基于TMS320C6678的ISAR實(shí)時成像方法研究

楊 剛 向 聰 袁子喬 趙 博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

伴隨著寬帶雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，逆合成孔徑雷達(dá)ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar)的在國防和民用領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加。ISAR 具有全天候、全天時的對飛機(jī)、艦船等遠(yuǎn)程目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像的優(yōu)點(diǎn)，所以一直是雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。經(jīng)過眾多科研工作者這些年來的努力，ISAR 技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟。但I(xiàn)SAR 成像算法計(jì)算量極大，在實(shí)時性要求高的場合，ISAR 的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)繁重的任務(wù)。距離-多普勒(R-D)方法是一種研究比較成熟且應(yīng)用廣泛的ISAR 成像方法，這種方法是基于轉(zhuǎn)臺模型的，該模型假設(shè)雷達(dá)與目標(biāo)之間不存在平動分量，也就是進(jìn)行了非常理想的運(yùn)動補(bǔ)償［1］，這種方法相對簡單，便于工程實(shí)現(xiàn)，本文將采用R-D 方法進(jìn)行成像。

TMS320C6678(后文中簡稱C6678)是TI公司于2010年推出的一款具有業(yè)界領(lǐng)先處理能力的多核DSP 處理器，其采用的是KeyStone 多內(nèi)核架構(gòu)，片內(nèi)集成了8 個C66x 核，每個核都具有定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算能力，同時也集成了SRIO(Serial RapidIO)，PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)等接口，為方便數(shù)據(jù)的搬移，配置了EDMA(Enhanced Direct Memory Access)。TI公司也為開發(fā)人員提供了C6678 的MathLib，DSPlib 等函數(shù)庫。

本文在分析了ISAR 成像流程的基礎(chǔ)上，對成像流程進(jìn)行了合理的劃分，在C6678 上進(jìn)行了并行處理。最后通過仿真數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了并行處理的高效性和成像結(jié)果的正確性。

1 步進(jìn)頻ISAR 成像原理

ISAR 成像的目的是從回波數(shù)據(jù)中求出目標(biāo)散射點(diǎn)的幅度及其在二維平面上的分布。ISAR 成像的方式是，雷達(dá)不動，目標(biāo)相對于雷達(dá)運(yùn)動。步進(jìn)頻ISAR 成像的第一步是對每個CPI的數(shù)據(jù)生成一維距離像。目標(biāo)和雷達(dá)的相對運(yùn)動可以分解為目標(biāo)相對于雷達(dá)的平移運(yùn)動(平動)、目標(biāo)相對于雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(轉(zhuǎn)動)和目標(biāo)自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。平動分量會破壞回波信號之間的相干性，造成ISAR 成像結(jié)果的失真［2］，運(yùn)動補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)就是補(bǔ)償?shù)裟繕?biāo)相對于雷達(dá)的平動部分。

圖1 ISAR 成像流程

1.1 一維距離像原理

ISAR 成像的第一步是利用每個CPI內(nèi)的回波數(shù)據(jù)得到一維距離像。線性調(diào)頻步進(jìn)信號合成高分辨距離像的方法中，首先對子脈沖回波進(jìn)行脈沖壓縮得到粗分辨距離像，然后對一個CPI內(nèi)的粗分辨距離像進(jìn)行IFFT 得到高分辨距離像。為降低采樣損失，一般參數(shù)的選擇使得IFFT 處理結(jié)果有部分重疊，按照一定的準(zhǔn)則，從IFFT 結(jié)果中選取一些點(diǎn)，組成完備一維距離像的過程就是目標(biāo)抽取算法［3］。

目標(biāo)抽取算法已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用較多的方法有同距離舍棄法、同距離選大法和同距離累加法，這三種方法是分別對IFFT 結(jié)果中重疊部分進(jìn)行舍棄、選大和累加取平均操作實(shí)現(xiàn)的。另外，文獻(xiàn)［4］提到了移位抽取法一種降低抽取損失，該方法是通過將抽取窗與目標(biāo)同步移動實(shí)現(xiàn)的。綜合考慮，本文中采用了移位抽取法來實(shí)現(xiàn)一維距離像。

文獻(xiàn)［5］指出當(dāng)目標(biāo)速度比較高時，在脈沖持續(xù)時間內(nèi)目標(biāo)和雷達(dá)之間距離不變的假設(shè)不再成立，要想得到高分辨一維距離像，需要進(jìn)行高速運(yùn)動補(bǔ)償，假設(shè)通過窄帶計(jì)算的目標(biāo)速度為v1，第k 個脈沖對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)為s(k)，脈沖重復(fù)時間為Tr，則一維距離像的高速運(yùn)動補(bǔ)償公式見式(1)。ISAR成像流程如圖1所示。

1.2 包絡(luò)對齊

包絡(luò)對齊的目的是消除由于目標(biāo)相對于雷達(dá)的平動帶來的相鄰一維距離像的錯位問題。目前應(yīng)用較多的方法是相鄰互相關(guān)法［6］，該方法假設(shè)目標(biāo)平動造成的相鄰一維距離像之間的包絡(luò)變化較小，有較強(qiáng)的相關(guān)性，一般情況下，ISAR 成像可以滿足該條件。互相關(guān)的計(jì)算可以采用復(fù)包絡(luò)，也可以采用實(shí)包絡(luò)，本文中采用實(shí)包絡(luò)，公式為:

根據(jù)互相關(guān)最大值的位置可以確定相鄰距離像偏移的距離單元數(shù)(第i個距離像偏移的距離單元數(shù)記為ri)。為減少累加誤差，本文中是將每個距離像與前面所有距離像移位后的加權(quán)值進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算來求偏移的距離單元數(shù)。

由式(2)所得的偏移量為采樣間隔的整數(shù)倍，為提高包絡(luò)對齊的精度，一般是先對距離像進(jìn)行插值操作，然后再做相鄰互相關(guān)。考慮到距離像的間隔時間相同，成像時間很短，假設(shè)在成像期間目標(biāo)速度不變，那么，求得的偏移距離單元數(shù)與距離像編號應(yīng)為線性關(guān)系，通過對所求距離像偏移距離單元進(jìn)行最小二乘擬合，得到偏移距離單元r和距離像i之間的線性關(guān)系:

利用最后一個距離像的偏移單元rN和第一個距離像的偏移單元ri可以求得目標(biāo)速度v，進(jìn)而對每個距離像進(jìn)行包絡(luò)對齊。

1.3 相位補(bǔ)償

相位補(bǔ)償中應(yīng)用比較廣泛的方法是多普勒中心跟蹤法［6］，其實(shí)現(xiàn)方法是，將包絡(luò)對齊后的距離像中，相鄰距離像的各距離單元相位差進(jìn)行加權(quán)平均，所得結(jié)果作為相鄰距離像的多普勒中心相位差，計(jì)算公式為:

2 實(shí)時成像方案

本系統(tǒng)中所采用的CPI數(shù)為256，脈沖數(shù)為16，距離單元數(shù)為128，目標(biāo)抽取時在每個IFFT 結(jié)果中抽取4 個點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了FPGA+DSP 的處理方式，二者通過RapidIO 接口傳輸數(shù)據(jù)。FPGA 對每個CPI內(nèi)的回波數(shù)據(jù)做完距離向壓縮后，連同通過窄帶信號計(jì)算出的速度v1一起發(fā)給DSP，DSP 繼續(xù)后續(xù)流程，本文主要討論DSP 處理流程。并行處理模型有兩種，主從模式和數(shù)據(jù)流模式［7］，主從模式比較適合此系統(tǒng)的處理流程，本系統(tǒng)中選取核0 作為主核，核1-7 作為從核，八個核進(jìn)行并行處理。

圖2 主核流程圖

2.1 數(shù)據(jù)存儲

C6678 中每個核都包含512KB 的二級存儲器(LL2)，八個核共享4MB 的共享存儲區(qū)(MSM)，同時DSP 還支持8GB 的DDR3 存儲器。本系統(tǒng)中采用的存儲原則是，數(shù)據(jù)量大的和八個核共享的數(shù)據(jù)存儲在MSM 中，并行運(yùn)算時每個核獨(dú)立處理的、數(shù)據(jù)量小的和臨時的數(shù)據(jù)存儲在LL2 中。

在計(jì)算時為避免多核對MSM 的訪問沖突消耗時間，在計(jì)算前把每個核需要的數(shù)據(jù)通過EDMA 搬進(jìn)LL2，在計(jì)算完成后將計(jì)算結(jié)果同樣通過EDMA搬至MSM。C6678 中擁有3 個CC(Channel Controller)，10 個TC(Transfer controller)，對應(yīng)關(guān)系為CC0(TC0，TC1)，CC1(TC0，TC1，TC2，TC3)和CC2(TC0，TC1，TC2，TC3)。10 個TC 可以被配置起來同時執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)中為每個核配置了一個固定的TC 用來傳輸數(shù)據(jù)，這樣在多核同時傳輸數(shù)據(jù)時可以提高效率。

2.2 核間同步

主核和從核可以通過IPC 和Semaphore 進(jìn)行同步的，當(dāng)需要開始執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)時，主核根據(jù)任務(wù)類型給從核發(fā)送帶有不同中斷信息的IPC 中斷，然后主核開始進(jìn)行自身的計(jì)算。從核X 接收到中斷后，首先請求占有Semaphore X，然后根據(jù)不同的中斷信息執(zhí)行不同的任務(wù)，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，釋放Semaphore X。主核執(zhí)行完自身計(jì)算后，通過檢查Semaphore 1-7 的狀態(tài)來判斷從核的計(jì)算是否完成，待所有核計(jì)算完成一個任務(wù)后，主核開始進(jìn)行下一任務(wù)的分發(fā)計(jì)算。

2.3 任務(wù)分配

本系統(tǒng)中任務(wù)分配的原則是計(jì)算量小的，不利于并行計(jì)算的以及時間能夠滿足要求的任務(wù)由一個核進(jìn)行計(jì)算，對于計(jì)算量比較大的且可以并行計(jì)算的任務(wù)，分發(fā)給八個核同時進(jìn)行計(jì)算。分發(fā)的原則是根據(jù)CPI號或者距離單元號進(jìn)行的，具體來說，如果是根據(jù)CPI號進(jìn)行分發(fā)，那么核X 執(zhí)行CPI(32 ×X)至CPI(32 ×X+31)之間的數(shù)據(jù);如果是根據(jù)一維距離像中距離單元號進(jìn)行的，那么核X 執(zhí)行距離單元(64 × X)至距離單元(64 × X+63)之間的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)詳細(xì)的DPS 實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2 和圖3所示，其中圖2 為主核流程圖，圖3 為從核流程圖(虛線框內(nèi)的內(nèi)容只有核1 有，其他從核沒有，因?yàn)樘摼€框中流程耗時很少，在一個CPI時間內(nèi)即可完成，沒有必要進(jìn)行并行處理)。圖中DNUM 代表核的編號。

4 仿真結(jié)果

C6678 對仿真數(shù)據(jù)計(jì)算的包絡(luò)對齊前的結(jié)果如圖4(a)所示，包絡(luò)對齊后的結(jié)果如圖4(b)所示，可以看出，包絡(luò)對齊實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

圖3 從核流程圖(虛線框中內(nèi)容只有核1 有)

圖4 包絡(luò)對齊效果

C6678 中對仿真數(shù)據(jù)的成像結(jié)果如圖5(a)所示，相同的數(shù)據(jù)由MATLAB 成像的結(jié)果如圖5(b)所示，二者的差值圖像如圖5(c)所示。可以看出C6678 的計(jì)算結(jié)果和MATLAB 計(jì)算結(jié)果相差極小。

關(guān)鍵子任務(wù)的計(jì)算時間如表1所示，計(jì)算時間包括了核間同步和數(shù)據(jù)搬移的時間。

圖5 仿真數(shù)據(jù)成像結(jié)果

表1 子任務(wù)計(jì)算時間

5 結(jié)束語

本文首先介紹了ISAR 成像算法和C6678 的基本特征。接著介紹了ISAR 成像中任務(wù)的劃分，核間的同步等，并給出了DSP 詳細(xì)處理流程圖，最后通過對仿真數(shù)據(jù)的處理說明，本文提出的ISAR 并行處理方案的并行處理效率非常高，能夠滿足ISAR的實(shí)時成像要求。

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