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)可能面臨種類多樣的地物覆蓋類型，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)稱化因子,，它和ε的乘積作為參考門限電平,。當(dāng)檢測(cè)單元的值超過K×ε時(shí)，認(rèn)為有目標(biāo),；反之,，認(rèn)為無目標(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)來以后通過一個(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)過延時(shí)后與比較器選出來的較大的數(shù)即檢測(cè)門限同時(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,，通過測(cè)試單元與測(cè)試門限的比較，來判斷目標(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)試門限,。測(cè)試門限的計(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)門限系數(shù)即可,，這個(gè)門限系數(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。

    mx_gen實(shí)現(xiàn)選大比較并將大者與標(biāo)稱化因子相乘,，求均值模塊輸出的信號(hào)gate_bf和gate_bh輸入到mx_gen,，經(jīng)過比較選擇其中大者與cfar_xs相乘并輸出jcmx作為測(cè)試門限進(jìn)行下一步判決。測(cè)試信號(hào)dtest輸入至 jc_delay作延遲,，目的是與mx_gen輸出信號(hào)同步進(jìn)入mbreport作為判決器,。通過測(cè)試單元與測(cè)試門限的比較，判斷信號(hào)中是否有目標(biāo)存在,，有目標(biāo)則輸出高電平,，沒有目標(biāo)則輸出低電平,。輸出判決結(jié)果信號(hào)drpt及其通道號(hào)chal。
    (3)目標(biāo)結(jié)果報(bào)告模塊
    對(duì)目標(biāo)判決模塊輸出的所有目標(biāo)幅度進(jìn)行比較選大,，從中選擇出5個(gè)相對(duì)最大的目標(biāo)結(jié)果,，并且分配出各自距離與通道號(hào)，輸出給后面存儲(chǔ)器,，此即為信號(hào)處理系統(tǒng)最終結(jié)果,。目標(biāo)結(jié)果報(bào)告模塊在FPGA中的設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

    對(duì)輸入信號(hào)drpt進(jìn)行選大比較,，選擇最大的目標(biāo)結(jié)果及其通道號(hào)chal 一起輸出給rpt_ctrl,這個(gè)單元主要是完成寫存儲(chǔ)器的控制,。
2.3 CFAR仿真結(jié)果
    恒虛警模塊的功能仿真時(shí)序波形如圖6。A為恒虛警系數(shù)值2,，B為恒虛警基數(shù)值60；ram_din為目標(biāo)結(jié)果信息,，將每次比較選擇的結(jié)果信息輸入到雙口RAM中,；ram_addra為RAM地址線；ram_en和ram_wclk分別為使能信號(hào)和寫時(shí)鐘信號(hào),。仿真結(jié)果表明模塊工作是正確的,，在ram_din輸出中尚未發(fā)現(xiàn)信號(hào)，沒有產(chǎn)生電平的變換,。圖7為功能仿真時(shí)序局部圖,。

    具有高可靠性能的恒虛警檢測(cè)模塊在機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。本文根據(jù)實(shí)際需要,，選取了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且邊緣效應(yīng)影響小的GO-CFAR算法,，利用FPGA在集成環(huán)境ISE對(duì)GO-CFAR算法進(jìn)行功能仿真，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)軟件化,，使該檢測(cè)器的靈活性顯著提高,。 經(jīng)過仿真及硬件測(cè)試表明：FPGA技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中的恒虛警檢測(cè)功能，不但設(shè)計(jì)靈活,，運(yùn)算速度塊,，而且可靠性高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值,。
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