楊康，周建江，楊成

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 南京 210016)

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楊康，周建江，楊成

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 南京 210016)

對(duì)脈組間調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)進(jìn)行處理可以直接獲得合成超帶寬距離像及目標(biāo)速度信息，獲得的距離像具有較高的分辨率。然而目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致成像產(chǎn)生距離遷徙及波形失真，所以必須對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行速度補(bǔ)償。本文在論述了脈組間參差脈沖重復(fù)周期(SPRT)的速度補(bǔ)償新方法及PD+調(diào)頻步進(jìn)體制聯(lián)合工作模式的基礎(chǔ)上，提出了基于TMS320C6678多核DSP的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的并行實(shí)現(xiàn)方法，該方法論述了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)級(jí)并行流水與核間高效通信。研究結(jié)果表明，基于多核DSP的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法具有較好的實(shí)時(shí)性及較高的目標(biāo)成像精度。

調(diào)頻步進(jìn)；脈沖多普勒；脈組間參差PRT法；嵌入式多核DSP；并行處理

1 算法原理

1.1 調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的多普勒效應(yīng)

調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)通過脈間線性跳變來獲得等效大帶寬，在現(xiàn)有的硬件水平限制下，具有較窄的瞬時(shí)帶寬，降低了對(duì)接收機(jī)和信號(hào)處理器件的要求。對(duì)于單目標(biāo)而言，將調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)的接收回波與其本振信號(hào)進(jìn)行混頻，再通過低通濾波器進(jìn)行低通及雙通道處理，得到的視頻信號(hào)為：

(1)

其中，Ai為第i個(gè)發(fā)射脈沖經(jīng)混頻和低通濾波后處理后視頻信號(hào)的幅度，Nb為一幀發(fā)射信號(hào)的子脈沖個(gè)數(shù)，Tr為回波脈沖重復(fù)周期，Tpb為發(fā)射的脈沖寬度。視頻信號(hào)的相位為：ψi(t)=-2πfiτ(t)；運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的距離延時(shí)為：τ(t)=2R/c-2vt/c。R為目標(biāo)距離，v為雷達(dá)相對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，c為光速。

對(duì)回波脈沖串進(jìn)行采樣，令：

則第i個(gè)采樣點(diǎn)可表示為

i=0,1,…，Nb-1

(2)

當(dāng)目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)，即v=0，將τ(t)的表達(dá)式帶入式(2),并對(duì)第i個(gè)脈沖串進(jìn)行N點(diǎn)的IFFT運(yùn)算并求模，可得：

(3)

其中，k=0,1,2,…,Nb-1, |Y(k)|為R處的目標(biāo)一維距離像，當(dāng)k=round(2R·NΔf/c)時(shí)，上式取得最大值。距離像的分辨率為ΔR=c/(2NΔf)，與單個(gè)脈沖相比距離分辨率提高了N倍；距離像的距離寬度(或不模糊測(cè)距間隔)為c/(2Δf)。

然而，調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)是一種多普勒敏感信號(hào)，當(dāng)目標(biāo)速度不為零時(shí)，高分辨率成像會(huì)出現(xiàn)距離遷徙及波形失真情況。考慮到上述分析中v≠0情況，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)在視頻回波相位中會(huì)引入如式(4)所示的一次線性干擾項(xiàng)及二次非線性干擾項(xiàng)。

(4)

對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)，國內(nèi)外已經(jīng)展開了較多的研究，并已提出了多種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒āw結(jié)而言，這些方法主要分成三大類：

① 利用參數(shù)估計(jì)法。參考文獻(xiàn)[6]描述的極大似然估計(jì)法(ML)及參考文獻(xiàn)[7]提出的多項(xiàng)式相位變換(DPT)法是都是典型的參數(shù)估計(jì)方法。

② 利用頻率步進(jìn)信號(hào)的特性。這類方法主要利用回波的多幀數(shù)據(jù)之間的位置變化進(jìn)行目標(biāo)速度的估計(jì)，典型的方法有正負(fù)調(diào)頻法[8]、時(shí)域互相關(guān)法[9]等等。

③ 利用目標(biāo)速度搜索的算法，典型的算法有對(duì)比度法和最小熵法[10-11]等。

本文將要介紹的基于脈組間參差PRT的速補(bǔ)償法屬于上述的第二類算法。首先利用步進(jìn)頻信號(hào)的PRT法得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的一次估計(jì)，然后借助PD的高精度測(cè)速，實(shí)現(xiàn)雙體制的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)聯(lián)合補(bǔ)償。

1.2 SF+PD聯(lián)合體制運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

首先介紹一種稱為脈組間參差脈沖重復(fù)周期PRT進(jìn)行目標(biāo)速度估計(jì)的方法。

所謂PRT法就是借助多組脈沖周期不同的信號(hào)來進(jìn)行目標(biāo)速度估計(jì)的方法。雷達(dá)發(fā)射多組復(fù)合調(diào)頻步進(jìn)SF信號(hào)，每一組SF信號(hào)由多幀(譬如兩組)子信號(hào)組成。假設(shè)兩幀SF信號(hào)的脈沖周期分別為Tr1和Tr2。由于Tr1和Tr2是極小量，在兩幀信號(hào)發(fā)射過程中，目標(biāo)距離和運(yùn)動(dòng)速率變化可忽略不計(jì)。對(duì)一組復(fù)合調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)做N點(diǎn)的IFFT，可得到兩幀SF信號(hào)的距離像位置分別為

(5)

(6)

將以上兩式聯(lián)合計(jì)算可測(cè)得速度為

(7)

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的SF信號(hào)參數(shù)為：載頻 f0= 94 GHz，脈沖重復(fù)周期Tr1=18 μs,Tr2=16 μs，子脈沖的寬度為Tpb=200 ns，步進(jìn)頻率值Δf=5 MHz，一幀的脈沖個(gè)數(shù)128。假定對(duì)SF回波數(shù)據(jù)進(jìn)行512點(diǎn)的IFFT運(yùn)算，則采用PRT法測(cè)速可達(dá)到的不模糊范圍為v = (-398.936 m/s , 398.936 m/s)，測(cè)速精度可達(dá)到1.5583 m/s。使用相同參數(shù)，參考文獻(xiàn)[9]提出的時(shí)域相關(guān)測(cè)速法達(dá)到的測(cè)速范圍為±13 021 m/s，但是測(cè)速精度僅為203.45 m/s；而參考文獻(xiàn)[8]提到的正負(fù)調(diào)頻測(cè)速法可達(dá)精度為0.346 m/s，但是測(cè)速范圍只有±22.164 m/s。相比較上述的兩種測(cè)速法，PRT法得到的測(cè)速范圍和測(cè)速精度都保持在較好的水平，這在一般戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境不是十分復(fù)雜的應(yīng)用中是比較適合的。

然而，對(duì)于測(cè)速精度及測(cè)速范圍要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合，PRT法顯然不能滿足要求。因此，可考慮借助PD雷達(dá)的高精度測(cè)速及回波處理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)來進(jìn)一步提高PRT法的測(cè)速范圍和測(cè)速精度。

由上述分析可知，采取PRT法進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)測(cè)速的范圍足夠大，但是精度與測(cè)速范圍成反比。而PD測(cè)速精度很高，滿足運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木纫螅遣荒：郎y(cè)速范圍相對(duì)較小。所以必須將基于SF的脈組間參差脈沖重復(fù)周期法與PD測(cè)速的方法結(jié)合起來，才能進(jìn)行精確有效地測(cè)速。

假設(shè)PRT法測(cè)得目標(biāo)的速度為v1和v2，則實(shí)際速度可表示為

(8)

因此，高分辨率成像雷達(dá)信號(hào)體制在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到上述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)算法，選擇SF和PD交叉體制，交替發(fā)射調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)以及多普勒信號(hào)。每一組發(fā)射信號(hào)由一幀PD信號(hào)以及兩幀具有相同脈沖數(shù)的調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)組成。PD信號(hào)的脈沖數(shù)為Np，脈沖周期為Tr；連續(xù)的兩幀SF信號(hào)脈沖數(shù)為Nb，脈沖周期分別為Tr1和Tr2。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波形如圖 1所示。

圖1 雷達(dá)交替發(fā)射PD信號(hào)和SF信號(hào)

根據(jù)上述雙體制聯(lián)合運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法分析，對(duì)每一組雷達(dá)回波的數(shù)字信號(hào)處理流程如圖 2所示。

圖2 SF和PD復(fù)合體制運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償流程

2 基于多核的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)處理系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于TMS320C6678嵌入式DSP架構(gòu)，外圍輔助Xilinx公司的FPGA作為前端數(shù)據(jù)采集和初步信號(hào)處理的模塊。利用FPGA豐富的I/O資源和邏輯運(yùn)算資源，對(duì)前期大量的雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和預(yù)處理，然后再通過RapidIO接口將FPGA處理后的數(shù)據(jù)傳送給DSP，在DSP中進(jìn)行進(jìn)一步雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的算法實(shí)現(xiàn)。具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)架構(gòu)

TMS320C6678是一款基于KeyStone架構(gòu)的高性能浮點(diǎn)嵌入式DSP。

本系統(tǒng)采用基于SYS/BIOS的IPC通信模塊與EDMA協(xié)同工作，最終實(shí)現(xiàn)了核間的通信與數(shù)據(jù)的交換。

2.2 任務(wù)并行模式

對(duì)于多核系統(tǒng)，根據(jù)其處理器分工的不同，可分為主從工作模式和數(shù)據(jù)流工作模式。

主從模式顯著的特點(diǎn)為集中控制，分散執(zhí)行，強(qiáng)調(diào)多核之間的主從之分，一般而言核0作為主核，負(fù)責(zé)任務(wù)的分工和調(diào)度；其余各核作為從核，負(fù)責(zé)任務(wù)的并行執(zhí)行。而數(shù)據(jù)流模式的顯著特點(diǎn)為分散控制，分散執(zhí)行。采用該模式時(shí)，系統(tǒng)中不同的任務(wù)將被映射到各個(gè)核中，各個(gè)核根據(jù)傳遞數(shù)據(jù)的有效性來而并發(fā)地執(zhí)行不同的任務(wù)，整體上實(shí)現(xiàn)程序的流水線狀態(tài)。本文中的系統(tǒng)任務(wù)是1000幀回波信號(hào)經(jīng)過混頻，低通濾波，雙通道處理以及A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入多核DSP進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及高分辨率成像處理。根據(jù)任務(wù)描述的情況，本文選擇主從任務(wù)模式。核0負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度及核間任務(wù)同步控制，其余各個(gè)核連同核0參與具體任務(wù)的分工。

2.3 核間通信模塊設(shè)計(jì)

核之間，以及核與外設(shè)之間的通信是多核編程的核心。核間通信包括數(shù)據(jù)的通信和消息的通信。數(shù)據(jù)通信是大量數(shù)據(jù)的傳輸，通信時(shí)間長，實(shí)時(shí)性要求較低； 消息(狀態(tài)量)通信是小數(shù)據(jù)量的傳遞，用于核之間任務(wù)調(diào)度過程中控制指令傳輸以及狀態(tài)量的反饋，通信時(shí)間短，要求的實(shí)時(shí)性較高。

根據(jù)算法的實(shí)際需要，KeyStone架構(gòu)下數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)采取了EDMA以及基于SYS/BIOS的IPC模塊聯(lián)合工作方式實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的傳輸和核間消息的傳遞。核間通信模塊如圖4所示。

圖4 核間通信模塊設(shè)計(jì)

3 測(cè)試結(jié)果及分析

本文對(duì)1000幀雷達(dá)回波進(jìn)行信號(hào)處理以驗(yàn)證上述算法的可靠性和多核計(jì)算的實(shí)時(shí)性。雷達(dá)發(fā)射波的參數(shù)為：載頻f0=94 GHz，子脈沖的寬度為Tpb=200 ns。PD脈沖重復(fù)周期為Tr=20 μs，一幀PD脈沖個(gè)數(shù)為1 024個(gè)。調(diào)頻步進(jìn)脈沖重復(fù)周期Tr1=18 μs,Tr2=16 μs，步進(jìn)頻率值Δf=5 MHz，一幀的脈沖個(gè)數(shù)128。目標(biāo)在距離雷達(dá)系統(tǒng)1 800～2 000 m之間的范圍內(nèi)移動(dòng)，速度在-50 ～50 m/s之間變化。本系統(tǒng)對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行距離和速度的估計(jì)。并基于測(cè)試結(jié)果，對(duì)算法精度和效率進(jìn)行分析。

3.1 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償精度分析

使用PRT算法以及聯(lián)合補(bǔ)償算法對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行處理，得到速度的估計(jì)以及速度估計(jì)的誤差。并且利用聯(lián)合法得到的速度對(duì)調(diào)頻步進(jìn)回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)而得到比較精確的目標(biāo)一維距離像。基于TMS320C6678平臺(tái)對(duì)雷達(dá)回波的數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果略——編者注。

聯(lián)合測(cè)速法得到的速度估計(jì)精度比PRT測(cè)速精度高出50倍以上。且隨著回波信號(hào)的SNR變化，PRT法估計(jì)的速度誤差有較明顯的浮動(dòng)。隨著信噪比減小，回波信號(hào)中干擾加強(qiáng)，PRT法的測(cè)速精度會(huì)有較大回落。而采取聯(lián)合測(cè)速的方法，速度精度高，且基本不隨回波信號(hào)的SNR產(chǎn)生變動(dòng)，這是由于其自身融合了PD測(cè)速輔助，聯(lián)合測(cè)速精度可以達(dá)到多普勒測(cè)速精度值。這也是為什么測(cè)速需要借助PD雷達(dá)的原因。另一方面，由于PD測(cè)速范圍較小，所以需要借助PRT方法擴(kuò)展測(cè)速的范圍。

3.2 運(yùn)算量及耗時(shí)分析

聯(lián)合體制運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法在TMS320C6678多核上實(shí)現(xiàn)，不僅使得算法在實(shí)現(xiàn)起來靈活多變，更重要的是提高了算法的實(shí)時(shí)性，有利于在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中快速且精確地跟蹤目標(biāo)。本文對(duì)1000幀雷達(dá)回波進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，基于上述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法采取了三種實(shí)現(xiàn)方案。首先，在MATLAB平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)該算法，算法具體的耗時(shí)為1 546.875 ms。 這對(duì)于高速運(yùn)行的彈載系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)性要求不高。然后在TMS320C6678平臺(tái)上，采取了基于8核以及基于4核的算法實(shí)現(xiàn)，兩種方案實(shí)現(xiàn)算法消耗的周期數(shù)及時(shí)間略——編者注。

由于各核算法是并行實(shí)現(xiàn)，所以系統(tǒng)中的運(yùn)行周期數(shù)及算法耗時(shí)取決于運(yùn)行耗時(shí)最多的核。經(jīng)過優(yōu)化之后，算法的實(shí)時(shí)性得到進(jìn)一步提高，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，八核的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法實(shí)時(shí)性能達(dá)到20 ms以內(nèi)，滿足了復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)高速雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

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楊康、楊成(碩士研究生)，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)與信號(hào)處理；周建江(教授)，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)特性分析。

Yang Kang, Zhou Jianjiang, Yang Cheng

( College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

High range resolution can be obtained by processing of millimeter wave stepped-frequency signal, but the motion of object can cause the phenomena of distance-migration and waveform distortion in the 1-D range profile, so it is necessary to make compensation in the motion velocity. In this paper a method of velocity estimation called staggering pulse repetition time (SPRT) in different pulse groups is mentioned and then a complex work mode of radar system based on SF and PD is discussed. Then, a method of the motion compensation algorithm of range profile using SF+PD work model based on TMS320C6678 is introduced. The method implements task-level parallel pipeline and efficient inter-core communication. Experimental results show that the method is feasible and effective, and has a good real-time performance with high resolution of the range profile.

module step-frequency; pulse Doppler; stagger pulse repetition time in different pulse groups; embedded multi-core DSP；parallel processing

南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金資助 (項(xiàng)目編號(hào)：kfjj120116); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。

TP399

A

珍

2013-10-15)