数字信号处理器在雷达高度计中的应用

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数字信号处理器在雷达高度计中的应用⑦一1)0电子技术参考1992年第4期数字信号处理器在雷达高度计中的应用王丽军-yq鹞,L-【摘要】对于普通脉冲体饼雷选高度计.当应用于高速飞行体时.利用DSP(DigillISj8aaIProcessor)作为信号检嗣部件进行数字式测高,测速的方法,与传统的模拟式信号处理方法相比.具有检测精度高.白检方便.并能挺i啵机的稳定性,灵{舌性,可靠性以及可I寞小整机的重量和体积等忧点.因此研究DSP在雷达高度计中的应用具有十分重要的意义.关键词信号检测.1前言毒j数宇信号处理———————髓着信号处理新理论,新器件的不断出现.雷达信号的检测也逐渐地由传统的模拟信号处理方式进入数字信号处理领域.使得进一步提高检测精度成为可能.同时可方便地进行雷达自检.实现整机状态控制.并且可以提高整机的稳定性,灵活性及可靠性.碱小其重量和体积.由于单片数字信号处理器具有高速控制和数值运算的强大功能.尤其是在指令系统,运算速度,内在灵活性等方面更是雷达信号实时处理所要求的.因此.对普通脉冲体制雷达.进行时域信号处理时.采用数字信号处理器.以获得高度,速度数据.并对其进行必要的平滑,滤波.已经势在必行.本文以TM$320C25芯片为例.给出了一个测高,测速的方案. 2TMS320C25功能简介¨】TMS320C25是一种16/32位单片数字信号处理器件.它具有高速控制和数本文于1992年3月31日收到.数字信号处理器在雷达高度计中的应用值运算的强大功能.尤其是在指令系统,运算速度内在的灵活性等方而更是雷达信号实州处理所要求的.利用一片TMS320C23和其它一些接口电路..可以完成刘雷达高度表的整机状态控制自榆浸9试及距离,速度信息的挺取,滤波平捎等工作.目前国内外对DSP的开发利用已经越来越广泛深入在?多领域中搿到了应用.例:在控制,自动化,军事,语音处理,信号处理等方面都得到J应用..TMs320C2j的主要性能特点为:1.强有力的指令系统共有l33条指令而绝大多数为单周期指夸;2.高速.TMS320C25的指令周期为l00|IS;3.128K数据程序存器空间.其中片内编程存贮器544字:.片内定时计数器:5.32位累加器及ALU;6.多级中断系统(内,外).所有这些功能为实现高度表的整机控制,实时信号处理提供r方便.3基本工作原理3.1测高,测速原理简介雷达测高原理可由下式..表示:H=一.f1)Z.式中:H为高度:t为回波延迟时间;c为电波速度.无论是模拟式测高还是数字式测高.其目的都是为了得到一个准确的吲波延迟时间t从两获秸高度值.之所以数字式测高优于模拟式,原因在于应用信号处理器可方便地对得到的高度数槲进行二次处理.如;平滑,滤波.外推等.从而保证了最后输出的高度数据的精度. 同理.普通脉冲体制雷达的模拟式和数字式测速也都是对所测搿的高发进行微分,即:dH!文献一给出了由高度微分获得速度数据的均方根误差为:o:f3)o一～f)l式中:,为高度方差;t为速度测量间隔.由(3)式可见.O正比千o反比于t.由于t不能选得过太,因而影响测{电子技术参考19q!年第4剃速精度的直接:又l紊便是测高精度.赢度数据精度越离,得到的速度数曲的精度也越商.雷达商度开机后,有一个对目标进行搜索捕获转跟踪的过程.首先以较快速度进行全程或局部搜索,当捕获目标后.转为跟踪状态.不断地给出高度,速度数据.3.2搜索参数利用数字式距离斟{踪技术:.可以产生紧靠的三个rjt门..¨.门).每个¨宽为0.2uS(如酎1).发射脉冲¨0.2us图I搜索示意图假定{T=1/F,.=5t))js.到波移动速度为8)Js/s.回波宽度为0.5us,如果蛰求每个¨口j.以积累个脉冲.则最小的搜索周期可以计算如下:5f】个脉冲(即l}个周期).共需时侧为:5IJT2枷0.2us 立¨果认为回波前沿进入I/2『J宽时.静1累开始.而回波后沿到达I/2rj宽时秘累结束.刚¨与回波相对运动的时宽为0.s0S.所以相对移动的速度为:0.5)iS/2500uS=200)is/s.由于倒波移动的速度为8¨s/s.所以rj的最大搜索速度为:图2门与回波相对运动示意图200S/s一8)Js/s=192)is/s(假定门是由低端(2)Js,向高端<3t~ljS)搜索的]因为搜索范围为:3{{一2=2'us)数字信号处理器在雷达高度计中的应用所以门的搜索周期为:28s÷l92sis≈0.15s3.3搜索跟踪转换一一检测准则由高速AiD将回波+噪声信号转换成数字量.A/D采样门即为门..门,门.将采得的值分日存入三个数据存:区中.每个存贮区含20个单元.如图3.磊'-_.__.__-__---__.k--__-_-.__._-?--?—L-'___--____-__?___-.图3测高数据存贮区示意图团下面以门.为例,说明运算过程:由A/D来的门.中的回波(或噪声)数字量存入门.数据锁存单元,然后依次将20个重复周期中的数据存入l～20号内存中,当新数据装入l时,20#中数据"溢出",然后作累加运算,以完成2O个脉冲的积累工作,累加结果送入和值单元.门,门,工作情况相同.考虑前抬跟踪的情况,t=0,3liS,则正确跟踪时.门.,门.门,与回波的关系如图4.这时门.中只有噪声.门中有前沿的一部份信号,门,中有信号的主要部份. 信号截获准则可以由和值1,2,3的相互关系来决定.可表示为:,Z?SZzif-A,Z2Z3if-B(4)r●●●●,●●●●l团56电子技术参考l992年第4期z,z,z分别表示门.门.门的20个脉冲累加值,A,B为满足一定检测概率和虚警概率的常势.如何提取跟踪误差信号?对噪声取样并积累.形成恒虚警处理.以该积累值作为噪声电平的标准值".当∑,与∑都接近"标准值".而∑开始减小.意味着门偏向近距离.应该调至远处.图5中(a).当∑.,∑:,∑均超出噪声电平"标准值".则门应调至近处.图5中(b).厂L厂-_r—]0?2us0.2gs0.2gs图4门与回波关系示意图'_1_羽..图5误差提取示意图综上所述,搜索跟踪转换条件及误差提取可表达为设噪声电平"标准值"为:∑f∑,≈∑J∑.s∑+AIl∑∑+B∑.≈∑2≈∑Hf ∑2∑+A∑.∑N+A,(∑≈)∑2>∑.+B∑_≈∑2≈∑3≈∑H))))5678((;数字信号处理器在雷达高度计中的应用其中:A,B为常数.由检测概率等因素选定;""意味着基本相当.允许有一定误差范围.说明:【5)式为正确跟踪前沿时应满足的方程组(即搜索转入跟踪);(6)式为门在信号之前的状态的方程组;(7)式为门在信号之后的状态的方程组:当满足(8)式时,系统重新转入搜索状态.当然上述各种判定.都是由TMs320C25运算结果来决定的.3.4运算速度考虑3.{.1以门.为例.估计运算量如下:A/D以8位转换成数字量.将数据取出并存入锁存单元(三条指令).移入2[1个内存单元(20条指令).求和(三条指令).求和用三条指令说明如下:町先进行求和运算.然后进行移入相应争元的操作.如在第N个重复周期后和值为∑..第N1个周期得到的数摊(已锁存到锁存单元中).为D+..则第N+1周期后的和值为:∑l+,:∑1N+DHI—Dl2o(9)其中D..为第2【J个单元中的数据.然后将l,q#单元移入2I]#.18移入1-#.一…--.1移入2?.新的数据D+移入1单元. 与∑比较(二条指令).门.共2H条指令.三个fJ约l00条指令.3.4.2中断服务运算量转入跟踪状态后,根据误差情况要调整闸门计算器的值(三条指令).将每一周鼽中的高度数据读出.并装入锁存器中.再依次装入舯个内存单元.1(个单元装满以后.求平均值.袈入相应单元(50条指令).见图6.这意味着【Ils×iI1=2ITtS)每隔2ms绐出一个高度数据.将此高睦数据依次装入内存单元(二条指令).没由搜索转换成跟踪后,直到落地时间为4s.则共计有:4s/2ms:20000(个)高度数揩.所以需要2内存.装完第255单元耐.开始计算第.一个速度数姑.P.i~t7.计算的办是:h-+h:1一h一h一h)/5一thl+h:j+h十h:s4+h2")/5]×2=【hl+h+hq-h÷h5)一th2,l+hlj十hjj十h54h2")×0.4=V1(133./s)){}(.)l2383910高度数据锁存平均值电子技术参考l992年第4期图6高度数据存贮区示意图图7速度数据的获得这就是说.跟踪信号后经255×2mS=510mS-.j.以给出第一个速度数据(V,).共计i5条指令.当装完255+5=260单元后,开始计算第二个速度数据,办法是: [(h+h+h日+h9+h0)一(h5+h25T+h5d+h2.+h260)]×0.4=V2(m/s)(il)这就是说.以后每隔2ms×5=10rns.可以给出一个新的速度数据.综上所述.最长的中断程序为:3+50+2+15≈70条指令3.4.3其它运算包括初始化,转移判断,中断服务的准备,最后输出H,V数据等(约i00条指令).这样全部运算约270条指令,以平均1.5个指令周期.则对于TMS320C25需加¨S.可见取发射重复周期T=50¨S是完全可行的.数字信号处理器在雷达高度中的应再j3.5主要数据流程图00.005S0.075sL完成4框图搜索转踪埽8主要数据流程图i…iV,VV;5结论图9原理方框图 利用TMS320C2DSP芯片.外接A/D.内存等接口片子.以组成爵邋脉冲雷达的信号处理部件.实现高度,速度的提取.实现整机状态的控制.以及机器的自检.由于TMS320C2~~tj高速性能.可以满足/F:50p.s情况Tff,J信号实时处理.由于TM$320C2具有32/ltl位ALU.当采用8位A/D数时.所进行60电子技术参考l992年第4期的运算部不存在溢出问题.从而保证了处理精度.参考文献TexasI.Second—GelleratiOnTMS320User'SGuideCopYright1:J87.TexasInstrumentsIncorPorated?SkolnikMI.IntroductiontoRadarSYstems?McGraw—HiIlBookCornpany,lq62?巴顿?雷达系统分析?国防工业出版社.1~}85?戴树荪.数字技术在雷达中的应用,国防工业出版t1:.Londonll8I.