雷達(dá)稀疏信號(hào)處理算法的硬件加速設(shè)計(jì).pdf

1、稀疏信號(hào)處理作為一種新的信號(hào)處理技術(shù)，提供了一個(gè)用少量數(shù)據(jù)進(jìn)行原始信號(hào)重建的框架。壓縮感知（Compressed Sensing, CS）理論是近年來(lái)興起的一種稀疏處理理論，它自提出起就在各領(lǐng)域得到了大力的發(fā)展。尤其在利用缺損的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)信息的研究中，壓縮感知體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。壓縮感知主要由信號(hào)的稀疏表示、測(cè)量矩陣的選取和信號(hào)重構(gòu)算法三部分組成，其中信號(hào)重構(gòu)算法在雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用以及其硬件實(shí)現(xiàn)是本文研究的重點(diǎn)。由于稀

2、疏重構(gòu)算法的運(yùn)算量較大，為滿足雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求，我們采用資源豐富、并行能力強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）來(lái)進(jìn)行重構(gòu)算法的硬件加速實(shí)現(xiàn)。
　　本文主要研究在頻率捷變雷達(dá)和稀疏頻率步進(jìn)雷達(dá)中采用稀疏信號(hào)處理進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的方法，并利用重建準(zhǔn)確度高的正交匹配追蹤算法（OMP）來(lái)實(shí)現(xiàn)有效信息的提取及目標(biāo)信號(hào)的重構(gòu)，最后基于FPGA進(jìn)行了算法的加速實(shí)現(xiàn)。所做工作如下：
　　1.對(duì)稀疏信號(hào)處理的內(nèi)容和原理進(jìn)行了介紹，討論了不同信

3、號(hào)重構(gòu)算法方法的優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹了貪婪算法和梯度追蹤算法，并簡(jiǎn)要闡述了稀疏重構(gòu)技術(shù)在雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用。
　　2.對(duì)壓縮感知技術(shù)在頻率捷變雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論分析和可行性驗(yàn)證。針對(duì)傳統(tǒng)捷變頻雷達(dá)中相干積累時(shí)間長(zhǎng)、信號(hào)處理復(fù)雜等問(wèn)題，提出使用稀疏重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行處理，并采用OMP算法進(jìn)行重構(gòu)實(shí)現(xiàn)?？紤]到OMP算法存在計(jì)算量大、計(jì)算耗時(shí)等缺點(diǎn)，本文對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)對(duì)支撐集進(jìn)行正交化處理減少了最小二乘部分的迭代次數(shù)，并用計(jì)算

4、復(fù)雜度低、收斂速度快的共軛梯度（CG）算法代替計(jì)算復(fù)雜度高的矩陣分解法進(jìn)行最小二乘求解，最終得到了優(yōu)化的OMP-CG算法。最后，我們基于一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了 OMP-CG算法在頻率捷變雷達(dá)中進(jìn)行靜目標(biāo)和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的有效性，并基于XC7VX690T FPGA平臺(tái)加速實(shí)現(xiàn)了OMP-CG算法。
　　3.對(duì)稀疏信號(hào)處理在稀疏頻率步進(jìn)雷達(dá)中進(jìn)行高分辨距離像重建的可行性進(jìn)行了理論分析和數(shù)據(jù)驗(yàn)證。首先介紹了頻率步進(jìn)雷達(dá)的工作原理，分析比較了傳統(tǒng)步

5、進(jìn)頻信號(hào)與稀疏步進(jìn)頻信號(hào)的特征，并得到了稀疏步進(jìn)頻雷達(dá)回波信號(hào)的稀疏表示形式。然后基于步進(jìn)頻信號(hào)的特征，對(duì) OMP-CG算法進(jìn)行了改進(jìn)：按照測(cè)量矩陣抽取的先驗(yàn)條件對(duì)誤差余量補(bǔ)零后進(jìn)行IFFT運(yùn)算來(lái)得到字典矩陣各列與誤差余量的相關(guān)性，在簡(jiǎn)化稀疏基構(gòu)造的同時(shí)也使相關(guān)性部分的計(jì)算復(fù)雜度從O?N2?降到?O N log N?，我們將優(yōu)化后的算法稱為SFOMP算法。最后用一組實(shí)測(cè)的步進(jìn)頻雷達(dá)回波數(shù)據(jù)驗(yàn)證了 SFOMP算法進(jìn)行高分辨距離像重建的有效