基于fpga的實(shí)時(shí)測(cè)距雷達(dá)研究

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1、基于FPGA的實(shí)時(shí)雷達(dá)測(cè)距研究1脈沖積累的總體方案1.1結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)所用脈沖積累部分如圖4.1所示，包括A/D、同步累加、D/A、脈沖再生等幾大模塊，在整個(gè)系統(tǒng)中，脈沖積累部分起著至關(guān)重要的作用，將直接影響到系統(tǒng)測(cè)距性能的好壞。圖4.1脈沖積累結(jié)構(gòu)框圖Figure4.1Blockdiagramofpulseaccumulation包絡(luò)檢波器輸出的模擬的回波信號(hào)經(jīng)A/D變換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，送到同步累加器中進(jìn)行多個(gè)周期的同步累加，以增強(qiáng)接收信號(hào)信噪比，累加完成后的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)D/A變換成模擬信號(hào)，再生出信噪比得到增強(qiáng)的接收

2、信號(hào)。同步累加器是用數(shù)字化芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.2芯片及開(kāi)發(fā)工具數(shù)字化芯片的選擇，需要根據(jù)具體系統(tǒng)要求完成的數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行最優(yōu)選擇，本文防撞雷達(dá)脈沖積累所要用到的信噪比增強(qiáng)算法要求處理速度快，算法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，選用FPGA芯片?？紤]到算法要求芯片支持雙口RAM功能和終端功能的可拓展性，同時(shí)考慮到充分利用資源以節(jié)約成本和盡量少用輸入、輸出管腳以方便最終布線和制版，選定Altera公司ACEX1K系列的EP1K30TC144-3芯片,集成度為3萬(wàn)門，總共I/O口數(shù)目為144[36]。ACEX1K是基于可重構(gòu)CMOSSRAM的

3、FPGA，其內(nèi)部主要包含一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)寄存器和特殊邏輯功能的增強(qiáng)型嵌入式陣列EAB和用于實(shí)現(xiàn)一般功能的邏輯陣列LAB。這種基于SRAM型的FPGA可以實(shí)時(shí)的對(duì)內(nèi)置的RAM編程，實(shí)時(shí)的改變器件功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)重配置，設(shè)計(jì)靈活，開(kāi)發(fā)周期短[38]。選用開(kāi)發(fā)軟件為QuartusII4.0，該軟件提供了靈活的設(shè)計(jì)輸入方式、豐富的設(shè)計(jì)參考庫(kù)和強(qiáng)大的仿真功能。本文根據(jù)具體模塊的需求，采用了原理圖輸入方式。2脈沖積累的必要性2.1門限檢測(cè)脈沖雷達(dá)測(cè)距是建立在對(duì)目標(biāo)回波脈沖檢測(cè)的基礎(chǔ)上的，雷達(dá)的檢測(cè)性能越強(qiáng)，測(cè)距性能越好。在雷達(dá)接收機(jī)的輸

4、入端，微弱的回波信號(hào)總是和噪聲及其它干擾混雜在一起的。在一般情況下，噪聲是限制微弱信號(hào)檢測(cè)的基本因素。假如只有信號(hào)而沒(méi)有噪聲，任何微弱的信號(hào)在理論上都是可以經(jīng)過(guò)任意放大而被檢測(cè)到的。雷達(dá)總是在噪聲背景發(fā)現(xiàn)并檢測(cè)目標(biāo)，因此雷達(dá)檢測(cè)能力實(shí)質(zhì)上取決于信號(hào)的信噪比。接收機(jī)噪聲是寬頻帶的高斯噪聲，雷達(dá)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力將受到與信號(hào)能量譜占有相同頻帶的噪聲能量所限制。由于噪聲的起伏特性，判斷信號(hào)的是否出現(xiàn)成為一個(gè)統(tǒng)計(jì)問(wèn)題，必須按照某種統(tǒng)計(jì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)中廣泛使用奈曼－皮爾遜準(zhǔn)則，這個(gè)準(zhǔn)則要求在給定信噪比的條件下，滿足一

5、定虛警概率時(shí)的發(fā)現(xiàn)概率最大。這一準(zhǔn)則的實(shí)現(xiàn)方法是將雷達(dá)接收機(jī)接收到的回波信號(hào)脈沖與某一預(yù)設(shè)的門限電壓進(jìn)行比較，若包絡(luò)幅度超過(guò)門限，則認(rèn)為目標(biāo)存在，否則認(rèn)為目標(biāo)不存在，這就是門限檢測(cè)，如圖4.2所示。圖4.2門限檢測(cè)Figure4.2Thresholddetection門限檢測(cè)是一種統(tǒng)計(jì)檢測(cè)，由于信號(hào)疊加有噪聲，因而輸出是一個(gè)隨機(jī)量。在輸出端根據(jù)振幅是否超過(guò)門限來(lái)判斷有無(wú)目標(biāo)存在，可能出現(xiàn)以下四種情況：（1）存在目標(biāo)時(shí)，判為有目標(biāo)，這是一種正確判斷，稱為發(fā)現(xiàn)，它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率（DetectionRate）；（2）存在目標(biāo)

6、時(shí)，判為無(wú)目標(biāo)，這是錯(cuò)誤判斷，稱為漏報(bào)，它的概率稱為漏報(bào)概率（LosingAlarmRate）；（3）不存在目標(biāo)時(shí)，判為無(wú)目標(biāo)，稱為正確不發(fā)現(xiàn)，它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率（AlarmNon-detectionRate）；（4）不存在目標(biāo)時(shí)，判為有目標(biāo)，稱為虛警，它的概率稱為虛警概率（FalseAlarmRate）。顯然，這四個(gè)概率存在以下關(guān)系：(4.1)(4.2)每對(duì)概率只需知道其中一個(gè)就可以了，因此，我們只討論常用的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率。虛警概率通常加到接收機(jī)中頻放大器上的噪聲是寬帶高斯噪聲，其概率密度函數(shù)如下[1]：（4.3）

7、是噪聲電壓處于和之間的概率；是方差，噪聲的均值為零，高斯噪聲通過(guò)窄帶中頻濾波器（其帶寬遠(yuǎn)小于中心頻率）后加到包絡(luò)檢波器，根據(jù)隨機(jī)噪聲的數(shù)學(xué)分析可知，包絡(luò)檢波器輸出端噪聲電壓振幅（幅值為）的概率密度函數(shù)為（4.4）包絡(luò)振幅的概率密度函數(shù)服從瑞利分布，設(shè)門限電平為，噪聲包絡(luò)電壓超過(guò)門限電平的概率分布為虛警概率，它可以由下式求出：（4.5）發(fā)現(xiàn)概率設(shè)振幅為的正弦信號(hào)通高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器，則包絡(luò)檢波器輸出的概率密度函數(shù)為[1]（4.6）式中是總量為的零階修正貝塞耳函數(shù)，（4.7）為信號(hào)加噪聲的包絡(luò)，為噪聲方差，上述分布稱

8、為萊斯（Rice）分布。則信號(hào)的發(fā)現(xiàn)概率為（4.8）式4.8表示了發(fā)現(xiàn)概率與門限電平及正弦波振幅的關(guān)系，如果以功率關(guān)系來(lái)表示，信號(hào)電壓與功率有如下關(guān)系，和分別表示信號(hào)和噪聲功率。（6.9）虛警概率和發(fā)現(xiàn)概率的分布示意圖如4.4所示。從中可以的得出如下結(jié)論：（1）當(dāng)信噪比一定時(shí)，門限電平越高，虛警概率越小