系统工程与电子技术 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (2): 398-405.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2025.02.07

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一种伯努利粒子滤波器的FPGA实现

连红飞, 李东升, 蒋彦雯, 范红旗, 肖怀铁, 王国嫣   

  1. 国防科技大学电子科学学院自动目标识别全国重点实验室, 湖南 长沙 410073
  • 收稿日期:2023-09-25 出版日期:2025-02-25 发布日期:2025-03-18
  • 通讯作者: 范红旗
  • 作者简介:连红飞 (1997—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为毫米波雷达阵列成像、嵌入式实时信号处理
    李东升 (1994—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为多目视觉即时定位与地图创建、目标跟踪
    蒋彦雯 (1991—), 女, 副教授, 博士, 主要研究方向为阵列雷达成像、精确制导应用
    范红旗 (1978—), 男, 研究员, 博士, 主要研究方向为主动感知系统、目标跟踪、信息融合与智能导引
    肖怀铁 (1966—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为自动目标识别、雷达信号处理、机器学习
    王国嫣 (1989—), 女, 讲师, 博士, 主要研究方向为激光、多目视觉即时定位与地图创建、多源信息融合、人机交互
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(62303478)

FPGA implementation of a Bernoulli particle filter

Hongfei LIAN, Dongsheng LI, Yanwen JIANG, Hongqi FAN, Huaitie XIAO, Guoyan WANG   

  1. National Key Laboratory of Automatic Target Recognition, College of Electronic Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
  • Received:2023-09-25 Online:2025-02-25 Published:2025-03-18
  • Contact: Hongqi FAN

摘要:

针对伯努利粒子滤波器在嵌入式应用环境中的高速、高效计算问题, 以雷达微弱目标联合检测估计伯努利粒子滤波器为例, 提出一种功能模块化、粒子规模可扩展的现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)实现架构, 并通过粒子状态流水计算、分层累加求和、并行化重采样等手段进一步提高滤波计算速度。Xilinx ZC706评估板板载测试实验证明了所提架构良好的可扩展性和优异的加速比, 当粒子数量为1 024时, 相较于Intel Core i3-4130 CPU计算环境下的加速比约为104量级, 该结果对伯努利粒子滤波技术在雷达、机器人、导航制导等领域的应用具有重要参考价值。

关键词: 伯努利粒子滤波器, 现场可编程门阵列, 实时信号处理, 流水并行化, 重采样, 联合检测估计

Abstract:

Aiming at the high-speed and efficient computing problem of Bernoulli particle filters in embedded application environments, taking the Bernoulli particle filters for joint detection and estimation of radar weak targets as an example, a function modularized and particle size scalable field programmable gate array (FPGA) implementation architecture is proposed. The computing speed of filtering calculation is further improved through approaches as particle state pipelining, layered accumulation and sum, and parallel resampling, etc. Xilinx ZC706 evaluation board on-board testing experiments have demonstrated the good scalability and excellent acceleration ratio of the proposed architecture. When the number of particles is 1 024, the acceleration ratio is about 104 orders of magnitude compared to the Intel Core i3-4130 CPU computing environment. The results have important reference value for the application of Bernoulli particle filtering technology in radar, robotics, and navigation guidance fields.

Key words: Bernoulli particle filter, field programmable gate array (FPGA), real-time signal processing, pipelining parallelization, resample, joint detection and estimation

中图分类号: