基于FPGA的雷達(dá)恒虛警模塊的設(shè)計(jì)

摘 要： 恒虛警處理技術(shù)可以使雷達(dá)在保持較高發(fā)現(xiàn)概率的同時(shí)，降低虛警概率。為了提高機(jī)載雷達(dá)在雜波與噪聲背景條件下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力，針對(duì)復(fù)雜統(tǒng)計(jì)模型應(yīng)用的局限性，提出了一種基于FPGA的恒虛警模塊的設(shè)計(jì)思想，并在軟件平臺(tái)環(huán)境下，對(duì)設(shè)計(jì)方法的可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞： 恒虛警檢測(cè)；FPGA；GO-CFAR算法；模塊

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(cè)一直是雷達(dá)信號(hào)處理研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)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(cè)面臨的困難尤為突出。因此對(duì)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(cè)可能面臨種類(lèi)多樣的地物覆蓋類(lèi)型，因此對(duì)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(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)地物覆蓋類(lèi)型的建模能力不足，影響檢測(cè)的精度；復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)地物覆蓋類(lèi)型的建模能力較高，相應(yīng)的檢測(cè)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(cè)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(wèn)題。
1 CFAR檢測(cè)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(hào)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(duì)單元平均恒虛警檢測(cè)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(cè)器[4]。GO-CFAR算法的基本流程如圖1所示。輸入信號(hào)包括檢測(cè)單元Y和2n個(gè)參考單元。參考單元位于檢測(cè)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(cè)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(chēng)化因子，它和ε的乘積作為參考門(mén)限電平。當(dāng)檢測(cè)單元的值超過(guò)K×ε時(shí)，認(rèn)為有目標(biāo)；反之，認(rèn)為無(wú)目標(biāo)[5]。

2 CFAR檢測(cè)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(cè)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(duì)輸入數(shù)據(jù)的求均值，數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)以后通過(guò)一個(gè)加法器計(jì)算參考窗的部分和，并對(duì)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(cè)試單元也經(jīng)過(guò)延時(shí)后與比較器選出來(lái)的較大的數(shù)即檢測(cè)門(mén)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(méi)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(guò)前級(jí)解調(diào)、脈壓、目標(biāo)檢測(cè)等處理后數(shù)據(jù)din首先經(jīng)過(guò)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(hào)端口。這個(gè)減號(hào)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(guò)延時(shí)，而這個(gè)延時(shí)的大小取決于參考窗的長(zhǎng)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(jiǎn)單的介紹。
shift1作用是對(duì)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(hào)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(zhǎng)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(cè)試的數(shù)據(jù)是依次輸入的，這樣就會(huì)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(duì)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(duì)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(cè)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(zhǎng)度為N，保護(hù)單元的數(shù)目為L(zhǎng)，再加上一個(gè)測(cè)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(cè)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(guò)測(cè)試單元與測(cè)試門(mén)限的比較，來(lái)判斷目標(biāo)是否存在。這個(gè)延時(shí)模塊由三部分組成：測(cè)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(cè)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(cè)試門(mén)限。測(cè)試門(mén)限的計(jì)算也比較簡(jiǎn)單，將比較器得到的選大平均值乘以一個(gè)門(mén)限系數(shù)即可，這個(gè)門(mén)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(mén)限值后，只需要將測(cè)試單元與其比較大小即可。如果測(cè)試單元的值大于測(cè)試門(mén)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。