基于國(guó)產(chǎn)DSP的步進(jìn)頻率綜合寬帶處理

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射大帶寬信號(hào)可以提高自身的距離分辨能力,雷達(dá)回波經(jīng)脈沖壓縮處理使得目標(biāo)上多個(gè)散射點(diǎn)距離上可分,即雷達(dá)可以獲知目標(biāo)尺寸、散射點(diǎn)個(gè)數(shù)、散射點(diǎn)間相對(duì)強(qiáng)弱及位置分布等信息,大大提升了雷達(dá)的目標(biāo)感知能力,因而雷達(dá)具備發(fā)射大帶寬信號(hào)能力具有重要意義。與大瞬時(shí)帶寬工作體制相比,步進(jìn)頻率綜合寬帶工作體制需求的瞬時(shí)帶寬小,可以在窄帶發(fā)射機(jī)、接收機(jī)條件下工作,是一種易于工程實(shí)現(xiàn)的大帶寬信號(hào)形式,具有巨大的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但步進(jìn)頻率綜合寬帶工作體制存在距離-多普勒耦合現(xiàn)象[1-2],對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)綜合成像時(shí)必須先對(duì)其精確測(cè)速再作對(duì)應(yīng)的速度補(bǔ)償處理,使得步進(jìn)頻率綜合寬信號(hào)處理包含多個(gè)流程。子脈沖調(diào)頻使得子脈沖的波形設(shè)計(jì)更加靈活[1],因而本文主要討論線性調(diào)頻 步進(jìn)頻率工作體制的信號(hào)處理流程。

1 算法原理分析

1.1 頻率步進(jìn)高分辨距離成像原理

頻率步進(jìn)綜合寬帶的基本原理是將B=N·d F的總信號(hào)帶寬,分在N個(gè)子脈沖中分時(shí)發(fā)射出去,經(jīng)過信號(hào)處理后距離分辨能力與直接發(fā)射瞬時(shí)大帶寬信號(hào)的距離分辨率相同。順序步進(jìn)時(shí)載頻按d F的頻率間隔在脈沖間跳變,即由f0步進(jìn)到f0+(N-1)·d F,頻率步進(jìn)脈沖串信號(hào)的數(shù)學(xué)表示如下:

式中,xp(t)為子脈沖基帶信號(hào),ban d為信號(hào)帶寬,m為脈沖串內(nèi)第m個(gè)子脈沖的標(biāo)識(shí),T為脈沖重復(fù)周期,f0為起始載頻,d F為脈間頻率步進(jìn)量,N為脈沖串內(nèi)子脈沖個(gè)數(shù)。信號(hào)綜合總帶寬B=(N-1)d F+ban d,根據(jù)波形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,一般ban d＞d F[1-2],因而B≈N·d F。回波信號(hào)經(jīng)過混頻、解調(diào)及后續(xù)信號(hào)處理后距離分辨率與直接發(fā)射瞬時(shí)綜合帶寬B的距離分辨率相同,即達(dá)到了合成寬帶效果,實(shí)現(xiàn)了距離高分辨成像。

脈沖壓縮后大尺寸目標(biāo)回波信號(hào)分布在子脈沖的相鄰若干距離單元內(nèi),需要拼接每個(gè)距離單元的綜合成像結(jié)果得到大尺寸目標(biāo)的完整高分辨距離像。為保證子脈沖單個(gè)距離單元的目標(biāo)綜合成像結(jié)果不發(fā)生混疊,要求子脈沖距離單元大小小于步進(jìn)頻率不模糊距離大小范圍,此時(shí)綜合成像結(jié)果中存在冗余部分,需要從中提取有效數(shù)據(jù)段進(jìn)行拼接處理[1]。

1.2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)影響

當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí),假設(shè)目標(biāo)作勻速運(yùn)動(dòng),徑向速度為v,距離延時(shí)得到解調(diào)后的步進(jìn)頻率回波數(shù)據(jù)如下:

式中,m為第m個(gè)子脈沖的標(biāo)號(hào)。公式第二行的一次項(xiàng)使得綜合成像結(jié)果發(fā)生偏移,二次項(xiàng)使得綜合成像結(jié)果產(chǎn)生波形畸變、失真[3-4]。偏移距離為

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)綜合成像結(jié)果的位置較其真實(shí)位置發(fā)生偏移,而距離像拼接時(shí)要求目標(biāo)在綜合成像結(jié)果中的位置與目標(biāo)真實(shí)位置一致,否則距離像拼接時(shí)將發(fā)生錯(cuò)誤,二次相位使得綜合成像結(jié)果失真,二者均會(huì)導(dǎo)致最終距離像拼接結(jié)果發(fā)生錯(cuò)誤。為了消除目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)步進(jìn)頻率綜合成像結(jié)果的影響,需要準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度,并構(gòu)造式(2)中的一次相位、二次相位進(jìn)行補(bǔ)償。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)同樣對(duì)子脈沖產(chǎn)生距離走動(dòng)影響[2]。一方面目標(biāo)距離的變化使得多個(gè)子脈沖的脈壓結(jié)果出現(xiàn)距離走動(dòng)現(xiàn)象;另一方面,由于各子脈沖載頻步進(jìn)變化,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒效應(yīng)在各子脈沖中引起的距離偏移量不同。上述距離走動(dòng)將影響最終成像結(jié)果的質(zhì)量,需要依據(jù)目標(biāo)速度初始估計(jì)值(一般由窄帶模式提供)完成多普勒校正和包絡(luò)對(duì)齊處理,然后再作步進(jìn)頻測(cè)速處理。在測(cè)速后需要依據(jù)測(cè)速結(jié)果完成子脈沖的包絡(luò)再對(duì)齊操作,消除幀內(nèi)子脈沖距離走動(dòng)殘留量。

1.3 相位差分-IFFT測(cè)速算法

對(duì)目標(biāo)徑向速度的估計(jì)方法可分為兩類:第一類是通過回波數(shù)據(jù)直接計(jì)算求取目標(biāo)速度,如時(shí)域互相關(guān)法[3]、頻域互相關(guān)法[3]、正負(fù)調(diào)頻測(cè)速法[4]等;另一類是利用構(gòu)造的評(píng)價(jià)函數(shù)在一定速度范圍搜索最大值/最小值獲得目標(biāo)速度,如最小波形熵法、最小脈組誤差法[5]、最小脈組相位差分法[6]等,屬于速度搜索類。頻域互相關(guān)法測(cè)速精度高,但測(cè)速不模糊范圍小,不具有實(shí)用價(jià)值;時(shí)域互相關(guān)法測(cè)速不模糊范圍大,測(cè)速精度中等,具有較好的抗噪聲性能;速度搜索類算法的運(yùn)算量大,測(cè)速精度與速度搜索步長(zhǎng)有關(guān),算法實(shí)時(shí)性較差。

依據(jù)兩幀回波的相位變化可以測(cè)量目標(biāo)在此期間的距離走動(dòng)量,即相位差分測(cè)距。目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)兩幀步進(jìn)頻率回波的多普勒效應(yīng)一次、二次相位相同,兩幀回波數(shù)據(jù)共軛相乘即得到相鄰兩幀回波數(shù)據(jù)的相位差復(fù)指數(shù)信號(hào)。單散射點(diǎn)情況下該信號(hào)是單頻率信號(hào),頻率與目標(biāo)距離變化量對(duì)應(yīng),多散射點(diǎn)情況下該信號(hào)不是單頻率信號(hào)。但文獻(xiàn)[7]中已論證特定頻率的信號(hào)分量幅度最大,可通過IFFT實(shí)現(xiàn)相干積累,搜索IFFT結(jié)果模值最大值所在頻率并解算出速度估計(jì)值,稱為相位差分-IFFT測(cè)速算法,該算法屬于第一類算法。相位差分-IFFT測(cè)速算法是相干積累,具有很好的信噪比得益,抗噪聲性能良好。

相位差分-IFFT測(cè)速算法的數(shù)學(xué)表達(dá)如下:

式中,M為FFT/IFFT的點(diǎn)數(shù)。y′1,y′2分別對(duì)應(yīng)前一幀、當(dāng)前幀脈間頻率步進(jìn)回波補(bǔ)零后的序列。兩幀頻率步進(jìn)回波補(bǔ)零、共軛相乘再作IFFT運(yùn)算得到Z,由Z模值最大值的位置解算出兩幀時(shí)間間隔內(nèi)目標(biāo)的距離走動(dòng)量實(shí)現(xiàn)速度估計(jì)。由式(4)可知,在測(cè)速前是否作相位補(bǔ)償并不影響Z,即不影響測(cè)速結(jié)果。與文獻(xiàn)[3]中的時(shí)域互相關(guān)法相比,相位差分-IFFT測(cè)速算法省略了兩幀回波數(shù)據(jù)的成像運(yùn)算,算法效率更高。

為了提高測(cè)速算法的抗噪聲性能與穩(wěn)健性,需要綜合多個(gè)含目標(biāo)距離單元的測(cè)速結(jié)果作為最終測(cè)速結(jié)果。含目標(biāo)的距離單元與只含噪聲的距離單元相比,相鄰幀綜合像包絡(luò)具有較高的相似性,可由相關(guān)系數(shù)是否過門限確定包含目標(biāo)的距離單元。

2 步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理流程

綜上可知,步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理主要包含以下步驟[1]:1)子脈沖壓縮(包含多普勒校正、包絡(luò)對(duì)齊);2)相位差分-IFFT測(cè)速;3)包絡(luò)再對(duì)齊;4)速度補(bǔ)償+綜合成像;5)距離像拼接。對(duì)應(yīng)的處理流程圖如圖1所示。由于步進(jìn)頻率綜合寬帶技術(shù)主要用于獲取目標(biāo)細(xì)節(jié)信息,脈沖壓縮后在目標(biāo)位置附近選取一定距離范圍內(nèi)的若干距離單元數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理即可,該距離范圍要大于目標(biāo)可能的最大尺寸,保證在獲取目標(biāo)完整高分辨距離像的同時(shí)大大減小整個(gè)信號(hào)處理流程的計(jì)算量。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

選用國(guó)產(chǎn)CPCI6-DSP-BW100信號(hào)處理板卡作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)方案,CPCI6-DSPBW100是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所基于自主研制的“魂芯一號(hào)”(BWDSP100)高性能浮點(diǎn)DSP處理器構(gòu)成的6U CPCI總線接口信號(hào)處理板板卡[8-9]。板上搭載4片DSP處理器和1片大規(guī)模FPGA,對(duì)外采用PCI總線和高速串行通信,在功能、性能上均可替代國(guó)外高端DSP處理器構(gòu)成的信號(hào)處理板卡,板卡框圖如圖2所示。單個(gè)BWDSP100工作主頻為300MHz,每個(gè)BWDSP100有4個(gè)8 bit鏈路口,DSP片間采用Link口互連,每片DSP通過Link口連接到FPGA;FPGA與BWDSP100間Link口傳輸數(shù)據(jù)率為266MHz×8 bit,BWDSP100與BWDSP100間的Link口傳輸數(shù)據(jù)率為300MHz×8 bit,BWDSP100與BWDSP100間無共享總線,可通過Link口互連構(gòu)成多片DSP分布式并行結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),特別適合流水線處理。

圖1 步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理流程

圖2 BW100板卡框圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了最優(yōu)化軟件設(shè)計(jì),將信號(hào)處理整體流程合理分配到多片DSP系統(tǒng)中的每一片中,使得各片上任務(wù)所需時(shí)間開銷相近,提高系統(tǒng)效率。CPCI6-DSP-BW100信號(hào)處理板卡共有4片DSP,需要將整個(gè)信號(hào)處理流程合理分配到4片上,構(gòu)成基于任務(wù)劃分的流水線實(shí)時(shí)處理模式[10]。若步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理一次完整流程所需時(shí)間大于兩幀回波數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間間隔,但只要每片所需處理時(shí)間均小于兩幀回波數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間間隔,則流水線處理時(shí)即可實(shí)時(shí)獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高分辨距離像數(shù)據(jù),滿足實(shí)時(shí)處理要求。所需運(yùn)算量最大的是子脈沖壓縮、多普勒校正、包絡(luò)對(duì)齊,其次是相位差分-IFFT測(cè)速和包絡(luò)再對(duì)齊,再次是速度補(bǔ)償、綜合成像,距離像拼接操作所需運(yùn)算量最小,因而令DSP片0負(fù)責(zé)子脈沖壓縮、多普勒校正、包絡(luò)對(duì)齊操作,DSP片1負(fù)責(zé)相位差分-IFFT測(cè)速,DSP片2負(fù)責(zé)包絡(luò)再對(duì)齊,DSP片3負(fù)責(zé)速度補(bǔ)償、綜合成像以及距離像拼接操作,并行DSP工作流程如圖3所示。

圖3 并行DSP工作流程

Link口數(shù)據(jù)傳輸采用DMA傳輸方式。FPGA通過Link口一次傳輸一個(gè)子脈沖的原始回波(一幀的工作參數(shù)單獨(dú)傳送或包含在一個(gè)脈沖回波數(shù)據(jù)內(nèi))到DSP片0;DSP片0收到一個(gè)子脈沖數(shù)據(jù)后,根據(jù)工作參數(shù)完成脈沖壓縮、多普勒校正、包絡(luò)對(duì)齊處理,處理完所有脈沖數(shù)據(jù)后將處理結(jié)果和工作參數(shù)通過兩個(gè)Link口發(fā)送到DSP片1和DSP片2;DSP片1接收完數(shù)據(jù)后,依據(jù)工作參數(shù)完成每個(gè)距離單元的測(cè)速操作,記錄測(cè)速值和相關(guān)系數(shù),最后對(duì)相關(guān)系數(shù)過門限的距離單元的測(cè)速結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均得到速度最終估計(jì)值,并將該值通過Link口送到DSP片2和DSP片3;DSP片2收到速度估計(jì)值后,依據(jù)工作參數(shù)完成子脈沖的包絡(luò)再對(duì)齊處理,并將工作參數(shù)和處理結(jié)果通過Link口發(fā)送到DSP片3;DSP片3接收到數(shù)據(jù)后,依據(jù)工作參數(shù)完成每個(gè)距離單元的速度補(bǔ)償、綜合成像運(yùn)算,最后完成距離像拼接運(yùn)算,DSP片3將一幀距離像拼接后,結(jié)果及必要參數(shù)由Link口送FPGA,以上過程流水進(jìn)行時(shí)實(shí)時(shí)完成步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理工作。

3.3 仿真結(jié)果與系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá),徑向速度v=-1 300 m/s,目標(biāo)上3個(gè)散射點(diǎn)的散射點(diǎn)強(qiáng)度相同,3個(gè)散射點(diǎn)分別位于距離29 998 m,30 002 m,30 005 m處。雷達(dá)發(fā)射波形參數(shù)如下:起始載頻f0=5 GHz,綜合寬帶為150MHz,子脈沖帶寬band=8MHz,脈沖寬度τ=0.131 58 ms,子脈沖采樣頻率fs=9.6MHz,步進(jìn)頻率值為4MHz,一幀內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)N=38,脈沖重復(fù)周期PRT=1 ms,相鄰兩幀間的時(shí)間間隔為57 ms,子脈沖脈壓前回波信噪比為-10 d B。目標(biāo)速度初始估計(jì)值vest=-1 453 m/s。依據(jù)此速度初值對(duì)相鄰兩幀子脈沖脈壓結(jié)果進(jìn)行多普勒校正和包絡(luò)對(duì)齊處理,結(jié)果如圖4所示。

圖4 子脈沖脈壓結(jié)果

由圖4可以看出,未進(jìn)行包絡(luò)對(duì)齊處理時(shí),運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相鄰兩幀多個(gè)子脈沖的脈壓結(jié)果包絡(luò)無法對(duì)齊,依據(jù)速度初值進(jìn)行包絡(luò)對(duì)齊處理后包絡(luò)基本對(duì)齊。

圖5為相鄰兩幀回波的相位差分-IFFT結(jié)果的模值,解算出目標(biāo)速度的估計(jì)值為vnew=-1 298.805 3 m/s,與目標(biāo)的速度真實(shí)值接近。

圖5 相鄰兩幀回波的相位差分-IFFT結(jié)果

圖6為子脈沖中目標(biāo)位置附近21個(gè)距離單元數(shù)據(jù)的距離像拼接結(jié)果,從圖中可以清晰地看到3個(gè)尖峰,3個(gè)尖峰的位置從左到右分別是29 998 m,30 002 m,30 005 m,3個(gè)尖峰的幅度大小基本一致,從左到右分別是228.8,228.8,218.1,3個(gè)尖峰的幅度差異由采樣損失造成。圖7給出了未作包絡(luò)再對(duì)齊處理時(shí)的距離像拼接結(jié)果,此時(shí)拼接結(jié)果中出現(xiàn)了嚴(yán)重的偽峰現(xiàn)象,拼接失敗,原因在于未作包絡(luò)再對(duì)齊處理時(shí)存在距離定標(biāo)偏差且距離走動(dòng)使得目標(biāo)跨越多個(gè)距離單元,該結(jié)果說明了包絡(luò)再對(duì)齊處理在整個(gè)信號(hào)處理流程中的必要性。

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)由FPGA實(shí)時(shí)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù),DSP完成信號(hào)處理工作并將處理結(jié)果送FPGA后由FPGA發(fā)送到計(jì)算板卡上保存成數(shù)據(jù)文件。比對(duì)后發(fā)現(xiàn)基于國(guó)產(chǎn)DSP的步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理實(shí)時(shí)系統(tǒng)的處理結(jié)果與Matlab處理結(jié)果一致,驗(yàn)證了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的功能正確性,并且滿足實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)要求。

圖6 距離像拼接結(jié)果

圖7 無包絡(luò)再對(duì)齊處理時(shí)的距離像拼接結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以步進(jìn)頻率綜合寬帶距離高分辨成像的需求為背景,介紹了步進(jìn)頻率綜合寬帶的算法原理和完整信號(hào)處理流程,基于國(guó)產(chǎn)“魂芯一號(hào)”DSP芯片構(gòu)成的高性能并行信號(hào)處理硬件平臺(tái),對(duì)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的軟件進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì),給出實(shí)時(shí)系統(tǒng)方案。文中驗(yàn)證了步進(jìn)頻率綜合寬帶實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的正確性、可靠性和實(shí)時(shí)性能。雷達(dá)裝備的發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字化、相控陣化、多功能化,步進(jìn)頻率綜合寬帶信號(hào)處理的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)使得窄帶雷達(dá)裝備能夠以較低成本擁有距離高分辨能力。特別地,相控陣?yán)走_(dá)若發(fā)射瞬時(shí)大帶寬信號(hào)來獲取距離高分辨能力將面臨寬帶數(shù)字波束形成等復(fù)雜問題,采用步進(jìn)頻率體制時(shí)只涉及到窄帶波束形成,工程研制難度大大降低,因而具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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