當(dāng)前，雷達(dá)面臨強(qiáng)烈的電子干擾以及各種各樣的噪聲和雜波干擾，在復(fù)雜背景條件下的恒虛警率(CFAR)檢測一直是雷達(dá)信號處理研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，而機(jī)載雷達(dá)采用的多工作模式及其所處的復(fù)雜的地、海雜波環(huán)境使CFAR檢測面臨的困難尤為突出。因此對雷達(dá)回波的CFAR處理技術(shù)的研究也極其重要。
    由于實(shí)際的目標(biāo)檢測可能面臨種類多樣的地物覆蓋類型，因此對描述雜波統(tǒng)計(jì)特性的統(tǒng)計(jì)分布模型提出了很高的要求。簡單的統(tǒng)計(jì)模型對地物覆蓋類型的建模能力不足，影響檢測的精度；復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)模型對地物覆蓋類型的建模能力較高，相應(yīng)的檢測精度較高，但由于其參數(shù)估計(jì)困難，計(jì)算量較大，導(dǎo)致算法的實(shí)用性大打折扣。
    本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的恒虛警檢測模塊，解決復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)模型中參數(shù)估計(jì)困難且計(jì)算量大的問題。
1 CFAR檢測算法
    雷達(dá)所面臨的雜波都是由天線波束照射內(nèi)的大量散射單元的散射信號疊加而成，因此可以認(rèn)為這些雜波是近似高斯分布的，雜波回波經(jīng)幅度檢波后，幅度概率密度符合瑞利分布：
  
    為了減小邊緣效應(yīng)的影響，對單元平均恒虛警檢測器進(jìn)行了改進(jìn)，提出了兩側(cè)單元平均選大(GO-CFAR)恒虛警檢測器[4]。GO-CFAR算法的基本流程如圖1所示。輸入信號包括檢測單元Y和2n個(gè)參考單元。參考單元位于檢測單元兩側(cè)，前后各n個(gè)。保護(hù)單元主要用在單目標(biāo)情況下，防止目標(biāo)能量泄漏到參考單元影響檢測效果。ε為總的雜波功率水平的估計(jì)，是選取前面n個(gè)參考單元和與后面n個(gè)參考單元之和中的大者作為ε，K為標(biāo)稱化因子，它和ε的乘積作為參考門限電平。當(dāng)檢測單元的值超過K×ε時(shí)，認(rèn)為有目標(biāo)；反之，認(rèn)為無目標(biāo)[5]。

  

2 CFAR檢測模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)
2.1 CFAR總體設(shè)計(jì)框圖
    在所設(shè)計(jì)的檢測模塊中，F(xiàn)PGA大體上可以分為求均值模塊、目標(biāo)判決模塊、目標(biāo)結(jié)果報(bào)告模塊，如圖2 所示。首先FPGA完成對輸入數(shù)據(jù)的求均值，數(shù)據(jù)進(jìn)來以后通過一個(gè)加法器計(jì)算參考窗的部分和，并對先得到的參考窗部分和進(jìn)行延時(shí)，使其能夠與后面的參考窗部分和同時(shí)到達(dá)比較選大器。然后下面的測試單元也經(jīng)過延時(shí)后與比較器選出來的較大的數(shù)即檢測門限同時(shí)進(jìn)入判決器，判斷是否存在目標(biāo)。如果有目標(biāo)存在，則輸出高電平；如果沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則輸出低電平然后將結(jié)果輸出保存。

2.2 CFAR各模塊設(shè)計(jì)
    (1)求均值模塊
    求均值模塊在FPGA中的原理圖如圖3所示，在經(jīng)過前級解調(diào)、脈壓、目標(biāo)檢測等處理后數(shù)據(jù)din首先經(jīng)過一個(gè)加法器cfaradd。cfaradd有三個(gè)輸入端口，在設(shè)計(jì)框圖中需要注意的是加法器上的減號端口。這個(gè)減號端口的輸入，就是為了在計(jì)算新參考窗的部分和時(shí)，從上一個(gè)參考窗的部分和中減去最旁邊的那個(gè)數(shù)據(jù)單元。所以可以看到輸入需要經(jīng)過延時(shí)，而這個(gè)延時(shí)的大小取決于參考窗的長度。至于cfaradd的另外兩個(gè)輸入端口，一個(gè)是新輸入的數(shù)據(jù)單元，另一個(gè)則是上一次的加法器和的反饋輸入。

    另外在完成求均值模塊設(shè)計(jì)時(shí)加進(jìn)去三個(gè)延時(shí)模塊，每個(gè)延時(shí)模塊的功能都不一樣，下面做簡單的介紹。
    shift1作用是對輸入數(shù)據(jù)延時(shí)，以保證在計(jì)算下一個(gè)參考窗的部分和時(shí)，正好到達(dá)加法器帶減號的輸入端口。因?yàn)榧臃ㄆ魇敲總€(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)結(jié)果，這樣延時(shí)的時(shí)鐘周期數(shù)就是參考窗的長度。
    shift2的目的是為了保證右窗與左窗同時(shí)到達(dá)比較器模塊。由于待測試的數(shù)據(jù)是依次輸入的，這樣就會導(dǎo)致參考右窗的部分和先得到，而左窗的部分和還在計(jì)算中，為了保證兩者同時(shí)到達(dá)比較器，就需要對首先得到的參考右窗部分和進(jìn)行延時(shí)。同時(shí)計(jì)算輸出結(jié)果Gate_bf到目標(biāo)判決模塊。
    這里延時(shí)周期數(shù)的計(jì)算相對比較復(fù)雜，不僅要考慮參考窗的大小，同時(shí)還需要考慮保護(hù)單元的數(shù)目，然后還需加上測試單元本身，才能得到最后的延時(shí)周期數(shù)。假設(shè)參考窗的長度為N，保護(hù)單元的數(shù)目為L，再加上一個(gè)測試單元，即可以得到shift2延時(shí)周期數(shù)為N+L+1。
    shift3的作用是為了保證測試單元Test與cfaradd的輸出Gate_bh能夠同時(shí)到達(dá)判決模塊，通過測試單元與測試門限的比較，來判斷目標(biāo)是否存在。這個(gè)延時(shí)模塊由三部分組成：測試單元自身，為一個(gè)時(shí)鐘周期；保護(hù)單元數(shù)的一半L/2；比較器的延時(shí)。三者之和即為shift3的延時(shí)周期數(shù)。
    (2)目標(biāo)判決模塊
    在目標(biāo)判決模塊中，一個(gè)是測試單元延遲，另一個(gè)則是比較器的選大。首先，需要計(jì)算判斷目標(biāo)的測試門限。測試門限的計(jì)算也比較簡單，將比較器得到的選大平均值乘以一個(gè)門限系數(shù)即可，這個(gè)門限系數(shù)根據(jù)不同情況有一定的差別，在選大恒虛警算法中，這個(gè)系數(shù)一般可以選2～5。得到了門限值后，只需要將測試單元與其比較大小即可。如果測試單元的值大于測試門限，則認(rèn)為存在目標(biāo)。目標(biāo)判決模塊在FPGA中的設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

    mx_gen實(shí)現(xiàn)選大比較并將大者與標(biāo)稱化因子相乘，求均值模塊輸出的信號gate_bf和gate_bh輸入到mx_gen，經(jīng)過比較選擇其中大者與cfar_xs相乘并輸出jcmx作為測試門限進(jìn)行下一步判決。測試信號dtest輸入至 jc_delay作延遲，目的是與mx_gen輸出信號同步進(jìn)入mbreport作為判決器。通過測試單元與測試門限的比較，判斷信號中是否有目標(biāo)存在，有目標(biāo)則輸出高電平，沒有目標(biāo)則輸出低電平。輸出判決結(jié)果信號drpt及其通道號chal。
    (3)目標(biāo)結(jié)果報(bào)告模塊
    對目標(biāo)判決模塊輸出的所有目標(biāo)幅度進(jìn)行比較選大，從中選擇出5個(gè)相對最大的目標(biāo)結(jié)果，并且分配出各自距離與通道號，輸出給后面存儲器，此即為信號處理系統(tǒng)最終結(jié)果。目標(biāo)結(jié)果報(bào)告模塊在FPGA中的設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

    對輸入信號drpt進(jìn)行選大比較，選擇最大的目標(biāo)結(jié)果及其通道號chal 一起輸出給rpt_ctrl,這個(gè)單元主要是完成寫存儲器的控制。
2.3 CFAR仿真結(jié)果
    恒虛警模塊的功能仿真時(shí)序波形如圖6。A為恒虛警系數(shù)值2，B為恒虛警基數(shù)值60；ram_din為目標(biāo)結(jié)果信息，將每次比較選擇的結(jié)果信息輸入到雙口RAM中；ram_addra為RAM地址線；ram_en和ram_wclk分別為使能信號和寫時(shí)鐘信號。仿真結(jié)果表明模塊工作是正確的，在ram_din輸出中尚未發(fā)現(xiàn)信號，沒有產(chǎn)生電平的變換。圖7為功能仿真時(shí)序局部圖。

    具有高可靠性能的恒虛警檢測模塊在機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)識別系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。本文根據(jù)實(shí)際需要，選取了實(shí)現(xiàn)簡單且邊緣效應(yīng)影響小的GO-CFAR算法，利用FPGA在集成環(huán)境ISE對GO-CFAR算法進(jìn)行功能仿真，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)軟件化，使該檢測器的靈活性顯著提高。 經(jīng)過仿真及硬件測試表明：FPGA技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)識別系統(tǒng)中的恒虛警檢測功能，不但設(shè)計(jì)靈活，運(yùn)算速度塊，而且可靠性高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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