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硕 士 论 文 l 阳以 雷达目标识别器的研究 ab s t r a c t l in e ar f r e q uenc y modul ation c o n t 1n u ous从 /a v e (l f mc 奶r a d ar h as great app lic at ion ini de nt l勿 1n g in l b rmation and o th e r re 1a te d fi e l dsb e c aus e o f it s adv 别 川 la g e s includin g fo wtr 田 l s m itt e d p o w e r ， s tr 刀 c tu r e 一s ln 1p le ，nor ang e bl indofarea. etal . t 七 ls thesis 扭 i kabo utmi l l 汕ete r 、 v a v e( mmw) andl f mc 砚i t s ma j n 而s s i o ni s des i gn andd e b 叨 9 h ard w ar e o f th e r a d art ar g etp r o c e s s o l the main e l em e n t s o f lfmc w 找 记 a ri se x p at i a t e d ， andth es y m m e t ri cal triangul ar l f mc wr a d ars i g n ali s a n a l yze d . f f ti s a d o p te d t o ana 1 yze th e e c h o s i gnal the h aj l d w a r e l n d ex o f r 幻art ar g e t p r o c e s s o r 加mthe i n d e xo f t h e l f mc w za d ari s c o n fi rme d ， andth ew llo l ec lr c u itry d e s i即 15即 c o m p l is h e d . a sth ework o fs y s t呱 b as e d in g o nre al .t lm e p r o c e s s 吨 ， di g ital s i g n al s p ro cess o r i s u s edb e c au s e o f th e c hj p ，5 hi gh spee d 、ri c h1n n er re s o urcean dr e as o n a b 1epric e ，th eti s erie sd s pc hi p t 卜 4 s 3 2 0 c 5 4 0 2 i s s e l e ctedfo r 面s p ap既ac c o r d in gtoth e t o ta c o nsi d e r a t l o n ， the sys t e mi s d i vi d e d i nto fo urmo d t l l e s 朗dmo d u e ， s c o l l c r e t e e l e c t ri c c 玩ult i s d e t a l l e d des i gne dlnthe e n do f the t l l e s i s ， the p art o f h ar d w 肛e d e bug g in gandt b es o ft w ar euse di nthe p aperi s 5 】 m p l y i n t r o duc e d . the r a d ar柏 r g e t p roc e s s o r d e s 1 g n e d i n the p aperi s c o n 1 p ar ative app li e d key w o rds : l f m c w， 入 。 吐 w， f f t，r adarta rg etp ro c e s so r，h andware in de x ， ds p 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的 学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确 的说明。 研 究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内 容， 可以向有关部门 或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的 全部或部分内 容。 对 于保密论文，按保密的有关 规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕 士论 文l 刚j 雷达目标识别器的研究 1 绪论 1 . 1宽 带毫米波雷达目 标识别的 研究 背景 随着雷达技术的不断发展， 毫米波雷达目 标识别己 经成为现代雷达系统发展的 重要方向 。 毫米波雷达的功能不仅仅有常 规检测、定 位、 搜索和跟踪， 还包括其它 一 系列新的先进功能， 例如目 标成像、识别、 地形测绘等。 毫米波雷 达通常是发射和接收宽带信号， 经过一定的信号处 理方法 从目 标回 波信 号中 提取信息， 并以此信息判断不同目 标之间的差异 性， 从而识别出感兴趣的目 标 来。 最有效的毫米波体制下的识别 方法是利用毫米波 雷达的 宽带高 分辨特征性， 对 目 标进行成像。 雷达成像有距离像 ( 一维) 成 像、 二维成 像和三维成像三种。 雷达的二维成像 己 经成功地应用于 s a r 目 标识 别， 但由 于多 维成像有许多理论和技术难题需要解 决 11 . 一 维 高 分辨 成像 不 受目 标 到 雷 达 的 距 离、 目 标 与 雷 达 之 间 的 相 对 转 角 等因 素 的限 制， 且计算量小， 在毫米波雷达精确制导中己 经有成功的应用12 阴 . 一维的高分辨率距离成像，主要是把雷达目 标上的强散射点沿视线方向投影， 形 成反映目 标结 构的时间 ( 距离) 和幅度的关系。 实际上就是将目 标看成是多个散 射中 心的 集合。 在实际 应用中 ，雷 达在某些局部位置 上接收 到回 波信号， 就是这些 散 射中 心电 磁散 射的 合成结果。 雷 达一 维、 二 维成像就是以目 标散射中 心模型重建 目 标散 射特性的空间分 布， 根据其提供的目 标精细结构， 实现目 标特征提取与识别。 雷达目 标的散射特性与雷达发射的探测信号频谱宽度密切相关。在谐振区，目 标尺寸与 雷达波长相当， 探测信号的 频谱宽度 直接决定了 能获得的目 标极点数目， 而在光学区，目 标散射只是一个局部行为， 这 使得复杂目 标散射时的幅度特性在宽 带探测下，具有非常直观的表现形式。 雷达目 标散射特性还取决于 雷达发射信号的 极化方式。 一般目 标具有改变探测 信号极化方式的 特性，并且雷达目 标 散射特性的 散射截面积皿s c)对 探测信号也 有 一定的依赖性。雷达 目 标所处的静止或运动时的状态特性，也是研究雷达目标特性 所必须考虑的重要方面. 雷达目 标识别就是 基于 上述雷达特性研究的目 标识别方 式。 1 . zl f m c w雷达的发展及 特点 f m c w是f r 叫u e n c y m 0 d u l at i onc o d t in u o usw 如 e 即调 频连续波的 缩写， 这种体 制的雷 达久己 有之， 其主要优点 有发 射功率小、 测距测速精度高、 设备相对简单、 易于实现固 态化设计、具有良 好的电 子对抗(f c c 峋和低截获概率住p l ) 性能等. 七 硕士论文 l 刚口 雷达目标识别器的研究 十年代以 前， 该体制的雷达主要用于测距和 测速， 如近炸引 信、 连续波高 度计、 测 距雷达、汽车防震雷达等。 从八 十年代开始， 关于f m c w体制雷达的有关 方面的研究工作得到普遍重视， 加之硬 件水平的 进步， f m c w雷达的理论和 技术水平得到迅速提高， 其应用也己 扩 展到导弹制导、船舰导航、成像、战场侦察、气象观测等军用和民用领域。 进入九十年代，固态微波毫米波器件和数字信号处理技术有了长足的发展，与 此同时， 毫米波l f m c w雷达的 发展显示出的 显著特点就是将调频连续波雷达的 独 特 优点与 毫米波技术相结合， 并采用 毫米波集成技术， 使得毫米波线性调频连续波 雷达的 成本和体积大幅度下降 而可靠性提高。 线性调频连续波技术得到了 广泛的 应 用， 除了 在雷达精度高度表方面继续 应用外， 线性调频连续波雷达还以 其独特的 优 点在导弹 精密末制导、 引信、 雷达截 面积测量和目 标 特性 研究、 工业控制、 环境遥 感、机载 导航设备、 交通管制和气象观测等方 面发 挥着越来越重要的作用。 l f m c w体系的高分辨雷达与其 他体系的高分辨雷 达相比 具有如下优势 ti孔 ( 1) 发 射机功 率较低， 接收 机灵敏度较高 l f m c w雷达采用的是超大时带 积信号， 在同 等距离分辨率的条 件下， lfm c w 信号的发 射机功 率比其 他体制的雷 达低得多， 接收机灵敏度却能达到很高。 这个特 点使lfm c w雷达在实现中 容易获得给定 作用距离所需要的 信号能量， 并容易实 现 低截获概率，所以lf mc w 雷达具有很好的反隐身、抗背景杂波和抗干扰能力。 (2) 容易实现极高的距离分 辨率 l f m c w雷达易于产生和处理极大带宽的 信号，因 而可以 获得极高的 距离分 辨 率，这个特点使其特别适用于需要极高距离分辨率的场合。 ( 3 )不存在距离盲区 l f m c w雷达的 发射信号时宽远大于目 标回 波时延， 而且发射机与接收机是同 时 工作的， 所以l f m c w雷达不存在距离 盲区。 ( 4 ) 结构简单 l f m c w雷 达工作电 压较低， 避免了高 功率、 高压器件的 使用， 另外信号处理 相对简 单， 可以 使射频部分结构简化， 从而使整个雷 达系 统比 较简单。 除了 上述优点外， l f m c w雷 达也存在一 些缺点。主要 表现在两个方面: ( 1) 作用距离有限 l f m c w雷达发 射机和接收 机是同时上 作的， 当要求的 作用距离增大时，所需 的信号功率 也随之增大， 发射机泄 漏到接收机的 功率也增加， 影响 到接收 机的正常 工作， 所以l f mc w雷达的作 用距离通常比 较小。 限 制l f mc w雷达作用 距离的 另一个主要原因， 是接收 机信号 处理设备的规模 和实时 性问 题.当 作用距离增大时， 在分辨率一定的 条件下， 采样点 数将呈线性增 硕士论文l 四j 雷达目标识别器的研究 长， 在数字处理结构中， d ft 处 理运算量按快于 线性的规律 增长， 所需的存 储量也 大 大增加。 因此， 数字信号处理 技术的发展水 平也限 制了l r m c w雷达的作用距离。 ( 2 ) 距离一 速度祸合问 题 lfm c w雷达采用的 是超大时 带积的 线性调频信号， 根据雷达信号模糊函数理 论，它必然存在距离与速度的祸合问题，这不仅导致系统的实际分辨能力下降，而 且引起运动目标测距误差。 1 . 3d s p 技术在l f mc 、 v 雷达处理方面的应用 自 从2 0 世纪70年代末第一片数字信号处理芯片 ( d s p )问 世以 来， d s p 就以 数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集合成，特别是可编程性高和易于实 现自 适应处理等特点， 给应用领域带来巨 大的机遇网 . d s p 器件已 经在各种不同 的领域取得了 许多 新的 进展， 比如无线通信、 网络和 互联网、 语音识别、 音频、 视频和影像产品 、雷达、 声纳、 遥感遥测、地质勘测、 航空航天等。不同的实时信号处理领域，对数据处理的要求是不同的，为了满足现 代战场 对动态信息的实 时检测和处理等， 雷达 信号处 理系统 要求运 算速度更高， 性 能更强。 相应的，目前用高速 d s p器件来实现雷达识别器的技术也日趋成熟， 针对 雷达目标识别领域的各种相关问题，都提出了一些行之有效的解决方法，并使用大 量的实测和仿真实验。 在lfmc w雷达信号处 理方面， 过去由 于受到d s p 处理能力的限制，一个雷 达信号处理机的功能 往往要许多 个板级子系统接力才能完 成， 一些需要大运算量的 运算功能 模块， 比 如f f t 和复数 乘法在设计中 通常采用专 用芯片来实现才能满足系 统的实时要求。 现 代随 着微电子 技术的 迅速发展， 通用d s p 的 性能 迅速提高， 使得 它完成常用数字信号处理运算的 速度 逼近了 专用 d s p ， 特别是一些通用 d s p具备 了非常快的 f f t运算速度、 大容量片内存储器以及并行处理功能， 结合一定的高效 快 速算法， 就可以 用统一的 通用d s p 构成完全 可编程、 可重构、 结构紧凑的l f m c w 雷达信号处理系统。 1 . 4论文的主要工作 本 文根据毫米波 l n f c w 雷达信号特征 及系 统指标， 应用 d s p 器件及相关 技 术，设计了目 标识别器硬件系统， 完成了硬 件调 试。 具体内容 如下: 第一章:绪论，研究雷达目 标识别的背景。对 l f m c w 雷达的发展及特点、 d sp 器 件在lfm c w雷达信号处理中的应用作出 说明。 第二章:在理论分析的基础上，主要介绍了l f mc w 雷达的工作原理， 并以对 硕士论文 l 刚印 雷达目标识别器的研究 称三角 波调制为例对雷达 信号的 特征进行了 详细的分析， 针对具体的l f m c w系 统 提出了 合适的信号处理方 法。 对本文采用的f ft 处 理方法也进行了 说明 和分析。 第三章: 根据已知的lfmc w雷达系统的指标提出了信号处理系统设计的功能 要求， 讨论了 信号 处理的 关键算法对f f t点 数及采样率等主要硬件指标的要求， 确 定了 信号处理系统的指标。 并且对目 标信号 进行了 仿真， 证明了设 计方案的 可行 性。 就信号的处理方式选取了适合设计要求的方案，画出了识别器硬件的总体框架图。 第四章:信号处理器的硬件实现。根据上一章已经确定的系统总体方案进行部 件的 芯片选型和每部分电路的详 细电 路设计。 包括数据采集 模块中的a d c电路 和 f i f o电 路的设计、 d s p 硬件设计、存储 器设计、 控制模块cpl d的设 计以 及通信 接口 的 设计。整个电路满足了系统的 指标， 具有一定的实用的 价值。 第五章:完成了硬件调试以及相关的软件设计。 硕士论文l 日 ，雷达目 标识别器的研究 z l f m c w雷达工作原 理及信号处理分析 2 ， 1引言 本课题讨论的雷达目 标识别器针对的是线性调频连续波体制，属于主动雷达。 这种体制的雷达通过将回波信号与本振信号混频后得到差频信号， 对差频信号经过 放大滤波后经a 了 d变换，对所得到的数字信号作f f t进行频谱分析， 从频域里得 到目 标相对雷达的径向 距离。 调频 连续波 任 m c 哟雷 达分为 线性调频 和非线 性调 频两 种， 非线性调 频 ( 例如正 弦波调 频 ) 的 优点 是容易实 现， 缺点 是每 个目 标产生的 差频频率不是单一的， 因此 不 能区分不同距离的目 标， 一般只适用于单目 标的场合。 线性调频方式下， 每个目 标 所产生的 差频信号是单一频率的 ( 不考虑多普勒频移) ，因 此很容易区分不同距离的 目标， 但线性调频方式对调频线性度要求很高。 线性调频有三角波调制和锯齿波调 制门 。 本 文所采用的 是 对称三角波 线 性调频方 式， 本章 将讨论 线性f m c w对称三角 波雷达测距的基本原理。 研究给定的目 标调频信号的规律， 主要是研究调频信号的频谱， 信号 包含的目 标信息存在的形式及其提取方法，确定其存在和利用的规律。 2 . zl f mc w雷达的工作原理 典型的l f m c w雷达系统组成原理如图2 . 2 . 1 周 所示。 定向祸合器 发 射天 线 白杯 、 ， 接收天线 图2. 2. i lfm c w雷达系统原理图 发射机产生连续波高频信号， 其频率在时间上按调制波形的规律变化，目 标回 波 和发 射机直接藕合过来的信号加到接收机混频器内。 在无线电 波传播到目 标并返 回 天线的这段时间内， 发射机频率较之回波信号频率有了 变化， 因此在混频器输出 硕士论文l 阳口雷达目 标识别器的 研究 端出 现了差频信号。 不同的回 波延迟对应着不同的差频频率， 并且两者成线性关系. 差频信号经滤波、 放大、 采样后进行f f t ， 得到相应的 功率谱， 通过计算功率谱的 位置便可以 得到目 标距离雷达的径向距离。 2 . 3对称三角l f mc w信号分析 对称三角 l f m c w 雷达信号形式是从锯齿 l f m c w 雷达信号14 形式演变过来 的。由于对称三角l f m c w雷达信号的对称性， 使它具有独特的优越性。 下面以 对 称三角波为例对l f mc w雷达进行信号分析。 发射信号 静止目标回波 送动目标 回波 巨三挺玉玺兰拯二卫 0 一一-一 一 一 图2. 1 1 对称三角l f m c w雷达发 射信号和运动目 标的回波信号 图2. 3 . 1中，信号的每个周期由正斜率调频区间和负斜率调频区间构成，由于 信号 在两 个区 间的 对称性， 所以以 正 斜率 调频区间 为 例19 。 实 线为发 射 信号的时 频 曲 线， 在正 斜率区间( 0 t r/2 ) ， 发 射信号的 频率为: 、 (t) 一 ; 一 譬 + 2 ， 奋 ( 2 . 3 . 1 ) 其中，t 为 调制 周期，儿为 发 射信号中 心频 率，b 为 发 射信号 调频带宽。 假设 初始相位为零，则发射信号的瞬间相位为: 、 (;) = ; + 2 二 二 一 t)t+ 2 二 b 二 . 0 t 刀2 ( 2 . 3 . 2 ) 其中 几 为 发 射 信 号 初 始 相 位。 因 此， 发 射 信号 可以 表 示 为: b 十 b-2 砂己 - 凡(t)= 凡cos 2 二 帆 争 ; ， ， 。 “ “ ， ( 2 . 3 . 3 ) 硕 士 论 文l 刚印 雷达目标识别器的研究 其中鸡为发 射信号的幅度。 2 . 3 . 1 静止目 标的回波分析 对 于 单 一的 静 止目 标 ， 若目 标 与 雷 达 之间 距 离 为 凡， 则 雷 达 接收 的 回 波 信号 相 对发射信号的时延为: = 兰 c ( 23 . 4) 其中c 为光速。 在 正 斜 率 调 频 期间( 与 t 刀 2 ) ， 接收 信号 的 频 率几 (t)可 以 表示 为 : ; (t) = ft (， 一 、 ) = ; 一 号 + 2 ，导， ( t d t r/2 ) ( 2 . 3 . 5 ) 则雷达接收的回波信号可以表示为: 、 (t 卜 。、 co s、2二 :(; 一 扣 一 。 卜 ， 气 华 刀 + ; ， (t， ， 。 2)(236 ) 其中叮 为回 波衰减系数. 回 波信号与发 射信号混频以 后， 经过低通滤波器滤 波得到 正斜率 调频区间的 差 频信号 、 (t 卜 。、 zco s、2二 :二 一 邻+ zbt， 手 一 ， 痴 卜 (。 ， 。 2 )(2 37 ) 其中刁 为 系统增益。 连 续 波 雷 达 一 般 应 用 于 较 近 距 离 的 测量 ， 延 迟勺 t ， 在 不 考 虑0 t 心 区 间 并 将幅 度归一化，则凡(t)和差频丫可表示为 、 (t 卜 co s 2 ! 二 一 争 。 + 犷 : ， 。 、 ， t/ ， ， ( 2 . 3 . 8 ) 其中差频信号为: 犷 = z b 冬 1 ( 2.39) 由 式 (2.3. 9 ) 可知差 频信号 是一个线 性调频信号， 它的频 率与时延 成正比，因 此 测 得 差 频 信 号即 可 计 算出 距 离凡。 通 过f ft 运 算 便 可以 得 到 相 应的 信 号的 功 率谱， 通过 计算功率谱所在位置便可以 测的目 标距雷 达的 径向 距离。 硕 士 论 文l 刚口雷达目标识别器的研究 2 . 3 . 2 运动目 标的回 波分析 再 来 研 究 一 下 运 动目 标 11 01 ， 设 运 动目 标的 径向 速 度 为、。 由 图2. 2 . 1 可 知 从 运 动目 标 反 射 回 来的 回 波 跟 发 射 信 号 的 频 率 相比 有 一 个 多 普 勒 频 移儿 ， 这 是由 于目 标 移动 造成的 。由于回波信号的频移， 导致了差频 信号中 心频率的偏移，频率的偏移 量邵为 多普勒频率， 这 样在信号和回 波经过差频运 算后， 上扫描段减去多普勒频率， 下扫 描 加 上 多 普 勒 频 率儿。 在 两 个 调 频 区 间 具 有 对 称 性， 由 此 可 得 到 以 下 的 结 论 : 正斜率调制期间差频信号中心频率 犷 = 竺 2v j一气丁 几 ( 2. 3 . 1 0) 负斜率调制期间的差频信号中心频率 一z r ， z v 0 1= 1 十 c 一又 ( 2 . 3 . 1 1) 由此可得到运动目标的速度 ( 牙， 一 y于 ) ( 2. 3 . 1 2) 因 此， 可以 通过测量差频信号在正负 斜率区 间的斜率来确定目 标的 速度信息。 由丫- 和颐斗 就可以 得到目 标距离对应的 差频信号中 心频率 3)似 3.l近 丫= ( 丫 一 + 丫 )/z 下 面 分 析 差 频 信 号 中 心 频 率y与目 标 距 离凡的 关 系. b 议 叱 =4 两 下 1 ， = 2 二 【认 一 粤 )。 名 一 二 bl 。 t 通常与t ， 故对于任意的t ， 有: 5 ( t ) = 凡( t ) 牙 (t ) ( 2. 31 4) 式 中 凡(t)= co s( 巧 t + 叻， 砰 (t)= u (t ) 一 u (t 一 乃，u (t ) 为 阶 跃函 数. 由 于 凡(t)与牙 (t ) 是 相 互 独 立 的 信 号， 故 其自 相 关函 数的 相 互 关 系 为 : 凡 伴 ( 幼 = rsa闭耳闭 ( 2 . 31 5 ) 相应的频谱关系为: 尸 (。 ) 一 牛 ( 。 ) * ( 。 ) 万 ( 2一 3 . 1 6) 硕士论文l 刚口 雷达目标识别器的研究 其中 ， sa (t)的 功 率 谱 为 : psa( ， ) = 斌 占 ( 一 %) + 占 ( 。 + % ) 1 ( 2. 3 . 1 7) 甲 (t)的功率谱为: 、 。 卜 t: sa; 鲤 二 笋+ 、 黑黔 ( 2. 3 . 1 8) 式中 ， ( 。 + %) 表 示 功 率 谱的 正 频 率 部 分，恤一 %) 表 示 功 率 谱 的 负 频 率 部 分 。 由于功率谱正负频率部分的对称性， 舍去其负部分得到l f mc w 雷达的功率谱 为: 尸 ( 。 ) = t ， 材竺华逻1 2 ( 23 . 1 9) 式中 p( 叻的 幅 度 在 斜 率 正 半 轴呜处 有 最 大 值 ， 即 为目 标 距 离 所 对 应的 频率 。 t7_ . _ 月 _ b_ ， _ bz 凡_ 。 _ b凡 户 、口口二， “与萦 乡协 言 户0 几万 ， . jjcic 离ro的 关系为: 得到l f m c w雷达差频信 号频率丫和目 标 距 凡气毛 二 鱿 络 几 力 ( 2.32 0) 对应的l f mc w 雷达分辨率为: 从= 一 三 一 占 厂 4 几刀 - ( 2 .3 .2 1 ) 其 中 丫 为 差 频 信 号 频 率 ， 几 = 另为 三 角 波 调 制 频 率 。 可 见 对 于 理 想 线 性 的 发 射 信 号 ， 目 标 产 生 的 差 频 信 号 在 有 效 时 宽 tu ， 冤 内 为 一 个 单 频 信 号 ， 其 带 宽 盯为 “ 效 ” 宽 的 倒 数 介 必 吾 一 、 ) ， 又 、 r ， 所 以 有 仃 、 开 = zf. ， 可 得 l fmcw 雷达理想的 距离分辨率为: 战= 二( 2. 3. 22) 2 b 由上 面的 分析可知道， 要对目 标进行识别， 需 要从目 标回 波中 得到回 波的功率、 多普勒频移及回波差频信号。 2 . 4 l f mc w 雷达的主要指标 本课题需要对l f m c w雷达系统及其信号 特征进行分析， 由 此确定处理器部 分 硕士论文 l 叫邝 雷达目标识别器的研究 应该完成的 功能和硬件的主要参数， 完成雷达目 标识别 器硬件部分。 要求此目 标识 别器能 够准确的测定目 标的 速度、 距离和方位， 具有一定的实用价值。 根据总体要求，毫米波 l f mc w 雷达系统指标如下: ( 1) 工作频率:35g 石 酷: ( 2 )射频功率:5 0 m 平: (3)天线增益:32db ; ( 4 )天线波束宽度:矿: ( 5 )目标雷达截面积:r c s 二 20m 2 ( 6 )地面背景:草地; (7 ) 最 大 作 用 距 离 :左 = 15 0m; ( 8 ) 距离分辨率:0. 5 m ( 9 ) 变频损耗: s db : ( 1 0 )调制频偏:b = 5 0 0 3 刀 五; ( n)调制周期:t= l ms 。 2 . 5差频信号的f f t处理方法 从 上 面的 分 析 可 知 线 性 调 频 雷 达 理 想 的 发 射 信 号 描 述 为 式 ( 2. 3 .3) ，凡 (t)与目 标 延 迟 后的 接 收 信 号凡 (t)混 频 后 并 滤 除 其 高 频 分 量 得 到的 差 频 信 号 为 式 (2 .3. 7) . 及j_， b _ _ _ tjz_， _ _、 _ . 令m= 刀 丙 咨 ， 听 = 耘畏 矛净= 2 军 沃 一 白 一 劫b 告 ， 且勺t， 故差频信号的 功 t 一 一 “ 2 t一 “ 一”- - 一， - ， ， -一 率谱近似为: : (。 卜 答 将 、 = 4 二 争 = * 臀 = 时 竺 笋 * 黑黔 ( 2 . 5 . 1 ) 4 刃 r t r ( 其中 左=二 共为 调 频 雷 达 的 距 离 分 辨 率 ) 名乃 户 代 入上式， 即 可得到归一化的连续 波离 散谱。 由 于差频距离谱的正负是 严格对称的， 取其正频部分得: 二 。 卜 尝 (r 一 、 。 ( 2.52) 上 式 是 调 频 雷 达 的 连 续 波 距 离 谱 ， 其 零 点 为寿士 m 故 ( m 为 正 整 数) . 在 实 际 的 差 频 信号 处 理中 ， 时 域 信 号 为 由 频 率天 采 样 得 到 的 n 点 离 散 数 字 信 号， 硕士论文 l 阳口雷达目 标识别器的研究 频域 信 号 是 经 过f f t 运 算得 到的 离 散 距 离 谱， 其 频 率 采样间 隔 为 。 = 2 叹/ n， 相 应的 距离间隔为从 。由 式 (2.5.2) 可以 看出: 当寿士 功 左 时， 除r = 称外， 其余 的 采样点 均位 于 距离 谱的 零点 上， 此时 距 离谱 上 只 有一 跟 谱 线， 对应的 距 离 值凡即 为 调频 雷 达 所 测 得的 距 离。 当r 转 寿 士 m时， 距离 谱上 所有的 采样点 均不 在零点， 此时 距离谱上有n条谱 线， 此时， 最 大 采 样点 偏离 距离 谱的 最 大 值点， 其 测距 误差为从/ 2 测 量 精度 与 距离分辨率处于同一数量级，没有体现出调频雷达高精度的测距优势。 因此，造成在调频雷达测距误差的根本原因在于其距离谱上的采样间隔，实质 是 f f t在单位圆上进行n点等间隔采样造成的。为此，提高调频雷达侧量精度的 最直接方法是增加f f t的点数，但是由 于f f t点数的增加会给信号处理器带来相 应的压力， 因此必须综合考虑取得合适的值。 后面将会根据本课题雷达系统实际的 需要做综合的分析。 2 . 6本章小结 本章节是目 标识别硬件电 路设计的理论基础和设计基础。 说明了l f mc w系统 的主要指标， 介绍了l f mc w体制雷达的工作原理， 即对目 标的差频回波做傅立叶 变换便可从频谱上得到目 标的相对位置。 文章采用的是目 标检测能力很强的对称三 角波调制， 对对称三角波调制的信号特性进行了 分析，提出了信号处理的方法和理 论依据。 目 前f f t的数字化测距测速方法已 经比较完善， 并且有数字化方法的系统 结果简单、 灵活性大以 及升级改造方便等优点， 本文的数字信号处理采用了基于f f t 的数字化测速测距方法。 硕士论文l 例口雷达目 标识别器的研究 3l f mc w 雷达信号处理系统设计 3 . 1信号处理系统设计要求 3 . 1 . 1硬件系统功能 根据以 上章节的分析结果， lfm c w雷达是一种通过对连续波进行频率调制来 获得目 标距离和速度信息的雷达体制。 就目 前来说， 基于f f t 的数字化测距方法己 经比 较完善， 有数字化方法的系统结构简单、 测量精度高、 灵活性大以 及上升改造 方便等优点， 因此在信号处理部分采用了基于f f t的数字化测量速测距的方法。 处 理的方法如3 . 1 . 1 图所示: 图1 1 1 信号处理方法图 目 标信息的获得是通过对回波差频信号进行频谱分析得到的， 进行频谱分析前 需要对差频信号进行数字化处理， 以 利用数字信号处理技术快速有效的进行频谱分 析。因此，本信号处理系统主要由 数字采集部分和数字处理部分组成， 它的主要功 能就是把目 标的距离、速度信息从差频信号中实时的提取并显示出来。 具 体 来 说， 数 据 采 集 部 分 完 成 对 差 频 后的 两 路 模 拟 信号的 采 集， 并 且 将 转换 后 的数字信号实时的送给 d s p 。信号处理的主要部分在 d s p中完成，对采样后的数 据进行加窗f f t ，频谱分析，实现目 标的检测和目 标参数的测量，最后将处理后的 结果实时传送给显控终端. 3 . 1 . 2信号处理系统指标分析 由2. 3 和2. 4 节给出的整个l f m c w雷达的系统指标和lfm c w雷达信号的分 析可以确定识别器系统的性能指标。 最大的测量距离为150m，则回波相对发射信号的最大延迟为: 。 _ 止 些 . = = l x l o 币 5 由式 (23 .2 2 )可得到理想情况下的雷达距离分辨率为: 硕士论文 l 刚邝 雷达目 标识别器的研究 战二 二 = 0.3二 2 b 由 式 ( 2 .3.9) 得到静止目 标回波差频信号的 最高频率为: 、一 zb 争一 1撇 根 据 采样 定 理， 采 样频 率再之 2 拟 石 毖 . 但 如 果 采 样率 过 大， 则f f t 的 数 据 处 理 周 期也 会 相 应变 大， 不 适合 实时 处 理 ， 故 选 择人二 5 心 云。 在2. 5 节已 经分析过造成在调频雷达测距误差的根本原因 在于其距离谱上的 采 样间隔，实质是f f t在单位圆上进行n点等间隔采样造成的。为此，提高调频雷 达测量精度的最直接方法是增加f f t的点数，但是由于f f t点数的增加会给信号 处理器带来相应的压力，因此必须综合考虑取得合适的值。 现在再分析一下采样点 数的选择。 在选择采样点数n时， 应该考虑以 下几个因素 11 11: “ ， 在 对 于 一 定 的 采 样 点 数 ， 有 效 采 样 区 间 应 该 选 在 乓 二 tm，为。 这 是 由 于 由 上 一 节 的 分 析 ， 式 ( ” .8)在 te 为区 间 有 效 。 在 采 样 区 间 时 段 内 ， 还 有 位 于 远 处 的目 标 产生的 回 波差 频高 于匀 石的 差 频 信 号 ， 为 了 满 足 采 样 定 理 和 测 距 唯 一 性的 要 求， l r m c w雷 达 的 差 频 信 号 在 采 样 之 前 应 先 经 过 带 宽 为匀 碗的 低 通 滤 波 器 滤 掉 高频信号。 ( 2) 理论上，为了提高测距精度， 应该在整个有效时间段内 进行采样，即 n = 啊一 ) ， 所 以 有 效 时 间 基 本 上 决 定 了 一 个 周 期 中 的 采 样 点 数 . 但 是 考 虑 到 用 d s p芯片进行实时处理， 又希望n适当小些， 并且是 2的整数次幕。 通常取 n 2. 4 k l 众 因此，频率分辨率是满足测速要求的。 在 对 差 频信 号 进行 采 样时， 即 对凡(t)= co s( 呷 十 扔进 行 采 样， 再 离 散 化 得: sb(t) 2 尺_ _ _ ， ， _。 戊 n . 价 = ， 各 气 ， 儿刀气 二 丁二 下甲甲声 八 代 厅 !v 0三月sn 一1( 3 . 1 . 1 ) 其 中 ， ， = 2 二 (h一 气一 琴 b i ， 城= 丢 j乙 刀，。 b . = ， 愚为 采 样 期 间 的 有 效 扫 了 频带宽 下降了 由此可见，由于存在有效采样区间， 使得l f mc w雷达的距离分辨率指标 由式 (2.3.9 ) 得到理论上的距离分辨率应为研 = 0. 3 m。 式 ( 2. 21) 经过f f t 变换后， 有效时宽的倒数盯 即为 尸， 所以 从 = 一 三 一 甘= ”6m 4 几b 雷 达 系 统要 求的 距离 分 辨 率 是2 00 较少 强图象处理昂贵 雷达要 求检测出目 标， 并达到目 标位置、 方 位、 速 度比较 准确的测定以 及能给 出目 标属性的 初步 信息。 要实用于作战， 要求必须 具有体积小、重量轻、而 且价格 不能太高。 相对而言整个系统对于 精度的要求不是 很严格， 因为雷达前 端的 性能决 定了它不能 提供十分准备的 信息， 所以 不能期 待d s p 硬件系 统的 精度太高， 比较上 面所列的各 个系列的 芯片， 最终选定了n公司的t ms 32s o c 5 4 双系列的d s p 芯片。 这个系列的d s p 芯片价格适中， 运算 速度比 较快， 而且内部的 硬件资 源也比 较丰富。 在对t m s 3 2 s o c 5 4 欲 系列芯片的 进一步选择中， 对其系 列的一 系列芯 片的内 部资源 和性能以 及价格 进行比 较125 】 ， 在表4. 2. 2 中 有详细的介绍. 硕 士 论 文l 阳以 雷达目标识别器的研究 表4. 2 2 1 ， m sc54x系列产品的主要性能 型号 工作电压 lv 片内存储器 外围电路 时钟周期 厄 dm a 引 导 功能 ram 服 字 rom 瓜 字 串口定 时 器 主机 接 口 c54 1 l c5 4 1 c5 4 2 l c5 4 2 l c5 4 3 l c5 4 5 l c5 4 5 a l c5 4 6 l c5 4 6 a l c5 4 8 l c5 4 9 vc5 4 9 vc5 4 0 2 vc5 4 0 9 vc5 4 1 0 vc5 4 1 6 vc5 4 2 0 vc5 4 2 1 vc5 4 4 1 5 . 0 3 .3 5 .0 3 .3 3 一3 3 一3 3 .3 3 .3 3 一3 3 .3 3 一3 33 口. 5 3 .3 1 1 . 8 3 .3 / 1 . 8 3 .3 左一 5 3 一3 1 15 3 .3 / 1 . 8 3 ，3 / 1 . 8 3 .3 / 1 . 5 5 5 l 0 l 0 l 0 6 6 6 6 3 2 3 2 3 2 l 6 3 2 6 1 2 8 2 00 2 5 6 6 3 0 2s 2 8 2 2 2 4 8 4 g 4 8 4 8 2 l 6 l 6 4 l 6 l 6 l 6 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 2 3 3 3 6 6 1 2 l l l l i l l l l l l l 2 l l l 2 2 8 l 1 1 l l l l l 2 1 2 l 1 1 2 5 2 0 口5 2 5 2 0 口5 2 0 左 5 2 0 左 5 1 5 几 0 几 5 2 0 口 5 1 5 口0 左5 1 5 几 5 1 2 一5 1 1 5 l 0 1 01 1 2 一5 1 01 1 2 .5 i 0 6 . 5 l 0 l 0 7 一 5 了 斌 认 丫 了 了 了 了 了 了 了 了 丫 了 丫 斌 认 了 了 丫 了 了 了 了 认 了 从表中 可以 看出， t m s 320c5 4 02 d s p 芯片的功能 强大，价格却非 常的 低廉， 是一 种具有非常高性价比的d s p 器件。 我们选择它来 进行硬件设计也是 基于以上考 虑。 4 . 2 . 2t ms 3 2 0 c 5402 的性能 t m s320c 5402 的 性能分析如下【坷 傀 3 0 】 : ( 1 )速度:指令周期为 25ns 最短指令周期可达到 1 0 n s ，相应的运算能力为 1 0 0 mi p s( 兆指令/ 秒) ; ( 2 ) 先进的 多总 线结构 ( 一条程序存储器总线、 3 条数据存储 器总 线和4 条地 址总线) : (3) 4 0 位算术 运算单 元 认工 u ) ， 包括 1 个40位桶形移位寄 存器和2 个独立 的 40 位累加器; ( 4 ) 17位x l7位 并行乘 法器， 与40位专用累 加器相连， 用 于非流水线式单周 期乘法累加 器 ( m a c ) 运算; (5) 比 较、 选择、 存储 ( c s s u ) ， 用于加脚比 较选择; 2 8 硕士论文l 刚臼 雷达目标识别器的研究 (6) 指数编译 器， 可以 在单个周期内 计算40位累加器中 数值的 指数; (7) 双地址生成器， 包括 8个 辅助寄存器和 2个辅助寄存器算术运算单元 ( 人 r au) ; (8) 片内 存储空间 有 1 92k字( 16位 ) 最大可寻址存储空间， 包括64 k字程序空 间、 “k 字数据空间 和64k字f q空间; (9) 单指令 和块指令重复 操作， 块存储器传送指令， 32位长操作数据指令; ( 10)同时 读入2 或3 个操作数指令，并行存储和并行 加载指令; ( 1 1) 条件存储指令，从中断快速返回; ( 12)在片外设包括:软件可编程等待状态发生器;锁像环 ( p ll )时钟发生 器;2 个多通道缓 冲串行口 ( mcbs p ) ; 增强型sbit 并行主机 接口; 2 个 16 b it 定时 器;6 个信道直接存储访问 ( d ma)控制器; ( 1 3 )具有符合 正e e l l 94. 1 标准的仿真接口 ( 月人g ) 。 4 . 2 . 3电 源、 复位和工作方式设置 4 . 2 . 1 . 1 5402d s p电 源供电电 路 t m s3 20 v c 54 02的 电 源电 压 分 为 两 种 ， 即 内 核 电 压 ( c v dd)和拍 电 源 (d v dd)。 其中f o电源一 般采用 3 3 v电 压， 而内 核电 源为 1 8 v 。由 于 有两个电 源， 需要考 虑的一 个问 题是加电次 序。 理想情况下， d s p 芯片上的 两个电 源同 时加电 ， 但是 在 一些场 合很难做到。如果不能 做到同时 加电 ，应先对d v dd加电， 然后对c v d d 加 电。d v dd 应不超过 c v dd zv 。这个加点次序主要依赖于t ms32 0c5 4 02 的内部静 电放电 保护电 路，内 部保护电路图如下图所示: 从图中可以 看出 ，d v dd 不能超过 cv dd的电 压为4 个二极 管压降 ( 约z v ) ， c v dd不能 超过d v dd的电压为1 个二极管 压 降 (约0. 5 v) ， 否 则 有 可 能 损 坏 器 件 . 图4. 2. 1 出 示了c 5 40 2 的 内 部 保 护电 路 1311. dvd dc vd d 图4. 2. i c 5 4 o 2 的内部保护电 路 由 于d s p 芯片对电源稳定性有 严格的要求， 一般的电源供电 不能， 满足其要求， 本 硬 件 系 统 的 电 源 采 用仰s 73 h d 3 18 13 zlo 电 压输出 电 源 tps 76h d 3 x x双电 源调制 器家族是n 公 司专门为d s p 应用而 硕 士 论 文】 jf m c 日雷达目标识别器的研究 设计的电源 芯片 。n 公司提供有两路输出的电源 芯片，如 开s 73h d 3 01 、 仰5 7 3 h d 3 2 5 、 tps 7 3 h d 3 1 8 。 其中， 开s 7 3 h d 3 0 1的 输出电 压为一路 3 .3 v 、 一路 可调输出 (l. 2 9 . 75v) ，仰 5 73h d 3 25 的输出电压为一路 3. 3 v，一路 2.5 v， tps 7 3 h d 318的输出电压为一路 3 3 v 、一路 1 8