[发明专利]一种LFMCW雷达MTD处理的FPGA实现方法

说明书

本发明提供一种LFMCW雷达MTD处理的FPGA实现方法，本发明针对LFMCW雷达系统对MTD处理的实时性和高吞吐率的要求，提出了一种可以在FPGA上实现LFMCW雷达MTD处理的方法。此方法能够充分利用FPGA的并行处理能力以及流水线处理、乒乓操作处理的高效率，配合DDR3 SDRAM的双倍数据速率和大容量的特点，解决了DSP的处理速度和FPGA存储空间的瓶颈问题。最后通过ModelSim仿真和实际系统测试证明了该方法的有效性和可靠性。

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及一种应用在线性调频连续波(LFMCW)雷达系统上的动目标检测(MTD)处理方法，尤其是一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现的，点数可变的实时MTD处理的方法。

背景技术

LFMCW雷达的收发天线需要很高的隔离度，早期的微波器件性能有限，因此应用不是很广泛。近年来随着电子技术的不断发展，LFMCW雷达的应用场景也越来越多，优势也越来越明显。LFMCW雷达无距离盲区，相同探测距离指标下发射功率更小，截获概率更低。被广泛应用在小目标探测、机场和军事禁区的安保以及汽车电子等领域。

早期雷达提高目标回波信噪比的积累方式多为非相参积累，即视频积累。不能有效的利用目标回波信号的相位信息。随着射频器件的发展，现代雷达基本上都是相参雷达，周期之间的发射信号相位确定性能够得到保证，这就为提取目标的多普勒特性提供了可能。MTD(Moving Target Detect)即动目标检测技术，正是基于雷达的相参体制才得以实现的。具体方法是通过部分重叠的多普勒滤波器组，将不同多普勒通道的目标和杂波区分开，从而实现雷达对于运动目标的检测。

MTD的实现方法有FIR滤波器和快速傅里叶变换(FFT)两种，工程上用FFT实现更为容易一些。与FIR滤波器相比，FFT的算法复杂度更低，且运算速度更快。假设系统对M个周期的回波通过FFT进行MTD处理，FFT每一个点的输出值，相当于M个周期在此频率上进行了一次积累。既实现了相参积累，又能获得目标的多普勒信息，实现了MTD处理。

如今的LFMCW雷达系统的信号处理机，多是基于DSP+FPGA的处理架构。FPGA负责对高速信号的采集和预处理，同时担任DSP与外设之间的逻辑接口。DSP作为专用的数字信号处理器件，本身拥有强大的计算能力，适合实现一些复杂算法，所以很多系统上是由DSP进行MTD处理的。而FPGA完成对雷达回波数据的采集、数字下变频、快时间维FFT等。对于一些低重频的雷达系统或算法复杂度不高的情景下这样的分工没有什么问题。但是对于一些多普勒雷达而言，为了获取更大的多普勒测量范围，这类雷达系统的重复周期(PRT)很小，在积累周期相同的情况下，相参处理间隔(CPI)更小，留给DSP的处理时间就更短。同时DSP虽然适合复杂算法的实现，但串行指令限制了其对高速信号的处理能力，会在MTD处理时浪费大量的时间和资源，不利于其实现更多更复杂的算法。因此有很多人将MTD处理放在FPGA上实现。FPGA可以通过其并行操作的特性提高系统的时间效率，提高吞吐率。而且用FFT的方法实现MTD，其重复性很强，利于FPGA实现。但FPGA也有自身的局限性，首先FPGA内部的存储资源有限，不能够仅凭自身缓存大量的回波数据；其次FPGA的计算能力有限，在其进行多次复数乘法运算时很难做到像DSP一样游刃有余；还有在实际应用时，往往需要根据观测距离和目标速度等动态的改变MTD点数(即积累周期数)。本发明提出了一种基于FPGA和DDR3SDRAM的MTD处理实现方法，既能够完成对回波数据的大量存储，也能达到到和DSP相当的处理能力，还能够根据DSP的处理需求动态改变MTD点数，实现LFMCW雷达系统的MTD处理。

发明内容

本发明的目的在于：针对一些信号处理实时性要求较高的LFMCW雷达应用场景，DSP的串行工作方式不足以对大量的回波数据进行及时处理的问题，需要研究一种能够在FPGA上实现MTD处理的方法。既要保证FPGA有足够的存储能力、处理速度，又要保证计算的结果精度，以便DSP更好的发挥后续信号处理算法的性能。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：