基于FPGA的雷达数字模拟目标设计与实现

基于FPGA的雷达数字模拟目标设计与实现

张猛,潘浩

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽合肥 230008

摘要：介绍了一种基于FPGA的可配置的雷达数字模拟目标实现方法。利用FPGA的快速并行处理能力模拟产生多个目标，目标包含幅度、角度、速度、距离等信息，形成和、差及辅助波束，验证雷达测距、测角、测速等功能，完成雷达模拟训练需求。经过实际应用验证，方法有效。

关键字：数字模拟目标；FPGA；雷达模拟训练

Design and Implementation of Radar Digital Simulation Target Based on FPGA

ZHANG Meng  PAN hao

（No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230008）

Abstract: A configurable radar digital simulation target realization method based on FPGA is introduced. Using the fast parallel processing capability of FPGA to simulate and generate multiple targets, the target include amplitude, angle, velocity, distance and other information, and form sum, difference and auxiliary beams to verify radar ranging, angle measurement, speed measurement and other functions, and complete radar simulation training requirements. After practical application verification, the method is effective.

Key Words : digital target ; FPAG ; radar simulation training

0引言

FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，也被称为“液体硬件”，是一种硬件可重构的体系结构，自1985年问世以来，凭借其性能、成本和稳定性的优势，在各个领域都有广泛的应用。高性能FPGA集成了大量的乘法器、存储器、高速接口、时钟布线等资源，快速并行处理能力在雷达信号处理领域有着天然的优势。在雷达系统调试初期，数字模拟目标（下面简称“数字模目”）可不依赖于天线而实现有效支撑雷达信号处理和数据处理的验证，完成雷达模拟训练的要求，大大缩短了系统联调时间，其设计组成和主要功能将在本文中详细描述。

1 雷达数字模拟目标设计组成

为适应雷达信号处理验证其测速、测距及测角要求，数字模拟目标必须具备以下几点功能：（1）目标包含多普勒速度信息；（2）目标距离根据速度可变；（3）形成的和差波束满足和差曲线测角；（4）可调的信噪比。根据对上述功能的分析，雷达数字模拟目标设计组成如图1所示。

图1 数字模目设计组成

图1所示数字模目组成包含常规模目产生、特殊模目产生、波束加权、多模目波束数据相加、高斯噪声产生等模块。常规模目产生支持线性调频信号，特殊模目产生支持非线性调频信号和相位编码，可根据控制选择模目种类的切换；两种模目类型均可根据上位机信息调整目距离；波束加权模块用于完成信号与权值的复数乘法，形成同时多波束数据；高斯噪声模块产生可调幅度的高斯噪声，可按需求设置信噪比大小；多模目及噪声相加模块用于对多个模拟目标的同一种波束类型数据相加，再叠加噪声后输出至后端进行雷达信号处理和数据处理。

2 主要功能单元

2.1信号产生单元

信号产生单元包含常规模目产生和特殊模目产生，特殊模目常指非线性调频和相位编码，这两种信号均在上位机中产生并写入FPGA的缓存中，在使用时从缓存中读出。鉴于雷达数字模拟目标的使用需求，通常使用线性调频信号验证系统功能，本文着重分析常规模目产生方法。

常规模目信号类型通常指线性调频信号，该信号为雷达领域最常用信号，支持脉冲压缩功能，大时宽带宽积的线性调频信号具有作用距离远、分辨能力强、测量精度高等优点。工程实现时，常使用DDS技术产生线性调频信号，该技术根据奈奎斯特采样定理，从连续正弦波的相位信息出发，采样、量化和编码形成正弦查找表存在ROM中，并在合成波形时将输入的地址相位信息映射乘幅值信息输出所需信号。DDS核是FPGA厂商采用DDS技术产生的功能齐全、结构合理、性能优良的IP，输入信息包含频率步进PINC和相位步进POFF，输出相位计算如式（1）所示。

（1）

上位机发送的波形控制参数包含初始频率、频率控制字、初始相位和相位控制字，FPGA根据参数计算PINC，如式（1）：

（2）

计算相位步进POFF，代表目标的多普勒速度，如式（2）：

（3）

式（1）、式（2）和式（3）中的n均为采样位置，最大值通常为采样率乘波形设计脉宽，即。DDS信号产生的时刻或生效的时刻与距离有关，根据目标距离和采样率即可计算出目标所在的距离单元数，实现模拟目标距离控制。

2.2 波束加权模块

产生的信号通过波束加权模块形成同时多波束，权值由上位机根据波束指向和目标指向的角度差值查表，取出和差波束的幅度相对关系，计算过程如下：（1）分别得出波束指向角和目标所在角度的uv空间值；（2）uv空间的目标角度值与波束指向角分别做差，得出u空间距离法线的偏离值和v空间距离法线的偏离值；（3）利用偏离值查表，和差波束表是根据阵面坐标、工作频率、窗函数类型生成的幅度-角度对应关系，数字模目是由角度查幅度，与雷达信号处理由幅度查角度的测角是相反的关系；（4）将查表的结果乘以幅度控制的参数，控制输出权值大小，实现数字模目的幅度控制。波束加权在FPGA中的工作为信号与权值的复数乘法，可调用复数乘法器IP实现。FPGA中复数乘法器IP是可配置的高性能复数乘法器，操作数与输出结果均已带符号的二进制补码格式表示，用户可根据需要配置最小延迟，可选实现方式为LUT或DSP48E，控制输入和输出位宽等。

2.3 高斯噪声模块

高斯噪声模块用于模拟雷达实际目标中常见的高斯白噪声，并可以通过调整噪声幅度控制信噪比的大小。高斯白噪声拥有概率密度函数服从高斯分布和功率谱密度为常数两种特性，在FPGA实现时，采用伪随机序列产生功率谱密度为常数均匀噪声，均匀噪声作为地址再对缓存中的高斯噪声查表，将输出值与幅度控制相乘即可产生符合要求的高斯白噪声，实现方式如图2所示。

图2 高斯白噪声产生原理图

工程上往往采用多组M序列发生器，轮流使能，增大随机特性，文中采用4组16位M序列发生器，轮流使能输出16位数据。为降低高斯噪声的存储资源，截取M序列发生器的10位作为地址，对1024深度的ROM查表，输出高斯白噪声。在噪声幅度控制中，噪声乘以上位机发送的幅度参数，输出可变幅度的高斯白噪声。

2.4 多模目及噪声相加模块

每一个数字模目在波束加权后即形成了同时多波束，为在最大程度上模拟正常回波，波束数据应集多目标、噪声或干扰与一体，在FPAG中实现时调用加法器IP将同一种类型的波束数据之间逐级相加，最后再叠加噪声。需注意，为保证测距精确，在多个模拟目标同类型波束相加时，应保证数据是距离单元对齐。

3 结论

本文通过对雷达目标距离、速度和角度的分析进行信号级模拟，基于FPGA实现了包含多个数字模拟目标和噪声的回波，形成同时多波束，协同雷达信号处理单元，完成雷达模拟训练需求。经过实际项目验证，文中所述方法更多调用FPGA内集成的IP，降低了开发难度和时序收敛难度，数字模拟目标个数可根据资源使用情况确定，以较小的代价完成了雷达模拟训练需求，大大缩短了系统的调试时间，具有一定的实用性。

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作者简介：张猛（1986-），男，硕士研究生，工程师，研究方向为数字波束形成技术

潘浩（1982-），男，高级工程师，研究方向为数字波束形成技术。