張雨輪 徐 瑋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

多核DSP基于循環(huán)緩沖結(jié)構(gòu)的SAR方位預(yù)濾波設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張雨輪 徐 瑋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

本文介紹了某輕小型雷達(dá)系統(tǒng)中，基于多核DSP實(shí)現(xiàn)SAR方位向預(yù)濾波。借助C6678強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算性能和自帶的SYSBIOS多核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠在保證雷達(dá)系統(tǒng)控制精度的前提下，完成基于循環(huán)緩沖結(jié)構(gòu)的SAR方位向預(yù)濾波。該方法兼具靈活性和大運(yùn)算量下的實(shí)時(shí)性要求，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明了該方法是正確而有效的。

SAR方位預(yù)濾波；多核DSP；循環(huán)緩沖；

0 引言

機(jī)載SAR實(shí)時(shí)成像雷達(dá)由于不受天氣和晝夜等因素的影響，能夠?qū)Φ孛鎴?chǎng)景進(jìn)行較高分辨率成像，是一種重要的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和偵察手段。與一般的測(cè)距雷達(dá)不同，SAR成像雷達(dá)需要對(duì)回波的方位向進(jìn)行壓縮處理以得到方位向的高分辨[1]。而在進(jìn)行方位向壓縮以前，需要進(jìn)行方位向預(yù)濾波處理。這是因?yàn)榛夭ǖ腜RF一般比回波的多普勒帶寬大幾倍需要進(jìn)行抽取，而通過(guò)預(yù)濾波的低通濾波處理可以提高信號(hào)信噪比；通過(guò)預(yù)濾波處理還可以降低數(shù)據(jù)率和數(shù)字信號(hào)帶寬。

本文提出了一種基于循環(huán)緩沖結(jié)構(gòu)的SAR方位預(yù)濾波方法。不同于已經(jīng)成熟的基于FPGA的方位預(yù)濾波[2]，或者是DSP基于信號(hào)流觸發(fā)的方位預(yù)濾波方法，本文方法能夠作為一個(gè)模塊嵌入到雷達(dá)中心控制單元實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，在保證兩種性能的同時(shí)又不失靈活性，能夠降低整個(gè)系統(tǒng)功耗和板卡數(shù)量。

1 方位向預(yù)濾波

方位向預(yù)濾波從本質(zhì)上看就是對(duì)每條距離向數(shù)據(jù)與低通濾波器進(jìn)行時(shí)域卷積，然后對(duì)濾波輸出進(jìn)行重采樣。因此，預(yù)濾波運(yùn)算的關(guān)鍵點(diǎn)有二，一個(gè)是FIR低通濾波器設(shè)計(jì)，一個(gè)就是采用該濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行乘累加運(yùn)算并抽取，并盡可能降低系統(tǒng)時(shí)間和資源開(kāi)銷。

FIR濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

其中N為濾波器階數(shù)，h(i)為第i階FIR系數(shù),x(i) 為第i個(gè)輸入數(shù)據(jù),因此對(duì)于某一條方位向輸出即為輸入數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的FIR系數(shù)相乘之后的累加結(jié)果。濾波器輸出間隔為該級(jí)濾波器抽取率，它決定了乘累加運(yùn)算的輸入數(shù)據(jù)步進(jìn)起始間隔[3]。

FIR低通濾波器能夠?yàn)V除通頻帶以外的無(wú)用信號(hào)，但由于回波信號(hào)的fdc常常不為0，因此需要準(zhǔn)確估算fdc以使有用信號(hào)盡可能多的通過(guò)FIR低通濾波器。

本文采用慣導(dǎo)法進(jìn)行fdc估計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)參數(shù)與濾波器設(shè)計(jì)

信號(hào)PRF：2000Hz

距離像點(diǎn)數(shù)：16384(I路16bit，Q路16bit)

最大抽取率：8

濾波器階數(shù)：大于108階；

濾波器輸入緩沖最大存儲(chǔ)容量：2G。

可以看出，片內(nèi)存儲(chǔ)資源不是限制系統(tǒng)性能的瓶頸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多級(jí)預(yù)濾波級(jí)聯(lián)的方式，濾波器分為三級(jí)，其中第一、二級(jí)為半帶濾波(分別為6階，18階)以利于工程實(shí)現(xiàn)，分別濾波至1000Hz抽2，濾波至500Hz抽2處理；最后一級(jí)濾波擬采用階數(shù)較高的低通濾波，根據(jù)成像模式的不同決定是否抽取。

2.2 預(yù)濾波循環(huán)緩沖結(jié)構(gòu)

常規(guī)的SAR方位預(yù)濾波采用標(biāo)準(zhǔn)的“輸入輸出”模型，即將單級(jí)或多級(jí)預(yù)濾波系數(shù)存儲(chǔ)在寄存器上，當(dāng)有新的prf數(shù)據(jù)到來(lái)以后進(jìn)行存儲(chǔ)，只要當(dāng)前的prf計(jì)數(shù)滿足抽取率要求，立即進(jìn)行卷積運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果輸出[4]。需要頻繁響應(yīng)系統(tǒng)中斷。

系統(tǒng)采用基于C6678的8核DSP，中心控制單元運(yùn)行于SYSBIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中。SYSBIOS提供了多任務(wù)，信號(hào)量和豐富的內(nèi)存管理機(jī)制，具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算性能。本文方法是將預(yù)濾波作為一個(gè)模塊，在保證雷達(dá)中心機(jī)嚴(yán)格實(shí)時(shí)性的前提下，完成SAR方位預(yù)濾波處理。

本文方位預(yù)濾波器對(duì)參與預(yù)濾波的所有距離向數(shù)據(jù)采用輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū)存儲(chǔ)，乘累加尋址方式。使用時(shí)，首先分配內(nèi)存，并進(jìn)行緩沖區(qū)參數(shù)初始化。在heap中分配桶形濾波器緩沖區(qū)存儲(chǔ)空間。定義結(jié)構(gòu)體：定義輸出方位向個(gè)數(shù)，輸出基地址，以及輸出的讀指針，寫指針，濾波器級(jí)數(shù)；同時(shí)定義輸入方位向個(gè)數(shù)，輸入基地址，以及輸入的讀指針，寫指針。濾波器系數(shù)指針，濾波器級(jí)數(shù)，降采樣率等。

為了保持預(yù)濾波操作的連續(xù)性，輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū)采用首尾相接的，類似 “桶形”設(shè)計(jì)，以保證乒乓操作時(shí)預(yù)濾波取數(shù)的連續(xù)性。

初始化輸入讀、寫指針，輸出讀寫指針為0。在核0的中斷服務(wù)程序中，已經(jīng)將當(dāng)前prf數(shù)據(jù)(連同幀頭)存儲(chǔ)在桶形緩沖區(qū)中，并加1為下一次寫地址做準(zhǔn)備。當(dāng)寫prf個(gè)數(shù)大于某個(gè)閾值(如1024)時(shí)，啟動(dòng)基于msg的IPC中斷，通知核1～核7進(jìn)行預(yù)濾波運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)束后修改讀指針為下一次預(yù)濾波塊處理做準(zhǔn)備。

3 核間通信IPC

核間IPC的資源配置時(shí)通過(guò)SYSBIOS的cfg文件實(shí)現(xiàn)的，而IPC的初始化通過(guò)在主核的ipc_start()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。多核間IPC通信實(shí)現(xiàn)預(yù)濾波消息傳遞的流程如下所述：

(1)由核0收集數(shù)據(jù)。

(2)調(diào)用messageQ_open，發(fā)起一次分布式處理消息，通過(guò)messageQ_put()通知核1～7進(jìn)行處理。

(3)從核messageQ_get()處理，處理完成通過(guò)messageQ應(yīng)答主核。

(4)主核收到應(yīng)答后，標(biāo)志當(dāng)前塊預(yù)濾波已經(jīng)處理完畢，繼續(xù)查詢乓緩沖區(qū)是否到達(dá)處理閾值，準(zhǔn)備下一塊預(yù)濾波處理。

4 方位預(yù)濾波實(shí)現(xiàn)流程

FIR濾波器采用級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)。核0是主控核，通過(guò)EDMA，SRIO完成數(shù)據(jù)輸入和輸出；核1～核7為從核，分距離段對(duì)回波進(jìn)行預(yù)濾波處理。

程序具體流程如下：

1)輸入緩沖區(qū)，輸出緩沖區(qū)空間申請(qǐng)，讀寫指針初始化。

2)核0收到數(shù)據(jù)中斷后，進(jìn)行fdc估計(jì)并將數(shù)據(jù)和幀頭通過(guò)EDMA發(fā)送到MSMC，調(diào)用內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行多普勒中心校正和定點(diǎn)轉(zhuǎn)浮點(diǎn)運(yùn)算，結(jié)果直接保存在in_wr指向的地址單元。in_wr加1.

3)核0判斷prf個(gè)數(shù)是否滿足方位向處理閾值，如果是，更新除第一級(jí)外各級(jí)濾波器in_wr指針，并釋放信號(hào)量通知另一個(gè)task直接啟動(dòng)IPC分布式核間消息機(jī)制。

4)從核收到IPC消息，開(kāi)始進(jìn)行預(yù)濾波處理。由于預(yù)濾波級(jí)數(shù)，各級(jí)濾波器階數(shù)，輸入數(shù)據(jù)塊和濾波器系數(shù)已有，從核只需要按照距離向分段處理即可。

以其中一級(jí)濾波操作為例，循環(huán)次數(shù)為當(dāng)前塊輸入方位向個(gè)數(shù)，步進(jìn)為該級(jí)抽取率。循環(huán)內(nèi)進(jìn)行預(yù)濾波卷積運(yùn)算，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)地址取值。

a)若濾波器末級(jí)，計(jì)算out_wr基地址；若不是濾波器末級(jí)，計(jì)算az_fir[cnt+1]基地址；

b)計(jì)算卷積運(yùn)算輸入數(shù)據(jù)基地址，為了卷積運(yùn)算方便，將數(shù)據(jù)地址指針隨濾波器階數(shù)計(jì)數(shù)降序排列；

c)當(dāng)前濾波器系數(shù)賦值；

d)進(jìn)行一次點(diǎn)乘運(yùn)算；

e)根據(jù)濾波器對(duì)稱性，進(jìn)行剩余(coeff_num-1)/2次乘累加運(yùn)算。

可以看出，步驟d，e耗時(shí)較多，類似的這兩步運(yùn)算同樣調(diào)用內(nèi)聯(lián)函數(shù)以提高效率。內(nèi)聯(lián)函數(shù)文件進(jìn)行優(yōu)化。

5)從核完成運(yùn)算通過(guò)MessageQ通知核0，核0立即更新各級(jí)濾波器的in_rd指針，更新末級(jí)輸出的out_wr指針，更新末級(jí)輸出的out_rd指針，為下一次乒乓做準(zhǔn)備。以out_rd指針為塊的基地址，核0通過(guò)SRIO將方位預(yù)濾波結(jié)果發(fā)送至信號(hào)處理板。

需要說(shuō)明的是，輸入緩沖區(qū)，輸出緩沖區(qū)雖然在物理內(nèi)存上是線性的，但在程序設(shè)計(jì)上是桶形的，并且是乒乓的。這樣，桶形的一塊緩沖區(qū)進(jìn)行預(yù)濾波運(yùn)算，而另一塊緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和積累，而讀寫指針的判斷和賦值過(guò)程，確保了這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性。

5 試驗(yàn)結(jié)果和分析

采用某次0.5m分辨率Ka波段SAR原始數(shù)據(jù)。PRT=500us。程序中，開(kāi)辟輸入緩沖區(qū)乒乓各為1024條距離向數(shù)據(jù)，系統(tǒng)每收到1024個(gè)prt中斷開(kāi)啟一次預(yù)濾波IPC中斷處理，同時(shí)另一塊繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖和積累。經(jīng)過(guò)預(yù)濾波送至實(shí)時(shí)SAR處理單元最終得到的SAR成像結(jié)果如下圖所示：

數(shù)據(jù)距離向16384點(diǎn)，第一級(jí)濾波器為6階抽2，第二級(jí)濾波器為18階抽2，末級(jí)濾波器30階抽2。試驗(yàn)測(cè)試表明，輸入1024點(diǎn)抽8處理的運(yùn)算時(shí)間約為245ms，而PRT=500us情況下要求能夠在512ms內(nèi)完成。因此這種方法能夠保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

結(jié)論：以上關(guān)于多核DSP循環(huán)緩沖結(jié)構(gòu)的SAR方位預(yù)濾波設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在雷達(dá)中心控制單元實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并具有很大的靈活性和程序可移植性。將預(yù)濾波過(guò)程從信號(hào)處理機(jī)中剝離開(kāi)來(lái)，能夠?yàn)槌上裉幚韱卧?jié)省更多的時(shí)間和存儲(chǔ)資源，具有較大的工程價(jià)值。

[1] 保錚，刑孟道，王彤.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2] 孔祥輝，張曉東，李濤，李剛飛，張雨輪.任意抽取率的SAR 方位預(yù)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C].第十三屆全國(guó)雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)，2014.

[3] 張開(kāi)生,汪慧.基于TMS320C6678的SAR方位向預(yù)濾波器的并行實(shí)現(xiàn)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2015,45(2)：35-38.

[4] 陳佳瑩,禹衛(wèi)東.基于TMS320C6415實(shí)現(xiàn)機(jī)載SAR方位向預(yù)濾波處理[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006,22:58-60

[5] Texas Instruments.Bios_User_Guide[R].SPRUEX3L，2012.

DesignandImplementationofMulti-coreDSPofSARAzimuthPre-FilteringBasedonLoop-BufferStructure

Zhang Yulun, Xu WeiB

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

SAR azimuth pre-filtering based on multi-core DSP in a mini-SAR system is introduced. SAR azimuth pre-filtering based on loop-buffer structure can be accomplished with the aid of high float operation performance of C6678’s and SYSBIOS multi-core real-time operation system, meanwhile high control precision of radar system can be maintained. This method possesses high flexibility and real-time performance at high operation load. Test results show that this method is correct and effective.

SAR azimuth pre-filtering; multi-core DSP; loop-buffer

2017-05-08

張雨輪(1987-)，男，碩士研究生。研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)。

TN95

A

1008-8652(2017)03-039-04