测速雷达数字信号处理系统的设计

西安工程大学学报Journal of Xi’an Polytechnic University　第22卷第3期(总91期)2008年6月Vol.22,No.3(Sum.No.91) 文章编号:16712850X(2008)0320329204测速雷达数字信号处理系统的设计张雪侠1,党幼云1,杨　进2(1.西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;2.西安展意信息科技有限公司,陕西西安710075)摘要:采用PCI29812数据采集卡和XC2S200FP GA芯片共同完成测速雷达系统的信号处理,即高速A/D转换模块和频谱的分析,并利用VB语言实现速度时间曲线的拟合问题和终端界面的显示,完成友好的人机交互功能.关键词:测速雷达;信号处理系统;PCI29812采集卡;界面显示中图分类号:TN911.25 文献标识码:A0　引　言传统的测试速度技术,如靶圈测试、天幕靶测试等方法因测试过程繁琐,精度较差,已不能满足实时战地测试的需要[1].连续波雷达回波的多普勒频移测量方法,具有测速精度高,无速度模糊[2],并且可以得到单值无模糊的频率值[3]的特点,单对于测速来说,是最理想的方法.对于雷达后端信号处理部分,根据实际要求的不同,存在有不同的处理方法[427].目前,实际应用中存在多种车载雷达测速仪,它主要是测量出运动目标的即时速度并进行记录与显示,因而对于终端信号处理相对比较简单.本文设计的测速雷达数字信号处理系统不仅能完成弹丸速度的实时测量、记录与显示,更重要的是通过弹丸速度的连续测定,进而获取弹丸初速值.弹丸初速值的确定对于计算弹道的相关参数,分析弹丸的形状及大小具有重要的意义.1　测速雷达系统组成1.1　基本原理连续波测速雷达系统的理论基础是多普勒效应[4]在电磁波领域中的应用.其基本原理是雷达中的波震荡器震荡出一系列的波,通过天线向着飞行中的弹丸发射电磁波,同时接收弹丸的反射回波,由于弹丸在运动,所以反射波和接收波之间存在有频率差,即发生了频率的变化,就是所谓的频移现象.这一频率差和弹丸的运动速度成正比例关系.其数学表达式为多普勒频差f d=2V t/λ,式中λ为信号波长,V t为运动目标的即时速度;λ=c/f0,c为光速,为常量,由于雷达发射的频率f0已知,可求出λ,那么只要再求出多普勒信号的频率差值f d,即可求得弹丸的即时速度V t.由于得到的是连续的f d的值,即对应多个V t值,因此可得出弹丸飞行轨迹上的多点瞬时速度值,即弹丸速度变化曲线,再根据此曲线按最小二乘法进行拟合,推算出弹丸的初速V o值.1.2　整体结构测速雷达由信号采集机和信号处理机组成,其中信号采集机包括高频组件、喇叭天线、前置放大器、红外启动器;信号处理机包括数字信号处理器和终端显示界面.信号采集机部分完成了雷达发射机和部分接收机的功能.8mm波振荡器产生连续的8mm电磁波,通 收稿日期:2008204211 通讯作者:党幼云(19622),女,陕西省澄城县人,西安工程大学教授.E2mail:xk_dyy@过收发天线接收到带有多普勒频移信息的回波信号,经过混频器,将发射信号与回波信号进行比较并对消,消去相同的电磁波频率,即消去发射波遇到固定物体反射回来的干扰电磁波和发射的基波信号的频率,得到带有其他杂波信号的、与弹丸运动速度有关的多普勒频差信息,此信号为f d .之后就是对这个信号进行必要的滤波、放大、频率的电平转换等相关处理,形成可以送入数据处理器中处理的电压信号.将这个信号经过数字信号算法的处理,转换成弹丸的瞬时速度值,并在P C 机中显示出来.雷达测速系统的整体结构组成如图1所示.其中红外启动器在雷达测速系统中的作用是用于捕获炮口发出火焰光信号形成触发信号,并作为测试时间的同步基准.接口和转换电路用于把红外启动器形成的电平信号以及放大器输出的信号,通过电缆传输给信号处理机进行处理.图1　雷达测速系统的整体结构组成2　数据处理方案2.1　性能指标此雷达测速系统的要求是测量出弹丸发射出炮口时的初速度值.其性能指标为:测量弹丸的速度范围为800m/s ～1200m/s ,测量的距离是8000d (d 为弹丸直径),测量精度<0.1%,天线增益为27dB.发射的连续波频率f 0为35GHz ±15M Hz.根据多普勒频率与弹丸运动速度的对应关系f d =2f 0×V t /c ,c =3.0×108m/s ,计算出f d =185k Hz ～280k Hz .根据公式计算出来的这个多普勒频率f d 是该雷达系统所要测量的弹丸速度范围内的速度所对应的频率差,也就是在信号处理过程中所要处理的频率范围值.在这个频率范围外的频段都将使用滤波器将其滤除.在整个数字信号处理的过程中,主要是对多普勒频率差值进行的处理,最终实现速度时间的显示.2.2　数据处理2.2.1　硬件电路的设计　在发射的8mm 连续波信号经过雷达前端的发射、接收、频率对消、放大等一系列处理之后,得到多普勒频率差f d .从雷达前端采集进来的信号是已经经过频率对消,一次信号放大,并转换成电平值的电压信号.该电压信号是多普勒频移信号的转换形式.雷达后端信号处理及显示界面的硬件设计结构原理图如图2所示.雷达前端与后端通过电缆线连接起来.图2　测速雷达数字信号处理所要测量的频率范围在185k Hz ～280k Hz ,但从雷达前端实际输出的信号超出了这个频率范围,要将范围之外的杂波信号频率滤除,需要在模拟信号转换成数字信号(模拟信号采集)之前,将从雷达前端接收过来的信号通过一个模拟的带通滤波器,使频率处在所要求的频率范围之内,然后再对信号进行数字处理.设计符合要求的模拟带通滤波器,比较简单的设计方法就是利用运算放大器搭建滤波电路.确定带通滤波器的参数指标,通带上限频率为280k Hz ,通带下限频率为185k Hz ,阻带最小衰减为15dB ,阻带下限截止频率为150k Hz ,阻带上限截止频率为300k Hz.根据实际情况,所需要的带通滤波器要求具有较平稳的通带,所以选择使用巴特沃思法设计带通滤波器.通过模拟归一化低通滤波器得到符合要求的带通滤波器的阶数N =8.利用mul 2tisim 电路仿真工具设计出巴特沃思带通滤波器,如图3所示.模拟信号经过带通滤波器之后,利用PCI 29812数据采集卡进行信号采样和保持.该采集卡支持32位3.3V 和5V PCI 总线,12位的A/D 转换处理,4通道单端输入,片上32k 样本的A/D FIFO 缓冲器,3通道T TL 数字输入,模拟和数字2种触发方式,触发方式有前触发、后触发、软件触发、延迟触发、快速触发033 西安工程大学学报 第22卷图3　八阶巴特沃思带通滤波器等5种.通过外部时钟可以控制模数转换速度.为了进一步提高信号的信噪比率,抑制噪声和杂波的干扰,需要对信号进行数字滤波等处理.选择XC2S200型FP GA 芯片对数字信号进行处理,充分利用FP GA 容量大、功耗低等的特点,提高系统集成度,减小电路的规模.完成数字信号的傅立叶变换,提取频率时间信息,实现目标速度的频谱分析,完成数字信号的算法.根据实际要求实现数据处理外围电路的设计.电源是采用蓄电池对硬件电路部分进行供电,设计出电平转换电路,分出1.8V 和3.3V 的2个电平分别对FP GA 芯片和PCI9812数据采集卡提供电压.2.2.2　软件设计　PCI 29812数据采集卡的软件结构支持VB ,LabV IEW ,C ++等界面软件.本方案使用VB 编程语言工具实现界面的设计,采用软件实现A/D 转换的触发方式,以及时钟源的选择.并根据实际情况,通过控制界面中具有选择项的设置及时改变模数转换的触发方式和时钟源,更有效地完成信号的处理.信号处理的功能完成在界面的显示中得到明确的体现.信号处理软件部分流程图如图4所示.图4　VB 软件设计流程图FP GA XC2S200芯片在此方案中主要完成对多普勒信息的频谱分析,使用硬件编程语言V HDL 进行硬件程序编写.完成FF T ,有限脉冲数字滤波器等功能,使用QU TERS Ⅱ仿真软件对硬件描述语言进行仿真.上位机控制PCI 总线与FP GA 的硬件电路的连接功能.通过算法的编写,根据公式f d =2f 0V t /c 将频率值换算成对应的速度值,实现速度与时间的一一对应关系,并利用最小二乘曲线拟合算法实现速度时间函数曲线的拟合,使曲线更接近实际的速度时间曲线函数.选择最小二乘算法实现速度时间函数曲线的拟合,是因为它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配,用最简单的方法求得一些不可知的真值,而令误差平方之和为最小.通过软件实现在界面上显示出弹丸运动的速度与时间的二维曲线,并将速度与时间的对应值在表格中表示出来,对生成的数据文件进行必要的处理.通过点击保存按钮,可以将文件保存在指定的位置,就是数据的导入.不需要保存时可以点击取消.如果需要已保存的数据文件,就可以在数据采集菜单下选择数据的导出,以便对数据重新处理.界面中显示V 2T 曲线的对应值列表如图5所示.133第3期 测速雷达数字信号处理系统的设计图5　界面上显示的V 2T 对应值列表3　结束语测速雷达系统是安装在炮体上的小型雷达,使用8mm 连续波作为发射波信号,通过提取速度的信息并对其进行相应的处理,实现弹丸速度的显示.针对单纯的测量运动目标速度的雷达系统来说,采用连续的8mm 波作为发射波具有穿透力强、抗干扰能力比较强等优点,可以进行全天候的测速操作.在雷达测速系统后端的数字信号处理的方案中,采用PCI 29812数据采集卡和XC2S200FP GA 芯片作为主要的处理电路,在采集卡上包含了模数转换电路芯片,FIFO 缓冲器,缩小处理电路的体积,减少了硬件电路元器件的使用.PCI 29812数据采集卡支持一些简单的界面软件工具,更加快速地实现数据处理和数据显示.通过控制界面的一些设置,就可以得到弹丸的初速度值,对于后续弹道参数的研究提供前提条件.这只是雷达测速系统中的一种方法,随着集成电路的不断发展,开发工具的不断强大和优化,将来肯定会有更加便捷的方法出现并应用于雷达数据处理中,使测速雷达的发展更加快速,对雷达测速事业的发展起到一定的促进作用.参考文献:[1]　马玲,蔡征宇,程风雷,等.毫米波测速雷达的测速原理[J ].弹道学报,2003(12):87.[2]　王德纯,丁家会,程望东,等.精密跟踪测量雷达技术[M ].北京:电子工业出版社,2006:32233.[3]　丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002:304;251.[4]　苗敏,柳晓鸣.基于FPG A 的雷达信号采集处理器的设计[J/OL ].(200625216)[200823210].http ://.[5]　王正勤,朱向冰.基于FP GA 的FFT 处理器的设计与验证[J ].电脑知识与技术,2007(11):137921382.[6]　马名建,周长程.数据采集与处理技术[M ].西安:西安交通大学出版社,2001:132.[7]　刘桂华,傅佑麟,严平.FFT 实时谱分析系统的FP GA 设计和实现[J ].电子技术应用,2006(5):6.Design of terminal digital signal process in measuring velocity systemZ H A N G X ue 2x i a 1,DA N G You 2y un 1,YA N G J i n 2(1.School of Electronics and Information ,Xi ′an Polytechnic University ,Xi ′an 710048,China ;2.Xi ′an Zhanyi Information Tech.Co.,Ltd ,Xi ′an 710075,China )Abstract :In t he system ,by adopting PCI 29812simultaneous 2sampling analog inp ut card and XC2S200FP GA chip ,t he system ′s digital signal p rocess section was completed ,such as t he A/D t ransformation module and t he frequency spectru ′s analysis .And t he question of curve fitting and t he interface ′s displa 2ying ,t he f unction of man 2machine alternating were completed by writing VB software language.K ey w ords :measuring velocity system ;signal process ;PCI 29812sampling card ;interface display编辑、校对:武　晖233 西安工程大学学报 第22卷。