波束实际谱值，并记录挑选的各Capon 波束倒谱值对应的空间角度，形成Capon波束。
[0011]可选的，所述根据M路接收数据构建各路接收数据的协方差矩阵包括：
[0012]根据M路接收数据，通过下式构建各路接收数据的协方差矩阵R：
[0013][0014]其中，N为每路数据中的复数数据数量，x(n)代表M路接收通道数据构成的 数据向量的第n组向量，H代表转置共轭。
[0015]可选的，所述构建各路接收数据的协方差矩阵时，仅计算协方差矩阵的上三 角矩
阵的值，协方差矩阵的下三角矩阵的值按照共轭对称的原则一一映射，且在 计算协方差矩阵的上三角矩阵的值时采用每个值同时并行计算的方式。
[0016]可选的，所述采用改进的Guess
‑
Jardon迭代方法，求解各协方差矩阵的逆矩 阵包括：
[0017]S201：设置一组M*M的寄存器组，将各协方差矩阵分别存入各寄存器中；
[0018]S202：将各协方差矩阵的第一列的第一个元素作为主元，然后将各协方差矩 阵的第一列元素循环2次后输入到向量模式cordic IP核中，并通过下式得到主元 的旋转角度
[0019][0020]其中，a
k1
代表协方差矩阵第1列第k行矩阵元素；
[0021]S203：将各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵，以各自M行作为M 组输出数据，每组输出数据按照列先协方差矩阵后协方差矩阵的当前逆矩阵的方 式依次输出，同时将主元的各个旋转角度取相反数与M组输出数据通过旋转模 式cordic IP核进行旋转计算，更新各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵：
[0022]S204：通过下式获取各协方差矩阵第一列各元素的旋转角度θ
k
：
[0023]|a
k1
|cos(θ
k
)+|a
11
|sin(θ
k
)＝0
[0024]S205：根据各协方差矩阵第一列各元素的旋转角度θ
k
，通过下式进行各协方 差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵的旋转运算，更新各协方差矩阵和各协方差 矩阵的当前逆矩阵：
[0025][0026]其中，代表迭代计算后的协方差矩阵的第j行第k列元素；
[0027]S206：将各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵的各列进行循环左移一 列，再将各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵的各行循环上移一行；
[0028]S207：迭代步骤S202～S206至M次，获取各协方差矩阵的当前逆矩阵作为 各协方差矩阵的逆矩阵；
[0029]S208：获取各协方差矩阵对角元素的旋转角度和幅度，将旋转角度取反通过 旋转模式cordic IP核进行旋转计算，待计算有效后，再将旋转模式cordic IP核中 得到的数据导入除法模块，将各协方差矩阵转化为单位矩阵。
[0030]可选的，所述S205中根据各协方差矩阵第一列各元素的旋转角度θ
k
，通过 下式进行各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵的旋转运算时，将各协方差 矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵内的各元素分为实部和虚部并同时独立运算。
[0031]可选的，所述获取不同空间角度的导向矢量，并结合各协方差矩阵的逆矩阵， 得到不同空间角度的Capon波束倒谱值包括：将整个空域角度划分为若干区域， 并按照先俯仰角后水平角的扫瞄方式，依次获取各区域的各空间角度作为当前空 间角度进行下述步骤，得到不同空间角度的Capon波束倒谱值：
[0032]S301：获取当前空间角度的导向矢量；
[0033]S302：将各协方差矩阵的逆矩阵的列矩阵组成M组数据流，将当前空间角 度的导向矢量取反构成共轭导向矢量，随M组数据流输入到旋转模式cordic IP 核进行旋转计算，
并将得到的数据进行累加处理，得到第一M组累加结果数据；
[0034]S303：将第一M组累加结果数据到旋转模式cordic IP核进行旋转计算，并 将得到的数据进行累加处理，得到第二M组累加结果数据；其中，第一M组累 加结果数据的旋转相位分别为导向矢量的M个数据；
[0035]S304：求解第二M组累加结果数据的绝对值，得到当前空间角度的Capon 波束倒谱值。
[0036]可选的，所述将整个空域角度划分为若干区域包括：
[0037]将整个空域角度划分为8个区域，各区域的角度大小范围依次为：{θ＝0～46， φ＝0～46}、{θ＝45～91，φ＝0～46}、{θ＝90～136，φ＝0～46}、{θ＝135～181，φ＝0～46}、 {θ＝0～46，φ＝45～91}、{θ＝45～91，φ＝45～91}、{θ＝90～136，φ＝45～91}和{θ ＝1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Capon波束形成方法，其特征在于，包括：获取雷达的M路接收数据，并构建各路接收数据的协方差矩阵；采用改进的Guess
‑
Jardon迭代方法，求解各协方差矩阵的逆矩阵；获取不同空间角度的导向矢量，并结合各协方差矩阵的逆矩阵，得到不同空间角度的Capon波束倒谱值；将不同空间角度的Capon波束倒谱值进行冒泡排序，按照从小到大的顺序挑选出M个Capon波束倒谱值作为Capon波束实际谱值，并记录挑选的各Capon波束倒谱值对应的空间角度，形成Capon波束。2.根据权利要求1所述的Capon波束形成方法，其特征在于，所述根据M路接收数据构建各路接收数据的协方差矩阵包括：根据M路接收数据，通过下式构建各路接收数据的协方差矩阵R：其中，N为每路数据中的复数数据数量，x(n)代表M路接收通道数据构成的数据向量的第n组向量，H代表转置共轭。3.根据权利要求2所述的Capon波束形成方法，其特征在于，所述构建各路接收数据的协方差矩阵时，仅计算协方差矩阵的上三角矩阵的值，协方差矩阵的下三角矩阵的值按照共轭对称的原则一一映射，且在计算协方差矩阵的上三角矩阵的值时采用每个值同时并行计算的方式。4.根据权利要求1所述的Capon波束形成方法，其特征在于，所述采用改进的Guess
‑
Jardon迭代方法，求解各协方差矩阵的逆矩阵包括：S201：设置一组M*M的寄存器组，将各协方差矩阵分别存入各寄存器中；S202：将各协方差矩阵的第一列的第一个元素作为主元，然后将各协方差矩阵的第一列元素循环2次后输入到向量模式cordicIP核中，并通过下式得到主元的旋转角度并通过下式得到主元的旋转角度其中，a
k1
代表协方差矩阵第1列第k行矩阵元素；S203：将各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵，以各自M行作为M组输出数据，每组输出数据按照列先协方差矩阵后协方差矩阵的当前逆矩阵的方式依次输出，同时将主元的各个旋转角度取相反数与M组输出数据通过旋转模式cordic IP核进行旋转计算，更新各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵：S204：通过下式获取各协方差矩阵第一列各元素的旋转角度θ
k
：|a
k1
|cos(θ
k
)+|a
11
|sin(θ
k
)＝0S205：根据各协方差矩阵第一列各元素的旋转角度θ
k
，通过下式进行各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵的旋转运算，更新各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵：其中，代表迭代计算后的协方差矩阵的第j行第k列元素；S206：将各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵的各列进行循环左移一列，再将各协方差矩阵和各协方差矩阵的当前逆矩阵的各行循环上移一行；
S207：迭代步骤S202～S206至M次，获取各协方差矩阵的当前逆矩阵作为各协方差矩阵的逆矩阵；S208：获取各协方差矩阵对角元素的旋转角度和幅度，将旋转角度取反通过旋转模式cordicIP核进行旋转计算，待计算有效后，再将旋转模式cordicIP核中得到的数据导入除法模块，将各协方差矩阵转化为单位矩阵。5.根据权利要求4所述的Capon波束形成方法，其特征在于，所述S205中根据各协方差矩阵第一列各元素的旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴其堂，林磊，陈建忠，李锦波，付玺玺，程英鑫，赵雨桐，
申请(专利权)人：福建华海传音科技有限公司，
类型：发明
国别省市：