基于fpga的实时测距雷达研究

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1、基于FPGA的实时雷达测距研究1脉冲积累的总体方案1.1结构框图本系统所用脉冲积累部分如图4.1所示，包括A/D、同步累加、D/A、脉冲再生等几大模块，在整个系统中，脉冲积累部分起着至关重要的作用，将直接影响到系统测距性能的好坏。图4.1脉冲积累结构框图Figure4.1Blockdiagramofpulseaccumulation包络检波器输出的模拟的回波信号经A/D变换转换成数字信号后，送到同步累加器中进行多个周期的同步累加，以增强接收信号信噪比，累加完成后的数字信号再经D/A变换成模拟信号，再生出信噪比得到增强的接收

2、信号。同步累加器是用数字化芯片来实现的。1.2芯片及开发工具数字化芯片的选择，需要根据具体系统要求完成的数字信号处理算法进行最优选择，本文防撞雷达脉冲积累所要用到的信噪比增强算法要求处理速度快，算法结构相对简单，选用FPGA芯片。考虑到算法要求芯片支持双口RAM功能和终端功能的可拓展性，同时考虑到充分利用资源以节约成本和尽量少用输入、输出管脚以方便最终布线和制版，选定Altera公司ACEX1K系列的EP1K30TC144-3芯片,集成度为3万门，总共I/O口数目为144[36]。ACEX1K是基于可重构CMOSSRAM的

3、FPGA，其内部主要包含一个用于实现寄存器和特殊逻辑功能的增强型嵌入式阵列EAB和用于实现一般功能的逻辑阵列LAB。这种基于SRAM型的FPGA可以实时的对内置的RAM编程，实时的改变器件功能，实现现场动态重配置，设计灵活，开发周期短[38]。选用开发软件为QuartusII4.0，该软件提供了灵活的设计输入方式、丰富的设计参考库和强大的仿真功能。本文根据具体模块的需求，采用了原理图输入方式。2脉冲积累的必要性2.1门限检测脉冲雷达测距是建立在对目标回波脉冲检测的基础上的，雷达的检测性能越强，测距性能越好。在雷达接收机的输

4、入端，微弱的回波信号总是和噪声及其它干扰混杂在一起的。在一般情况下，噪声是限制微弱信号检测的基本因素。假如只有信号而没有噪声，任何微弱的信号在理论上都是可以经过任意放大而被检测到的。雷达总是在噪声背景发现并检测目标，因此雷达检测能力实质上取决于信号的信噪比。接收机噪声是宽频带的高斯噪声，雷达检测微弱信号的能力将受到与信号能量谱占有相同频带的噪声能量所限制。由于噪声的起伏特性，判断信号的是否出现成为一个统计问题，必须按照某种统计检测标准进行判断。雷达信号检测中广泛使用奈曼－皮尔逊准则，这个准则要求在给定信噪比的条件下，满足一

5、定虚警概率时的发现概率最大。这一准则的实现方法是将雷达接收机接收到的回波信号脉冲与某一预设的门限电压进行比较，若包络幅度超过门限，则认为目标存在，否则认为目标不存在，这就是门限检测，如图4.2所示。图4.2门限检测Figure4.2Thresholddetection门限检测是一种统计检测，由于信号叠加有噪声，因而输出是一个随机量。在输出端根据振幅是否超过门限来判断有无目标存在，可能出现以下四种情况：（1）存在目标时，判为有目标，这是一种正确判断，称为发现，它的概率称为发现概率（DetectionRate）；（2）存在目标

6、时，判为无目标，这是错误判断，称为漏报，它的概率称为漏报概率（LosingAlarmRate）；（3）不存在目标时，判为无目标，称为正确不发现，它的概率称为发现概率（AlarmNon-detectionRate）；（4）不存在目标时，判为有目标，称为虚警，它的概率称为虚警概率（FalseAlarmRate）。显然，这四个概率存在以下关系：(4.1)(4.2)每对概率只需知道其中一个就可以了，因此，我们只讨论常用的发现概率和虚警概率。虚警概率通常加到接收机中频放大器上的噪声是宽带高斯噪声，其概率密度函数如下[1]：（4.3）

7、是噪声电压处于和之间的概率；是方差，噪声的均值为零，高斯噪声通过窄带中频滤波器（其带宽远小于中心频率）后加到包络检波器，根据随机噪声的数学分析可知，包络检波器输出端噪声电压振幅（幅值为）的概率密度函数为（4.4）包络振幅的概率密度函数服从瑞利分布，设门限电平为，噪声包络电压超过门限电平的概率分布为虚警概率，它可以由下式求出：（4.5）发现概率设振幅为的正弦信号通高斯噪声一起输入到中频滤波器，则包络检波器输出的概率密度函数为[1]（4.6）式中是总量为的零阶修正贝塞耳函数，（4.7）为信号加噪声的包络，为噪声方差，上述分布称

8、为莱斯（Rice）分布。则信号的发现概率为（4.8）式4.8表示了发现概率与门限电平及正弦波振幅的关系，如果以功率关系来表示，信号电压与功率有如下关系，和分别表示信号和噪声功率。（6.9）虚警概率和发现概率的分布示意图如4.4所示。从中可以的得出如下结论：（1）当信噪比一定时，门限电平越高，虚警概率越小