梁璐

(中國電子科技集團(tuán)第二十研究所,陜西西安 710068)

0 引言

雷達(dá)信號處理過程對周期信號的處理有很高的實(shí)時性要求,以往單核處理器功耗大,處理能力有限,并且在數(shù)據(jù)運(yùn)算率和總線傳輸方面均有一定的局限性,盡管多個單核處理器并行處理也能滿足要求,但是眾多的接口交互導(dǎo)致軟件架構(gòu)過于復(fù)雜。多核處理器適用于現(xiàn)代雷達(dá)體制,無論是在存儲能力和運(yùn)算效率等方面更能滿足系統(tǒng)對于實(shí)時性和功能的要求。以往眾多雜波抑制方法受限于硬件存儲能力,因此在工程實(shí)現(xiàn)中對于雜波圖的應(yīng)用不多。

本文硬件應(yīng)用了TI的C66系列8核處理器。TMS320C 6678是基于TI的KeyStone多核架構(gòu)的高性能定/浮點(diǎn)DSP,主頻可達(dá)到1.25GHZ,單核可以提供40GMAC定點(diǎn)計(jì)算或者20GFLOP浮點(diǎn)計(jì)算能力,可在10W功耗下實(shí)現(xiàn)160GFLOP的性能[1],硬件外部掛接4片256M的DDR3,能滿足我們對于大數(shù)據(jù)量存儲空間的要求。文中主要在此硬件基礎(chǔ)的條件下,實(shí)現(xiàn)了一種時域恒虛警處理,也稱雜波圖恒虛警[2]。

1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于固態(tài)化搜索雷達(dá),掃描范圍大,測量距離遠(yuǎn),且應(yīng)用場景較多,可用于海事交通,岸島,陸基等。為了滿足實(shí)時性要求,本系統(tǒng)硬件選用DSP結(jié)合FPGA的架構(gòu),充分利用了FPGA的流水處理性能和DSP多核的并行運(yùn)算性能。FPGA接收A/D采樣數(shù)據(jù),做下變頻,經(jīng)脈沖壓縮處理通過SRIO接口送至DSP,DSP做積累以及雜波處理。這里主要介紹DSP與FPGA之間的通信接口以及所實(shí)現(xiàn)的雜波處理方法。

主要軟件功能如圖1所示,FPGA與DSP之間傳輸接口為SRIO,SRIO作為高帶寬、系統(tǒng)級的基于數(shù)據(jù)包交換的互聯(lián)接口,主要應(yīng)用在芯片與芯片之間以及單板與單板之間,可以提供每秒GByte 的高速數(shù)據(jù)交互,它是基于內(nèi)存和處理器總線的設(shè)備尋址,具有更低的延時、減少數(shù)據(jù)包處理的開銷同時可以提高系統(tǒng)帶寬[3]。

圖1 TMS320C6678和FPGA功能劃分Fig.1 TMS320C6678 and FPGA function division

2 雜波處理方法及實(shí)現(xiàn)

長期以來通過對時域中海雜波特性變化的分析觀察,其變化相對緩慢,而雜波圖CFAR檢測方法在背景雜波分布均勻和非均勻的情況下均可以穩(wěn)定工作[4],同時為了解決靜態(tài)雜波圖算法設(shè)計(jì)的不足,我們采用動態(tài)雜波圖的方法,不僅能夠根據(jù)雷達(dá)周邊環(huán)境的變化及時更新雜波圖,也能利用非相參積累提高信噪比,更能有效提高檢測性能。

動態(tài)雜波圖對于存儲能力的要求高,需要有足夠的存儲區(qū)用以存儲每個方位-距離單元的數(shù)據(jù),因此硬件上選用了4片256Mb的DDR3。假設(shè)雷達(dá)的距離單元為m個,方位單元為n個,雜波圖存儲器至少需要一個容量為nm的數(shù)據(jù)存儲器。由于雷達(dá)接收的雜波是一個隨機(jī)過程,天線不同的掃描周期所得到的信號強(qiáng)度是時變的,所以,雜波圖的建立是一個不同掃描周期對數(shù)據(jù)平均的過程。具體步驟如圖2所示:

圖2 雜波圖算法流程Fig.2 Clutter map algorithm flow

2.1 初始化雜波圖存儲區(qū)

根據(jù)回波信號采樣的數(shù)據(jù)量提前計(jì)算存儲雜波圖所需存儲空間大小,分別以多種工作方式為條件將存儲器按天線旋轉(zhuǎn)一周的掃描方位如圖3所示按方位距離單元的劃分方法,方位和距離單元分別選擇最大數(shù)據(jù)量的單元數(shù)劃分地址存儲空間。

圖3 天線掃描存儲單元劃分方法Fig.3 Antenna scanning storage unit division method

2.2 非相參積累

首先對接收回波信號,經(jīng)過采樣脈壓之后,做非相參積累。將脈壓后的數(shù)據(jù)求模結(jié)果為sn,m(k),把m個發(fā)射周期的數(shù)據(jù)相加得到Dn,m(l),計(jì)算過程參照表達(dá)式(1～2):

其中,Re為信號實(shí)部,Im為信號虛部,k表示第幾個重復(fù)脈沖信號。

2.3 幀間遞歸數(shù)據(jù)和單元平均選大恒虛警門限

對非相參積累后的數(shù)據(jù)Dn,m(l)分別進(jìn)行恒虛警門限計(jì)算以及幀間遞歸濾波。

(1)將非相參積累后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階遞歸濾波,將前一幀的雜波圖結(jié)果與當(dāng)前幀輸入做數(shù)據(jù)平均,具體公式如下:

式3中En,m表示n*m個方位-距離單元上的雜波圖,Dn,m表示當(dāng)前輸入數(shù)據(jù),“l(fā)-1”表示前一個天線掃描周期,En,m(l-1)表示前一拍的雜波圖數(shù)據(jù),“l(fā)”表示當(dāng)前掃描周期,En,m(l)表示當(dāng)前拍計(jì)算的雜波圖。

(2)將非相參積累后的數(shù)據(jù)采用滑窗的方式進(jìn)行單元平均選大恒虛警[5]處理計(jì)算CFAR門限。首先設(shè)置參考單元與保護(hù)單元的個數(shù),按照圖4所示,假設(shè)參考單元有r個,保護(hù)單元有p個,將做完非相參積累后的一個波位上的數(shù)據(jù)分三段重新排序,如下式(4)至(6):

圖4 滑窗單元平均選大恒虛警檢測器結(jié)構(gòu)Fig.4 The sliding window unit averagely selects the structure of the Daheng false alarm detector

其中temp=p+r;p為保護(hù)單元個數(shù),r為參考單元個數(shù)。

以計(jì)算第一個距離單元數(shù)據(jù)門限為例,參考式(4)排序之后對數(shù)組a1做處理,用前面r個數(shù)據(jù)求和平均G_ave1[0]= a1[i]/r與a1[2*p+r+1]起始的r個數(shù)據(jù)求和平均后的值G_ave2[0]= a1[i]/r比較,選擇大的值乘以比例因子K得到最終的門限值Gen[0];第二個單元的門限求解在第一個單元求和 a1[i]的基礎(chǔ)上減去前一個單元值a1[0],加上排序后a1[r]單元的值求平均得到當(dāng)前單元的G_ave1[i]和G_ave2[i]即

比較兩者選出較大的值作為恒虛警門限Gen[1]。各方位-距離單元的門限值依次按公式(7)～(8)計(jì)算。

2.4 經(jīng)雜波處理后數(shù)據(jù)的選擇性輸出

利用單元平均選大恒虛警解算出的CFAR門限值與存儲的雜波圖數(shù)據(jù)比較選出較大值即K1*E(l)(i)>Gen(i)?K1*E(l)(i):Gen(i)的結(jié)果作為門限值與當(dāng)前一幀同一方位-距離單元上的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,最終將大于門限的值原樣輸出,小于門限的值輸出0。

工程應(yīng)用中常采用一種名為雜波輪廓圖[6]的方法,此方法按照距離-方位單元來存儲雜波存在與否的標(biāo)志“1”或“0”。作用是為了選擇性輸出控制信號檢測通道,其中“1”代表存在雜波,選取MTD(或MTI)相參處理支路的輸出,“0”代表不存在雜波,選取正常處理支路的輸出,這樣既降低了運(yùn)算量,同時也降低了對所有數(shù)據(jù)做MTD(或MTI)檢測時產(chǎn)生的非必要的性能損失。然而這種方法降低了運(yùn)算量和對存儲空間的要求,但是對于回波畫面的顯示效果較為粗略,對于慢速小目標(biāo)的檢測性能不夠明顯。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測試,將雷達(dá)架設(shè)在一定高度,對海事交通進(jìn)行探測,P值定為4,即雜波圖在4幀之后穩(wěn)定消除虛假目標(biāo)和雜波,圖5中顯示為未做雜波圖的非相參積累的原圖,圖中雜波分布雜亂,不容易分辨目標(biāo),圖6為通過4幀恒虛警雜波圖刷新后的處理結(jié)果,圖中對試驗(yàn)現(xiàn)場周邊的地物雜波等零速雜波起到抑制作用,同時結(jié)合GO-CFAR(單元平均選大恒虛警)檢測有利于對動目標(biāo)的提取,對后續(xù)目標(biāo)的點(diǎn)跡航跡處理效果起到至關(guān)重要的作用,同時對畫面的檢測效果更好。

圖5 原始回波顯示Fig.5 Original echo display

圖6 雜波圖處理后的回波Fig.6 Echo after clutter map processing

在TMS320C6678硬件平臺上,按照量程的選擇,從幾公里到幾百公里,選擇處理的數(shù)據(jù)量長度不同,對于百公里以上幾萬點(diǎn)的浮點(diǎn)數(shù)處理應(yīng)用了多核并行處理功能以及多核的核間中斷功能,保證了功能性和實(shí)時性指標(biāo)要求。

4 總結(jié)

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可得結(jié)論:結(jié)合硬件處理芯片TMS320C6678的高速處理性能,同時又可滿足對存儲能力要求較高的工程應(yīng)用需求,達(dá)到穩(wěn)定的處理效果,在雷達(dá)工程計(jì)算中較其他同類產(chǎn)品,在運(yùn)算速度和存儲量兩方面占據(jù)相對優(yōu)勢,在雷達(dá)領(lǐng)域以及對運(yùn)算數(shù)據(jù)量要求較高的其他領(lǐng)域中具有很高的評價,恒虛警雜波圖處理方法抑制零速雜波結(jié)合恒虛警檢測動目標(biāo),對于相對穩(wěn)定海情下海雜波也有一定的抑制,同時也存在一個問題,此方法在消除靜止目標(biāo)的過程中將慢速小目標(biāo)有所損失,因此對于由海雜波的不穩(wěn)定性所帶來的對于慢小目標(biāo)的問題在工程應(yīng)用中還需要繼續(xù)研究。