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基于FPGA的雷达检测波门的设计与实现

来源:个人技术集锦
总第280期 2013年第2期 计算机与数字工程 Computer&Digital Engineering Vo1.41 No.2 313 基于FPGA的雷达检测波门的设计与实现 姜黎曹新星高志军 南京210007) (中国电子科技集团公司第28研究所摘要论文介绍了一种基于FPGA的雷达检测波门的设计方案及其实现过程。杂波干扰是限制雷达目标检测跟踪的重要因素。检 测波门作为一种区域检测技术,是雷达系统中处理杂波的一个有效手段。通过FPGA来实现波门电路,具有设计高速灵活可靠、开发周期 短等优势。目前该方案已应用于雷达相关产品中,并得到充分验证。 关键词雷达;检测;波门;FPGA TN973 中图分类号Design and Implementation of Radar Tracking Window Based on FPGA JIANG Li CAO Xinxing GAO Zhijun (The 28th Research Institute of CETC,Nanjing 210007) Abstract This paper describes a design and its implementation of radar detection and tracking window based on FPGA.Clutter is an important factor which limit the radar target detection and tracking performance.As a regional detection technology the detection and track— ing window is an effective means to deal with clutter in the radar system.The advantage of implementation of the tracking window in FPGA is that it is a flexible and reliable design,and dramatically shorten the development cycle.The program has been applied and proved in radar- related products. Key Words radar,detecting,tracking window,FPGA Class Number TN973 1 引言 杂波的干扰是限制雷达目标的检测和跟踪的重要因 正北 正北 在雷达终端设备显 示屏幕上根据雷达回波 状况点击关心的位置,终 端软件将在该位置创建 一素。雷达信号中存在着大量的杂波干扰,主要包括内部噪 声、雨雪杂波、海杂波和同频干扰等。目前针对各种杂波的 个起始波门,起始波门 不同特性,虽然有多种不同的杂波处理方法。但往往经过 处理后,仍有许多杂波剩余。如果杂波过多,会使检测困难 增大,发生漏警或虚警,影响跟踪效果。 雷达检测波门是一种区域检测技术,通过屏蔽波门区 域以外的杂波或不关心的回波,只保留区域以内的目标信 息,既可以减少周围杂波对回波信息的干扰,有效地避免了 6 6 原点 原点 的大小与回波特性有关, 通常海目标波门较小,空 目标较大,以确保下一圈 图1初始波门的产生 运动的回波仍在该波门范围内。 2.2波门的更新 终端软件只将每个波门的起始、结束点位置(即方位、 虚假目标,大大地提升了跟踪效果;同时又减少了检测目标 的数量,减小了目标信息,节省了数据传输带宽,降低了对 总线、数据储存器等硬件平台的要求。 距离信息)通过总线形式送给终端硬件(FPGA),由硬件绘 出波门范围,并只对范围内的雷达回波作检测。检测结果 (如回波的中心、幅度等信息)回送给软件,软件根据当前和 历史的检测结果计算出目标的航向航速,再预测下一圈的 波门位置,然后将新位置送给硬件以作更新。 2检测波门的设计方案 2.1初始波门的产生 雷达作用范围采用极坐标系,由方位信息和距离信息 组成。 3检测波门的硬件实现 3.1 FPGA介绍 FPGA(Field Programmable Gate Array),即现场可编 检测波门在方位和距离上各占一定的宽度,呈扇环状。 可根据需要设定一个或多个这样的波门区域,只对波门内 的回波进行检测处理。 程门阵列,作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制 电路,它既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器 *收稿日期:2012年8月11日,修回日期:2012年9月27日 作者简介:姜黎,男,工程师,研究方向:数字逻辑。曹新星,男,工程师,研究方向:信号处理。高志军,男,助理工程师,研究方向:硬件 开发。 314 姜黎等:基于FPGA的雷达检测波门的设计与实现 第41卷 一镢花 图2波门示意图 件门电路数有限的缺点。FPGA采用高速CMOS工艺,功 耗低,兼容TTL等电平,同时内部具有丰富的触发器和i/o 引脚,内嵌块RAM和专用硬核,是ASIC电路中设计周期 最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 本方案采用AI ERA公司Stratix系列的EP1S25芯 片来实现主要的硬件功能。ALTERA是世界上最大的可 编程逻辑器件供应商之一,其Stratix系列为0.13/ ̄m工艺, 1.5V内核供电,适合中高端应用。EP1¥25芯片内嵌2M bit的块RAM资源和丰富的I()脚,可满足数据处理和引 脚数目的要求。 本方案采用Verilog语言进行设计。Verilog HDL是 在用途最广泛的C语言的基础上发展起来的一种硬件描述 语言,易学易用,适应算法级、寄存器级、门级等各个层次, 且与工艺无关,方便而高效。 3.2电路设计 3.3.1流程图 软件通过总线将头尾信息以一定的格式写入FPGA的 内置FIFO中,FPGA在适当的时候读取FIFO数据,读出 一组头尾后,经过解包模块解析出头尾信息,再算出整个波 门范围内的方位、距离值,然后在片外SRAM相应地址的 数据位上写入控制信号,接着准备读取FIFO中下一组头 尾信息。当雷达扫描到某个方位、距离时,将读取片外 SRAM对应地址的控制数据,过滤雷达回波,再提取点迹回 送给软件作跟踪计算。 图3波门设计流程图 3.3.2 FIF()数据结构 为便于数字处理,可将方位和距离做量化分割,如360。 分为4096份,量程分为1024份。则波门头尾信息可分别 用一个32位数据来表示,其组成结构如表1所示。 表1 FIFO数据结构 3.3.3解包模块 为避免总线异常,导致头尾匹配错误,解包模块中需加 入容错功能。该模块可通过一个状态机来实现,如图4所 示,当头数据后面不是尾数据时, 将舍弃这两个数据,以避免连续出 错。而解出正确的头尾值后,将计 算出波门内包含的每个量化单元 地址,从而对片外SRAM的相应 地址进行操作,写入控制信息。写 操作结束后,状态机回到初始状 态,判断FIFO是否为空。 3.3.4 片外SRAM 片外sRAM的地址线南方位 和距离拼接而成,这样可以将全方 图 状态机流程图 等 嚣 里填1,其它地址填0。当雷达扫描线扫到某个方位、距离 时,读出相应地址的控制值,再与回波数值进行逻辑与,即 可过滤掉波门以外的信息。 ’ 写地址 {软件方位 ̄软件距离{ 片 ̄FSRAM f双口) 1:倮馏回波 读地址 0:屏蔽回波 图5片外SRAM的接口 4结语 由于终端软件仅需提供FPGA波门的头尾信息,由 FPGA完成对SRAM波门存储器的全部操作,这样既节省 了总线带宽,降低了对总线平台的要求,又节约了CPU}肖 耗,便于CPU做跟踪、显示等其它处理。 片外SRAM的读写速度可达到10ns,若一个波门占 100个量化单元,同时存在100个检测波门,则完成一次全 部更新所需时间为100 ̄s,能够满足实时性处理要求。 本方案主要通过FPGA来完成检测波门的操作,充分 利用了FPGA的灵活性,降低了CPU消耗,提高了系统可 靠性,缩短了系统研制周期,降低了研发成本。目前已应用 于相关雷达产品中,并得到了充分验证。 参考文献 r1]AI TERA Corporation.Stratix Device Handbook r EB/OL]. ww altera.corn,2005:367 391. 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(下转第320页) 32O 任晓莉:基于物联网的公交智能停车系统设计 述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):I-9. 第41卷 芯片、存储器和触摸屏等模块构成。我们将经过站台的车 次以编码的形式存入微处理器的存储器中,当乘客来到站 台时,可通过触摸屏B选择所需乘坐的车次,主控微处理器 将读取车次编码存储器中的编码并进行分析处理,分析处 理完成后,主控微处理器一方面驱动高频收发芯片将该车 次的相应数据信号在可传输的范围内进行不问断的释放; 另一方面,主控微处理器将数据信号传输给显示控制芯片。 当相应车次进入无线信号范围内时,该车次在接受并校验 了信息后,车载子系统会反馈相应的数据信号给站台子系 统,并通过显示控制装置消去该车次已有候车乘客数,使其 重新还原成初始化状态,并在显示屏上显示 “**路公交 车即将到站,请乘客做好准备”的温馨提示。 SUN Qibo,LIU Jie,LI Shan,et a1.Internet of Things:Sum— marize on Concepts,Architecture and Key I'echnology Problem lJ].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunica tions,2010,33(3):1-9. r 4]Commission of the European Communities.(Internet of Things)An Action Plan for Europe.1 stEdition.Brussels: COM(2009)278,2009:1 12. [5]Kranenburg R V.The Internet of Things:A critique of ambi ent technology and the all——seeing network of RFID.Net work Notebooks 02.Amsterdam:Institute of Network Cul tures Press,2007:10 28. [6]游战清,李苏剑,等.无线射频识别技术(RFID)理论与应用 [M].北京:电子工业出版社,2004. YOU Zhanqing,LI Sujian,et a1.The theory and application 4结语 乘客上下车确认系统模块,实现了乘客与公交车之间 of RFID[M].Beijing:Publishing house of electronics indus try,2004. 的信息交互,使司机能够及时掌握乘客的上下车情况,避免 不必要的停车,可以节约能耗,让公交运营走向进一步的高 效化、和谐化、绿色化。 参考文献 [7]徐建闽.交通管理与控制[M].北京:人民交通出版社,2007. XU Jianmin.Traffic management and control[M].Beijing: People’s Transportation Press,2007. [8]田丰,杜富瑞.基于的智能交通灯控制系统设计[J].测控技术, 2009,28(12):56 59. [1]梁松,梁艳,陈继努.基于GPRS的智能公交系统通信平台的实 现lJ].通信技术,2007,40(10):56—58. LIANG Song,LIANG Yan,CHEN Jinu.Implementation of Communication Platform for Intelligent Public Transportati0n TIAN Feng,DU Furui.Design of Intelligent Fraffic Light Control System Based on WSN LJ].Measurement&.Control Technology,2009,28(12):56 59. System based on GPRS[J].Communications Technology, 2007,40(10):56-58. [9]任晓莉.基于RFID的智能交通控制设计[J].微计算机应用, 2010,31(U):72—76. REN Xiaoli.The Intelligent Traffic Control Design Based on [2]常新峰,沈连丰,胡静,等.一种智能公交车载系统的研制及性 能分析__J].东南大学学报(自然科学版),2009,2(12):39—41. 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