一种基于FPGA的步进频高分辨近程雷达探测系统和方法与流程

本发明涉及近程高分辨雷达高速目标探测领域，具体涉及一种基于fpga的步进频高分辨近程雷达探测系统和探测方法。

背景技术：

1、高的距离分辨力不仅有利于雷达在强杂波背景下进行目标检测，而且使目标成像成为可能，为目标识别创造了更好的条件。步进频率雷达信号是一种重要的高分辨雷达信号，它通过发射一串载频均匀跳变的单频相参脉冲，来合成大的信号带宽并获得高距离分辨率。另一方面由于步进频雷达采用窄带发射、接收，进一步降低了雷达发射机和接收机的实现难度和成本，在一维及二维成像领域均取得了较好的应用效果。

2、在实际应用中，对于近程高速目标的探测除了需要满足高的距离分辨力，还需要具有较高的处理速度，然而现有的步进频雷达探测系统无法在满足高分辨率的同时兼顾高实时性处理速度。因此，需要进一步研究以满足近程高速运动目标高分辨成像的探测需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于fpga的步进频高分辨近程雷达探测系统和方法，该系统将发射接收组合模块、信号处理组合模块和测控模块等相结合，通过步进频宽带合成方法进行高分辨探测，采用基于fpga的实现方法，充分利用fpga运行模块并行处理的优势，实现了高分辨、高速信号处理。进一步的，其还采用乒乓处理来提高信号处理吞吐量；采用多个距离门并行处理进行同距离选大去冗余，进一步提高了信号处理的速度。

2、为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于fpga的步进频高分辨近程雷达探测系统，包含：

4、发射接收组合模块，其用于生成、发出步进频信号，并接收所述步进频信号的目标反射回波信号，所述发射接收组合模块还用于将目标反射回波信号转换为中频回波信号；

5、信号处理组合模块，其与所述发射接收组合模块连接，所述信号处理组合模块接收所述中频回波信号，所述信号处理组合模块包含fpga运行模块，所述fpga运行模块用于对所述中频回波信号进行预处理、速度补偿、距离门划分、高分辨成像、同距离选大法去冗余、时序控制得到一维距离像；

6、测控模块，其与所述信号处理组合模块连接并接收其发送的一维距离像，所述测控模块用于向所述fpga运行模块下发控制指令，所述fpga运行模块将所述控制指令发送给所述发射接收组合模块，所述发射接收组合模块根据控制指令生成、发出步进频信号并接收目标反射回波信号，进而向所述信号处理组合模块发送中频回波信号，以得到一维距离像。

7、可选的，还包含：

8、上位机，其与所述信号处理组合模块连接，所述上位机用于显示所述信号处理组合模块处理得到的一维距离像。

9、可选的，所述发射接收组合模块包含：

10、频率综合与调制波形产生组件，其用于生成步进频信号；

11、发射组件，其与所述频率综合与调制波形产生组件连接，所述发射组件接收所述步进频信号并将其通过发射天线发出；

12、接收天线，其用于接收所述步进频信号的目标反射回波信号；

13、变频接收机，其与所述接收天线连接，所述变频接收机用于将目标反射回波信号处理转换为中频回波信号。

14、可选的，所述信号处理组合包含：

15、a/d采样模块，其与所述发射接收组合模块连接，所述a/d采样模块用于对所述发射接收组合模块的中频回波信号进行采样，并将采集的中频回波信号发送给fpga运行模块；

16、外部时钟模块，其用于提供外部时钟源；

17、时钟模块，其与所述外部时钟模块连接，所述时钟模块接收所述外部时钟模块的外部时钟源信息并产生多路时钟信息，所述时钟模块还与a/d采样模块和fpga运行模块连接并为其提供时钟信息。

18、可选的，所述fpga运行模块包含：

19、数字下变频模块，其与所述a/d采样模块连接，所述数字下变频模块用于将所述中频回波信号变换到基带，以输出i、q两路基带回波数据；

20、速度补偿模块，其与所述数字下变频模块连接，所述速度补偿模块用于对i、q两路基带回波数据进行速度补偿，以输出补偿后的回波信号；

21、距离门划分模块，其与所述速度补偿模块连接，所述距离门划分模块将补偿后的回波信号根据距离门进行划分，并使各距离门的数据并行输出；

22、数据乒乓缓存模块，其与所述距离门划分模块连接，所述数据乒乓缓存模块用于将各距离门输出的数据交替存储；

23、一维距离高分辨成像模块，其与所述数据乒乓缓存模块连接，所述一维距离高分辨成像模块用于对各距离门的数据分别进行一维距离高分辨成像；

24、距离门间进行同距离选大去冗余模块，其与所述一维距离高分辨成像模块连接，所述距离门间进行同距离选大去冗余模块对各个距离门的一维距离高分辨成像进行选大去冗余以及距离像拼接，得到一维距离像。

25、可选的，一种基于fpga的步进频高分辨近程雷达探测系统的方法，包含：

26、s1、测控模块向信号处理组合模块的fpga运行模块下发控制指令，fpga运行模块将所述控制指令发送给发射接收组合模块；

27、s2、所述发射接收组合模块根据控制指令生成、发射步进频信号，并接收所述步进频信号的目标反射回波信号，进而转换成中频回波信号发送给信号处理组合模块；

28、s3、所述信号处理组合模块的fpga运行模块对所述中频回波信号进行预处理、速度补偿、距离门划分、高分辨成像、同距离选大法去冗余、时序控制得到一维距离像；

29、s4、所述fpga运行模块将所述一维距离像发送给所述测控模块。

30、可选的，所述步骤s2包含：

31、s21、发射接收组合模块中的频率综合与调制波形产生组件接收所述fpga运行模块发送的控制指令，并根据所述控制指令生成步进频信号；

32、s22、所述频率综合与调制波形产生组件将步进频信号发送至发射组件，所述发射组件接收所述步进频信号并将其通过发射天线发出；

33、s23、接收天线接收所述步进频信号的目标反射回波信号并将其发送给变频接收机；

34、s24、所述变频接收机将目标反射回波信号处理转换为中频回波信号并将其发送至信号处理组合模块。

35、可选的，所述步骤s3包含：

36、s31、a/d采样模块以设定频率对所述发射接收组合模块的中频回波信号进行采样，并将获取的中频回波信号发送给下变频模块，同时所述a/d采样模块通过srio编码模块发送给测控模块用于系统测试分析；

37、s32、数字下变频模块接收所述a/d采样模块发送的中频回波信号并对其进行数字下变频处理将其变换到基带，进而输出i、q两路基带回波数据；

38、s33、速度补偿模块接收数字下变频模块发送的i、q两路基带回波数据对其进行速度补偿，进而输出补偿后的回波信号；

39、s34、距离门划分模块接收速度补偿模块发送的补偿后的回波信号，对其根据距离门进行划分，并使各距离门的数据并行输出；

40、s35、数据乒乓缓存模块接收距离门划分模块发送的各距离门的数据并将其交替存储；

41、s36、一维距离高分辨成像模块接收数据乒乓缓存模块交替存储的数据，并对各距离门的数据分别进行一维距离高分辨成像；

42、s37、距离门间进行同距离选大去冗余模块接收各距离门的一维距离高分辨成像，对其进行选大去冗余以及距离像拼接，得到一维距离像。

43、可选的，所述步骤s32中，数字下变频处理包含数字正交基带变换处理和滤波抽取处理，其中，

44、数字正交基带变换为数字本振与中频回波信号相乘，因采样率fs与中频回波信号频率fi关系为满足且fs＞2b，n＝1，2，…，数字本振为“1”、“0”，“-1”三个数据组成的数列的循环，直接对中频回波信号置零、取负、保持来实现数字正交基带变换；滤波抽取处理采用fir滤波器实现，d倍抽取后最终输出i、q两路基带回波数据；

45、所述步骤s33中，每个脉冲重复周期开始前计算速度补偿系数，补偿系数计算公式如下：

46、

47、其中，c为光速c＝3×108，v为相对速度，f0为发射信号中心频率，δf为步进频频率步进间隔，[f0+(k-1)δf]为每个脉冲的发射频率，(k-1)tr为每个脉冲发射起始时刻，若一帧信号共包含n个脉冲，则k＝1,…,n，tr为脉冲重复周期；具体实现过程如下：

48、a)将速度补偿系数计算公式中除速度外的固定相位部分存入rom中，根据脉冲编号读取固定相位值，作为速度补偿系数计算模块的输入；

49、b)对速度数据进行定点到浮点的转换，转换结果作为速度补偿系数计算模块的输入；

50、c)速度补偿系数计算ip通过vivado hls进行开发，对输入的固定相位值与速度值进行相乘得到速度补偿相位，再进行e指数计算，得到复数的速度补偿系数值；

51、d)对速度补偿系数值进行浮点到定点的转换，转换为16bit定点数据；

52、e)为了使输入的基带回波信号与速度补偿系数同步，将基带回波信号存入fifo进行缓存；

53、f)读取fifo中的基带回波信号，与速度补偿系数相乘，得到补偿后的回波信号；

54、所述步骤s34中，距离门划分模块主要将串行的回波信号根据距离门进行划分，具体采用每个发射脉冲过采样倍数p来进行距离门划分，模块输入数据有效标志为高电平时对数据进行计数，每个距离门p个采样点；

55、所述步骤s35中，对各距离门内采样数据分别进行乒乓缓存，同一cpi数据存入一个存储区，两存储区交替存储，根据地址高低将ram划分成两个存储区，分别为存储区1、存储区2，当系统开始工作时，将模块输入的第一个cpi数据存入存储区1，第二个cpi数据存入存储区2，以此类推；

56、所述步骤s36中，采用同距离选大法进行去冗余，对重复信息进行比较后，再决定是否舍去，在每组ifft结果中选取长度为rτ的有效点以供比较，相邻组成像结果距离新息长度为ns，在每组有效数据缓存时进行距离对齐，有效数据外的地址存入0；

57、其具体包含：

58、1)一维距离像幅值获取

59、将同一距离门p个距离单元对应的p组数据顺序读出，采用xilinx fft ip核依次进行n点ifft处理，ifft输出通过xilinx cordic ip核进行幅相转换得到一维距离像幅值；

60、2)距离门内成像结果同距离选大去冗余

61、选取每个距离像中有效数据写入ram进行缓存，相关参数计算公式如下：

62、单脉冲距离分辨率(粗距离分辨率)：τ为发射脉宽，c为光速c＝3×108，

63、距离分辨率：c为光速c＝3×108，

64、单脉冲有效点数：trunc为截断运算，

65、采样距离分辨率：ts为采样间隔，c为光速c＝3×108，

66、一个采样距离对应的点数：trunc为截断运算，

67、单点不模糊距离：c为光速c＝3×108，δf为步进频频率步进间隔，

68、单个脉冲成像点数：trunc为截断运算；

69、同距离选大法有效数据选取方法如下：

70、pm＝trunc(mrs/δr)mod(n)为第m组ifft结果有效数据起始位置，

71、qm＝trunc((mrs+rτ)/δr)mod(n)为第m组ifft结果有效数据结束位置，

72、其中m＝1,2,…m，m为一个prt周期回波采样点数，mod为取余；若pm＜qm，数据有效点数为pm～qm，否则出现距离折叠，有效点数为pm～n,1～qm；同距离选大法去冗余时需将成像结果进行距离对齐，有距离折叠的情况1～qm点对应更远距离，在取每组ifft结果有效数据进行存储时按照pm～n,1～qm的顺序进行存储；

73、所述步骤s37中，将每个距离门去冗余成像结果进行距离重排，分别缓存入双口ram中，需要的存储单元数为nr＝nrk+(k-1)·nτ，有效数据为s36中每个距离门同距离比大去冗余后的成像结果；同时读取k个ram的存储数据，同地址数据进行选大，即可得到包含nr个点的拼接好的一维距离像；

74、所述步骤s4中，所述fpga运行模块将得到的一维距离像通过srio编码模块打包后传输给测控模块进行存储，并传给上位机进行显示。

75、可选的，还包含：

76、s5、采用恒虚警方法进行目标检测；

77、s6、将目标检测结果通过srio编码模块进行打包后传输给测控模块进行存储，并传给上位机进行实时显示。

78、本发明与现有技术相比具有以下优点：

79、本发明的一种基于fpga的步进频高分辨近程雷达探测系统和方法中，该系统将发射接收组合模块、信号处理组合模块和测控模块等相结合，通过信号处理组合对频率综合与调制波形产生组件进行配置，产生步进频信号，经发射天线进行辐射输出；接收天线接收步进频信号的目标反射回波信号，并经变频接收机将目标反射回波信号处理转换为中频回波信号。作为核心处理单元的fpga运行模块对中频回波数据进行预处理、速度补偿、距离门划分、高分辨成像、同距离选大法去冗余以及距离像拼接，得到一维距离像，在满足高分辨能力的同时兼顾了系统的处理速度。