基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明公開了基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)的方法，屬于雷達信號處 理的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在雷達信號處理中，傳統(tǒng)的先檢測后跟蹤（DBT，Detect-Before-Track)方法在 信雜比很低的時候，檢測性能會大幅度下降，表現(xiàn)為檢測概率降低，出現(xiàn)大量虛警等?，F(xiàn)代 警戒雷達有效預(yù)警的要求是DBT方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足的，如文獻《用于雷達弱小目標(biāo)檢測的 改進TBD算法》（孫立宏，王俊，達科學(xué)與技術(shù)，2007, 5 (4) : 292-295)。檢測前跟蹤（TBD， Track-Before-Detect)是低信噪比下對微弱目標(biāo)進行檢測和跟蹤的一種技術(shù)。由于目 標(biāo)的信噪比較低，單幀無法得出檢測結(jié)果，如文獻《雷達微弱目標(biāo)的TBD技術(shù)研究》（羅小 云，西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文）。TBD的實質(zhì)是用時間換取信噪比，經(jīng)過數(shù)次掃描時 刻的積累，對假設(shè)路徑包含的點作幾乎沒有信息損失的相關(guān)處理，在目標(biāo)的軌跡被估計出 來后，同時宣布檢測結(jié)果和目標(biāo)的軌跡，如文獻〈Recursive track-before-detect with target amplitude fluctuations)(MG Rutten, NJ Gordon, S Maskell, IEE Proc Radar Sonar Navig, 2005, 152 (5) :345 - 322)。Hough 變換是一種將直線映射到 Hough 空間（即 參數(shù)空間）中，并檢測其特征的技術(shù)，如文獻《基于Hough變換的微弱目標(biāo)檢測方法研 究》（郭陳林，電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文）所述。在參數(shù)空間中，噪聲點或孤立點的積 累幅值很小，直線上所有的點對參數(shù)空間中的直線特征點都有貢獻，因而能達到積累的效 果，如文獻《基于Hough變換的檢測前跟蹤算法的性能分析》（黃勇，曲長文，蘇峰，現(xiàn)代雷 達，2005, 26 (12) : 37-41)。將Hough變換應(yīng)用于雷達小目標(biāo)檢測中，可以對目標(biāo)航跡進行有 效的增強，提高了抗噪聲、抗雜波干擾的性能，有利于對小目標(biāo)的檢測，如文獻《兩級Hough 變換航跡起始算法》（金術(shù)玲，梁彥，王增福，電子學(xué)報，2008, 36 (3) : 590-593)。Hough變 換算法中涉及到大量的三角運算、乘加運算以及排序求局部最大值等，運算量巨大，如文獻 <A multi-dimensional Hough transform-based track-before-detect technique for detecting weak targets in strong clutter backgrounds)(Moyer L R, Spak J, Lamanna P, Aerospace and Electronic Systems, 2011,47 (4): 3062-3068)。因而 Hough 變換在 DSP 和PC機上的運行效率很低，難以滿足現(xiàn)代警戒雷達對快速預(yù)警的需求。隨著FPGA芯片工 藝和集成度的快速提升，利用FPGA芯片內(nèi)部豐富的邏輯、存儲器、乘法器等硬件資源，采用 并行和流水線處理結(jié)構(gòu)，使得Hough變換的實時實現(xiàn)成為可能，如文獻《基于CORDIC算法 的Hough變換及其FPGA實現(xiàn)》（王新新，于素萍，趙小明，通信技術(shù)，2010, 43 (7) : 155-157)。 另一方面，目前國內(nèi)外關(guān)于實時Hough變換的FPGA實現(xiàn)大多應(yīng)用在圖像處理領(lǐng)域，如車道 的實時檢測，如《一種面向FPGA的快速Hough變換》（商爾科，李健，安向京，計算機工程與 應(yīng)用，2010, 46 (7) : 72-75)，但是此類應(yīng)用對圖像均進行了邊緣檢測處理，目標(biāo)矩陣中的特 征點的幅值為〇或1。而在雷達信號處理領(lǐng)域中，TBD技術(shù)所檢測的目標(biāo)矩陣特征點的幅值 動態(tài)范圍很大，前面涉及的基于FPGA的Hough變換在動態(tài)范圍較高的警戒雷達實時目標(biāo)跟 蹤上有局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供了基于FPGA的實 時Hough變換檢測微弱目標(biāo)的方法，可應(yīng)用于對動態(tài)范圍要求高的警戒雷達以實時截獲與 跟蹤目標(biāo)，解決了傳統(tǒng)單一門限判決技術(shù)不能滿足雷達系統(tǒng)檢測目標(biāo)的需求、Hough變換在 基于單指令單數(shù)據(jù)（Single Instruction Single Data, SISD)結(jié)構(gòu)的計算載體上難以實時 實現(xiàn)的技術(shù)問題。
[0004] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0005] 基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)的方法，包括如下步驟：
[0006] 將夾角區(qū)間劃分為若干子區(qū)間并在各子區(qū)間內(nèi)：遍歷各夾角Θ并結(jié)合雷達回波 信號特征點坐標(biāo)得到各夾角Θ對應(yīng)的法線距離p，將相同參數(shù)坐標(biāo)對應(yīng)特征點的幅值進 行累加得到包含特征點幅值累加和的參數(shù)坐標(biāo)，在包含特征點幅值累加和的參數(shù)坐標(biāo)中搜 索幅值累加和極大者；
[0007] 從各子區(qū)間的幅值累加和極大者中選取最大值作為檢測結(jié)果。
[0008] 作為所述基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)的方法的進一步優(yōu)化方案，所 述參數(shù)坐標(biāo)以地址形式記錄了各夾角及對應(yīng)的法線距離。
[0009] 進一步的，所述基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)的方法中，構(gòu)建FPGA硬 件平臺以實現(xiàn)實時Hough變換，所述FPGA硬件平臺的構(gòu)建方法為：
[0010] 構(gòu)建與子區(qū)間數(shù)目相同的Hough變換子模塊以及由各Hough變換子模塊輸出值獲 取幅值累加和最大值的比較器，所述Hough變換子模塊包括：Θ值輸出模塊、特征點輸出模 塊、由Θ值以及特征點坐標(biāo)得到法線距離的p值產(chǎn)生模塊、獲取包含特征點幅值累加和的 參數(shù)坐標(biāo)的幅值累加模塊、在幅值累加模塊輸出數(shù)據(jù)中確定幅值累加和極大者的極大值搜 索模塊。
[0011] 進一步的，所述基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)方法中，Θ值輸出模塊 為在輸入時鐘信號后輸出Θ值以及進位信號的第一計數(shù)器。
[0012] 進一步的，所述基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)方法中，特征點輸出模 塊包括：第二計數(shù)器、LPM_R0M，其中，
[0013] 第二計數(shù)器的輸入端接進位信號，LPM_R0M輸入端接第二計數(shù)器輸出端；
[0014] 第二計數(shù)器以進位信號為輸入時鐘信號，LPM_R0M以第二計數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)為地 址信號并在收到地址信號后將存儲的數(shù)據(jù)分離為特征點X軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)、幅值。
[0015] 進一步的，所述基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)的方法中，所述P值的 產(chǎn)生模塊包括：
[0016] 由Θ值確定cos Θ、sin Θ取值的第一、第二三角函數(shù)產(chǎn)生模塊，
[0017] 獲取特征點X軸坐標(biāo)與第一三角函數(shù)產(chǎn)生模塊輸出值乘積的第一乘法器，
[0018] 獲取特征點y軸坐標(biāo)與第二三角函數(shù)產(chǎn)生模塊輸出值乘積的第二乘法器，
[0019] 對兩乘法器輸出值累加得到特征點在當(dāng)前Θ值對應(yīng)法線距離的加法器。
[0020] 進一步的，所述基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)方法中，幅值累加模塊 包括：根據(jù)參數(shù)坐標(biāo)讀取幅值累加和的雙口 RAM、對相同參數(shù)坐標(biāo)對應(yīng)的特征點幅值進行 累加的加法器，加法器輸出包含特征點幅值累加和的參數(shù)坐標(biāo)給極大值搜索模塊。
[0021] 進一步的，所述基于FPGA的實時Hough變換檢測微弱目標(biāo)方法中，極大值搜索模 塊為篩選幅值累加模塊輸出數(shù)據(jù)中特征點幅值累加和極大者的幅值比較器。
[0022] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：采用FPGA硬件平臺，利用FPGA內(nèi) 部資源復(fù)用和算法流水線結(jié)構(gòu)分解，將對雷達回波信號特征點進行遍歷的夾角區(qū)間劃分為 若干子區(qū)間，各子區(qū)間在空間上同時進行Hough變換，在每個時鐘周期都能得到一個參數(shù) 值，實時的Hough變換提高了算法在硬件平臺上的實時性，應(yīng)用于動態(tài)范圍要求高的警戒 雷達以實時截獲與跟蹤目標(biāo)。
【附圖說明】
[0023] 圖1為流水線結(jié)構(gòu)框圖。
[0024] 圖2為笛卡爾坐標(biāo)系下軌跡點的示意圖。
[0025] 圖3為Hough變換結(jié)果的示意圖。
[0026] 圖4為目標(biāo)航跡直線。
[0027] 圖5為加上雜波信號后的雷達回波。
[0028] 圖6為算法軟件仿真得到的Hough變換結(jié)果。
[0029] 圖7為FPGA內(nèi)部框圖。
[0030] 圖8為Θ值輸出模塊。
[0031 ] 圖9為輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0032] 圖10為特征點信息輸出模塊。
[0033] 圖11為P值的產(chǎn)生模塊。
[0034] 圖12為地址生成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
[0035] 圖13為存儲與幅值累加模塊。
[0036] 圖14為極大值搜索