王輝輝 任 彥
(西安電子工程研究所 西安 710100)
現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄雜波、分析雜波的存在、強(qiáng)弱和變化,從而及時(shí)改變處理系統(tǒng)以適應(yīng)時(shí)變的雜波環(huán)境[1]。雜波圖是是用于檢測(cè)具有極低多普勒頻率運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者抑制雜波的一種技術(shù)[2]。雜波圖實(shí)時(shí)地記錄下雷達(dá)陣地周?chē)h(huán)境的雜波分布及其強(qiáng)度變化,使動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng)始終處于線性工作狀態(tài),進(jìn)而獲得良好的動(dòng)目標(biāo)顯示性能[3]。傳統(tǒng)的雜波圖是最簡(jiǎn)單的二維平面雜波圖,平面雜波圖要求存儲(chǔ)量小,易于工程實(shí)現(xiàn),但是平面雜波圖不能區(qū)分高低空區(qū)域,高波束的高空雜波必將影響低波束干凈空域的目標(biāo)探測(cè),地面雜波也必將影響高空干凈區(qū)域的目標(biāo)探測(cè)。另外就是三維立體雜波圖[4],三維立體雜波圖將雷達(dá)的探測(cè)范圍劃分成若干個(gè)距離/方位/仰角區(qū)單元,相比傳統(tǒng)雜波圖,三維立體雜波圖能夠區(qū)分高低空區(qū)域,但是,一方面三維立體雜波圖沒(méi)有建立全頻率通道雜波圖,不能夠?qū)Φ匚镫s波和氣象雜波進(jìn)行有效抑制;另一方面三維立體雜波圖對(duì)雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)的雜波區(qū)的劃分也不夠精細(xì),雜波功率估算方法采用的是脈內(nèi)距離單元平均和脈間相關(guān)積累的方法,因此雜波圖的分辨率不高,這導(dǎo)致雷達(dá)對(duì)地物雜波和氣象雜波的抑制不夠充分,從而降低了雷達(dá)的檢測(cè)性能和對(duì)雜波環(huán)境的適應(yīng)性。本文提出了一種通過(guò)FPGA對(duì)DDR3-SDRAM的讀寫(xiě)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)五維動(dòng)態(tài)立體雜波圖的方法。該方法將雷達(dá)探測(cè)范圍按照方位,俯仰,距離,多普勒通道和PRF模式進(jìn)行了雜波精細(xì)劃分。
雜波圖是雷達(dá)威力范圍內(nèi)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的雜波強(qiáng)度分布圖,將雷達(dá)探測(cè)范圍按照一定的劃分方法劃分為許多雜波圖單元,雷達(dá)工作時(shí)隨著波束的掃描,當(dāng)波束掃回到同一雜波圖單元時(shí),新的雜波數(shù)據(jù)均值需要與上一次的雜波均值進(jìn)行迭代更新,如此反復(fù)以獲得穩(wěn)定的雜波強(qiáng)度估值。因此雜波圖的建立是通過(guò)對(duì)雜波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)迭代更新來(lái)實(shí)現(xiàn)的,雜波圖更新過(guò)程主要采用相關(guān)積累運(yùn)算也稱為遞歸濾波器,其原理框圖如圖1所示,其中K為迭代更新的系數(shù)。遞歸濾波器跟新系數(shù)的選取原則上要兼顧快起伏雜波與慢起伏雜波,選得過(guò)大,將不能迅速響應(yīng)快起伏雜波;選得過(guò)小,慢起伏雜波的虛警變化太大,一般遞歸濾波器的系數(shù)選為7/8。遞歸濾波器是一個(gè)單極點(diǎn)系統(tǒng),如公式(3)所示。它實(shí)際上是對(duì)各個(gè)雜波單元的多次天線掃描作指數(shù)加權(quán)積累。其傳遞函數(shù)推導(dǎo)為[5]:
y(n)=(1-K)x(n)+Ky(n-1)
(1)
Y(z)=(1-K)X(z)+KY(z)z-1
(2)
則
H(z)=Y(z)/X(z)=(1-K)/(1-Kz-1)
(3)
本文是利用某雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理板上的FPGA對(duì)外掛的DDR3-SDRAM進(jìn)行讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。FPGA為Xilinx公司XC6VLX240T,F(xiàn)PGA外掛兩片DDR3-SDRAM,其型號(hào)為MT41J256M16RE,每一片的大小為4Gbits,為了增加存儲(chǔ)量,本文中將兩片DDR3-SDRAM作為一簇來(lái)讀寫(xiě)處理。FPGA對(duì)外掛DDR3-SDRAM的底層操作是通過(guò)ISE自帶的MIG(Memory Interface Generator)核來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MIG核的架構(gòu)圖如圖2所示,User Design是用戶層的接口。在該接口核中app_addr是讀寫(xiě)操作地址。app_cmd是讀寫(xiě)操作命令,app_cmd=0是寫(xiě)操作,app_cmd=1是讀操作。app_en是app_addr和app_cmd的使能信號(hào),只有該信號(hào)為高電平時(shí),app_addr和app_cmd信號(hào)才被使能。app_rdy是User Interface Block準(zhǔn)備好接收命令的信號(hào),當(dāng)app_en信號(hào)為高電平時(shí),如果該信號(hào)變低,則命令app_cmd和地址app_addr是無(wú)效的,這時(shí)必須保持app_en為高電平,同時(shí)保持app_cmd和app_addr的當(dāng)前值,保持到到app_rdy變高為止。app_wdf_data是和寫(xiě)操作命令相對(duì)應(yīng)的寫(xiě)入數(shù)據(jù)。app_wdf_wren是app_wdf_data的寫(xiě)有效信號(hào)。app_wdf_end信號(hào)則表明當(dāng)前的工作時(shí)鐘周期是app_wdf_wren內(nèi)最后一個(gè)輸入數(shù)據(jù)。本文所述方法是通過(guò)編寫(xiě)上層讀寫(xiě)控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)五維立體雜波圖的。
將雷達(dá)的探測(cè)范圍按照PRF模式、多普勒通道個(gè)數(shù)、方位、俯仰和距離劃分成若干個(gè)雜波單元,對(duì)于某一模式,該模式下的方位角區(qū)、俯仰角區(qū)、PRF模式、距離單元個(gè)數(shù)和多普勒通道數(shù)是固定的,也就是該模式下雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)的雜波單元個(gè)數(shù)是固定的,因此該模式所需的雜波存儲(chǔ)空間就是固定的。本文所述方法在DDR3-SDRAM中對(duì)不同模式下雜波存儲(chǔ)進(jìn)行了分塊,每個(gè)存儲(chǔ)塊的大小是根據(jù)模式來(lái)分配的,因此塊的大小不同,為了方便描述這里用ΔV來(lái)表示一個(gè)存儲(chǔ)塊。在模式切換的過(guò)程中,根據(jù)模式選擇對(duì)應(yīng)的塊起始地址,進(jìn)行該模式下的雜波圖更新。本文重點(diǎn)闡述對(duì)于該固定模式的雜波存儲(chǔ)塊ΔV區(qū)域的雜波圖更新處理方法,不同模式之間的切換只需改變?chǔ)塊的起始地址即可。五維雜波圖實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。五維雜波圖實(shí)現(xiàn)包括以下步驟:(1)對(duì)DDR3-SDRAM進(jìn)行讀操作,讀出雜波數(shù)據(jù);(2)利用遞歸濾波器進(jìn)行雜波圖更新,并進(jìn)行數(shù)據(jù)變換處理;(3)將更新完成后的雜波數(shù)據(jù)重新寫(xiě)入DDR3-SDRAM對(duì)應(yīng)位置,完成雜波圖的更新,建立雜波圖。
2.2.1讀雜波圖操作
由于DDR3-SDRAM不能同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作,并且FPGA是流水處理,因此對(duì)于塊ΔV內(nèi)的雜波圖需要分塊更新,將ΔV分為m個(gè)小塊Δv,ΔV=m×Δv,如果不夠一塊的則讀寫(xiě)也按照一塊來(lái)操作。本文對(duì)于小塊Δv的更新時(shí)序是固定的,一個(gè)更新周期內(nèi)完成一塊Δv的更新。第一個(gè)更新周期只進(jìn)行讀操作,也就是讀出第一個(gè)塊Δv內(nèi)的雜波數(shù)據(jù)與新輸入數(shù)據(jù)更新并緩存,第二個(gè)更新周期內(nèi)先讀出第二塊內(nèi)的雜波數(shù)據(jù),然后將更新后的第一塊的雜波數(shù)據(jù)寫(xiě)入第一塊存儲(chǔ)區(qū)內(nèi),以此類推,每個(gè)更新周期只更新一小塊Δv,從而實(shí)現(xiàn)該塊Δv雜波圖的更新,更新時(shí)序如圖4所示。
本文更新周期為1024個(gè)工作時(shí)鐘周期,也就是Δv內(nèi)的雜波單元個(gè)數(shù)為1024個(gè)。MIG核對(duì)DDR3-SDRAM的讀操作是8突發(fā)的,一個(gè)讀操作可以讀取8個(gè)地址上的數(shù)據(jù)。由于雜波數(shù)據(jù)是按照16bits存儲(chǔ)的,因此一個(gè)讀操作可以讀取16個(gè)雜波數(shù)據(jù),讀完一塊Δv需要64次讀操作。在更新有效范圍內(nèi)每相隔1024個(gè)固定工作時(shí)鐘周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖,如果不夠1024個(gè)周期時(shí),也需要產(chǎn)生一個(gè)脈沖。將該脈沖作為產(chǎn)生每塊Δv讀地址的開(kāi)始標(biāo)志脈沖,讀地址由ΔV模式地址加Δv塊基地址加偏移地址三部分構(gòu)成。讀地址產(chǎn)生脈沖到來(lái)時(shí),將Δv塊的基地址改變,每個(gè)讀地址脈沖基地址增加1024,然后在脈沖后面的前64個(gè)周期產(chǎn)生64個(gè)偏移地址,偏移地址之間的地址偏移量為8,將模式基地址、塊基地址和偏移地址相加得到最終的讀地址,并將讀地址存入FIFO進(jìn)行緩存,如圖3中步驟1所示所示。
讀地址產(chǎn)生脈沖延時(shí)70個(gè)工作時(shí)鐘周期得到每塊讀操作開(kāi)始脈沖,該脈沖是用來(lái)啟動(dòng)讀操作的。MIG核給用戶操作DDR3-SDRAM的工作時(shí)鐘為200M,進(jìn)行64次讀操作至少需要128個(gè)工作時(shí)鐘周期,因此將讀操作開(kāi)始脈沖間隔內(nèi)的前200個(gè)工作周期作為讀處理的時(shí)間周期。每個(gè)讀脈沖到來(lái)時(shí),使能MIG核的操作命令app_cmd為高電平,開(kāi)始讀操作。當(dāng)MIG核的app_rdy信號(hào)為高時(shí),使能app_en,讓該信號(hào)保持高電平,將讀地址賦值給app_addr信號(hào),完成一次讀操作,如果app_rdy變低,不能進(jìn)行讀操作,需要保持app_en為低電平,同時(shí)使app_addr和app_cmd保持當(dāng)前狀態(tài)一直到app_rdy變高。本文中MIG核對(duì)DDR3-SDRAM的讀操作是8突發(fā)的,一次讀操作可以讀出8個(gè)地址的數(shù)據(jù),對(duì)于位寬為16bits的DDR3-SDRAM,一次讀操作讀出數(shù)據(jù)量為128bits。由于DDR3-SDRAM是由兩片4Gbits的并聯(lián)成兩片的,因此一次讀操作讀出兩個(gè)128bits的數(shù)據(jù)。將讀出來(lái)的位寬為128bits的雜波數(shù)據(jù)存入一個(gè)緩存FIFO中,該FIFO輸入的數(shù)據(jù)位寬為128bits,輸出的數(shù)據(jù)位寬為16bits,讀出的雜波數(shù)據(jù)供更新使用。
2.2.2雜波位寬處理
新輸入雜波幅度值是32bits,因?yàn)槲寰S雜波圖存儲(chǔ)量大,如果按照32bits存儲(chǔ),F(xiàn)PGA外掛的DDR3-SDRAM存儲(chǔ)量不夠。因此本文對(duì)雜波數(shù)據(jù)(32bits)的位寬做了特殊處理,如圖5所示。如圖3所示,在步驟1中將讀出的雜波數(shù)據(jù)存入了一個(gè)16位輸出的FIFO中進(jìn)行緩存,當(dāng)更新開(kāi)始時(shí),從該FIFO讀出雜波數(shù)據(jù),判斷雜波的標(biāo)志位第16位是否為1,如果為1,則對(duì)該雜波數(shù)據(jù)的低15位做平方處理,得到32位的雜波輸出,否則的話,對(duì)雜波數(shù)據(jù)高16位進(jìn)行補(bǔ)零處理,最終將32位的數(shù)據(jù)一方面作為雜波圖輸出,供雜波圖檢測(cè)使用;另一方面和新輸入的雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行更新處理,更新過(guò)程采用遞歸濾波器算法處理,遞歸系數(shù)選擇為7/8。對(duì)更新后的雜波數(shù)據(jù)需要做處理以后才能存儲(chǔ),首先判斷更新完后的雜波數(shù)據(jù)的高17位數(shù)據(jù)是否大于零,如果大于零,那么對(duì)更新的雜波數(shù)據(jù)做開(kāi)平方處理,開(kāi)平方的數(shù)據(jù)需要做標(biāo)志處理,因此取開(kāi)平方以后的數(shù)據(jù)的低15位做為有效雜波數(shù)據(jù),將第16位作為標(biāo)志位,并將標(biāo)志位置1。否則,取更新后雜波數(shù)據(jù)的低16位作為存儲(chǔ)雜波數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)處理,需要存儲(chǔ)的雜波數(shù)據(jù)的位寬從32bits變?yōu)?6bits,這樣處理雜波數(shù)據(jù),既不影響雜波精度,又使得雜波存儲(chǔ)量翻倍。
2.2.3寫(xiě)雜波圖操作
在步驟2中,需要將更新后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入外部的DDR3-SDRAM中。步驟S1中讀操作開(kāi)始脈沖間隔內(nèi)的前200個(gè)工作周期作為讀處理的時(shí)間周期,因此從第二個(gè)讀操作開(kāi)始脈沖開(kāi)始,將讀操作開(kāi)始脈沖延時(shí)200個(gè)工作時(shí)鐘周期得到寫(xiě)地址產(chǎn)生脈沖,如圖4所示。將該脈沖作為產(chǎn)生每塊Δv寫(xiě)地址的開(kāi)始標(biāo)志脈沖,由ΔV模式地址加Δv塊基地址加偏移地址三部分構(gòu)成。寫(xiě)地址產(chǎn)生脈沖到來(lái)時(shí),將Δv塊的基地址改變,每個(gè)寫(xiě)地址脈沖基地址增加1024,然后在脈沖后面的前64個(gè)周期產(chǎn)生64個(gè)偏移地址,偏移地址之間的地址偏移量為8,將模式基地址、塊基地址和偏移地址相加得到最終的寫(xiě)地址,并將寫(xiě)地址存入FIFO進(jìn)行緩存,如圖3所示。
將寫(xiě)地址產(chǎn)生脈沖延時(shí)70個(gè)工作時(shí)鐘周期得到每塊寫(xiě)操作開(kāi)始脈沖,該脈沖是用來(lái)啟動(dòng)寫(xiě)操作的。MIG核對(duì)DDR3-SDRAM的讀操作是8突發(fā)的,一次寫(xiě)操作需要在8個(gè)地址上寫(xiě)入數(shù)據(jù),對(duì)于位寬為16bits的DDR3-SDRAM,一次寫(xiě)操作寫(xiě)入數(shù)據(jù)量為128bits。由于DDR3-SDRAM是由兩片4Gbits的并聯(lián)成兩片的,因此一次寫(xiě)操作寫(xiě)入兩個(gè)128bits的數(shù)據(jù)。每個(gè)寫(xiě)脈沖到來(lái)時(shí),使能MIG核的app_cmd=0,開(kāi)始寫(xiě)操作。當(dāng)MIG核的app_rdy信號(hào)為高時(shí),首先將寫(xiě)地址賦值給app_addr信號(hào),同時(shí)使能寫(xiě)數(shù)據(jù)使能信號(hào)app_wdf_wren,使得寫(xiě)使能信號(hào)高電平保持兩個(gè)工作時(shí)鐘周期。app_wdf_end信號(hào)是當(dāng)前app_wdf_wren內(nèi)最后一個(gè)輸入數(shù)據(jù)的標(biāo)志,因此使得app_wdf_end信號(hào)的高電平保持一個(gè)周期,并且app_wdf_end的一個(gè)周期的高電平與app_wdf_wren最后一個(gè)周期要嚴(yán)格對(duì)齊。最后使能app_en信號(hào),完成一次寫(xiě)操作。當(dāng)app_rdy變低時(shí),如果app_wdf_wren和app_wdf_end已經(jīng)使能,但是app_en未使能時(shí),保持當(dāng)前app_en的低電平直到app_rdy變高。如果app_wdf_wren和app_wdf_end未使能,則保持app_en當(dāng)前狀態(tài),并且不是能app_wdf_wren和app_wdf_end信號(hào),一直到app_rdy信號(hào)變高,才能開(kāi)始一次寫(xiě)操作。本文對(duì)DDR3-SDRAM的寫(xiě)處理的時(shí)序要求很高,app_rdy、app_wdf_wren、app_en、以及app_wdf_end必須按照上述規(guī)則配合起來(lái),才能完成寫(xiě)操作,只要有一個(gè)出錯(cuò),沒(méi)有匹配起來(lái),那么寫(xiě)操作就會(huì)出錯(cuò),并且這個(gè)錯(cuò)誤將永遠(yuǎn)的保持下去,直到給MIG核復(fù)位。在兩個(gè)讀開(kāi)始脈沖之間的更新周期內(nèi),必須完成Δv塊的更新,本文設(shè)計(jì)方法能夠保證在兩個(gè)讀開(kāi)始脈沖之間的更新周期內(nèi)完成對(duì)FPGA外掛DDR3-SDRAM的讀寫(xiě)操作,從而完成Δv塊的雜波圖更新處理。
本文所述方法中DDR3-SDRAM工作時(shí)鐘為400M,用戶層的用戶時(shí)鐘是200M。突發(fā)方式為8突發(fā)。雜波圖迭代跟新系數(shù)K值選擇為7/8。試驗(yàn)的相干積累點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn),每個(gè)PRT內(nèi)數(shù)據(jù)采用仿真的脈壓數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)PRT的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)重排,然后對(duì)重排結(jié)果進(jìn)行MTD處理,利用MTD結(jié)果建立雜波圖。在FPGA的線調(diào)試工具ChipScope觀察讀寫(xiě)地址控制邏輯以及雜波圖。讀寫(xiě)更新時(shí)序如圖6所示,圖中nd信號(hào)為開(kāi)始更新的有效信號(hào),表示新雜波數(shù)據(jù)到來(lái)。rd_addr_generate和wr_addr_generate分別表示開(kāi)始產(chǎn)生讀寫(xiě)地址的標(biāo)志信號(hào),讀寫(xiě)地址產(chǎn)生以后,開(kāi)始進(jìn)行讀寫(xiě)操作,讀寫(xiě)操作開(kāi)始的標(biāo)志信號(hào)為rd_pulse和wr_pusle,從圖中可以看出實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)序和圖4所要求的雜波圖更新時(shí)序圖一致。
讀操作如圖7所示。由圖可知讀脈沖rd_pulse到來(lái)時(shí),app_cmd變?yōu)?,開(kāi)始讀操作。當(dāng)app_rdy信號(hào)為高時(shí),在app_en保持高電平期間讀地址賦值給app_addr信號(hào),完成了一次讀操作,當(dāng)app_rdy變低時(shí)app_en變?yōu)榈碗娖剑?app_addr和app_cmd保持當(dāng)前狀態(tài)一直到app_rdy變高。讀操作滿足DDR3讀要求,與設(shè)計(jì)相符合。
寫(xiě)操作如圖8所示。由圖可知每個(gè)寫(xiě)脈沖wr_pulse到來(lái)時(shí), app_cmd信號(hào)置為0,開(kāi)始寫(xiě)操作。當(dāng)app_rdy信號(hào)為高時(shí),當(dāng)寫(xiě)地址賦值給app_addr信號(hào)時(shí), app_wdf_wren信號(hào)保持兩個(gè)工作時(shí)鐘周期的高電,app_wdf_end保持一個(gè)周期高電平,且app_wdf_end的一個(gè)周期的高電平與app_wdf_wren兩個(gè)高電平周期的最后一個(gè)周期嚴(yán)格對(duì)齊。當(dāng)app_wdf_wren信號(hào)為低時(shí),app_en信號(hào)變高,將數(shù)據(jù)和地址送入MIG核,完成一次寫(xiě)操作。當(dāng)app_rdy變低時(shí),如果app_wdf_wren和app_wdf_end已經(jīng)使能,但是app_en未使能時(shí),保持當(dāng)前app_en的低電平直到app_rdy變高。如果app_wdf_wren和app_wdf_end未使能,則保持app_en當(dāng)前狀態(tài),并且不使能app_wdf_wren和app_wdf_end信號(hào),一直到app_rdy信號(hào)變高,才能開(kāi)始一次寫(xiě)操作。從圖中可知寫(xiě)操作滿足設(shè)計(jì)要求。
MTD后的數(shù)據(jù)和建立的雜波圖如圖9所示,其中圖(a)為雜波圖數(shù)據(jù),圖(b)為MTD處理后的數(shù)據(jù),圖中雜波圖和MTD后的二維多普勒平面按照順序的方式顯示。由于為固定的信號(hào)形式,因此經(jīng)過(guò)若干個(gè)相干處理間隔后,雜波圖和MTD處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)該近似一致。從圖中可以看出圖(a)和圖(b)近似一致,因此本文提出的方法能夠很好的建立起雜波圖,雜波圖的結(jié)果達(dá)到了預(yù)期。
由于存儲(chǔ)量較大,傳統(tǒng)的雜波圖不能夠進(jìn)行精細(xì)劃分,這導(dǎo)致來(lái)雷達(dá)檢測(cè)能力下降以及雜波環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)。本文將兩片DDR3-SDRAM并聯(lián)為一簇來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)操作,在對(duì)雜波幅度位寬進(jìn)行變換的基礎(chǔ)上,提出了一種五維立體雜波圖的實(shí)現(xiàn)方法,通過(guò)FPGA對(duì)DDR3-SDRAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作,利用遞歸濾波器對(duì)雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,并進(jìn)行數(shù)據(jù)變換處理,完成雜波圖的建立。試驗(yàn)結(jié)果表明:本設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)雜波圖的讀寫(xiě)及更新邏輯,同時(shí)雜波位寬的變換使得存儲(chǔ)量可以翻倍,特別是對(duì)于作用距離遠(yuǎn),工作模式多、雜波圖存儲(chǔ)量大的大型相控陣?yán)走_(dá)來(lái)說(shuō),本設(shè)計(jì)具有一定的價(jià)值。
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