基于FPGA的运动补偿实现方法.pdf

收稿日期:2 0 2 2 1 2 1 5基于F P GA的运动补偿实现方法杨 敏(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 7 1 0 0 6 8)摘要:雷达系统在检测运动目标的过程中,运动目标的回波信号具有一定的多普勒频移,为了消除该多普勒频移造成的雷达测距误差,需要在脉冲压缩处理前对目标回波信号进行运动补偿处理。基于上述目的,对运动补偿原理进行了详细阐述,并采用MA T L A B对运动补偿算法进行仿真及分析,重点提出了运动补偿算法的可编程门阵列(F P-GA)实现方案。经过分析及验证,F P GA实现运动补偿处理可成功消除运动目标多普勒频移带来的雷达测距误差。该方案具有实时性高、工程易实现的优点。关键词:现场可编程门阵列;多普勒频移;运动补偿 中图分类号:T N 9 5 7.5 1文献标识码:A文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 0 7 6-0 4D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 1 7I m p l e m e n t a t i o n M e t h o d s o f M o t i o n C o m p e n s a t i o n B a s e d o n F P G A YANG M i n(T h e 2 0 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C,X ia n 7 1 0 0 6 8,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h e p r o c e s s o f r a d a r d e t e c t i n g t h e m o v i n g t a r g e t,t h e e c h o s i g n a l o f m o v i n g t a r g e t h a s a c e r t a i n D o p p l e r f r e q u e n c y s h i f t.I n o r d e r t o e l i m i n a t e t h e r a d a r r a n g i n g e r r o r c a u s e d b y t h e D o p p l e r f r e q u e n c y s h i f t,i t i s n e c e s s a r y t o c a r r y o u t t h e m o t i o n c o m p e n s a t i o n p r o c e s s i n g o n t h e t a r g e t e c h o s i g n a l b e f o r e p u l s e c o m p r e s s i o n p r o c e s s i n g.B a s e d o n t h e a b o v e p u r p o s e,t h e m o t i o n c o m p e n s a t i o n p r i n c i p l e i s e l a b o r a t e d,a n d t h e m o t i o n c o m p e n s a t i o n a l g o r i t h m i s s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d b y MAT-L A B,a n d t h e f i e l d p r o g r a mm a b l e g a t e a r r a y(F P GA)i m p l e m e n t a t i o n s c h e m e o f t h e m o t i o n c o m-p e n s a t i o n a l g o r i t h m i s f o c u s e d o n.T h r o u g h a n a l y s i s a n d v e r i f i c a t i o n,t h e m o t i o n c o m p e n s a t i o n p r o-c e s s i n g b a s e d o n F P GA c a n s u c c e s s f u l l y e l i m i n a t e t h e r a d a r r a n g i n g e r r o r c a u s e d b y t h e D o p p l e r s h i f t o f t h e m o v i n g t a r g e t.M e a n w h i l e,t h e s c h e m e h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h r e a l-t i m e p e r f o r m-a n c e a n d e a s y i m p l e m e n t a t i o n o f e n g i n e e r i n g.K e y w o r d s:f i e l d p r o g r a mm a b l e g a t e a r r a y;D o p p l e r f r e q u e n c y s h i f t;m o t i o n c o m p e n s a t i o n 0 引 言舰载雷达系统中,由于运动目标与雷达之间有相对径向运动,雷达接收到的目标回波信号具有多普勒频移,使得雷达测量目标的距离与目标所在的真实距离存在一定的误差,且该误差随目标速度提高而增大。因此,需要在脉冲压缩处理前进行目标运动补偿,以获得目标的真实距离。传统运动补偿实现多采用C O R D I C算法产生补偿信号1,然而C O R D I C算法的复杂性使上述方法具有开发难度大、开发周期长的缺陷。随着近年现场可编程门阵列(F P GA)技术的不断发展,F P GA的功能已不仅仅是完成复杂的逻辑控制,而是更多地实现各种复杂的算法,工程实现中可运用快速傅里叶变换(F F T)、直接数字合成(D D S)等I P核进行复杂信号处理算法运算,具有灵活配置、高速并行处理的优点,因此在F P GA上实现运动补偿、脉冲压缩算法可以提高系统的实时性能并提高设计人员的开发效率。本文将在F P GA中利用D D S技术产生补偿信号实现运动补偿,以消除运动目标的多普勒2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4频移带来的测距误差,并对运动补偿后脉冲压缩结果进行验证与分析。1 多普勒频移对测距的影响当目标相对于雷达的径向速度为v时,雷达回波信号频率与发射信号频率差值为多普勒频率:fd=2v(1)式中:v为目标与雷达的相对速度,单位为m/s;为发射载波的波长,单位为m。已知无多普勒频移的线性调频信号为ui(t)=Ar e c ttT ej0t+12t2 。经推导2,其脉冲压缩匹配滤波器输出响应的包络为:a(t)=A Ds i nB(t-td)B(t-td)(2)具有多普勒频移的线性调频信号为ui(t)=Ar e c ttT ej(0t+dt+12t2)。经推导,其脉冲压缩匹配滤波输出的响应为:h(t)=A Ds i n Bt-td+2 fd Bt-td+2 fd (3)式中:=2 BT,T为 脉 宽,B为 带 宽;D为 脉 冲压缩比。式(3)与式(2)相比,多普勒频移使脉冲压缩后信号的包络在时间轴上发生了移动,且偏移量为td=2 fd=fdTB,由此可见,当目标回波信号具有多普勒频移时,其脉冲压缩匹配滤波器输出信号的主峰出现时刻相对于无多普勒频移时超前或滞后。雷达与目标之间的真实距离为s=12c t(c为光速),因此当存在偏移量td时,测距误差为s=12ctd=c fdT2B。为消除测距误差s3,则需对回波信号的多普勒频移进行补偿,即对目标回波信号进行运动补偿。2 运动补偿当目标的回波信号具有多普勒频移时,由于脉冲压缩匹配滤波器输出信号的偏移,必然会造成测距误差,并且测距误差随目标速度增大而增大。2.1 运动补偿原理假设雷 达 目 标 回 波 信 号 无 多 普 勒 频 移 时 为S(t)4。当目标相对于雷达以径向速度v运动时,附加的多普勒频率为fd=2v,此时雷达接收到的回波信号为:S(t)=S(t)e x pj 2 t0fd()d (4)由式(2)可知,若要消除雷达接收回波信号的多普勒频移,则需将目标回波信号S(t)与补偿信号f(t)=e x p-j 2 t0fd()d 相乘,以消除S(t)中附加的多普勒相位e x pj 2 t0fd()d 。2.2 运动补偿的MAT L A B仿真设定雷达波形参数为:脉宽T=1 2 s,带宽B=2 0 MH z,采样率fs=3 0 MH z,载波波长=0.0 1 7 9 m,跟踪波门为1 2 0 m,距离采样单元为5 m,采 样 起 始 时 刻 为5 9 4 0 m。在 距 离 雷 达6 0 0 0m处设置径向速度v=1 0 0 0 m/s的目标,采用MAT L A B产生该目标的线性调频回波信号,并进行运动补偿及脉冲压缩仿真。(1)不 做 运 动 补 偿 后 脉 冲 压 缩 结 果 如 图1所示。图1 MA T L A B仿真不做运动补偿的脉冲压缩结果图1中目标峰值所在距离采样单元为3 7 1,则目标检测距离s=(3 7 1-Tfs-1)5+5 9 4 0,经计算,此时检测距离为5 9 9 0 m,与实际目标距离偏差1 0 m。根据多普勒频移造成的误差理论值s=c fdT2B计算,此时s=1 0 m,即理论偏差与仿77第4期杨敏:基于F P GA的运动补偿实现方法真结果一致。(2)做运动补偿后脉冲压缩结果如图2所示。图2 MA T L A B仿真做运动补偿的脉冲压缩结果图2中目标峰值所在距离采样单元为3 7 3,与图1比较,回波信号的脉冲压缩峰值位置相对实际超前2个 距 离 采 样 单 元,因 此 检 测 距 离 误 差 为1 0 m,与上述s一致。根据图2计算目标检测距离s=(3 7 3-Tfs-1)5+5 9 4 0,经计算此时检测距离为6 0 0 0 m,与实际目标距离一致,即经过运动补偿后,成功消除由动目标多普勒频移引起的测距误差。2.3 运动补偿的F P GA实现2.3.1 实现方案 F P GA可利用D D S技术直接合成所需频率的正、余弦信号与输入信号相乘实现频谱搬移。本文基于F P GA实现运动补偿方法的核心,即使用D D S I P核产生补偿信号f(t)对应的正、余弦信号,具体运动补偿实现方案如图3所示。图3 运动补偿的F P G A实现框图(1)根据系统下发参数计算多普勒频率fd,并将fd送入配置参数计算模块,计算D D S I P核配置参数;(2)使用配置参数配置D D S I P核后,D D S I P输出补偿信号f(t);(3)补偿信号f(t)与目标回波S(t)进行复数相乘,并将相乘结果送至脉冲压缩模块,进行后续脉冲压缩计算。2.3.2 D D S产生补偿信号F P GA中D D S I P核的工作原理是使用查找表形成给定频率的正弦波采样5,通常查找表中存储的是正、余弦波的归一化空间采样,采样个数为N,D D S的输出频率fo u t是采样率fs、采样个数N及相位增量值的函数:fo u t=fsN(5)式中:N=2n,n为D D S I P核设置精度。在运动补偿算法实现中,使fo u t=fd,根据式(3)计算,则:=fdfs2n(6)式(6)计算得到的即为D D S I P核配置参数,将送至D D S I P核配置接口完成D D S I P核配置后,D D S I P核输出与fd相应的补偿信号。2.3.3 F P GA实现的验证F P GA实现运动补偿算法的验证过程如图4所示。图4 运动补偿的F P G A仿真验证过程(1)设定雷达波形及目标参数与本文第2.2小节“运动补偿的MAT L A B仿真”中保持一致,采用MAT L A B产生目标的线性调频信号,并将产生的线性调频信号存为1 6进制的c o e格式文件;(2)F P GA将c o e文件存入片内只读存储器(R OM)后,读取R OM数据进行运动补偿及脉冲压缩仿真,并将仿真结果存为t x t文件;(3)采用MAT L A B读取t x t文件数据,对数据进行格式转换后将F P GA仿真得到的脉冲压缩结果绘图,如图5所示;(4)图5所示目标峰值所在距离采样单元为87舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 图5 F P GA仿真做运动补偿的脉冲压缩结果3 7 3,则目标检测距离s=(3 7 3-Tfs-1)5+5 9 4 0,经计算此时检测距离为6 0 0 0 m,与实际目标距离一致,由此说明F P GA实现运动补偿算法有效地消除了目标多普勒频移带来的测距误差。3 结束语通过理论计算及MAT L A B仿真,验证了采用 运动补偿消除目标多普勒频移造成测距误差的有效性,在此基础上设计运动补偿算法的F P GA实现方案,通过F P GA与MAT L A B联合仿真验证了基于F P GA的运动补偿实现方法可行、有效,在工程实现中为雷达系统提高测距精度提供了一种高效、快捷的解决方案。参考文献1 王华.C O R D I C算法在雷达舰速补偿中的应用J.舰船电子对抗,2 0 0 8,3 1(3):5 7 6 0.2 李攀.多普勒频移对脉冲压缩雷达的影响及其补偿研究D.武汉:华中科技大学,2 0 0 7.3 周杰.多普勒频移对L FM脉冲压缩的影响及补偿研究J.电子质量,2 0 1 3(2):7 8 8 1.4 彭卫华,张永伟.舰载雷达的舰速补偿J.舰船电子对抗,2 0 0 8,3 1(3):5 0 5 3.5 刘东华.X l i n x系列F P G A芯片I P核详解M.北京:电子工业出版社,2 0 1 3.(上接第6 9页)信号实时脉内分析并行计算方法,针对雷达信号脉冲数据流,在每个节点分配MP I进程,在节点进程的内部利用O p e n MP为每个脉冲串分配一个线程,实现脉冲级的脉内分析并行计算,充分发挥电子侦察信号处理计算平台的性能。测试结果表明,该方法对不同调制类型信号的处理速度都获得了较大的提升。该方法实时性好,并且易于扩展,可以为雷达信号脉内分析的实时处理提供解决方案。参考文献1 易俊芬.高精度多雷达信号脉内分析与 分选 研 究及D S P高效实现D.成都:电子科技大学,2 0 1 6.2 庄跃迁.一种基于高性能G P U的实时脉内分析实现方案J.电子设计工程,2 0 1 9,2 7(1 9):1 0 0 1 0 4,1 0 9.3 曹俊纺,赵航,吴昊,等.基于P o w e r P C的脉内实时分析处理技术J.雷达与对抗,2 0 1 9,3 9(4):2 5 2 7,4 0.4 耿昭谦,朱虎明,李旭明,等.基于高性能计算的雷达信号处理研究综述J.电子科技,2 0 2 1,3 4(9):1 6.5 魏梦瑶.基于X 8 6架构C P U的雷达信号处理算法研究J.电子科技,2 0 1 7,3 0(5):5 5 5 7,6 1.6 S HA RMA R,KANUNG O P.P e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f MP I a n d h y b r i d MP I+O p e n MP p r o g r a mm i n g p a r a-d i g m s o n m u l t i-c o r e p r o c e s s o r s c l u s t e rC/2 0 1 1 I n-t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R e c e n t T r e n d s i n I n f o r m a-t i o n S y s t e m s.K o l k a t a,I n d i a:I E E E,2 0 1 1:1 3 7 1 4 0.7 胡银丰,孔强.基于MP I+O p e n MP混合编程模型的并行声纳信号处理技术研究J.舰船电子工程,2 0 1 7,3 7(1 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