基于脉冲压缩技术的船用导航雷达数字信号处理设计

摘要

随着航运业的发展，船用导航雷达作为船舶避障、通航、导向的重要设备，其在基本原理和工程应用方面的研究受到越来越多的重视。船用导航雷达正从传统的磁控管模式雷达逐渐向新式的固态脉冲压缩和连续波雷达过渡，以实现延长寿命、提高距离分辨力、降低对人体的伤害等目的。但固态雷达从射频前端设计到中频信号处理的技术相对来说更加复杂，一次性投入成本更高，这直接影响了固态雷达在民用船用导航领域的应用。
　　本文在脉冲压缩技术基础之上，对船用导航雷达的数字信号处理模块提出了新的设计思路，即采用单块 FPGA芯片实现三种类型的线性调频脉冲信号的压缩以满足不同的量程和不同的距离分辨力需求，力求获得低的设计成本、较好的通用性以及完备的功能，推动固态体制雷达技术在船用导航雷达领域的应用。
　　该方案完成脉冲压缩的三种线性调频信号时带积均为30，时宽分别为1μs、3?s和6μs，在120MHz的采样率下经数字下变频抽取到60点的两路基带信号。采用一级CIC滤波器、一级半带滤波器和一级FIR抽取波器的方案，抽取倍数较小时跳过中间级。在匹配滤波器的设计中滤波系数经过汉明窗加权抑制旁瓣，并针对大距离门数的特点采用优化的时域结构。脉压预处理后再经过脉冲累计算法模块增大信噪比，同时，恒虚警算法模块提高目标检测的准确性。各模块采用流水的方式由专门的控制模块统一调度。
　　本文还设计了中频信号处理板卡，包括 FPGA的最小系统及其外围芯片的电路。其中，高速 AD芯片可满足200MHz带宽以内的信号采集，网口芯片可实现100Mbps的数据流传输，DDS芯片可满足400MHz以内的各类信号的调制。该板卡适合中等规模且对实时性要求比较高的信号处理系统进行二次开发。
　　本设计的测试结果：三种信号的脉压旁瓣抑制比均达到30dB，满足多量程需求，数据处理速度不低于720Mbps，距离分辨力可达到7.5米，上位机界面观测到的图像清晰、抗干扰能力强、实时性好，能满足实用需求。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 船用导航雷达的技术现状与发展趋势

1.3 本文的主要工作

1.4 本文的结构安排

第二章 脉冲压缩基础理论

2.1 脉冲压缩技术原理

2.2线性调频脉冲压缩和距离旁瓣抑制

2.3线性调频脉冲压缩系统的基本模块理论

2.4 本章小结

第三章 固态脉压船用导航雷达信号处理算法设计及实现

3.1船用导航雷达中频信号处理方案总体概述

3.2数字下变频模块设计

3.3 脉冲压缩模块的实现方案

3.4脉冲累计模块设计

3.5恒虚警模块设计

3.6本章小结

第四章 船用导航雷达中频信号处理硬件设计

4.1 FPGA最小系统设计

4.2高速AD电路设计

4.3网络接口电路设计

4.4 DDS接口电路设计

4.5板卡总体原理图和PCB

4.6本章小结

第五章 测试结果及分析

5.1测试方法与系统搭建

5.2信号处理板卡接口验证

5.3脉冲压缩模块验证

5.4 脉冲累计模块测试

5.5 恒虚警模块测试

5.6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果