基于FPGA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 710068)

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CORDIC算法产生补偿信号[1],然而CORDIC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(FPGA)技术的不断发展,FPGA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(FFT)、直接数字合成(DDS)等IP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FPGA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FPGA中利用DDS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:

(1)

式中:v为目标与雷达的相对速度,单位为m/s;λ为发射载波的波长,单位为m。

(2)

(3)

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

(4)

2.2 运动补偿的MATLAB仿真

设定雷达波形参数为:脉宽T=12 μs,带宽B=20 MHz,采样率fs=30 MHz,载波波长λ=0.017 9 m,跟踪波门为120 m,距离采样单元为5 m,采样起始时刻为5 940 m。在距离雷达6 000 m处设置径向速度v=1 000 m/s的目标,采用MATLAB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 MATLAB仿真不做运动补偿的脉冲压缩结果

(2) 做运动补偿后脉冲压缩结果如图2所示。

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图2 MATLAB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373,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10 m,与上述Δs一致。根据图2计算目标检测距离s=(373-T×fs-1)×5+5 940,经计算此时检测距离为6 000 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FPGA实现

2.3.1 实现方案

FPGA可利用DDS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FPGA实现运动补偿方法的核心,即使用DDS IP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。

(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DDS IP核配置参数;

(2) 使用配置参数配置DDS IP核后,DDS IP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 DDS产生补偿信号

(5)

式中:N=2n,n为DDS IP核设置精度。

在运动补偿算法实现中,使fout=fd,根据式(3)计算Δθ,则:

(6)

式(6)计算得到的Δθ即为DDS IP核配置参数,将Δθ送至DDS IP核配置接口完成DDS IP核配置后,DDS IP核输出与fd相应的补偿信号。

2.3.3 FPGA实现的验证

FPGA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FPGA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MATLAB仿真”中保持一致,采用MATLAB产生目标的线性调频信号,并将产生的线性调频信号存为16进制的coe格式文件;

(2) FPGA将coe文件存入片内只读存储器(ROM)后,读取ROM数据进行运动补偿及脉冲压缩仿真,并将仿真结果存为txt文件;

(3) 采用MATLAB读取txt文件数据,对数据进行格式转换后将FPGA仿真得到的脉冲压缩结果绘图,如图5所示;

图5 FPGA仿真做运动补偿的脉冲压缩结果

(4) 图5所示目标峰值所在距离采样单元为373,则目标检测距离s=(373-T×fs-1)×5+5 940,经计算此时检测距离为6 000 m,与实际目标距离一致,由此说明FPGA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MATLAB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FPGA实现方案,通过FPGA与MATLAB联合仿真验证了基于FPGA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。