一种基于fpga与vga的雷达回波幅度起伏特性模拟方法
技术领域
1.本发明涉及信号生成领域，尤其涉及一种基于fpga与vga的雷达回波幅度起伏特性模拟方法。
背景技术：2.雷达是现代电子战中的核心设备，对现代战争的战局有着决定性的影响。随着雷达技术的发展，功能更多、性能更强大以及稳定性更好的雷达是雷达技术未来发展的方向，而在雷达研发过程中，利用雷达回波模拟器产生高精度的回波提供给雷达进行性能测试是提高雷达系统研发效率和降低研发成本的一种高效手段。
3.使用雷达回波模拟系统对雷达回波进行建模时，传统的方法很少考虑雷达目标的运动对雷达回波幅度造成的影响，因此认为其幅度大小是固定不变的。通过此方法产生的雷达回波可以满足雷达普通功能的需求，而对于一些对回波幅度敏感的雷达(比如sar雷达)或雷达目标的散射特性在回波间变化较大的场合，这种回波相比于真实的雷达回波具有较大的误差，因此是不可采用的。在实际情形中，真实雷达目标的运动状态具有不确定性，雷达目标相对于雷达的视角、距离以及速度都处于动态变化的过程中，导致雷达目标的rcs也是动态变化的，并不能由某一个确定的时刻决定，因此如果对雷达目标的动态rcs特性进行分析更符合实际情况。
4.在雷达回波模拟系统中，如果直接对雷达回波幅度乘以符合起伏特性的数值直接进行计算，会使得dac芯片端数据的输入位数具有较大的变换范围，对于一些幅度较小的回波信号很有可能就无法被识别出来。而如果在雷达中频模拟输出端添加一个可变增益放大器，虽然可以完成大动态范围的回波幅度的模拟，但是考虑到目标rcs特性服从的类型一般都是数据精度较高的模型，此方法模拟的精度有限。
技术实现要素：5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于fpga与 vga的雷达回波幅度起伏特性模拟方法，解决了雷达目标回波起伏特性实时精准模拟的技术难题。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种基于fpga与vga的雷达回波幅度起伏特性模拟方法，包括步骤：
8.步骤1)，在fpga内部使用两个lfsr即线性反馈移位寄存器分别产生非周期的第一均匀分布随机序列、第二均匀分布随机序列；
9.步骤2)，对所述第一均匀分布随机序列、第二均匀分布随机序列进行box-muller变换得到相互独立、均值为0的第一高斯分布随机序列和第二高斯分布随机序列，然后对第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列进行数学运算行得到均匀分布、指数分布、对数正态分布、瑞利分布、莱斯分布的随机序列，数学运算方式如下：
10.步骤2.1)，对第一均匀分布序列进行对数运算并乘以-1/λ，得到指数分布随机序
列，其中λ为任意实数；
11.步骤2.2)，将第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列分别加上预设的常数ucos θ、usinθ，得到均值分别为ucosθ、usinθ的第三高斯分布随机序列、第四高斯分布随机序列， u和θ为任意实数，然后对第三高斯分布随机序列、第四高斯分布随机序列分别进行平方运算后求和，并对所得求和结果求平方根，得到莱斯分布随机序列；
12.步骤2.3)，对第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列分别进行平方运算后求和，然后对求和结果进行平方根运算，得到瑞利分布随机序列；
13.步骤2.4)，对第一高斯分布随机序列进行指数计算，得到对数正态分布随机序列；
14.步骤3)，根据需求在第一高斯分布随机序列、指数分布随机序列、对数正态分布随机序列、瑞利分布随机序列、莱斯分布随机序列中选择一种序列作为运算数据序列进行分解，将该运算数据序列中的每个随机数据将分解成两个值：归一化后的数值大小在(0,1]之间的精幅度调制值δrcsi和归一化后的数值大于1的粗幅度调制值arcsi，其中i为运算数据数列中随机数据的序号；
15.步骤4)，对于运算数据序列中每一个随机数据：
16.将预设幅度为1的基准雷达回波信号在fpga内部依次和其分解后的精幅度调制值相乘得到幅度精调制的数字域回波信号，然后将回波信号通过dac进行数模转换后得到雷达回波模拟信号并连接至vga，使vga根据其分解后粗幅度调制值的值对雷达回波模拟信号进行 0～40db幅度粗调制，完成对应雷达回波的幅度调制。
17.作为本发明一种基于fpga与vga的雷达回波幅度起伏特性模拟方法进一步的优化方案，所述步骤3)的详细步骤如下：
18.步骤3.1)，设定阈值δ(rcsi)，该阈值的大小表示雷达回波模拟系统dac满量程输出时雷达回波的幅度大小；
19.步骤3.2)，当第i个回波的幅度rcsi小于δ(rcsi)时，δrcsi＝rcsi/δ(rcsi)≤1， arcsi＝0，vga粗幅度调制模块不需要对雷达回波幅度进行调制；
20.步骤3.3)，当第i个回波的幅度rcsi大于δ(rcsi)时：
21.步骤3.3.1)，将[rcsi/δ(rcsi)]并作取余运算得到精幅度调制系数δrcsi(δrcsi＜1)；
[0022]
步骤3.3.2)，将[rcsi/δ(rcsi)]/[δrcsi×
δ(rcsi)]得到粗幅度调制系数arcsi(1《arcs
i 《100)。
[0023]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0024]
1.在雷达回波模拟系统内部产生了多钟高精度的随机序列，不仅可以用来对雷达回波起伏特性进行模拟，还可以用来模拟雷达回波模拟系统在真实环境下接收到的噪声、干扰以及杂波等信号，具有广阔的应用前景；
[0025]
2.在fpga内部首先对雷达回波幅度进行精调制，然后再通过可变增益放大器对雷达回波幅度进行粗调制，通过粗细结合的方式，解决了当前雷达回波起伏特性模拟时精度不高以及动态范围较小的问题，提升了雷达回波模拟器生成回波的逼真度。
附图说明
[0026]
图1是本发明步骤2)的流程示意图；
[0027]
图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)分别是符合指数分布、瑞利分布、高斯分布、莱斯分布的噪声信号的统计直方图；
[0028]
图3是本发明步骤3)中对运算数据序列进行分解的流程示意图；
[0029]
图4是根据对数正态数据对雷达回波的幅度进行模拟的示意图；
[0030]
图5是根据指数分布数据对雷达回波的幅度进行模拟的示意图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0032]
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0033]
本发明公开了一种基于fpga(现场可编程逻辑门阵列)与vga(adrf6518可变增益放大器)的雷达回波幅度高动态范围起伏特性模拟方法，包括如下步骤：
[0034]
步骤1)，在fpga内部使用两个lfsr即线性反馈移位寄存器分别产生非周期的第一均匀分布随机序列、第二均匀分布随机序列；
[0035]
步骤2)，对所述第一均匀分布随机序列、第二均匀分布随机序列进行box-muller变换得到相互独立、均值为0的第一高斯分布随机序列和第二高斯分布随机序列，然后对第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列进行数学运算行得到均匀分布、指数分布、对数正态分布、瑞利分布、莱斯分布的随机序列，数学运算方式如下：
[0036]
步骤2.1)，对第一均匀分布序列进行对数运算并乘以-1/λ，得到指数分布随机序列，其中λ为任意实数；
[0037]
步骤2.2)，将第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列分别加上预设的常数ucos θ、usinθ，得到均值分别为ucosθ、usinθ的第三高斯分布随机序列、第四高斯分布随机序列， u和θ为任意实数，然后对第三高斯分布随机序列、第四高斯分布随机序列分别进行平方运算后求和，并对所得求和结果求平方根，得到莱斯分布随机序列；
[0038]
步骤2.3)，对第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列分别进行平方运算后求和，然后对求和结果进行平方根运算，得到瑞利分布随机序列；
[0039]
步骤2.4)，对第一高斯分布随机序列进行指数计算，得到对数正态分布随机序列；
[0040]
步骤3)，根据需求在第一高斯分布随机序列、指数分布随机序列、对数正态分布随机序列、瑞利分布随机序列、莱斯分布随机序列中选择一种序列作为运算数据序列进行分解，将该运算数据序列中的每个随机数据将分解成两个值：归一化后的数值大小在(0,1]之间的精幅度调制值δrcsi和归一化后的数值大于1的粗幅度调制值arcsi，其中i为运算数据数列中随机数据的序号；
[0041]
步骤4)，对于运算数据序列中每一个随机数据：
[0042]
将预设幅度为1的基准雷达回波信号在fpga内部依次和其分解后的精幅度调制值相乘得到幅度精调制的数字域回波信号，然后将回波信号通过dac进行数模转换后得到雷达回波模拟信号并连接至vga，使vga根据其分解后粗幅度调制值的值对雷达回波模拟信号进行 0～40db幅度粗调制，完成对应雷达回波的幅度调制。
[0043]
所述步骤3)的详细步骤如下：
[0044]
步骤3.1)，设定阈值δ(rcsi)，该阈值的大小表示雷达回波模拟系统dac满量程输出时雷达回波的幅度大小；
[0045]
步骤3.2)，当第i个回波的幅度rcsi小于δ(rcsi)时，δrcsi＝rcsi/δ(rcsi)≤1， arcsi＝0，vga粗幅度调制模块不需要对雷达回波幅度进行调制；
[0046]
步骤3.3)，当第i个回波的幅度rcsi大于δ(rcsi)时：
[0047]
步骤3.3.1)，将[rcsi/δ(rcsi)]并作取余运算得到精幅度调制系数δrcsi(δrcsi＜1)；
[0048]
步骤3.3.2)，将[rcsi/δ(rcsi)]/[δrcsi×
δ(rcsi)]得到粗幅度调制系数arcsi(1《arcs
i 《100)。
[0049]
本发明首先使用两个32位的lfsr产生非周期的均匀分布随机序列，然后进行 box-muller变换，使用cordic算法完成box-muller变换中的ln(x)和sin(x)/cos(x)函数计算，产生服从正态分布的随机序列，接着根据其他复杂函数的数学定义，通过相关数学运算得到服从其他复杂函数分布的随机序列。
[0050]
对产生的服从复杂函数分布的随机序列按照一定的规则将其分解成两个数，分别为δrcsi和arcsi。同一个随机序列可以分解成不同的δrcsi和arcsi，其具体的数值大小与数值分解模块设定的阈值δ(rcsi)有关，δ(rcsi)的大小是回波模拟系统中dac满量程输出时对应的回波幅度大小，对应了归一化的幅度1。当第i个回波的幅度rcsi小于δ(rcsi)时，此时分解后的内部精幅度调制系数δrcsi＝rcsi/δ(rcsi)≤1，此数值归一化的数值，将满量程输出回波与δrcsi相乘通过dac输出，vga粗幅度调制系数arcsi＝0，不对回波进行幅度调制。当第i个回波的幅度rcsi大于δ(rcsi)时，首先将[rcsi/δ(rcsi)]并作取余运算得到精幅度调制系数δrcsi(δrcsi＜1)，精幅度调制系数对应的雷达回波幅度大小为 [δrcsi·
δ(rcsi)]，因此粗幅度调制的幅度系数arcsi＝[rcsi/δ(rcsi)]/[δrcsi·
δ(rcsi)](1《 arcsi《100)，通过综合利用fpga和vga完成雷达回波的精幅度调制和粗幅度调制，解决了雷达目标回波起伏特性实时精准模拟的技术难题。
[0051]
以噪声信号产生的对数正态分布和指数分布随机序列为调制数据，对单脉冲回波信号的幅度进行调制，实际测得的回波信号幅度的统计直方图能够与理想的的概率密度曲线保持一致，验证了所提方法的可行性与正确性。
[0052]
图1描述的是雷达回波起伏特性模拟中随机信号源的产生过程。首先利用两个32位的 lfsr产生两组服从均匀分布的随机系列，赋予不同的种子，因此信号的周期为2
32
×232
×
1/f
clk
≈683217天，式中f
clk
为fpga的工作时钟312.5mhz。由此可以认为产生的均匀分布随机序列都是非周期的。box-muller算法的原理如下式所示：
[0053][0054][0055]
式中主要涉及ln(x)、以及sin(x)/cos(x)运算，通过cordic算法完成上述运算后，按照图1中的数据处理流程，进行一系列数据运算即可得到多种服从不同复杂函数分布的随机序列，包括：指数分布、正态分布、对数正态分布、瑞利分布以及莱斯分布随机序列。所有生成的随机序列保存到二进制小数后20bit。
[0056]
图2产生四种典型噪声信号的统计直方图并在该图中拟合了理想的概率密度曲线，从图中可以看出产生的噪声信号的概率分布特性能够与理想的概率密度曲线保持高度一致，该噪声信号生成模块为雷达回波起伏特性模拟提供了高质量的信号源。
[0057]
图3描述的是雷达回波精幅度调制和粗幅度调制模块示意图，dac精幅度控制模块首先根据δrcsi的值在内部进行乘法运算完成，完成回波幅度精幅度调整，并通过dac芯片转换为模拟信号发送给adrf6518可变增益放大器，此时adrf6518将根据arcsi的值对雷达回波幅度进行粗调整，其可调节范围是0～40db。下面将举例说明幅度调整过程。
[0058]
假设第i个回波的幅度rcsi为0.25，阈值δ(rcsi)设定为0.4，那么此时第1个回波的幅度精调制数据δrcsi相对于阈值δ(rcsi)大小为0.25/0.4＝0.625，因此对雷达回波乘以0.625 即可，此时arcsi＝0，不需要进行幅度粗调制。
[0059]
假设第i个回波的幅度rcsi为0.52，阈值δ(rcsi)同样设定为0.4，回波幅度rcsi与阈值的相对比值为[rcsi/δ(rcsi)]＝0.52/0.4＝1.3，对其取余，此时δrcsi＝0.3，此数据即为幅度精调制模块的数据。当δrcsi＝0.3时，其相对于阈值对雷达回波幅度调整的归一化值为δrcsi·
δ(rcsi)＝0.12，因此粗幅度调整模块的数据arcsi＝[rcsi/δ(rcsi)]/[δrcsi·
δ(rcsi)] ＝1.3/0.12＝10.83。通过幅度精调整和粗调整综合控制的方法，完成了雷达回波动态起伏特性的模拟。以噪声信号产生模块生成的指数分布和对数正态数据对雷达回波的幅度完成分别模拟。实际测试结果如图4、图5所示，可以看出，通过本方法模拟的雷达回波的起伏特性的直方图能够符合指数分布和对数正态分布概率密度函数的特点，验证了本方法的有效性和精确性。
[0060]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0061]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于fpga与vga的雷达回波幅度起伏特性模拟方法，其特征在于，包括步骤：步骤1)，在fpga内部使用两个lfsr即线性反馈移位寄存器分别产生非周期的第一均匀分布随机序列、第二均匀分布随机序列；步骤2)，对所述第一均匀分布随机序列、第二均匀分布随机序列进行box-muller变换得到相互独立、均值为0的第一高斯分布随机序列和第二高斯分布随机序列，然后对第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列进行数学运算行得到均匀分布、指数分布、对数正态分布、瑞利分布、莱斯分布的随机序列，数学运算方式如下：步骤2.1)，对第一均匀分布序列进行对数运算并乘以-1/λ，得到指数分布随机序列，其中λ为任意实数；步骤2.2)，将第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列分别加上预设的常数ucosθ、usinθ，得到均值分别为ucosθ、usinθ的第三高斯分布随机序列、第四高斯分布随机序列，u和θ为任意实数，然后对第三高斯分布随机序列、第四高斯分布随机序列分别进行平方运算后求和，并对所得求和结果求平方根，得到莱斯分布随机序列；步骤2.3)，对第一高斯分布随机序列、第二高斯分布随机序列分别进行平方运算后求和，然后对求和结果进行平方根运算，得到瑞利分布随机序列；步骤2.4)，对第一高斯分布随机序列进行指数计算，得到对数正态分布随机序列；步骤3)，根据需求在第一高斯分布随机序列、指数分布随机序列、对数正态分布随机序列、瑞利分布随机序列、莱斯分布随机序列中选择一种序列作为运算数据序列进行分解，将该运算数据序列中的每个随机数据将分解成两个值：归一化后的数值大小在(0,1]之间的精幅度调制值δrcs
i
和归一化后的数值大于1的粗幅度调制值arcs
i
，其中i为运算数据数列中随机数据的序号；步骤4)，对于运算数据序列中每一个随机数据：将预设幅度为1的基准雷达回波信号在fpga内部依次和其分解后的精幅度调制值相乘得到幅度精调制的数字域回波信号，然后将回波信号通过dac进行数模转换后得到雷达回波模拟信号并连接至vga，使vga根据其分解后粗幅度调制值的值对雷达回波模拟信号进行0～40db幅度粗调制，完成对应雷达回波的幅度调制。2.根据权利要求1所述的基于fpga与vga的雷达回波幅度起伏特性模拟方法，其特征在于，所述步骤3)的详细步骤如下：步骤3.1)，设定阈值δ(rcs
i
)，该阈值的大小表示雷达回波模拟系统dac满量程输出时雷达回波的幅度大小；步骤3.2)，当第i个回波的幅度rcs
i
小于δ(rcs
i
)时，δrcs
i
＝rcs
i
/δ(rcs
i
)≤1，arcs
i
＝0，vga粗幅度调制模块不需要对雷达回波幅度进行调制；步骤3.3)，当第i个回波的幅度rcs
i
大于δ(rcs
i
)时：步骤3.3.1)，将[rcs
i
/δ(rcs
i
)]并作取余运算得到精幅度调制系数δrcs
i
(δrcs
i
＜1)；步骤3.3.2)，将[rcs
i
/δ(rcs
i
)]/[δrcs
i
×
δ(rcs
i
)]得到粗幅度调制系数arcs
i
(1<arcs
i
<100)。
技术总结本发明公开了一种基于FPGA与VGA的雷达回波幅度起伏特性模拟方法，首先在FPGA中首先使用线性反馈移位寄存器（LFSR）产生均匀分布随机序列，紧接着进行Box-Muller变换和数学计算产生服从多种复杂函数分布的随机序列；然后将产生的随机序列进行处理，将其内随机数据均分解为归一化后的精幅度调制和粗幅度调制值；接着在FPGA内部使用精幅度调制对产生雷达回波的幅度进行精调制，调制完成后通过DAC输出模拟信号并连接到VGA，使VGA根据粗幅度调制值对雷达回波的幅度进行粗调制，完成雷达回波幅度指定起伏特性的精准模拟。本发明解决了当前雷达回波起伏特性模拟时精度不高以及动态范围较小的问题，提升了雷达回波模拟器生成回波的逼真度。逼真度。逼真度。
技术研发人员：蔡俊晖 潘明海
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.02.08
技术公布日：2022/7/5
