多功能低空三坐标雷达信号处理系统的设计与实现

发布时间：2017-07-25 17:25

  本文关键词：多功能低空三坐标雷达信号处理系统的设计与实现

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【摘要】：在我国低空空域管理改革的大背景下,低空空域将逐渐开放,各种低空、超低空飞行任务日益增多,但是小范围的气象灾害在3Km以下的低空会经常出现,对低空飞行器的安全造成严重威胁,因此在对低空飞行器进行监控和管理的同时,还需对低空空域的气象环境进行监测,而设计专用的低空补盲气象雷达将大大增加设备投入及其寿命周期成本,且会增加相互的辐射干扰,同时在通航小机场部署也不合算。而具有波束指向灵活、扫描方式多样优势的多功能低空监视雷达可以满足这一需求。本文从雷达目标监视信号处理和气象探测信号处理两个方面出发,在对信号处理过程中的关键算法和两种工作模式兼容性研究的基础上,针对多功能低空三坐标雷达信号处理系统的设计与工程实现过程中存在的问题以及解决方法展开研究,完成了该信号处理系统在软硬件等关键环节的设计,并对系统进行了验证。论文具体结构如下:首先,对多功能低空三座标雷达两种主要工作模式(目标监视与气象探测)中信号处理的关键算法进行分析。主要包括目标监视模式下的数字鉴相处理、数字脉冲压缩处理、自适应有源干扰抑制、自适应杂波干扰抑制、信号检测处理、测角处理、目标点迹录取,气象探测模式下的噪声功率估计、杂波抑制、谱距估计等。本文在算法研究的基础上还对实现方式进行了研究,并提出了一种目标监视与气象探测相互兼容的雷达调度模式,初步解决了目标和气象探测兼容、反射率因子和多普勒参数估计兼容两种不同层次的矛盾。其次,在算法研究的基础上对信号处理系统的主要工作参数进行分析计算。以多功能低空三坐标雷达的实际应用环境以及系统指标为设计输入,在算法研究的基础上对包括数字下变频、脉冲压缩、MTI、MTD、CFAR、气象信号处理杂波抑制以及气象基数据过门限处理等进行Matlab模型构造和数据仿真,根据仿真结果设置相关参数,并对工作参数进行计算,为系统的工程实现提供了设计依据。最后,对信号处理系统的软硬件进行工程化设计和系统验证。在算法及系统指标研究的基础上,对FPGA实现雷达信号处理的主要难点和关键技术进行了详细分析,提出了一种适合本系统的通用信号处理硬件平台架构,并给出了该平台的详细方案设计。在系统的软件实现方面,首先根据可重构IP核的技术,结合雷达信号处理IP核的设计流程,建立了雷达信号处理模块化库。之后根据系统需求提出了信号处理系统的软件处理流程,详细介绍了系统软件的总体设计,包括逻辑分割准则、软件结构方案以及FPGA间数据传输情况等,给出了雷达信号处理系统FPGA资源使用情况。在系统验证过程中,本文从信号处理的测试系统和测试方法进行了论述,并对测试结果和性能进行了分析。
【关键词】：多功能相控阵雷达 低空监视信号处理 气象信号处理 通用实时信号处理平台 可重构IP核 信号处理模块化库 逻辑分割
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.51
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 研究面临的挑战12-13
• 1.3 国内外研究现状13-14
• 1.4 本文主要工作及内容安排14-15
• 1.5 本文的主要创新15-16
• 第二章 目标监视信号处理关键算法分析16-56
• 2.1 数字鉴相处理16-18
• 2.1.1 带通采样理论16-17
• 2.1.2 直接中频数字正交采样实现方法17-18
• 2.2 幅相一致性校正18-19
• 2.3 脉冲压缩处理19-25
• 2.3.1 线性调频信号20
• 2.3.2 相位编码信号20-24
• 2.3.3 实现方法24-25
• 2.4 自适应有源干扰抑制25-33
• 2.4.1 自适应频率捷变26-27
• 2.4.2 自适应旁瓣对消27-31
• 2.4.3 副瓣匿影31-33
• 2.5 自适应杂波抑制33-42
• 2.5.1 数据重排处理34-35
• 2.5.2 动目标显示处理（MTI）35-38
• 2.5.3 动目标检测处理（MTD）38-40
• 2.5.4 切向检测处理40-42
• 2.6 虚警率控制42-51
• 2.6.1 参量型恒虚警率检测43-46
• 2.6.2 杂波图处理46-50
• 2.6.3 自适应门限图50-51
• 2.7 单脉冲测角51-52
• 2.8 录取处理52-55
• 2.8.1 点迹检测算法53-54
• 2.8.2 点迹参数估计54-55
• 2.8.3 点迹输出55
• 2.9 本章小结55-56
• 第三章 气象信号处理关键算法分析56-65
• 3.1 兼容工作模式设计56-57
• 3.2 噪声功率估计57
• 3.3 气象模式下杂波抑制57-62
• 3.3.1 偶发强干扰抑制58
• 3.3.2 地物杂波抑制58-62
• 3.3.3 点杂波抑制62
• 3.4 谱距估计62-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第四章 主要工作参数的选择与计算65-80
• 4.1 系统需求65-66
• 4.2 雷达波形选择66-67
• 4.3 数字下变频的设计与仿真67-72
• 4.3.1 中频采样频率选择67-69
• 4.3.2 低通滤波器的系数计算69-72
• 4.4 MTI滤波器的设计72-73
• 4.5 MTD滤波器组的设计73-76
• 4.6 CFAR中主要参数的选择76-77
• 4.7 气象基数据门限值的设计77-79
• 4.7.1 数据质量控制因子计算77-78
• 4.7.2 过门限判决78-79
• 4.8 本章小结79-80
• 第五章 信号处理系统硬件设计80-101
• 5.1 FPGA实现雷达信号处理的可行性分析80-81
• 5.1.1 现代雷达对信号处理的需求80-81
• 5.1.2 FPGA在雷达信号处理中的应用81
• 5.2 硬件性能指标81-82
• 5.3 关键技术分析82-84
• 5.3.1 高速多通道AD采集技术82-83
• 5.3.2 多FPGA系统互联技术83-84
• 5.4 系统硬件方案设计84-100
• 5.4.1 总体架构84-86
• 5.4.2 FMC-AD子卡86-90
• 5.4.3 FMC-NORFLASH子卡90-92
• 5.4.4 通用数字信号处理板92-100
• 5.5 本章小结100-101
• 第六章 信号处理系统软件设计101-121
• 6.1 建立雷达信号处理模块化库102-105
• 6.1.1 可重构IP核技术102-103
• 6.1.2 雷达信号处理IP核的设计流程103-104
• 6.1.3 雷达信号处理模块化库104-105
• 6.2 FPGA系统软件开发流程105-106
• 6.3 系统软件方案设计106-119
• 6.3.1 系统处理流程106-109
• 6.3.2 软件总体设计109-119
• 6.4 本章小结119-121
• 第七章 系统验证121-129
• 7.1 测试环境121-122
• 7.2 测试结果122-128
• 7.3 本章小结128-129
• 第八章 总结与展望129-132
• 8.1 本文工作总结129-130
• 8.2 工作展望130-132
• 参考 文献132-135
• 致谢135-136
• 攻读硕士学位期间已发表的论文136-138

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