一種PD雷達信號處理系統(tǒng)的并行實現(xiàn)

廉志玲

(中國電子科技集團第38 研究所 合肥 230031)

0 引言

脈沖多普勒(PD)雷達是在動目標顯示(Moving Target Indication，MTI)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型雷達體制，具有較高的距離分辨力和速度分辨力，較強的雜波抑制能力，可以在強雜波背景中分辨出動目標。由于其卓越的雜波抑制性能，自20世紀70年代以來，PD 體制已被廣泛應(yīng)用于預(yù)警機雷達和機載火控雷達，PD 技術(shù)也越來越成熟。

近年來，越來越多的雷達采用數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)，由于可以同時形成多波束，增強了抗干擾能力，提高了目標的空間分辨能力和檢測跟蹤的能力。當然，這種體制在帶來處理性能提高的同時，也提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率，對信號處理的處理速度和數(shù)據(jù)率提出了更高的要求。

本文基于8 片TS201 信號處理板，提出了將同一波位的數(shù)據(jù)按照距離段分成4 段，每片DSP 處理其中的一段，多片DSP 并行處理的方法。與論文［5］相比，本文方法4 片DSP 均參與處理，并且每片DSP 可單獨完成PD 處理的整個流程。

1 硬件平臺

我們采用8 片TS201 構(gòu)成的信號處理板，處理芯片分成兩簇，每簇有4 個TS201 芯片。對每一簇來說，4 片DSP 共享總線，同時4 片DSP 之間通過鏈路口兩兩互聯(lián)，兩簇之間物理獨立。

TS201(600MHz)芯片的主要性能指標如下:

(1)運行速度:1.67ns 指令周期，每個周期可以執(zhí)行4 條指令;

(2)DSP 內(nèi)部有雙運算模塊，支持的運算類型有:32bits 和40bits 浮點運算，8bits，16bits，32bits 以及64bits 定點運算;

(3)每秒可執(zhí)行12 ×109次16bits 定點運算或者3.6 ×109次浮點運算;

(4)外部DMA 傳輸速度達到1.2Gb/s(雙向)

(5)四個鏈路口，每個鏈路口的速度最高為1.2Gb/s;

(6)多處理器處理能力，具有支持多處理器無縫連接的片內(nèi)仲裁邏輯，多處理器采用統(tǒng)一尋址的方式訪問，可以通過簇總線(Cluster Bus)或鏈路口(Link Ports)方便地構(gòu)成多處理器系統(tǒng)。

圖1 給出了8 片ADSP-TS201 的拓撲結(jié)構(gòu):8個片子分為兩簇，每簇4 片，簇之間相互獨立。簇內(nèi)共享總線，DSP 之間兩兩相連，構(gòu)成一個處理結(jié)點。

圖1 DSP 板的拓撲結(jié)構(gòu)

2 脈沖多普勒的原理

PD 技術(shù)采用相鄰的窄帶濾波器組或者窄帶跟蹤濾波器，將運動目標的譜線濾出來。與一般的MTD 不同的是，PD 雷達一般采用較高的脈沖重復(fù)頻率，這主要是因為對于機載雷達，地物雜波譜會隨著飛機的運動而展寬，考慮到其以重復(fù)頻率周期性的出現(xiàn)，則在過小的重復(fù)頻率下相鄰的旁瓣雜波將產(chǎn)生重疊，從而造成整個目標的檢測在雜波背景中進行。

一個典型的脈沖多普勒雷達的處理流程包括脈沖壓縮，雜波補償，多普勒濾波，副瓣匿隱，CFAR，解距離/速度模糊，和差比幅測角，流程如圖2所示。

圖2 處理流程框圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 進數(shù)機制

為了DSP 與外界通信簡單化，便于編程和實現(xiàn)，我們將第二片DSP(DSP1)作為系統(tǒng)的I/O，即輸入輸出接口。脈壓之后的數(shù)據(jù)以鏈路口DMA 的方式傳輸給DSP1，為了鏈路口傳輸方便，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度采用固定長度。

3.2 模式切換

考慮到系統(tǒng)控制的實時性，我們將控制字打包到每個波位數(shù)據(jù)的前端，發(fā)射泄露所在的位置。當DSP 收到當前波位的第一個數(shù)據(jù)包時，將會對收到的控制字進行解析，計算出當前波位的數(shù)據(jù)總量，數(shù)據(jù)傳輸需要的總中斷數(shù)，每個DSP 片子需要處理的距離單元起始，結(jié)束等，然后將控制字通過廣播的方式發(fā)送給其它的DSP 片子。這樣，當模式或者控制字變化時，相應(yīng)的處理參數(shù)也將實時變化，從而實現(xiàn)處理模式的切換。

3.3 距離分段

分段處理體現(xiàn)在原始數(shù)據(jù)的分段和解距離模糊的分段上。

原始數(shù)據(jù)的分段是按照等距離段的原則進行劃分，當距離單元總數(shù)不能被4 整除時，距離段余數(shù)合并到DSP4 中進行處理。在DSP 處理時，需要注意的是，雖然是等距離段劃分，但是考慮到CFAR 處理需要左右背景，數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束分別要向前或者向后多取一些，多取的距離單元個數(shù)取決于CFAR的保護單元個數(shù)和背景單元個數(shù)。第一段數(shù)據(jù)和最后一段數(shù)據(jù)分別在數(shù)據(jù)的前面和后面進行補零。距離分段的方法如下圖所示。

圖3 分段處理示意圖

解距離模糊時也要進行分距離段處理，只不過此時的距離分段是按照雷達的量程進行分段，每個DSP 在其距離段量程上解距離模糊。

圖4 分段解模糊示意圖

3.4 分段處理算法

一個典型的脈沖多普勒雷達的處理流程包括脈沖壓縮，雜波補償，多普勒濾波，副瓣匿隱，CFAR，解距離/速度模糊，和差比幅測角等。距離分段后，每個DSP 芯片的處理流程如圖5所示。

分段處理時，需要注意DSP 片子之間的同步問題，因為只有等所有DSP 完成當前節(jié)點的數(shù)據(jù)處理，才能進行下面的處理;否則，后續(xù)處理從SDRAM取數(shù)時，數(shù)據(jù)是不完整的。TS201 DSP 之前的同步是通過廣播實現(xiàn)的。系統(tǒng)處理時，有如下幾個節(jié)點需要同步。

同步1:當當前數(shù)據(jù)有效，并且當前波位的數(shù)據(jù)進數(shù)全部完成時，由DSP1 發(fā)起同步標志，并廣播至各片。只有當各片DSP 收到該標志，才開始后面的處理，否則認為數(shù)據(jù)無效，不進行處理。

同步2:因為DSP 之間是分段處理的，所以在解模糊的時候存在數(shù)據(jù)拼接的問題。該同步等待所有的數(shù)據(jù)段完成目標檢測，將檢測結(jié)果送至外存。每片DSP 都讀入所有的檢測結(jié)果，完成拼接，然后各片按照量程范圍完成數(shù)據(jù)的分段解距離速度模糊。

同步3:該同步等待幾片DSP 完成點跡處理，將點跡數(shù)據(jù)發(fā)送至外存，然后由DSP1 讀入點跡數(shù)據(jù)，完成點跡數(shù)據(jù)的拼接，并通過總線以DMA 的方式將點跡發(fā)送至FPGA 中。

圖5 處理流程與同步示意圖

距離分段之后，DSP 之間的大量數(shù)據(jù)交互和通信是通過SDRAM 完成的，如上圖所示，DSP 之間有如下幾個數(shù)據(jù)通信結(jié)點:

注1:每片DSP 的檢測結(jié)果送SDRAM，由于處理時進行了分段，所以每段處理結(jié)果都是其中的一部分。

注2:每片DSP 分別讀入四段的處理結(jié)果，并在DSP 內(nèi)存將其組合，用于后續(xù)的解距離模糊和解速度模糊。

注3:每片DSP 分別將解模糊測角后的結(jié)果送至外存。

注4:DSP2 將每片DSP 的處理結(jié)果讀出，完成拼接，并將其送至FPGA。

4 實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

下圖給出了某次飛行的實測數(shù)據(jù)在采用本文方法處理之前與處理之后的結(jié)果。顯然，經(jīng)過脈沖多普勒處理之后，目標更加明顯從而更加容易檢測到。

圖6 脈壓結(jié)果

圖7 多普勒濾波結(jié)果

5 結(jié)論

脈沖多普勒處理技術(shù)日趨成熟，由于硬件平臺的不一致，其工程實現(xiàn)方式也不盡相同。本文提出的基于分段的處理方法，不僅僅適用于8 片201 信號處理平臺，對其它形式的硬件平臺也有一定的啟發(fā)意義。

［1］劉書明，羅永江.ADSP TS20X 系列DSP 原理與應(yīng)用設(shè)計［M］北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］丁鷺飛等 雷達原理(第三版)［M］西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［3］廉志玲等.一種基于查表的解速度模糊算法［J］合肥:雷達科學(xué)與技術(shù)，2011，9(4):358-360.

［4］邢孟道，王彤，李真芳等.雷達信號處理基礎(chǔ)［M］北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［5］朱大厚，葉紅軍，葉波，脈沖多普勒信號處理技術(shù)的實現(xiàn)［J］.工藝與技術(shù)，2012，27:81-82.