基于SOPC的船用雷达处理单元研究与设计

摘要

船用导航雷达在船舶进出港、航行、避险中发挥着重要的作用。随着技术的进步，人们对船用导航雷达显示屏分辨率的要求越来越高。由于存在高速的数据传输和复杂的数据处理，内置显示控制器的单块处理器芯片难以满足高分辨率显示器显示的雷达系统要求。采用外加数据处理单元和显示控制单元的方法，又会大大增加系统的复杂度，给系统布局布线等工作带来很大困难，并且芯片间的高速数据传输，很容易导致瓶颈问题的出现。
　　本文基于片上可编程系统（SOPC）技术，提出在单块芯片上实现船用导航雷达处理单元的方法，实现雷达数据的快速处理、传输和对雷达图像的高分辨率显示器显示。主要内容包括：
　　1．研究船用导航雷达数据的采集和处理，各算法间采用了流水处理架构，并使用硬件可编程逻辑实现，能够实时、快速地对雷达回波数据进行处理，提出一种恒虚警率目标检测方法，与传统的均值类恒虚警率检测器相比，在非均匀杂波背景下或是存在目标干扰的情况下，具有更好的目标检测性能。
　　2．研究基于AXI4协议的设备互联，基于AXI4协议构建了SOPC系统，实现了用户模块的设计、插入以及系统各个模块与处理器总线的互联。
　　3．研究船舶导航雷达系统显示控制硬件架构，提出了一种可行的显示控制架构，使得系统支持1024*768以上分辨率的图像显示，提出雷达图像和GUI界面的硬件图层叠加，使得雷达图像的绘制变得流畅。
　　4．研究FPGA可编程逻辑和微处理器间的高速数据传输问题，通过在SOPC系统中使用DMA，实现FPGA和微处理器间的高速数据传输。
　　通过上述研究，在单块芯片上实现了高速雷达数据的采集、处理、Linux系统和雷达GUI的移植以及高分辨率显示器显示的支持，达到了用单块芯片实现船用导航雷达处理单元的目的。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 发展及现状

1.3 主要研究内容

1.4 本文组织结构

第二章 SOPC系统理论

2.1 基于SOPC的嵌入式系统

2.2 AXI4互联总线

2.3 高速数据采集

2.4 显示控制架构

2.5 U-Boot及Linux系统移植

2.6 本章小结

第三章 雷达处理单元SOPC系统设计

3.1 方案分析

3.2 系统总体设计

3.3 系统启动

3.4 雷达数据处理单元

3.5 显示控制器

3.6 互联

3.7 本章小结

第四章 雷达数据处理算法设计与实现

4.1 相位提取

4.2 内插或抽取

4.3 脉冲累积

4.4 中值滤波

4.5 海杂波背景下的恒虚警率目标检测

4.6 坐标变换

4.7 本章小结

第五章 设计验证

5.1 验证环境

5.2 系统启动验证

5.3 显示控制器验证

5.4 雷达数据处理及显示效果验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本研究的主要贡献

6.2 下步的工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果