基于脉冲压缩技术的船用导航雷达数字信号处理设计

发布时间：2017-04-24 07:13

  本文关键词：基于脉冲压缩技术的船用导航雷达数字信号处理设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着航运业的发展,船用导航雷达作为船舶避障、通航、导向的重要设备,其在基本原理和工程应用方面的研究受到越来越多的重视。船用导航雷达正从传统的磁控管模式雷达逐渐向新式的固态脉冲压缩和连续波雷达过渡,以实现延长寿命、提高距离分辨力、降低对人体的伤害等目的。但固态雷达从射频前端设计到中频信号处理的技术相对来说更加复杂,一次性投入成本更高,这直接影响了固态雷达在民用船用导航领域的应用。本文在脉冲压缩技术基础之上,对船用导航雷达的数字信号处理模块提出了新的设计思路,即采用单块FPGA芯片实现三种类型的线性调频脉冲信号的压缩以满足不同的量程和不同的距离分辨力需求,力求获得低的设计成本、较好的通用性以及完备的功能,推动固态体制雷达技术在船用导航雷达领域的应用。该方案完成脉冲压缩的三种线性调频信号时带积均为30,时宽分别为1μs、3?s和6μs,在120MHz的采样率下经数字下变频抽取到60点的两路基带信号。采用一级CIC滤波器、一级半带滤波器和一级FIR抽取波器的方案,抽取倍数较小时跳过中间级。在匹配滤波器的设计中滤波系数经过汉明窗加权抑制旁瓣,并针对大距离门数的特点采用优化的时域结构。脉压预处理后再经过脉冲累计算法模块增大信噪比,同时,恒虚警算法模块提高目标检测的准确性。各模块采用流水的方式由专门的控制模块统一调度。本文还设计了中频信号处理板卡,包括FPGA的最小系统及其外围芯片的电路。其中,高速AD芯片可满足200MHz带宽以内的信号采集,网口芯片可实现100Mbps的数据流传输,DDS芯片可满足400MHz以内的各类信号的调制。该板卡适合中等规模且对实时性要求比较高的信号处理系统进行二次开发。本设计的测试结果:三种信号的脉压旁瓣抑制比均达到30dB,满足多量程需求,数据处理速度不低于720Mbps,距离分辨力可达到7.5米,上位机界面观测到的图像清晰、抗干扰能力强、实时性好,能满足实用需求。
【关键词】：船用导航雷达 脉冲压缩 距离分辨力 主副比
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U665.22
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 研究工作的背景与意义11-12
• 1.2 船用导航雷达的技术现状与发展趋势12-13
• 1.3 本文的主要工作13
• 1.4 本文的结构安排13-15
• 第二章 脉冲压缩基础理论15-33
• 2.1 脉冲压缩技术原理15-20
• 2.1.1 概述15
• 2.1.2 最佳信噪比和匹配滤波15-18
• 2.1.3 线性调频信号时域和频域特性18-20
• 2.2 线性调频脉冲压缩和距离旁瓣抑制20-24
• 2.2.1 线性调频信号的匹配滤波20-21
• 2.2.2 线性调频旁瓣抑制技术21-24
• 2.3 线性调频脉冲压缩系统的基本模块理论24-32
• 2.3.1 数字下变频25-29
• 2.3.2 时域脉冲压缩29-31
• 2.3.3 频域脉冲压缩31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 固态脉压船用导航雷达信号处理算法设计及实现33-65
• 3.1 船用导航雷达中频信号处理方案总体概述33-37
• 3.1.1 系统设计的指标及分析33-36
• 3.1.2 中频信号处理流程方案36-37
• 3.2 数字下变频模块设计37-49
• 3.2.1 数字下变频模块的结构分析与参数设计38-43
• 3.2.2 数字下变频模块的RTL实现43-49
• 3.3 脉冲压缩模块的实现方案49-57
• 3.3.1 时域脉压方式实现的结构分析与参数设计49-51
• 3.3.2 时域脉压方式的模块RTL实现51-53
• 3.3.3 频域脉压方式实现的结构分析与参数设计53-54
• 3.3.4 频域脉压方式的模块RTL实现54-57
• 3.3.5 两种实现方式的结果对比57
• 3.4 脉冲累计模块设计57-61
• 3.4.1 脉冲累计模块的结构分析与参数设计58-59
• 3.4.2 脉冲累计模块的RTL实现59-61
• 3.5 恒虚警模块设计61-64
• 3.5.1 恒虚警处理模块的结构分析与参数设计61-63
• 3.5.2 恒虚警模块的RTL实现63-64
• 3.6 本章小结64-65
• 第四章 船用导航雷达中频信号处理硬件设计65-84
• 4.1 FPGA最小系统设计65-69
• 4.1.1 FPGA的配置电路65-66
• 4.1.2 FPGA板块电路66-67
• 4.1.3 DDR3电路67-68
• 4.1.4 最小系统的整体效果68-69
• 4.2 高速AD电路设计69-73
• 4.2.1 AD芯片基本功能介绍69-70
• 4.2.2 AD芯片外围接.电路设计70
• 4.2.3 AD芯片寄存器配置和驱动设计70-73
• 4.3 网络接口电路设计73-77
• 4.3.1 网口芯片介绍73-74
• 4.3.2 网口芯片的接.时序和外围电路设计74-75
• 4.3.3 基于IEEE 802.3 MAC的网口数据传输75-77
• 4.4 DDS接口电路设计77-80
• 4.4.1 AD9910芯片介绍77
• 4.4.2 AD9910的数字斜坡模式77-78
• 4.4.3 线性调频信号设计78-80
• 4.5 板卡总体原理图和PCB80-82
• 4.6 本章小结82-84
• 第五章 测试结果及分析84-93
• 5.1 测试方法与系统搭建84-86
• 5.2 信号处理板卡接口验证86-88
• 5.2.1 AD接口模块测试86
• 5.2.2 DDS配置接口验证86-88
• 5.2.3 网口芯片接口测试88
• 5.3 脉冲压缩模块验证88-90
• 5.4 脉冲累计模块测试90-91
• 5.5 恒虚警模块测试91-92
• 5.6 本章小结92-93
• 第六章 全文总结与展望93-94
• 6.1 全文总结93
• 6.2 后续工作展望93-94
• 致谢94-95
• 参考文献95-97
• 攻读硕士学位期间取得的成果97-98

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本文编号：323786