基于FPGA的PCR回波信号处理系统及方法与流程

本发明属于雷达通信技术领域，更进一步涉及雷达数字信号处理技术领域中的一种基于现场可编程门阵列fpga(fieldprogrammablegatearray)的脉冲压缩雷达pcr(pulsecompressionradar)回波信号处理系统及方法。本发明可用于对脉冲压缩雷达pcr接收的回波信号中目标的位置信息与速度信息的提取。

背景技术：

脉冲压缩雷达回波信号中目标位置信息与速度信息的提取一般采用具有高实时性和高稳定性的fpga芯片作为基准的解决方案，并且fpga采用硬件描述性语言hdl(hardwaredescriptionlanguage)开发，但是，该开发方式具有修改困难与灵活性欠缺的缺点。随着计算机技术的快速发展，计算机在雷达数字信号处理技术领域中得到了广泛的应用，使用计算机进行雷达信号处理具有开发速度快、灵活性高和修改方便等优点，但是雷达信号处理一般具有很高的数据量与复杂的算法复杂度，这不但会增加雷达信号处理系统的成本也会降低雷达信号处理系统的实时性。利用systemgenerator进行系统建模与算法实现已经有了部分研究成果。

南京理工大学在其申请的专利文献“一种基于python的雷达信号处理系统及方法”(申请日：2018.12.24，申请号：201811583862.6，申请公布号：cn109633567a)公开了一种基于python的脉冲压缩雷达回波信号处理系统及方法。该系统包括数据采集模块、调制信号产生模块、同步控制模块、usb通信模块、信号处理模块和控制显示模块模块。其中，数据采集模块，用于采集脉冲压缩雷达的回波信号，并进行模数转换；调制信号产生模块，用于产生锯齿信号，进而调制发射信号；同步控制模块，用于产生与锯齿信号同步的脉冲信号，控制数据采集模块中n路采集通道同步采集回波信号；usb通信模块，将数据采集模块采集的数据传输至信号处理模块中；信号处理模块，用于对脉冲压缩雷达回波信号进行信号处理，获取目标的位置信息与速度信息并将其传输至控制显示模块；控制显示模块，用于控制脉冲压缩雷达回波信号处理系统的开启与关闭，显示目标信息，且能进行用户身份认证。该系统存在的不足之处是：usb通信模块和信号处理模块需要具有数据高速传输的能力，这会增加系统的成本。

南京理工大学在其申请的专利文献中公开的方法的实施步骤是：第一，通过同步控制模块、控制显示模块控制数据采集模块采集脉冲压缩雷达回波信号，并将模拟信号转换为数字信号；第二，将第一步中获得的数字信号通过usb通信模块传输缓存，当缓存数据到达设定值时，再将信号传输至信号处理模块；第三，信号处理模块对接收到的信号进行滤波、数据重排、杂波抑制、动目标检测、恒虚警、目标凝聚和测角，获得目标的距离和速度信息；第四将第三步中获得的距离和速度信息传输至控制显示模块进行显示，完成脉冲压缩雷达回波信号处理。该方法存在的不足之处是：当数据采集模块采样频率过高时，usb通信模块和信号处理模块会因为数据量太大而不能正常工作，不能从脉冲压缩雷达回波信号中准确测量目标的位置与速度。

徐寅晖等人在其发表的论文“基于fpga的多通道脉冲压缩程序设计”(《computerengineeringandapplications》2011：341-345)中提出了一种基于fpga的数字信号处理系统及方法。该系统包括数据采集模块、数字下变频模块、脉冲压缩模块、类型转换模块和目标信息计算模块。其中，数据采集模块，通过数据采集板卡采集雷达回波信号；数字下变频模块，用于雷达雷达回波信号进行数字下变频操作；脉冲压缩模块，用于将下变频后的数据进行定点的脉冲压缩处理；类型转换模块，用于将脉冲压缩后的数据转换为单精度的浮点数；目标信息计算模块，用于计算目标的位置信息。该系统存在的不足之处是，脉冲压缩模块仅能处理对点数固定的数据进行脉冲压缩处理，当数据点数变化时，无法实现脉冲压缩处理。

徐寅晖等人在其发表的论文公开的方法的实施步骤是：第一，通过数据采集模块采集雷达回波信号；第二，将采集到的雷达回波信号进行数字下变频操作变为零中频的复信号；第三，将数字下变频后的数据进行定点的脉冲压缩处理；第四，将脉冲压缩后的信号转换为单精度的浮点数；第五，将转换后的信号通过目标计算模块计算目标的速度信息和位置信息。该方法存在的不足之处是，计算运动目标的位置时不能保持恒定的虚警概率，会引起检测结果与目标真实位置出现偏差。

发明的内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于现场可编程门阵列fpga的脉冲压缩雷达pcr回波信号处理系统及方法，以解决由于信号采样率过高引起的不能准确测量目标的位置与速度，fpga传统开发方式具有修改困难与灵活性欠缺等问题。

实现本发明目的的具体思路是：采样数据的长度与采样率具有线性关系，当采样率较高时，采样数据点数会增加，对高采样率采样的数据进行降采样，可以有效缩短数据的长度；fpga的图形化开发方式具有修改方便和灵活性高的特点，采用图形化开发方式对系统进行开发，可以解决传统开发方式具有的修改困难与灵活性欠缺的问题。

本发明的脉冲压缩雷达pcr回波信号处理系统，包括数据采集模块、脉冲压缩模块、动目标滤波模块、动目标检测模块、恒虚警模块，信号预处理模块，所有模块均采用图形化方式开发；其中：

所述数据采集模块，用于以脉冲压缩雷达第一次发射的脉冲压缩信号作为参考信号，将完成参考信号发射的时间记为该参考信号的脉冲宽度，将脉冲压缩雷达发射一次脉冲压缩信号后实时接收到的脉冲压缩雷达回波信号以采样频率为fs1进行采样，得到回波信号，其中，fs1＞500mhz；

所述信号预处理模块包括：数字下变频模块、降采样模块、回波信号补齐模块、汉明窗生成模块、汉明窗信号补齐模块、参考信号预处理模块、汉明窗模块；其中，数字下变频模块用于将回波信号进行数字下变频处理，得到零中频的复信号；将零中频的复信号进行倍的降采样处理，得到长度为的降采样后的回波信号，其中，*表示相乘操作，fs2表示对零中频的复信号进行采样的频率，l表示回波信号的长度；回波信号补齐模块在降采样回波信号的末尾增补个零，得到预处理后的回波信号，其中，ceil表示向上取整操作，log2表示以2为底的对数操作，l1表示降采样回波信号的长度；汉明窗生成模块，用于产生宽度为的汉明窗信号，其中，τ表示参考信号的脉冲宽度；汉明窗信号补齐模块，用于在汉明窗信号的末尾增补个零，得到补齐长度的汉明窗信号，其中，lw表示汉明窗信号的长度；参考信号预处理模块，用于采用与本步骤中上述描述的对回波信号进行的相同处理方法，对参考信号进行处理，得到补齐长度的参考信号；汉明窗模块，用于将补齐长度的参考信号与补齐长度的汉明窗信号相乘，得到预处理后的参考信号；

所述脉冲压缩模块包括：回波信号傅里叶变换模块、参考信号傅里叶变换模块、共轭乘法模块、傅里叶逆变换模块；其中，回波信号傅里叶变换模块，用于将预处理后的回波信号做傅里叶变换，得到频域回波信号；参考信号傅里叶变换模块，用于将预处理后的参考信号做傅里叶变换，得到频域参考信号；共轭乘法模块，用于将频域参考信号做共轭处理，得到共轭频域参考信号；将频域回波信号与共轭频域参考信号相乘，得到脉冲压缩频域信号；傅里叶逆变换模块，用于将脉冲压缩频域信号做傅里叶逆变换，得到脉冲压缩时域信号；

所述动目标滤波模块，用于用脉冲压缩雷达当前相邻发射之间的脉冲压缩时域信号减去前一次相邻发射之间的脉冲压缩时域信号，得到滤除静止目标的滤波信号；

所述动目标检测模块包括：脉冲存储模块、脉冲变换模块、并行傅里叶变换模块、速度计算模块；其中，脉冲存储模块，用于将脉冲压缩雷达n次连续发射的脉冲压缩时域信号依次拼接，得到信号序列，其中，n的取值为大于4的正整数；脉冲变换模块，用于将信号序列依次按行转换得到n×l2的矩阵x1，其中，l2表示脉冲压缩时域信号的长度；并行傅里叶变换模块，用于将矩阵x1的每一列做傅里叶变换，得到矩阵x2；将矩阵x2中的所有元素取模处理，得到矩阵x3；将矩阵x3中每一行中所有元素相加组成多普勒频谱序列；速度计算模块，用于在多普勒频谱序列中找出元素最大值，将最大值对应的多普勒频率值作为运动目标的速度；

所述恒虚警模块，用于将滤波信号进行恒虚警检测，得到运动目标的位置。

本发明基于现场可编程门阵列fpga的脉冲压缩雷达pcr回波信号处理方法的具体步骤包括如下：

步骤1，实时接收脉冲压缩雷达pcr回波信号：

数据采集模块以脉冲压缩雷达第一次发射的脉冲压缩信号作为参考信号，将完成参考信号发射的时间记为该参考信号的脉冲宽度，将脉冲压缩雷达发射一次脉冲压缩信号后实时接收到的脉冲压缩雷达回波信号以采样频率为fs1进行采样，得到回波信号，其中，fs1＞500mhz；

步骤2，对回波信号与参考信号进行预处理：

信号预处理模块中的数字下变频模块将回波信号进行数字下变频处理，得到零中频的复信号；

信号预处理模块中的降采样模块将零中频的复信号进行倍的降采样处理，得到长度为的降采样后的回波信号，其中，*表示相乘操作，fs2表示对零中频的复信号进行采样的频率，l表示回波信号的长度；

信号预处理模块中的回波信号补齐模块在降采样回波信号的末尾增补个零，得到预处理后的回波信号，其中，ceil表示向上取整操作，log2表示以2为底的对数操作，l1表示降采样回波信号的长度；

信号预处理模块中的汉明窗生成模块产生宽度为的汉明窗信号，其中，τ表示参考信号的脉冲宽度；

信号预处理模块中的汉明窗信号补齐模块在汉明窗信号的末尾增补个零，得到补齐长度的汉明窗信号，其中，lw表示汉明窗信号的长度；

信号预处理模块中的参考信号预处理模块，采用与本步骤中上述描述的对回波信号进行的相同处理方法，对参考信号进行处理，得到补齐长度的参考信号；信号预处理模块中的汉明窗模块将补齐长度的参考信号与补齐长度的汉明窗信号相乘，得到预处理后的参考信号；

步骤3，对预处理后的回波信号进行脉冲压缩：

脉冲压缩模块中的回波信号傅里叶变换模块将预处理后的回波信号做傅里叶变换，得到频域回波信号；

脉冲压缩模块中的参考信号傅里叶变换模块将预处理后的参考信号做傅里叶变换，得到频域参考信号；

脉冲压缩模块中的共轭乘法模块将频域参考信号做共轭处理，得到共轭频域参考信号；将频域回波信号与共轭频域参考信号相乘，得到脉冲压缩频域信号；

脉冲压缩模块中的傅里叶逆变换模块将脉冲压缩频域信号做傅里叶逆变换，得到脉冲压缩时域信号；

步骤4，生成多普勒频谱序列：

动目标检测模块中的脉冲存储模块将脉冲压缩雷达n次连续发射的脉冲压缩时域信号依次拼接，得到信号序列，其中，n的取值为大于4的正整数；

动目标检测模块中的脉冲存储模块将信号序列依次按行转换得到n×l2的矩阵x1，其中，l2表示脉冲压缩时域信号的长度；

动目标检测模块中的并行傅里叶变换模块将矩阵x1的每一列做傅里叶变换，得到矩阵x2；将矩阵x2中的所有元素取模处理，得到矩阵x3；将矩阵x3中每一行中所有元素相加组成多普勒频谱序列；

步骤5，动目标检测模块中的速度计算模块在多普勒频谱序列中找出元素最大值，将最大值对应的多普勒频率值作为运动目标的速度；

步骤6，对脉冲压缩时域信号进行动目标滤波：

动目标滤波模块用脉冲压缩雷达当前相邻发射之间的脉冲压缩时域信号减去前一次相邻发射之间的脉冲压缩时域信号，得到滤除静止目标的滤波信号；

步骤7，恒虚警模块将滤波信号进行恒虚警检测，得到运动目标的位置。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明的脉冲压缩雷达回波信号处理系统采用图形化开发方式开发，克服了现有技术中开发方式修改困难与灵活性欠缺的问题，使得本发明具有易于开发的优点。

第二，由于本发明的脉冲压缩雷达回波信号处理系统中的信号预处理模块，可以将数据采集模块采集到的回波信号与参考信号进行降采样处理，克服了现有系统中当数据采集模块采样频率过高时，usb通信模块和信号处理模块会因为数据量太大而不能正常工作的问题，使得本发明具有在高采样率的情况下正常工作的优点。

第三，由于本发明的脉冲压缩雷达回波信号处理方法中的采用了对降采样后的回波信号进行信号补齐处理，克服了现有技术中仅能处理固定长度的回波信号的问题，使得本发明具有能够在回波信号长度不相同的情况下测量回波信号中运动目标的速度与位置的优点。

附图说明：

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明系统的结构做进一步的描述。

本发明的系统包括数据采集模块、信号预处理模块、脉冲压缩模块、动目标滤波模块、动目标检测模块、恒虚警模块，所有模块均采用基于systemgenerator的图形化开发方式开发，模块之间采用总线方式连接，数据采集模块的输出端与信号预处理模块的输入端相连，信号预处理模块的输出端与脉冲压缩模块的输入端相连，脉冲压缩模块的输出端分别与动目标滤波模块和动目标检测模块的输入端相连，动目标滤波模块的输出端与恒虚警模块的输入端相连。

数据采集模块，用于以脉冲压缩雷达第一次发射的脉冲压缩信号作为参考信号，将完成参考信号发射的时间记为该参考信号的脉冲宽度，将脉冲压缩雷达发射一次脉冲压缩信号后实时接收到的脉冲压缩雷达回波信号以采样频率为fs1进行采样，得到回波信号，其中，fs1＞500mhz。

信号预处理模块包括：数字下变频模块、降采样模块、回波信号补齐模块、汉明窗生成模块、汉明窗信号补齐模块、参考信号预处理模块、汉明窗模块；其中，数字下变频模块用于将回波信号进行数字下变频处理，得到零中频的复信号；将零中频的复信号进行倍的降采样处理，得到长度为的降采样后的回波信号，其中，*表示相乘操作，fs2表示对零中频的复信号进行采样的频率，l表示回波信号的长度；回波信号补齐模块在降采样回波信号的末尾增补个零，得到预处理后的回波信号，其中，ceil表示向上取整操作，log2表示以2为底的对数操作，l1表示降采样回波信号的长度；汉明窗生成模块，用于产生宽度为的汉明窗信号，其中，τ表示参考信号的脉冲宽度；汉明窗信号补齐模块，用于在汉明窗信号的末尾增补个零，得到补齐长度的汉明窗信号，其中，lw表示汉明窗信号的长度；参考信号预处理模块，用于采用与本步骤中上述描述的对回波信号进行的相同处理方法，对参考信号进行处理，得到补齐长度的参考信号；汉明窗模块，用于将补齐长度的参考信号与补齐长度的汉明窗信号相乘，得到预处理后的参考信号。

脉冲压缩模块包括：回波信号傅里叶变换模块、参考信号傅里叶变换模块、共轭乘法模块、傅里叶逆变换模块；其中，回波信号傅里叶变换模块，用于将预处理后的回波信号做傅里叶变换，得到频域回波信号；参考信号傅里叶变换模块，用于将预处理后的参考信号做傅里叶变换，得到频域参考信号；共轭乘法模块，用于将频域参考信号做共轭处理，得到共轭频域参考信号；将频域回波信号与共轭频域参考信号相乘，得到脉冲压缩频域信号；傅里叶逆变换模块，用于将脉冲压缩频域信号做傅里叶逆变换，得到脉冲压缩时域信号。

动目标滤波模块，用于用脉冲压缩雷达当前相邻发射之间的脉冲压缩时域信号减去前一次相邻发射之间的脉冲压缩时域信号，得到滤除静止目标的滤波信号。

动目标检测模块包括：脉冲存储模块、脉冲变换模块、并行傅里叶变换模块和速度计算模块；其中，脉冲存储模块，用于将脉冲压缩雷达n次连续发射的脉冲压缩时域信号依次拼接，得到信号序列，其中，n的取值为大于4的正整数；脉冲变换模块，用于将信号序列依次按行转换得到n×l2的矩阵x1，其中，l2表示脉冲压缩时域信号的长度；并行傅里叶变换模块，用于将矩阵x1的每一列做傅里叶变换，得到矩阵x2；将矩阵x2中的所有元素取模处理，得到矩阵x3；将矩阵x3中每一行中所有元素相加组成多普勒频谱序列；速度计算模块，用于在多普勒频谱序列中找出元素最大值，将最大值对应的多普勒频率值作为运动目标的速度。

恒虚警模块，用于将滤波信号进行恒虚警检测，得到运动目标的位置。

参照附图2，对本发明的方法做进一步的描述。

步骤1，实时接收脉冲压缩雷达pcr回波信号：

数据采集模块以脉冲压缩雷达第一次发射的脉冲压缩信号作为参考信号，将完成参考信号发射的时间记为该参考信号的脉冲宽度，将脉冲压缩雷达发射一次脉冲压缩信号后实时接收到的脉冲压缩雷达回波信号以采样频率为fs1进行采样，得到回波信号，其中，fs1＞500mhz。

步骤2，对回波信号与参考信号进行预处理：

信号预处理模块中的数字下变频模块将回波信号进行数字下变频处理，得到零中频的复信号。

信号预处理模块中的降采样模块将零中频的复信号进行倍的降采样处理，得到长度为的降采样后的回波信号，其中，*表示相乘操作，fs2表示对零中频的复信号进行采样的频率，l表示回波信号的长度。所述零中频的复信号进行倍的降采样处理是按照下式实现的：

其中，y(n)表示降采样后回波信号中的第n个元素，n的取值范围为0到l1-1，x(m)表示零中频的复信号中的第m个元素，ceil表示向上取整操作。

信号预处理模块中的回波信号补齐模块在降采样回波信号的末尾增补个零，得到预处理后的回波信号，其中，log2表示以2为底的对数操作，l1表示降采样回波信号的长度。

信号预处理模块中的汉明窗生成模块产生宽度为的汉明窗信号，其中，τ表示参考信号的脉冲宽度。

信号预处理模块中的汉明窗信号补齐模块在汉明窗信号的末尾增补个零，得到补齐长度的汉明窗信号，其中，lw表示汉明窗信号的长度。

信号预处理模块中的参考信号预处理模块，采用与本步骤中上述描述的对回波信号进行的相同处理方法，对参考信号进行处理，得到补齐长度的参考信号。

信号预处理模块中的汉明窗模块将补齐长度的参考信号与补齐长度的汉明窗信号相乘，得到预处理后的参考信号。

步骤3，对预处理后的回波信号进行脉冲压缩：

脉冲压缩模块中的回波信号傅里叶变换模块将预处理后的回波信号做傅里叶变换，得到频域回波信号。

脉冲压缩模块中的参考信号傅里叶变换模块将预处理后的参考信号做傅里叶变换，得到频域参考信号。

脉冲压缩模块中的共轭乘法模块将频域参考信号做共轭处理，得到共轭频域参考信号；将频域回波信号与共轭频域参考信号相乘，得到脉冲压缩频域信号；

脉冲压缩模块中的傅里叶逆变换模块将脉冲压缩频域信号做傅里叶逆变换，得到脉冲压缩时域信号。

步骤4，生成多普勒频谱序列：

动目标检测模块中的脉冲存储模块将脉冲压缩雷达n次连续发射的脉冲压缩时域信号依次拼接，得到信号序列，其中，n的取值为大于4的正整数。

动目标检测模块中的脉冲存储模块将信号序列依次按行转换得到n×l2的矩阵x1，其中，l2表示脉冲压缩时域信号的长度。

动目标检测模块中的并行傅里叶变换模块将矩阵x1的每一列做傅里叶变换，得到矩阵x2；将矩阵x2中的所有元素取模处理，得到矩阵x3；将矩阵x3中每一行中所有元素相加组成多普勒频谱序列。

步骤5，动目标检测模块中的速度计算模块在多普勒频谱序列中找出元素最大值，将最大值对应的多普勒频率值作为运动目标的速度。

步骤6，对脉冲压缩时域信号进行动目标滤波：

动目标滤波模块用脉冲压缩雷达当前相邻发射之间的脉冲压缩时域信号减去前一次相邻发射之间的脉冲压缩时域信号，得到滤除静止目标的滤波信号。

步骤7，恒虚警模块将滤波信号进行恒虚警检测，得到运动目标的位置。