關于船用導航雷達信號處理系統設計與實現

91550部隊 黑龍江 齊齊哈爾 116000

作為各種船舶安全導航基本工具的marine radar定向的將調制電磁波從天線發射出去，對海平面空間進行目標探測，通過分析回波得到目標信息。有效的應用marine radar讓人們對船舶四周環境的感知能力大大提升，為了更好的提升使用性能，有必要就導航雷達信號處理系統設計作進一步研究。

1 船舶導航雷達的整體設計

1.1 系統上單元結構設計 雷達上單元由多個部分組成，主要包括了雷達微波傳輸、雷達發射系統、天線系統和收發開關等。以為XN-12 A雷導航雷達為例，由于天線單元采用的天線長度有標準要求，所以必須選擇長度為1.2m的隙縫波導天線，水平波束可達1.9°寬，垂直波束可達22°寬。X波段的雷達工作頻率范圍為9410±30MHz，轉速有兩檔可調，24轉/min或48轉/min，最小量程和距離的分辨力都高達25m[1]。雷達上單元諸多運行參數都會受到下單元ARM處理器的控制，主要是脈沖寬度、天線轉速以及調諧。

1.2 系統下單元結構設計 按照不同的功能可將下單元分為兩個模塊，一是嵌入式信號處理系統及線控模塊，二是數據采集及數字信號處理模塊。前者的處理核心是ARM系列Cortex-M3內核的STM32F1032ZE處理器，主要負責準確顯示雷達探測結果。后者處的處理核心是Cyclone/F系列大容量FPGAEP4CE-115F23I7N和TMS320C-6455型DSP，主要負責目標信號的檢測以及采樣雷達回波范圍中的視頻信號。

2 船舶導航雷達相關算法的設計

marine radar信號處理涉及到的算法有很多，主要是中值濾波算法和脈沖累積算法，前者具有大幅降低背景噪聲的特性和優勢，后者可以用最簡化的方式提升信號信噪比。下面就以脈沖累積算法為例，探究marine radar信息處理系統的算法。

2.1 算法原理 當雷達天線進入轉動狀態后，即意味著開始掃描并收集目標信息，每一次的測量結果都是建立在多次雷達波發射基礎上的，通過將諸多來回波信號進行疊加處理的方式類提升回波信號的信噪比，不斷強化導航雷達監測能力。回撥累積個數與天線轉動速率、PRF屬于正相關關系，具體公式如下：

式中，θα是雷達波的水平寬度角，ΤSG是天線在某一個角度的掃描時間，f r是雷達PRF。

將雷達回波信號進行多次疊加的環節就稱為雷達脈沖累積，主要分為關聯性累積和非關聯性累積。前者指的是以雷達中頻信號為主體，在包絡前完成雷達波累積，能將雷達回波信號中的相位關系完整的保留下來；后者指的是包絡檢波后的信號累積，相對而言就無法完整的保持相位關系[2]。究其原因主要是因為包絡檢波中的檢波器屬于非線性，會對檢波信號能量產生影響發出不同程度的噪聲，進而降低累積效果。

完成于檢波前的相關累積歸屬于接收機內部運作。針對檢波后的導航雷達信號非關聯性累積，可合理的選用高速模擬數字轉換器采樣雷達信息，值得注意的是要保證采樣周期同步于雷達PRF，保證得到的數在規律上符合回波采樣序列。因為工作計劃中進行目標信號采樣的周期幅度值和具體位置均較為固定，雜波和噪聲在固定方向上的變化不大，所以對某個方向上的回波處理可以采取疊加求取平均值的方式，完成脈沖累積。

2.2 算法實現 首先，在脈沖累積中收集并整理雷達回波掃描線條數，從FPGA中分配多個雙口RAM用作所有相鄰雷達回波數據的存儲，檢測單個RAM存儲容量大小的最好方式就是通過對雷達回波過程中的掃描數據進行深入分析；其次，每一次針對單條雷達掃描數據開展映射處理時，都要根據地址映射關系完成數據存儲，指的注意的是要一定要選擇更新間隔日期最遠的一個雙口RAM；最后，每完成一組雷達回波數據的整理和存儲后，通過控制RAM地址分別讀出多個有相同RAM存儲地址的單元數據，最大限度的確保各個雷達信號之間的關聯性。

累加讀取出來的雷達回波數據后求取平均值：在FPGA里面除數非2的n次冪算法具有很高難度且相當復雜，必須將其轉換為乘法才能順利處理。除以某個數換算為乘法就是乘以這個數值的倒數，一個數值A除以B就等于A/B，前提為B是一個不為零的自然數，當B的數值大于1時，A/B即為小數。FPGA中的小數乘法需要換算為整數才能完成計算。

3 結語

總而言之，marine radar系統信息處理的數字化發展趨勢隨著大規模集成電路高速發展變得愈加清晰，相比以往的模擬雷達模式，數字信號處理系統的各方面性能都更具優勢。以數字邏輯器件額高速模數轉化器為核心的雷達回波信號處理能用更簡化的方式完成采樣，基于先進數字信號處理和算法有效的排出或抑制雜波，從而精準的提取有用的目標信息。