基于FPGA的導(dǎo)航雷達(dá)MTD算法設(shè)計與實現(xiàn)

付 昊

(海裝上海局駐上海地區(qū)第七軍事代表室,上海 201300)

0 引 言

船用導(dǎo)航雷達(dá)的探測對象通常是海面或低空中的運動物體,如艦船、小艇、無人機等,這些目標(biāo)的回波往往與海浪、云雨、地物等形成的雜波或干擾背景疊加在一起,而且目標(biāo)回波強度一般低于干擾雜波強度,影響對目標(biāo)的檢測和跟蹤。

根據(jù)多普勒效應(yīng),相對本船具有徑向運動速度的目標(biāo)回波頻率會發(fā)生多普勒頻移,且與徑向運動速度的大小成正比。由于速度不同,運動目標(biāo)回波和干擾雜波可以在多普勒維度進(jìn)行區(qū)分。基于此,相參雷達(dá)從干擾雜波背景中提取出運動目標(biāo)的回波信號,如動目標(biāo)顯示(Moving Target Indication,MTI)雷達(dá)。MTI雷達(dá)使用動目標(biāo)濾波器,濾除各種干擾雜波而保留運動目標(biāo)回波信號,可以大大改善雷達(dá)雜波抑制能力和抗干擾性能,提升雷達(dá)在強雜波等復(fù)雜場景中檢測目標(biāo)的能力。如果再利用與運動目標(biāo)回波信號脈沖串匹配濾波理論和恒虛警率處理技術(shù),則不僅可以抑制雜波,還能通過相參積累提高目標(biāo)回波信噪比,即雷達(dá)動目標(biāo)檢測(Moving Target Detection,MTD)[1]。

為了提高導(dǎo)航雷達(dá)識別復(fù)雜背景下動目標(biāo)的能力,本文提出采用Xilinx K7 FPGA設(shè)計并實現(xiàn)MTD處理算法,并開展無人機探測試驗驗證。

1 基于FPGA的MTD 算法設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 硬件平臺

Kintex-7是Xilinx公司一款基于28 nm技術(shù)的新型FPGA,性價比和功耗均優(yōu)于Virtex-6系列,其資源如圖1所示,可以看出該款FPGA具有豐富的邏輯資源、信號處理DSP以及高速通信接口GTX、PCIE等,滿足MTD高帶寬、實時性的要求[2]。從性能、功耗和成本方面綜合考慮,選擇該款產(chǎn)品實現(xiàn)雷達(dá)MTD算法。

圖1 Kintex-7系列FPGA詳細(xì)資源

1.2 MTD算法設(shè)計

基于多普勒雷達(dá)實現(xiàn)MTD算法流程如圖2所示。

圖2 MTD算法流程

雷達(dá)回波數(shù)據(jù)通過ADC采樣、數(shù)字下變頻、脈沖壓縮、數(shù)據(jù)緩存、MTD數(shù)據(jù)處理等過程完成整個動目標(biāo)的檢測過程,整個數(shù)據(jù)開發(fā)基于Xilinx K7 FPGA數(shù)據(jù)處理平臺。

(1)ADC采樣

雷達(dá)變頻組件接收通道輸出100 MHz中頻信號,信號帶寬為20 MHz,AD采樣時鐘為80 MHz,ADC芯片負(fù)責(zé)將中頻模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

(2)數(shù)字下變頻

本雷達(dá)采用數(shù)字下變頻方式對中頻信號進(jìn)行采樣濾波,其信號處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字下變頻

數(shù)控振蕩器(NCO)生成相位相差90°的數(shù)字本振信號供兩路混頻器使用。ADC采樣輸出的中頻數(shù)字信號經(jīng)混頻后通過FIR低通濾波器,濾出所需的零頻基帶信號。FIR低通濾波器的選用與有效信號帶寬及采樣率的比值相關(guān)。由于本設(shè)計采用多脈沖拼接處理,除簡單脈沖外,還涉及兩類信號帶寬,因此須設(shè)計兩類FIR低通濾波器,其濾波器頻率響應(yīng)如圖4、圖5所示。

圖4 FIR濾波器1頻率響應(yīng)

圖5 FIR濾波器2頻率響應(yīng)

AD采樣及數(shù)字下變頻時域、頻域信號分別如圖6、圖7所示。

(a) 時域信號

(a) 時域信號

(3)脈沖壓縮

在回波進(jìn)行脈沖壓縮匹配濾波之前,FPGA先緩存各波形的匹配系數(shù)。在脈沖壓縮時,根據(jù)設(shè)計時序波形組合選擇各自的匹配系數(shù)進(jìn)行匹配濾波,如圖8所示。

圖8 脈沖壓縮流程

脈沖壓縮信號處理流程各階段信號波形如圖9所示。

(a) 匹配系數(shù) (b) 回波時頻轉(zhuǎn)換(FFT)

(4)數(shù)據(jù)緩存

由于脈沖壓縮輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)量大(32位I路和Q路),故采用DDR3進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存,流程如圖10所示。

圖10 MTD數(shù)據(jù)緩存流程

數(shù)據(jù)緩存數(shù)據(jù)處理過程主要利用FPGA的DDR3MIG、BRAM等IP核設(shè)計開發(fā)。

(5)MTD數(shù)據(jù)處理

MTD數(shù)據(jù)處理主要包括DDR3數(shù)據(jù)搬移、數(shù)據(jù)加窗、FFT過程、多普勒通道識別等過程,其具體處理流程如圖11所示。

圖11 MTD數(shù)據(jù)流程圖

MTD數(shù)據(jù)處理過程主要利用FPGA的DDR3 MIG、BRAM、FIFO、XFFT、Multiplier、Coridic等IP核設(shè)計開發(fā)。

1.3 MTD算法實現(xiàn)

基于脈沖壓縮導(dǎo)航雷達(dá)的“無人機警戒”雷達(dá),通過Xilinx K7 FPGA實現(xiàn)了MTD。圖12給出了在試驗過程中無人機處于懸停、逼近、遠(yuǎn)離狀態(tài)時雷達(dá)數(shù)據(jù)MTD處理的結(jié)果,通過多普勒通道號可以直觀展示動目標(biāo)的實時狀態(tài),有助于提高復(fù)雜背景下動目標(biāo)的識別能力。

(a)無人機靜止

2 結(jié)束語

本文在分析導(dǎo)航雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行MTI原理的基礎(chǔ)上,采用Xilinx K7 FPGA平臺實現(xiàn)MTD處理,并開展無人機探測試驗,試驗結(jié)果表明:基于FPGA的導(dǎo)航雷達(dá)MTD算法滿足無人機探測要求,能夠有效提高復(fù)雜背景下動目標(biāo)的識別能力。