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标题: LMS自适应滤波器在激波报靶系统中的应用 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 16:50
标题: LMS自适应滤波器在激波报靶系统中的应用

　　摘要：在野外复杂训练环境下，利用激波原理进行实弹射击的精度坐标报靶，是一项具有相当挑战性的技术。本文采用FPGA（现场可编程门阵列）结合自适应滤波技术，对报靶系统采集的激波信号进行了实时滤波处理。采用 VHDL语言编程，利用 QUARTUS II6.0进行了仿真。实验结果证明，当弹丸穿过靶平面时，数据采集电路采集的激波信号含有大量噪声，基于 FPGA的自适应滤波器能很好地滤除了大部分干扰噪声，得到了比较理想的激波数据，提高了报靶系统的报靶精度。
　　0 前言
　　由空气动力学原理，当超音速运动的物体，由于运动速度大于局部声速时会产生激波，弹道声波是超声速弹丸飞行时冲击空气分子所形成的激波（ Shock waves）。采用激波原理进行报靶是一项具有挑战性的技术，它利用激波信号进行超音速飞行体探测，是一种新的目标探测方法。本文研究对象为移动靶车，该遥控自动装置自带电源和动力装置，能在 25Km/h内无级调速，但是，由于其工作环境比较恶劣，自身振动、风吹、发电机和电动机的巨大干扰，严重影响了自动报靶系统的报靶精度。为了适应现代化*训练的需要，本文采用 FPGA和自适应滤波技术，利用硬件电路来实现 LMS自适应滤波器，完成对强背景噪声环境下激波信号的滤波，在满足实时数据处理前提下，以提高报靶系统的报靶精度。
　　1 问题的提出及方案选取
　　本设计起初设计电路采用的模拟高通滤器，后来又设计成带通滤波器，然而通过实践发现，其滤波效果都比较差，难以满足系统精度的要求；采用通用 DSP数字信号处理器件用软件设计数字滤波器，其数据吞吐率、处理速度和实时性远不如基于 FPGA硬件实现的数字滤波器，因为，基于 FPGA的数字滤器代表了未来数字信号处理的发展方向，用户可以很方便的结合实际需要设计出自己的可编程数字信号处理芯片，现在已经较为广泛地应用在高端数字信号处理领域。
　　自适应滤波器的常用实现形式有 FIR和IIR两种，而 FIR滤波器是实际应用较为广泛的一种，FIR滤波器只有可调的零点，因此它没有 IIR因兼有可调的零点和极点而带来的不稳定问题，此外，LMS计算量小，易于硬件实现，故本文采用的滤波器是基于FIR基础之上构建的 LMS自适应滤波器。
　　2 系统设计结构
　　本文所涉及的激波信号处理部分的整体结构框图如图 1所示，由信号采集传感器、模数转换器件、FPGA器件、数模转换器件构成。高速瞬态的激波信号被超声波传感器捕获以后，经过适当调理送到 AD转换器件，本设计采用 MAX197AD转换器件，由 FPGA设计的状态机对其控制，进行 AD转换，然后再进入基于 FPGA设计的自适应滤波器中滤波，最后再进行 DA转换传输到后续处理电路，由于本设计的主要任务是设计基于 LMS算法的自适应滤波器，其它部分将不作详述。

　　4 自适应滤波器的 FPGA实现
　　4.1 N阶 FIR滤波器模块的设计

　　FIR 滤波器是数字滤波器的一种，它的输出可以用差分方程表示如下：

　　在设计中，为了节省 FPGA的内部资源，提高利用效率，此处采用串行乘加的方法实现。 FIR滤波器模块实现 16阶的 FIR滤波，输入量主要包括 AD转换后的激波信号数据的输入和权值系数的输入，xin是 AD转换后的输出信号，为 12位字宽，其中 1位符号位，10位精度位，将此信号存储在深度为 N的 RAM中作为 16阶 FIR滤波器的输入；FIR的权系数 win存储在另外一个 RAM中，字宽 16位，其中最高位为符号位。通过控制模块输出地址信号控制读各个存储模块的读写动作，此处的乘法器为 28位有符号数的乘法器，加法器完成累加任务，当 16阶乘法以及累加运算做完后，由控制模块输出 youten信号，对锁存的数据进行有效截取，然后输出。其实现的框图如图 3所示。在该设计中，采用 VHDL语言编程完成，生成对应的顶层原理符号，然后按设计方案把它们连接成顶层原理图。

　　用LabVIEW编写的上层软件采集激波数据，以txt文件格式保存。应用MATLAB的load命令，绘制出图 5上半部分的激波信号，据图明显看出，弹丸穿过靶平面时的激波混杂有大量高低频干扰。为了验证上述自适应滤波器的滤波能力，在进行实验时，将此数据送入到FPGA中进行处理，再送回到计算机中，运用绘图软件绘制其滤波结果，其滤波结果见图5。

　　从上图可以看出，在强噪声干扰下，很难分辨出真实有效的有用信号，采用 LMS自适应滤波器进行滤波后,能够真实有效地滤除干扰噪声。
　　6 结束语
　　本文利用 FPGA器件实现了基于 LMS自适应 FIR滤波器，由上述实验结果可以看出，基于 FPGA实现的自适应滤波器，能够实时有效地滤除掺杂在激波信号中的噪声，能够准确捕捉到真实的激波信号，为后续部分处理奠定了坚实的基础，从而为提高自动报靶系统的报靶精度奠定了坚实基础。
　　本文作者创新点：将先进的 FPGA技术和自适应滤波技术应用于自动报靶中，实现了基于 FPGA的自适应滤波器，对整个激波信号处理系统进行了重大改进，提高了移动报靶系统的报靶精度。

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