ARM架构下的相控阵雷达数字仿真
时间:2018-08-28 21:14 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 摘要本文对相控阵雷达的基本原理和特点进行了简单介绍，重点介绍了相控阵雷达的搜索与跟踪这两种工作方式；并就嵌入式系统开发过程中的多线程问题进行了简单探讨，以相控阵雷达设计过程中的多线程实例进行直观地分析，重点分析了回波处理线程和波位调度线程这两个关乎整个雷达正常运作的核心线程；同时对回波处理线程中的目标跟踪的滤波算法和波位调度线程中的调度算法分别进行了算法原理分析，并就实验过程中所用算法给出了仿真结果。本文最后对整个雷达系统的仿真过程进行了系统阐述，并对具体操作运行过程进行了简单分析和演示。 27582 毕业论文关键词 相控阵雷达 嵌入式系统 多线程 滤波算法 调度算法 Title Phased array radar digital simulation based on ARM Abstract In this paper, phased array radar basic principles and characteristics of a brief introduction, highlights the phased array radar search and tracking these two modes of operation; and a brief discussion on the embedded system development process multithreading issues, in phased array radar design process multithreaded examples intuitive analysis, analyzed the echo processing threads and schedule threads wave position both in respect of the entire radar functioning core thread; echo processing threads simultaneously target tracking filter algorithm and wave bit scheduling thread scheduling algorithm analysis algorithm principle were carried out, and on the experiment of the algorithm used the simulation results. Finally, the entire radar system simulation process were systematically expounded, and the specific operation to run a simple analysis and presentation. Keywords phased array radar, embedded system, multi-threaded, Filtering algorithm, scheduling algorithm 目次 1引言.1 2相控阵雷达基本原理.2 2.1线阵扫描原理.2 2.2相控阵特点.3 2.3相控阵雷达工作方式.4 3WindowsCE系统工作原理.7 3.1进程与线程的概念.7 3.2Windows系统与WindowsCE系统的比较.7 3.3WindowsCE中的优先级.7 3.4WindowsCE环境下的线程.8 3.5WindowsCE的多线程开发10 3.6WindowsCE环境下的线程调度实例12 4系统关键算法18 4.1滤波算法18 4.2调度算法22 5实验结果25 结论.28 致谢.29 参考文献.30 图2-1简化的线阵天线2 图2-2相控阵雷达搜索加跟踪工作方式示意图5 图3-1EM335x开发板连接图12 图3-2多线程调度实例12 图3-3相控阵雷达功能仿真框图13 图3-4目标检测流程图14 图3-5相控阵雷达任务调度功能框图16 图4-1卡尔曼滤波循环流程图19 图4-2卡尔曼滤波效果示意图21 图4-3常增益滤波效果示意图21 图4-4无时间窗自适应算法流程图22 图4-5有时间窗自适应算法流程图23 图5-1目标模拟器界面示意图25 图5-2目标模拟器正常运行界面示意图25 图5-3雷达正常运行界面示意图26 图5-4实时数据率和RAE误差的显示26 图5-5对话框操作后结果界面示意图27 图5-6雷达数据设置界面示意图27 表3-1几种非线性滤波算法优缺点对比15 1 引言 随着社会的快速发展，我们对雷达的性能也提出了一些新的需求，例如针对目标的检测和数据的提取目前还存在诸多无法解决的问题，这就督促了相控阵雷达技术能够迅速成熟起来，为以后的实际应用打下基础。而针对相控阵雷达的系统设计方面，我们不仅仅要了解相控阵雷达的主要工作特点，还要深入其内部，探究真正实现相控阵雷达功能的相控阵天线的技术特点和工作原理。 Windows CE 是一款支持按照优先级先后顺序进行调度的多任务操作系统，在该系统中，多任务的特点就体现在多线程多优先级方面。我们知道，系统在分配 CPU 时是以线程作为基本单位的，故而每个线程都可以被整个系统单独调度。而线程是在进程中被创建的，而且每个进程中都可以创建多个线程，所以像进程的地址空间这类的资源均可以被同一进程内的所有线程共享访问。系统中还有一些像文件、内存对象以及同步对象等在内的各种句柄，线程对于这些句柄也都具有相同的访问权限。在系统运行过程中，CPU寄存器的状态决定了各个线程是否被调度执行，故而每个线程都具有一个独立的堆栈来存放这些状态量，我们又将这些状态量称之为线程的上下文。当某个线程被阻塞或挂起时，寄存器的状态便会被保存在线程状态中；而当线程被成功调度执行时，寄存器的状态即可重新恢复，并可以正常执行。 Windows CE 中的线程具有多种状态，可以为：运行（Running）、挂起（Suspend）、睡眠（Sleeping）、阻塞（Blocked）、终止（Terminated）。在阻塞模式下，所有线程都不会被调度，但整个进程并没有终止，此时 CPU将进入低耗能模式，整个系统也将空闲下来，等待线程调度执行。深入理解这些线程状态，可以更加方便快捷地进行有关嵌入式理论的研究和软件的开发。 软件设计过程中，最为关键的部分自然是算法的设计与应用。在相控阵雷达中，比较重要的是其滤波算法和调度算法。一个好的滤波算法的使用能够很大程度上优化雷达跟踪的工作效率，而一个优质的调度算法可以大大提高雷达的时间利用率，对整个雷达性能的影响是不可估量的。在本次实验中，我们主要使用的滤波算法是常见的卡尔曼滤波算法。因为其实现简单，而且滤波效果足以达到相控阵雷达的需求，故而是我们的首选。调度算法我们选择了成功率和时间利用率较高的有时间窗的自适应调度算法进行分析，并与无时间窗的自适应调度算法进行了对比。 2 相控阵雷达基本原理 相控阵雷达，顾名思义即为具有相控阵天线的雷达。相控阵天线是由多个在平面或任意曲面上按一定规律布置的天线单元和信号功率分配/相加网络所组成。每个天线上都会放置一个移相器，通过它可以改变天线单元之间信号的相位关系；为实现天线单元之间信号幅度的变化我们可以通过不等功率分配/相加网络或衰减器来进行操作[1]。 2.1 线阵扫描原理 为了方便讨论，使得线性相控阵天线扫描原理解释起来更直观，我们将其置于图1所示的平面内。 如单元方向图f(θ, φ)足够宽，或者我们可以假设f(θ, φ)是全向性的，且在线阵天线波束扫描范围内可忽略其影响时，线阵天线方向图函数F(θ)可认为是[2] F θ = aiN−1i=0 eji(2πλd sin θ−∆Ф B ) (2-1) 式（1）中，∆Ф B= 2πλd sin θB，而θB为天线波束最大值指向。 令∆Ф B= 2πλd sin θ，则它表示相邻天线单元接收到来自θ方向信号的相位差，可称为相邻单元之间的“空间相位差”[2]。 令∆Ф − ∆Ф B= X，对均匀分布照射函数，ai= a = 1，可得[2] F θ = 1−ejNX1−ejX (2-2) 由欧拉公式，可得 对上式取绝对值，又因为在实际线阵中N较大，X较小，故可得线阵的幅度方向图为[2] F θ = NsinN2XN2X= NsinNπλd(sin θ−sin θB )Nπλd(sin θ−sin θB ) (2-4) 可见，天线方向图|F(θ)|以辛格函数表示，它是被单元方向图归一化的方向图，其最大值为 N[2]。 当N2X = 0时，|F(θ)|为 1，可得天线方向图最大值θ (责任编辑：qin) |