实时高精度雷达噪声信号产生方法研究

实时高精度雷达噪声信号产生方法研究

简俊

贵州航天电子科技有限公司，贵州550009

摘要：信号在传输过程中易受雷达系统内外部噪声和环境杂波的干扰，从而影响雷达系统性能，因此，研究实时高精度雷达噪声信号产生方法具有重要意义。下面笔者就对此展开探讨。

关键词：高精度；雷达噪声；信号；

1雷达结构及工作机理

某型雷达引信主要由引信逻辑电路、引信乘法器与检波器、引爆延时电路、引信时钟发生器、多普勒滤波器和加法器、射频探测器等组成，其中射频探测器为微波高频电路。引信的组成部分分别安装在制导舱内，并没有一个独立完整的整体结构，而是与导引头及二次电源共同构成制导舱。雷达引信的工作原理如图1所示，该雷达引信是一个收发系统。在发射期间通过定向天线发射定向射频信号，在接收期间通过定向天线和全向天线接收目标的回波信号。来自定向通道和全向通道的视频信号，在多普勒滤波器和加法器电路中进行滤波、视频对消、放大处理后，得到定向信号a和全向信号b，经加法电路进行“和”“差”处理，输出“和”信号（a+b）与“差”信号（a-b），分别送至引信乘法器与检波器的“和”“差”输入端。“和”信号（a+b）与“差”信号（a-b）在乘法器进行乘积运算，得到（a+b）

图1雷达工作原理图

（a-b）=a2-b2，经检波比较，当定向信号能量超过全向信号能量一定值时，引信检波组合输出“引信报警”信号。

2噪声信号产生方法

噪声信号产生流程主要包含对数、平方根、乘加以及三角函数四种数学计算。乘法运算以及加法运算易在FPGA上实现，而对数函数运算、平方根运算以及三角函数运算在FPGA上实现较为复杂，目前常用的方法有查表法、分段多项式近似法和坐标旋转数字计算(CoordinateＲotationDigitalComputer，COＲDIC)法。查表法精度最高，速度最快，但由于本文计算精度都非常高，如果使用查表法必然会耗费大量存储资源。分段多项式的硬件实现较为复杂，需要使用多级乘法器，会带来较大的延迟，不利于信号的实时计算。COＲDIC算法是一种用于计算复杂函数的循环迭代算法，用一系列与运算基数相关角度的不停摆动，逼近所需旋转的角度，将复杂的算法分解成加法、移位等易在硬件上实现的操作。因此为了能完成复杂函数的快速计算，降低延迟，提高系统的实时性，本文选择使用COＲDIC算法。COＲDICIP核是FPGA开发软件提供的IP核，利用COＲDIC算法能够实现平方根、正余弦以及反双曲正切函数的计算，但COＲDICIP核对数据的输入范围有严格要求，超过输入范围外的数据会得到错误的数据，因此在实时计算时需要对输入的数据进行调整来满足输入要求，以便得到高精度的计算结果。

3噪声信号实时产生方法的仿真与实验

噪声信号实时发生器的结构如图2所示。噪声发生器根据上位机的指令实时产生五种分布的随机序列，同时脉冲发生器可以根据需求产生脉冲回波信号或者连续信号，进而产生服从复杂分布噪声的雷达回波信号，为雷达性能测试和噪声雷达波形设计提供目标信号。FPGA芯片使用了XilinxXC7VX415T，此款芯片足以满足本设计的需要。利用VerilogHDL语言实现上述所有功能模块，然后按照根据处理流程在FPGA上进行综合。

图2实时噪声信号产生框图

用Isim软件监视仿真生成的数据，如图3所示。从图中可以看出，基于本文的快速实时算法在上位机下达的使能信号有效后，立即得到红色服从均匀分布的随机序列，30个时钟周期得到灰色服从指数分布的随机序列，60个时钟周期后得到黄色服从高斯分布的随机序列，90个时钟周期之后得到蓝色服从瑞利(u1=u2=0)或莱斯(u1=0.8，u2=0.6)分布的随机序列。整个算法延迟低，实时性高。44产生噪声信号的精度与分析在数字系统中，数值需要被量化到有限精度，因此在本文中，数据位数的截断会带来量化误差。均匀分布小数位的精度决定了各种分布噪声的最大值，均匀分布序列的最小值为2－20，则理论高斯噪声最大值为5.26σ，其中σ为高斯分布的标准差，这是误差的主要来源。

图3仿真生成的四种随机信号序列

为了评估生成随机序列的概率密度分布情况和误差，首先利用Matlab将采集到的数据进行分析，分别使用直方图展示了硬件产生的指数分布、高斯分布、瑞利分布和莱斯分布随机序列的概率分布情况，同时在每幅图中拟合了各种概率密度函数理想情况下的曲线。可以看出，本文方法产生的复杂函数分布的随机序列直方图能够精准地符合理想的四种复杂函数的概率密度函数(ProbabilityDensityFunction，PDF)。对生成四种序列的均值和方差进行分析并与理想情况下的均值和方差进行对比，得出生成的四种随机分布序列的均值与方差均的误差均优于0.1%，数据精度高。

所提方法的算法流程综合后硬件资源占用情况与其他文献对比如表1所示。文献［3］仅能产生高斯分布序列，应用场景有限。本文在产生多种分布随机序列的情况下整体资源利用率更低，并且本文给出了具体的实时产生速率，最迟90个时钟周期就能得到多种服从复杂函数分布的随机序列，因而具有较高的实时性。

表1硬件资源占用情况算法

结论

本文提出了一种基于FPGA的高精度雷达噪声信号产生方法，重点阐述了不同函数分布噪声信号的产生原理以及高精度复杂函数的实时高精度计算方法，并对该方法的实际效果进行了实验验证。实测结果表明，本文提出的方法在占用极少的FPGA资源的情况下，利用COＲDIC算法完成复杂函数的快速计算，能够实时产生速率为2.5GHz的多种高精度复杂函数分布随机信号，为DＲFM系统进行雷达回波仿真提供高精度噪声信号，操控简单，可用于测试雷达系统在不同噪声干扰以及杂波环境下的性能检测或噪声雷达波形设计，具有广阔的应用前景。后续将进一步研究不同幅度以及不同类型噪声对DＲFM系统模拟雷达回波性能的实际影响。

参考文献

[1]唐尚华，刘勇涛，朱素英，等.某型导弹振动中触发引信误动作故障[J].四川兵工学报，2013，34（03）：41-44.

[2]崔思林，郗向儒，汪晓安.侵彻引信电路振动噪声处理方法研究[J].机械科学与技术，2018，37（05）：742-746.

[3]潘建华.雷达引信波导型射频探测器结构设计[J].制导与引信，2018（03）：26-31.