基于DSP的地面动目标检测系统的设计与实现

基于DSP的地面动目标检测系统的设计与实现
韩宁;何强;尚朝轩;刘伟
【摘要】强地杂波环境下,某型地面动目标检测系统的虚警概率上升、检测概率下降,为解决此问题,分析了强地杂波下系统检测概率下降的原因,设计了高性能的地面动目标检测算法,最后结合算法对系统硬件进行相应改进,给出了系统的硬件组成及
软件设计；详细论述了硬件设计中的信号预处理模块、模数转换模块及DSP信号
处理模块的设计和实现；阐述了软件的功能及其实现方法,给出了信号处理流程,详
细分析了信号处理算法；实际使用证明,该系统运行稳定、可靠,软件算法运行速度快、强地杂波下系统的检测概率提高70％,虚警概率下降10％,目标检测性能较原
系统有较大提高.%Under strong ground clutter environment, the false alarm rate of some ground moving target detection system increases and the detection rate decreases. To solve the problem, the paper analyses the reason why the detection performance decreases. Then the detec-tion algorithm with better detection performance is designed. The hardware system of the system is improved according to the algorithm, and the hardware construction and software design is put forward. The signal beforehand process module, analog-to-digital conversion module and the DSP signal processing module is discussed in detail. The function of software and its realization method are proposed. The signal pro-cessing flow is put forward and the signal processing algorithm is analyzed in detail. The practical use validates the system can run steadily and the algorithm run fast enough to meet the real - time need of the system. The false alarm rate decreases by 10% and the detection rate in-creases by 70%
under strong ground clutter, the detection performance of the system is improved at large extent.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2011(019)008
【总页数】4页(P1821-1823,1826)
【关键词】地而动目标;DSP;强地杂波;信号处理
【作者】韩宁;何强;尚朝轩;刘伟
【作者单位】石家庄军械工程学院雷达工程教研室,河北石家庄050003;石家庄军械工程学院雷达工程教研室,河北石家庄050003;石家庄军械工程学院雷达工程教研室,河北石家庄050003;中国人界民解放军驻617厂军代室,内蒙古包头014032【正文语种】中文
【中图分类】TN99
0 引言
某型地面动目标检测系统采用伪随机码 0调相、正弦调π频连续波体制，它以低功率发射扩展频谱信号，不易被截获，具有较好的电磁隐蔽性能；系统采用相关接收，将接收到的微弱回波信号进行频谱压缩，从而将窄带干扰或瞄准式干扰在频域中给予分散，通过多普勒滤波器提高信干比，可获得较好的抗干扰性能［1］。

该系统将探测结果显示在B型显示器上，同时还可测量感兴趣目标的位置（距离和方位）和径向运动速度，并以字符形式显示在字符区，还可以用耳机监听目标的多普勒信号，判断目标性质。

但在实际使用中发现，该系统在外界环境比较干净，杂波相对较弱的场合具有较好的探测性能，但当地杂比较强、起伏变大时，系统的虚警率上升，检测性能急剧下降，无法完成动目标的检测任务［1］。

本文在仔细研究原探测系统工作原理的基础上，分析强地杂波下系统探测性能下降的原因，设计了高性能的地面动目标检测算法，最后结合算法对系统硬件进行了相应的改进。

1 系统工作原理
式中，Ad表示受杂波、噪声等影响的回波信号幅度；J1（·）是具有距离灵敏度控制特性的一阶贝塞尔函数；ωm是正弦调制信号的频率；ωd是目标回波的多普勒频率；φ0表示发射信号的初相；τ代表回波延时；R是目标距离；C是真空中的光速。

分析上式可以看出，同步检波输出信号的频率即为目标的多普勒频率［2］，只需对同步检波后的信号进行动目标检测（MTD）处理，并结合相应的相关通道延迟信息，即可完成目标距离和速度测量。

基于数字处理器（DSP）的地面动目标检测系统是对原探测系统进行改进以提高其检测性能，为此，首先分析原探测系统的工作原理。

某型地面动目标探测系统原理框图如图1所示。

系统发射伪随机码调相正弦调频高频连续波信号，接收信号经混频后通过多路模拟相关完成脉冲压缩。

正弦放大滤波器滤除无用的高阶调制信号，经同步检波后得到具有距离灵敏度控制特性的低频回波信号（频率在0Hz～3kHz之间），同步检波的输出信号可用式（1）表示：
图1 原探测系统原理框
系统通过伪随机码的自相关特性进行测距，伪随机码自相关函数的高主旁瓣比可保证系统的高精度测距，但后续的MTD检测算法设计的比较简单，当地面杂波比较
强、回波比较弱时系统的虚警率急剧上升，检测概率下降，因此，必须设计检测性能更优的目标检测算法，并对系统硬件进行相应改进，以提高系统的检测性能。

本文设计了以DSP为中心处理器的地面动目标探测系统（简称“新系统”），其原理框图如图2所示。

图2 基于DSP的动目标检测系统原理框图
新系统主要包括信号预处理模块、模数转换模块、DSP核心处理器模块以及与上位机进行人机交互的通信接口模块。

新系统主要对同步检波后的低频信号进行处理，利用性能更优的检测算法，提高系统的检测概率，改善系统的检测性能。

2 系统硬件设计
2.1 信号预处理模块
信号预处理模块首先对信号进行有源低通滤波，滤除高频部分噪声；为了在后续的数字采样时能抑制共模增益，进一步降低噪声对信号的影响，在低通滤波的输出端将信号转换成差分输出的形式。

为了不影响回波信号中具有距离灵敏度控制特性的低频多普勒信号，本系统选择了具有通带内最平幅频特性的二阶有源巴特沃思低通滤波器。

系统AD芯片的参考电压是2.4V，要求的差分输入峰～峰值不超过2.2V，雷达的回波幅度在－1V～＋1V之间，所以为了保证采样的精度，选择滤波器设计中的参数A0＝－2即让滤波电路的通带增益是－2。

为了抑制高频噪声同时保证回波信号无损失的通过选择截止频率fc＝4kHz。

模拟信号的单端转差分由AD公司的AD8132来完成。

AD8132是一种可由外接电阻调整增益的低功耗、差动或单端输入的差模放大器。

它所具有的内部反馈功能可以提供输出增益，还可以保持10MHz－68dB的相位平衡，抑制谐波。

AD8132无需带有高性能的A／D转换器的发送器，不会损失低频信息和直流信
息，其差模输出的共模电平可以通过Vocm管脚的输入电压来调整，这样在驱动单电源的A／D转换器时，可以快捷地平移输入电平。

AD8132快速的过载恢复能力则可保证它的采样准确性。

实际应用中，信号从AD8132的同相端输入，为了保证电路的平衡以提高电路工作时的可靠性，在AD8132的反相输入端设计了与同相端完全相同的电路结构，最终设计的信号预处理电路如图3所示。

图3 信号预处理电路原理图
2.2 模数转化模块
模数转换模块完成目标多普勒回波信号的数字采集，采集的数字信号通过并行外设接口（PPI）与DSP进行数据传输。

该系统需要较高的采样率以更加完整地保留目标回波信息，且要求采样误差较小，噪声低，采样信号抖动小，功耗低。

为了保证信号能实时处理，选用的模数转换芯片需有并行的输出接口，且有输出控制信号与DSP的PPI端口进行匹配。

AD6644是AD公司生产的一个高速、高性能、单片的14位模数转换器，数字输出是2进制的补码，模拟信号和采集信号的差分输入形式可以很好地抑制共模增益，降低系统噪声，内部的三级转换结构可以很好地保证采样精度，因此，本文选取AD6644作为系统的模数转换芯片。

2.3 DSP信号处理模块
该模块是探测系统的核心所在，该模块主要包括电源子模块、JTAG接口子模块、SDRAM海量存储子模块等。

DSP信号处理模块的系统框图如图4所示。

图4 DSP信号处理模块系统框图
USB接口负责DSP信号处理模块与上位机之间的数据通讯，接收上位机发送的指令和各种标志信息。

JTAG口是DSP提供的最基本、最可靠的调试接口，与电脑主机的在线仿真器（EZ－ICE）相连接，用于主板电路基本时序的调试和Flash存储器的擦写。

PF中断接收探测系统的同步信号，用于触发信号处理子程序。

2.4 通信接口模块
该模块主要完成下位机与上位机的通信功能。

在下位机处理完一帧数据后，根据上位机发送的缓冲空闲标志位判定是否发送时频图数据。

该模块的系统框图如图5
所示。

图5 通信接口模块原理框图
如上图所示，为了在开发软件时便于实现，系统使用了虚拟串口转化技术，将下位机DSP的USB接口虚拟成一个普通的RS232串口进行操作。

3 系统软件设计
系统软件使用Visual Dsp＋＋集成开发环境开发，此开发环境支持软件调试及JTAG硬件仿真调试，支持汇编、C、C＋＋源程序，具有编译效率高及系统库功
能强等优点。

系统使用汇编语言和C语混合编程的方法，对运算量大的信号处理
算法子程序使用汇编语言进行编写，而对系统的主程序框架则使用C语言编写。

3.1 软件整体设计
系统采用模块化的程序设计方法，首先进行各个寄存器及控制模块的初始化，其次打开系统的帧中断，等待信号处理所需的脉冲压缩回波数，最后对信号从时频域进行处理完成动目标的检测，并向上位机发送时频图数据。

程序主流程图如图6所示。

图6 系统程序主流程图
3.2 信号处理算法
当地杂波起伏大时，目标回波在时频域依然有较好的聚集性，可以从时频域对目标进行检测。

短时傅里叶变换（STFT）估计非平稳信号的功率谱方便易实现，因此，系统首先采用STFT估计回波信号的时频图，然后设计相应的二维恒虚警处理（CFAR）算法依据时频图检测动目标，下文首先详细分析地杂波对数功率谱分布，
而后设计相应的恒虚警检测方法。

3.2.1 地杂波的对数功率谱分布
地杂波的复包络采样序列可用式（2）表示为：
其中An和φn分别表示振幅和相位。

假设杂波采样是独立同分布的，杂波的振幅和相位相互独立，杂波相位在（0，2π］上均匀分布。

杂波复包络采样的DFT为：
令ψn＝φn－2πnk／N ，则：
由于Ψn也在（0，2π］上均匀分布，并且Ψn与An也相互独立，各Anejψn也独立同分布，利用中心极限定理可以证明Xc（K）是渐近复高斯分布的，模是渐
近瑞利分布的。

当N有限时，若输入杂波是高斯分布的，即其包络是瑞利分布时，根据高斯过程的线性变换仍是高斯过程这个已知结论，可知服从瑞利分布。

理想对数接收机的输入输出信号关系如式（5）所示：
当输入杂波的振幅服从瑞利分布时，理想对数接收机的输出信号y服从的分布如
式（6）所示：
式（5）中的x即对应于式（4）中的。

3.2.2 恒虚警门限的确定
若μy为式（6）中输出杂波的均值，令u＝y－μy化简式（6）得式（7）：
由式（7）可以看出，变量u的分布与输入杂波的强度σ2无关，减法归一化的结果实现了恒虚警概率处理。

若将归一化的结果加到门限为u0的检测器上，则虚警
概率为u≥u0的概率，即
当确定系统的虚警概率后，即可按式（8）计算出CFAR的门限u0。

3.2.3 杂波平均值的估计和更新
CFAR可以分为噪声环境中的恒虚警率处理（NCFAR）和杂波环境下的恒虚警率
处理（CA－CFAR）。

NCFAR是使用输出休止期内的噪声估计对某个距离单元实现恒虚警，而CACFAR是用与此距离单元相邻的N个距离单元的输出来估计杂波平均值［3］。

CA－CFAR一般用于对空警戒系统，本文研究的系统是对地面运动目标进行探测，且探测范围只有2km，距离单元个数少，相邻距离单元之间的杂波特性复杂。

因此，不能用CACFAR所使用的方法来估计杂波平均值［4］。

NCFAR认为噪声在某个距离单元内成平稳分布，用休止期内的输出去估计噪声平均值［3］。

经上文分析知，该探测系统某距离单元输出的杂波可认为是稳定的，其对数功率谱中在频域中的分布可用式（9）来表示。

因此，可使用NCFAR估计噪声平均值的方法去估计杂波功率谱的平均值，估计方法如式（9）所示。

其中，ynm 表示第n（n＜η）（η由工程实践确定［5－7］，本文定为15）次探测时估计的第m个滤波通道的杂波平均值，xB（n）表示当前探测中此通道的对
数功率谱，yB（n－1）表示前一次探测中此通道的输出，在某一次检测中，若系
统判定为有目标，则停止此次的杂波更新直至系统判定无目标时继续更新杂波。

4 实验及结论
为了对比本系统与原系统之间探测性能的差别，在相同的探测环境下对改进后的系统和原系统进行虚警概率和检测概率的测试，分别对地面运动的单车和单人进行探测。

实验结果显示，本系统对地面运动的单车检测概率达到了80%，而对单人的
检测概率也达到了70%，高于原系统70%与60%的检测概率。

系统以AD公司的Blackfin系列的数字处理器BF533位核心的地面动目标检测系统，由于该芯片运行速度快，易于实现海量数据的实时处理，且该芯片丰富的接口简化了各模块之间的通信接口设计，较易用于工程实践。

实际使用情况表明，该系统能以极低功耗稳定而可靠地完成地面动目标的检测任务，提高了强地杂波背景下系统的检测概率，降低了系统的虚警概率，极大地改善了强地杂波下系统对地面动目标的检测性能。

【相关文献】
［1］胡文华.某型地面动目标探测系统工作原理［M］.内部教材，2008.
［2］范梅梅.单兵侦察雷达数字化接收和目标自动探测研究［D］.军械工程学院，2008.
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