航海雷達數據高速采集回放系統設計與實現

羅來金，曾連蓀，夏 念

（上海海事大學 信息工程學院，上海 200135）

在現代雷達研制中，普遍需要現場采集大量的雷達信號數據，為雷達數據處理技術研究提供仿真驗證和性能評估的依據。在雷達生產過程中，調試及質檢部門需要檢驗雷達在真實的環境中運行參數。在雷達使用過程中，需要實時記錄雷達的工作狀態信息，便于在出現問題后，進行問題的復現。高性能的雷達數據采集回放設備為應用各種算法對雷達信號數據進行分析提供依據，為檢驗雷達系統工作性能提供了重要的技術手段，為重現雷達探測畫面，分析目標參數雷達系統的優化設計提供依據。因此高速雷達數據采集回放系統在軍用和民用雷達系統中都有廣泛應用[1]。

高速高分辨率的雷達信號采集系統，高帶寬數據傳輸往往成為很多系統的瓶頸，隨著計算機總線技術的發展，PCI總線技術可以解決系統高數據吞吐量的問題[2]。在設計中為了縮短開發時間及提高系統的通用性及可升級性，使用商用PCI-XX高速數據采集卡和PCI-XXX高速數字輸入輸出卡。系統在高速采集的同時，需要實時保存采集到的數據到計算機磁盤，高速磁盤讀寫技術可以在高速采集的同時，將數據存儲在磁盤中，確保數據的完整性[3]。上位機軟件實時監控系統的工作狀態，更好地實現人機交互的功能。軟件中還采用微軟公司提供的DirectX控件，實時模擬航海雷達顯控界面。隨著雷達技術的進步，航海雷達型號多樣化，采集接口板和回放接口板可解決多型號船用導航雷達兼容性問題。整機系統模塊化設計大大提升了系統的通用性和可維護性。

1 雷達數據高速采集回放系統結構

圖1為船用導航雷達數據高速記錄回放系統結構圖。

便攜式工控機通過PCI總線連接PCI-XX高速模擬信號采集卡、PCI-XXX高速數字輸入輸出卡。

圖1 系統結構圖Fig.1 Block diagram of system

采集接口板在采集時完成多種型號雷達視頻信號及其對應標志位信號（觸發、方位、船首、數字羅經、計程儀、GPS等）的標準化處理。

回放接口板在回放時，將計算機存儲并輸出的數字信號轉換成相應的視頻模擬信號及與主脈沖同步的時標信息，同時設計相應的驅動增強電路，保證其有足夠的驅動能力驅動雷達顯示終端。

上位機的軟件則主要使用了采集卡和數據輸入輸出卡提供的SDK，完成數據的采集及存儲。顯示則主要采用DirectX提供的SDK實現雷達畫面的實時顯示[4]。

1.1 硬件結構

1.1.1 采集接口板硬件設計

考慮不同導航雷達視頻信號、標志位信號具有不同的電氣特性，接口板分為擴展模塊和核心模塊，在采集接口板擴展模塊中主要通過模擬電路對雷達收發機發送下來的標志位信號進行調理，即對不同電氣特性（模擬輸入、數字輸入；單端輸入、差分輸入等）的視頻、標志位信號完成阻抗匹配、極性及動態范圍調整等工作。為了以后擴展，在接口板上預留串口、網絡接口及相應的通信、編解碼芯片，保證記錄回放儀能夠滿足多種型號導航雷達的需要。

核心模塊具體工作流程如圖2所示：將處理后的雷達視頻信號、標志位信號提供給采集卡，其中還包括對回波重頻的自適應檢測信號。使用PCI-XX在120 Ms/s采集數據時，只能使用采集卡上的CH-0，而且只能采集模擬信號，不能直接采集雷達的所有標志位信號，考慮到記錄、回放雷達視頻信號時，標志位信號與主脈沖的同步問題，采取“時分復用”的思想在每一個主脈沖視頻信號末尾添加模擬標志位信號的方式解決。通過FPGA（Field-Programmable Gate Array）對各種標志位信號進行編碼并控制高速模擬電子開關對雷達回波視頻信號及編碼信號的銜接。

圖2 核心模塊工作流程圖Fig.2 Flow chart of the core module

如圖3所示，波形1為10海里雷達回波視頻信號和時標編碼信息合為一路輸出波形，其中銜接點是在高速開關切換點。波形2為收發機下來的同步觸發脈沖，從中可以看出接口板工作是與主脈沖同步的。

圖3 接口板輸出波形示波器截圖Fig.3 Oscilloscope output waveform of interface board

采集卡在120 MHz的采樣頻率及14位的量化精度條件下，實時帶寬為120 M×2 B/s=240 MB/s，遠大于PCI總線的132 MB/s的帶寬和硬盤的讀寫速度[5]。為保證系統能穩定存儲及顯示采集到的數據，在2個觸發脈沖之間要留有比較充裕的時間來給PCI進行數據傳輸以及軟件對采集到的信號進行存儲與顯示的時間。具體時序分配如圖4所示。

圖4 數據采集與PCI總線傳輸時序分配圖Fig.4 Timing distribution diagram of data acquisition and PCI bus transfer

其中TS為采樣時間，TDMA為數據由采集卡傳入系統內存占用的時間，Tstorage為數據寫入硬盤占用的時間，Tvacanyc為軟件完成數據顯示以及其他操作的時間。

1.1.2 PCI-XX和PCI-XXX卡的特性

PCI-XX是一款基于 PCI總線的雙通道 65 Ms/s、14位A/D分辨率的高速高分辨率數字化儀。具有多種觸發模式、多卡同步、自校準功能。它的輸入配置十分靈活（包括可編程輸入范圍和用戶自定義輸入阻抗）。借助于大容量板載采集內存SODIM SDRAM，PCI-XX通過DMA和Scatter Gather不會被PCI總線132 MB/s的帶寬所限制，并且可以在很長的時間內進行波形記錄。借助于“乒乓”操作模式，采樣率在使用內部時鐘時高達120 Ms/s，在外部時鐘條件下可以高達130 Ms/s。PCI-XX適合于高速波形捕捉，例如雷達和超聲波等[6]。

PCI-XXX是一款基于PCI總線，32通道的數字輸入/輸出的超高速輸入輸出卡，適合高速數字信號傳輸、數字模式波形發生和捕獲及邏輯分析等應用。配合DMA和Scatter Gather，PCI-XXX最高數字傳輸速率高達80 MB/s[7]。

1.1.3 回放接口板硬件電路設計

數據輸出卡PCI-XXX輸出的是采集到的數字信號 （其中包含視頻信號及軟件處理過的標志位信號），因此需要設計回放接口板卡，將數字視頻信號轉換為模擬信號，并從中解碼出相應的標志位信號，并且轉換后的信號應該能有足夠的驅動能力驅動雷達顯示終端，實現對雷達信號的復原。

在回放接口板中主要通過FPGA控制雙口FIFO及DA進行讀寫操作。FPAG完成對編碼信號的解碼，同時控制FIFO及DA的讀寫，FIFO完成數據輸出卡到D/A之間的數據緩存，D/A完成雷達視頻信號的復原。

1.2 高速雷達數據采集軟件結構

軟件的基本功能及流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart of software

1）數據實時記錄 包括導航雷達視頻信號、標志位信號以及重頻的變化；實時記錄內容還包括采集數據時的狀態信息。

2）實時顯示 包括雷達視頻數據以及記錄的標志位、海況、數據記錄過程中突發事件等的顯示。在記錄、回放數據時顯示采集狀態和采集數據。

3）實時回放 系統回放時將磁盤中的數據讀出后進行信號的同步處理，然后將處理后的數據送到數據輸出卡。

圖6 人機界面Fig.6 Man-machine interface

如圖6所示，記錄回放軟件的操控界面主要分為2個顯示區（數據顯示區域P顯、數據顯示區域A顯），和3個操控區（設置菜單初始化、顯控菜單、輔助功能交互區）。雷達回波顯示模式包括P顯和A顯：P顯以點顯示主脈沖回波數據，A顯以波形方式顯示指定方位的主脈沖回波數據，方便小目標回波信號的觀察與分析。操控區主要是便于實時查看系統的工作狀態和調節系統的顯示畫面。

2 實驗結果及分析

經過長時間船載測試表明該采集回放系統能夠采集多種型號導航雷達視頻信號、多種標志位信號，使用自定義的數據格式，以文件形式記錄到計算機硬盤，也可以將保存的數據文件還原為原始的雷達視頻及多種標志位信號發送給雷達顯控終端，復現導航雷達工作的真實情況。通過對比記錄回放儀記錄的數據和實際雷達獲得數據，誤差很小，符合設計技術指標要求。

3 結 論

系統采用便攜式工控機及高速數據采集卡，數字輸入輸出卡，配合信號采集接口板及回放轉接板，采用“時分復用”的思想設計并實現了單通道采集卡對多路雷達信號采集實時顯示系統。隨著高速傳輸總線技術及高速磁盤存儲技術的發展，在今后的研究中可以采用更高速的傳輸總線如PCIE，PCI-X等，軟件設計中加入壓縮算法和圖形顯示算法，提高數據采集系統的效率，使得系統能存儲更多的雷達數據，展示更好的實時顯示效果。

[1]宋杰，何友.基于FPGA的超高速雷達信號實時采集存儲系統[J].電子技術應用，2005（11）：18-20.SONG Jie，HE You.FPGA-based high-speed real-time radar signalacquisition and storage systems [J].Electronic Applications，2005 （11） ：18-20.

[2]葛起翔.基于PCI總線的高速雷達數據采集回放系統的研制[D].南京：南京信息工程大學，2007.

[3]李軍，孫朋舉，龍方.基于高速磁盤陣列的數據采集系統及其應用[J].艦船電子對抗，2002（6）：17-19.LI Jun， SUN Peng-ju，LONG Fang.Data acquisition system and its application based on high-speed disk array[J].Shipboard Electronic Warfare，2002 （6）：17-19.

[4]武永康.DirectDraw原理與API參考[M].北京：清華大學出版社，2000.

[5]Shanley T，Aderson D.PCI系統結構[M].4版.劉暉，譯.北京：電子工業出版社，2000.

[6]凌華科技（ADLINK）.PCI-xx Datasheet 09[EB/OL].（2010-07-27）[2011-03-11]http：//www.adlinktech.com/PD/cn/PD_detail.php?cKind=&pid=358&seq=&id=&sid=.

[7]凌華科技（ADLINK）.PCI-xxx Datasheet 10[EB/OL].（2010-02-03）[2011-03-11]http：//www.adlinktech.com/PD/cn/PD_detail.php?cKind=&pid=787&seq=&id=&sid=.