專利名稱：基于fpga的多普勒中心估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及多普勒中心估計方法，可應(yīng)用于雷達(dá)實時信號處理系統(tǒng)設(shè)計，特別是星載合成孔徑雷達(dá)SAR實時成像中。
背景技術(shù)：
多普勒中心估計是SAR成像處理的重要組成部分，在成像處理中的作用至關(guān)重要。多普勒中心估計不準(zhǔn)確會造成圖像的整體偏移，影響場景中目標(biāo)的定位，惡劣時造成場 景信號頻帶與參考信號頻帶失配，無法成像。常用的多普勒中心估計方法主要有能量均衡法、相關(guān)函數(shù)法、最優(yōu)估計法。其中相關(guān)函數(shù)法比較穩(wěn)健，可以適合于大多數(shù)均勻場景，在時域估計參數(shù)其計算量小，并且通過取能量大的距離單元、多距離單元平均后其算法的精度較高，在實時處理中獲得了較多的采用?，F(xiàn)有機載SAR實時處理系統(tǒng)中，對多普勒中心的估計通常采用數(shù)字信號處理器DSP作為核心處理芯片，DSP的優(yōu)勢是可供使用的軟件資源豐富，內(nèi)部模塊標(biāo)準(zhǔn)化，通用性強、靈活性好，調(diào)試簡單，但缺點是按取指、譯碼、執(zhí)行等這樣的固定模式工作，對資源效率利用不足。對于星載SAR系統(tǒng)來說，不僅要求運算速度高，而且由于空間環(huán)境條件的限制，對處理器芯片的抗輻射、熱設(shè)計等也提出了更高的要求，DSP芯片沒有航天級的產(chǎn)品，因此機載系統(tǒng)中用DSP實現(xiàn)的方法已不能適應(yīng)星上系統(tǒng)的要求，必須選擇新的器件來實現(xiàn)星載SAR星上實時成像處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提供ー種基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的多普勒中心估計方法，以減少占用資源，提高多普勒中心估計的處理速度。本發(fā)明的技術(shù)思路是通過ー階寄存器實現(xiàn)錯位操作；通過調(diào)用FPGA內(nèi)部的IP核，實現(xiàn)共軛相乘、累加、求均值和除法運算，求得回波數(shù)據(jù)的自相關(guān)值R ;根據(jù)自相關(guān)值R的實部和虛部，計算得到自相關(guān)值R相角的余弦值；通過“反余弦”查表，得到自相關(guān)值R的相角；根據(jù)自相關(guān)值R虛部的符號位，對自相關(guān)值R的相角進(jìn)行修正，得到回波數(shù)據(jù)的多普勒中心估計結(jié)果。其實現(xiàn)步驟包括如下(I)將反余弦表存入FPGA的ROM中，以備后續(xù)的查表使用；(2)對單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯位操作，得到錯位向量；對單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)和錯位向量的對應(yīng)元素進(jìn)行共軛相乘操作，得到一組相乘結(jié)果。(3)對這組相乘結(jié)果的元素進(jìn)行累加求均值操作，得到單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)的自相關(guān)值R ;(4)根據(jù)自相關(guān)值R的實部和虛部，求得自相關(guān)值R相角的余弦值；再將自相關(guān)值R虛部的符號位用寄存器flag暫存下來，供后續(xù)操作使用；(5)對自相關(guān)值R相角的余弦值進(jìn)行反余弦查表，得到自相關(guān)值R的相角；(6)根據(jù)寄存器flag的值，對自相關(guān)值R的相角進(jìn)行修正，若flag的值為1，則對自相關(guān)值R的相角加上-n，若flag的值為O，則對自相關(guān)值R的相角不做改變；(7)根據(jù)回波數(shù)據(jù)的脈沖重復(fù)頻率PRF和圓周率Ji通過MATLAB軟件生成量化參數(shù)，將經(jīng)步驟(6)后得到的自相關(guān)值R的相角值與該量化參數(shù)相乘，得到多普勒中心估計結(jié)果。本發(fā)明具有如下優(yōu)點第一，本發(fā)明采用FPGA作為核心處理芯片，F(xiàn)PGA內(nèi)部集成大量的乘法器、RAM甚至處理器核，具有基于數(shù)據(jù)流的強大定點處理能力，處理速度快，靈活性好，提高了整個系統(tǒng)的實時性。第二，本發(fā)明通過計算自相關(guān)值R相角的余弦值，再對該余弦值進(jìn)行反余弦查表完成，大幅度地提高了計算自相關(guān)值R相角的精度。第三，本發(fā)明中采用了流水處理和并行處理技術(shù)，充分發(fā)揮了 FPGA運算的優(yōu)勢，節(jié)省了整個多普勒中心估計過程的處理時間以及FPGA內(nèi)部存儲資源，在很大程度上提高了估計效率。


圖I是本發(fā)明的總流程圖；圖2是本發(fā)明中自相關(guān)處理子流程圖；圖3是本發(fā)明中計算多普勒中心子流程圖。
具體實施方案下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)ー步的描述。參照圖I，本發(fā)明的具體實施步驟如下步驟I.將反余弦表存入FPGA中。I. I)在 MATLAB 軟件中產(chǎn)生一列浮點數(shù)序列 e=_l，-511/512，-510/512，......，
0，1/512，2/512，......，511/512，該浮點數(shù)序列e共包含1024個元素，相鄰元素之
間的間隔為1/512，求出序列e的反余弦值，將e的反余弦值量化成16位有符號ニ進(jìn)制定點數(shù)序列，并將其存入存儲初始化文件MIF，則該存儲初始化文件MIF即為反余弦表；I. 2)調(diào)用FPGA中的ー個ROM存儲器，并用生成好反余弦表對該ROM存儲器進(jìn)行初始化，這樣在往FPGA中加載程序時反余弦表就會自動存入FPGA內(nèi)部。步驟2.對單個距離單元方位向連續(xù)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行錯位相乘操作。參照圖2，本步驟地具體實現(xiàn)如下2. I)回波信號經(jīng)過高速采樣得到數(shù)字信號，并對其進(jìn)行預(yù)處理得到ニ維回波數(shù)據(jù)，將ニ維回波數(shù)據(jù)的單個距離単元方位連續(xù)數(shù)據(jù)送入FPGA，這時應(yīng)確保數(shù)據(jù)連續(xù)，若不能保證，則先將數(shù)據(jù)存入FPGA中ー個深度較小的FIFO緩沖器進(jìn)行緩沖，然后從兩個FIFO緩沖器中讀取，使數(shù)據(jù)滿足連續(xù)要求；2. 2)將單個距離單元方位連續(xù)數(shù)據(jù)打入一階寄存器，得到錯位向量；調(diào)用FPGA內(nèi)部的一個乘法器，將單個距離單元方位連續(xù)數(shù)據(jù)和錯位向量分別作為被乗數(shù)和乘數(shù)，完成兩者的對應(yīng)元素共軛相乘操作，得到一組相乘結(jié)果。 步驟3.對相乘結(jié)果的元素進(jìn)行累加求均值操作。
3. I)在MATLAB軟件中將浮點數(shù)1/1024量化成16位ニ進(jìn)制定點數(shù)，將其作為參數(shù)送入FPAG ； 3. 2)調(diào)用FPGA的累加器IP核實現(xiàn)對這組相乘結(jié)果元素的累加操作，得到ー個累加結(jié)果；由于單個距離單元數(shù)據(jù)的方位向點數(shù)為1024，所以將求均值的除法運算，即將累加結(jié)果除以1024，變換為乘法運算，即對累加結(jié)果乘以1/1024，此處乘以步驟3. I)量化好的16位ニ進(jìn)制定點數(shù)，得到單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)的自相關(guān)值R。步驟4.求自相關(guān)值R相角的余弦值。參照圖3，本步驟地具體實現(xiàn)如下4. I)調(diào)用 FPGA 中的乘法器 IP 核，將該 IP核Parameter Settings 中的Multiplierconfiguration 選為 “Multiply’ dataa’ input by itself，，；4. 2)利用所述乘法器IP核，分別對自相關(guān)值R的實部和虛部進(jìn)行平方操作；調(diào)用FPGA中的加法器對兩個平方結(jié)果進(jìn)行相加，將相加結(jié)果通過FPGA中的開方器，將得到的開方結(jié)果作為分母，自相關(guān)值R的虛部作為分子，通過FPGA中的除法器，得到自相關(guān)值R相角的余弦值；將自相關(guān)值R虛部的符號位用寄存器flag暫存下來，供后續(xù)操作使用。步驟5.對自相關(guān)值R相角的余弦值進(jìn)行反余弦查表。以自相關(guān)值R相角的余弦值為地址，從存儲在FPGA的ROM中的反余弦表中找到對應(yīng)值，即為自相關(guān)值R的相角。步驟6.根據(jù)寄存器flag的值，對自相關(guān)值R的相角進(jìn)行修正。由于FPGA的ROM中存儲的反余弦值范圍為0到，而自相關(guān)值R相角的范圍為-Ji到Ji，所以要對從ROM中讀出的反余弦值進(jìn)行修正。具體修正方法為若寄存器flag存儲的自相關(guān)值R虛部的符號位的值為1，說明自相關(guān)值R虛部為負(fù)數(shù)，則自相關(guān)值R在復(fù)坐標(biāo)系的3、4象限，即自相關(guān)值R的相角在-到0范圍內(nèi)，故對自相關(guān)值R相角加上-進(jìn)行修正；若寄存器flag存儲的自相關(guān)值R虛部的符號位的值為0，說明自相關(guān)值R虛部為正數(shù)，則自相關(guān)值R在復(fù)坐標(biāo)系的1、2象限，即自相關(guān)值R的相角在0到范圍內(nèi)，故不需對其進(jìn)行修正。步驟7.計算單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)的多普勒中心。7. I)用脈沖重復(fù)頻率PRF除以2倍的圓周率，得到有符號的浮點小數(shù)，再用MATLAB軟件將該浮點小數(shù)量化成與自相關(guān)值R相角具有相同位寬的有符號定點數(shù)，也就是將該浮點小數(shù)擴大2的整數(shù)冪倍后再取整，該整數(shù)的大小與自相關(guān)值R相角的位寬有關(guān)，將量化得到有符號定點數(shù)作為量化系數(shù)，供FPGA使用；7. 2)調(diào)用FPGA內(nèi)部的乘法器，對經(jīng)步驟6修正后的多普勒自相關(guān)值R的相角乘以步驟7. I)生成的PRF/2JI量化系數(shù)，得到單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)的多普勒中心估計值。本發(fā)明的結(jié)果可以通過以下實測進(jìn)一步說明I.驗證和仿真條件用ModelSim軟件做功能仿真吋，輸入數(shù)據(jù)是5組用MATLAB軟件量化后的方位向采樣點數(shù)為1024，經(jīng)預(yù)處理后16位有符號定點單個距離單元數(shù)據(jù)。2.驗證和實測結(jié)果用FPGA和MATLAB分別對5組單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒中心估計，將兩者所得結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表I。表IFPGA與MATLAB對單個距離單元數(shù)據(jù)的多普勒中估計結(jié)果對比表
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的多普勒中心估計方法，包括如下步驟 (I)將反余弦表存入FPGA的ROM中，以備后續(xù)的查表使用； (2 )對單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行錯位操作，得到錯位向量；對單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)和錯位向量的對應(yīng)元素進(jìn)行共軛相乘操作，得到一組相乘結(jié)果。
(3)對這組相乘結(jié)果的元素進(jìn)行累加求均值操作，得到單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)的自相關(guān)值R ; (4)根據(jù)自相關(guān)值R的實部和虛部，求得自相關(guān)值R相角的余弦值；再將自相關(guān)值R虛部的符號位用寄存器flag暫存下來，供后續(xù)操作使用； (5)對自相關(guān)值R相角的余弦值進(jìn)行反余弦查表，得到自相關(guān)值R的相角； (6)根據(jù)寄存器flag的值，對自相關(guān)值R的相角進(jìn)行修正，若flag的值為1，則對自相關(guān)值R的相角加上-n，若flag的值為0，則對自相關(guān)值R的相角不做改變； (7)根據(jù)回波數(shù)據(jù)的脈沖重復(fù)頻率PRF和圓周率通過MATLAB軟件生成量化參數(shù)，將經(jīng)步驟(6)后得到的自相關(guān)值R的相角值與該量化參數(shù)相乘，得到多普勒中心估計結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多普勒中心估計方法，其中所述步驟(I)的反余弦表，是根據(jù)-I到I上的反余弦值，通過MATLAB軟件量化生成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多普勒中心估計方法，其中所述步驟(2)的錯位共軛相乘，是通過將單個距離単元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)打入一階寄存器生成錯位向量，再調(diào)用FPGA內(nèi)部的乘法器將單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)與錯位向量進(jìn)行共軛相乗。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多普勒中心估計方法，其中所述步驟(3)的累加操作，是通過調(diào)用FPGA的累加器IP核實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多普勒中心估計方法，其中所述步驟(3)的求均值中用到的除法運算，是將其轉(zhuǎn)換為乘法運算，再調(diào)用FPGA內(nèi)部的乘法器實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多普勒中心估計方法，其中所述步驟(5)的反余弦查表，是通過將自相關(guān)值R相角的余弦值作為查找地址，讀取存儲反余弦表的ROM實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPGA的多普勒中心估計實現(xiàn)方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)估計多普勒中心占用資源多、處理速度慢的問題。其實現(xiàn)方法是將單個距離單元方位連續(xù)數(shù)據(jù)通過一階寄存器生成錯位向量；通過調(diào)用FPGA內(nèi)部的乘法器對單個距離單元方位連續(xù)數(shù)據(jù)和錯位向量進(jìn)行共軛相乘，對相乘結(jié)果進(jìn)行累加求均值操作，得到單個距離單元方位連續(xù)數(shù)據(jù)的自相關(guān)值R；根據(jù)自相關(guān)值R計算R相角的余弦值；將自相關(guān)值R相角的余弦值作為查找地址，進(jìn)行反余弦查表，得到自相關(guān)值R的相角；對自相關(guān)值R的相角進(jìn)行修正，得到單個距離單元方位向連續(xù)數(shù)據(jù)的多普勒中心估計結(jié)果。本發(fā)明減少了系統(tǒng)功耗，提高了處理速度，可用于星載合成孔徑雷達(dá)SAR實時成像中。
文檔編號G01S7/41GK102654574SQ20121015854
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者梁毅, 王虹現(xiàn), 邢孟道, 陳凱 申請人:西安電子科技大學(xué)