徐國平

（92323部隊(duì)102分隊(duì)，山東 青島 266100）

雷達(dá)對目標(biāo)的探測、定位和跟蹤主要是通過對目標(biāo)回波信號的信息提取和處理實(shí)現(xiàn)的。在現(xiàn)代雷達(dá)信號處理特別是目標(biāo)識別中，需要現(xiàn)場采集大量的雷達(dá)視頻回波數(shù)據(jù)，將雷達(dá)視頻回波信號實(shí)時(shí)記錄下來，以分析和研究目標(biāo)回波信號的各種特性，為目標(biāo)信息的提取和處理提供依據(jù)[1]。

在傳統(tǒng)的雷達(dá)顯示終端中所涉及到的視頻信號是模擬的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，使這種模擬信號的數(shù)字化成為可能，并在實(shí)際中得到越來越多的應(yīng)用。在這種技術(shù)背景下開展了雷達(dá)視頻回波信號采集存儲技術(shù)的研究，介紹了一種雷達(dá)視頻回波信號實(shí)時(shí)采集、記錄裝置。該裝置不僅記錄數(shù)據(jù)方便、可靠，而且保證了雷達(dá)視頻回波信號信息量的完整。

1 雷達(dá)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

要實(shí)時(shí)采集、記錄帶寬較寬的雷達(dá)數(shù)字化視頻信號，合理安排數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)非常重要。我們通常感興趣的雷達(dá)視頻回波信號是雷達(dá)主觸發(fā)脈沖正程內(nèi)的回波信號，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)主觸發(fā)脈沖頻率、發(fā)射脈沖寬度以及量程設(shè)置，往往只需要記錄雷達(dá)主觸發(fā)脈沖以后的一段距離回波信號。為便于事后回放和分析數(shù)字視頻信號，還需要存儲與回波信號相對應(yīng)的雷達(dá)方位編碼信息和包含雷達(dá)位置和記錄日期、時(shí)間的GPS信息。數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)是按照特定的數(shù)據(jù)時(shí)序采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)據(jù)幀的形式將一個雷達(dá)主觸發(fā)脈沖正程內(nèi)的回波信息存儲起來。

一個雷達(dá)主觸發(fā)脈沖正程內(nèi)的回波信息可稱作線數(shù)據(jù)，雷達(dá)天線掃描一周記錄下來的視頻數(shù)據(jù)可稱作圓數(shù)據(jù)幀。圓數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)頭部和大量線數(shù)據(jù)構(gòu)成，大量線數(shù)據(jù)按照雷達(dá)天線掃描方位串接。數(shù)據(jù)幀在硬件中容易實(shí)現(xiàn)，能節(jié)省軟件的處理時(shí)間。為簡化數(shù)據(jù)幀格式，可不必設(shè)置同步頭和糾錯控制，幀頭信息主要包括雷達(dá)方位編碼信息、主觸發(fā)脈沖頻率編碼PRF、采樣時(shí)鐘頻率編碼ADF、距離采樣深度、雷達(dá)位置的經(jīng)緯度以及數(shù)據(jù)記錄日期、時(shí)間等信息。

圓數(shù)據(jù)幀格式示例如圖1所示。圓數(shù)據(jù)幀頭共有4個32位字組成，以ASCII碼形式存儲雷達(dá)站的經(jīng)緯度、視頻數(shù)據(jù)記錄日期、時(shí)間等信息。線數(shù)據(jù)幀頭為1個32位字，其低字位給出12位方位編碼信息；13-16位給出4位主觸發(fā)脈沖頻率編碼PRF；17-20位給出4位采樣時(shí)鐘頻率編碼ADF，表示距離單元的數(shù)值；21-32位給出距離采樣深度，即在一個主觸發(fā)脈沖內(nèi)需要采樣的雷達(dá)視頻回波數(shù)據(jù)個數(shù)。線數(shù)據(jù)體是按照時(shí)間順序排列的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

雷達(dá)視頻信號采集與記錄系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻回波信號的連續(xù)采集和實(shí)時(shí)存儲，由計(jì)算機(jī)控制數(shù)字視頻的采集、存儲和顯示，系統(tǒng)主要由信號整理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)序控制電路、存儲器以及計(jì)算機(jī)組成[2]。視頻記錄與回放系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖1 數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的幀格式Fig.1 Diagram of radar digital video signal data frame

圖2 雷達(dá)視頻信號記錄與回話系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle diagram of radar video signal recrd and review system

接入到視頻記錄與回放系統(tǒng)的各個雷達(dá)信號中既有檢波后的視頻包絡(luò)信號也有觸發(fā)脈沖、方位編碼、串行數(shù)據(jù)等形式的信號，而且各個信號的幅值各不相同，信號整理模塊完成視頻信號增益調(diào)整和濾波，轉(zhuǎn)換觸發(fā)脈沖、方位編碼、GPS信息等信號電平，為了提高抗干擾能力，整個系統(tǒng)的輸入采用了隔離技術(shù)。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對視頻模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，雷達(dá)視頻回波信號的帶寬通常不高于4~5 MHz，為了對模擬信號進(jìn)行不失真的采集，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率至少為待采信號頻率的兩倍以上，即必須采用高速采樣技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了能完整恢復(fù)采集信號波形，采樣頻率應(yīng)達(dá)到幾十MHz。

數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)序控制模塊用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA芯片實(shí)現(xiàn)，所用FPGA芯片為Altera公司的CycloneⅡ系列中的EP2C8，利用FPGA優(yōu)越的硬件邏輯設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)處理能力，保證雷達(dá)視頻回波信號采集的實(shí)時(shí)性，應(yīng)用FPGA中的可編程邏輯資源和IP核構(gòu)成嵌入式微處理器SOPC功能模塊[3]，該模塊接收GPS串行編碼信息，提取雷達(dá)站所處的經(jīng)緯度以及日期、時(shí)間信息，并將采集的數(shù)字視頻進(jìn)行量程歸并，相對于主觸發(fā)脈沖對齊，實(shí)現(xiàn)外部方位碼和主脈沖的同步，把雷達(dá)方位編碼信號、采樣頻率編碼、距離采樣深度信息、GPS信息、數(shù)字視頻按照特定的時(shí)序組合成視頻數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀按采集時(shí)間順序緩存于大容量靜態(tài)存儲器。

方案設(shè)計(jì)主要考慮雷達(dá)視頻帶寬，即距離分辨率。在視頻數(shù)據(jù)記錄和回放系統(tǒng)中影響數(shù)據(jù)記錄帶寬的瓶頸在于三方面：AD采樣量化速率、存儲器讀寫速度和計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速度。

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，AD采樣量化、存儲器讀寫速度已越來越快速，硬件設(shè)計(jì)中采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為AD9057，該芯片是一款8位單芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），專門針對低成本、低功耗、小尺寸和易用性進(jìn)行了優(yōu)化，提供40MSPS、60MSPS或 80MSPS編碼速率及 120MHz全功率模擬帶寬，非常適合要求出色動態(tài)性能的應(yīng)用。

大容量存儲器采用4片CY7C106AV33靜態(tài)RAM組成，單片存儲容量為1M*16 bits，存儲器組的存儲容量為2M*32 bits，芯片最高讀寫速度可以達(dá)到100 MHz。

高速批量數(shù)據(jù)的傳輸，需要計(jì)算機(jī)有高的讀數(shù)速率?；赑CI總線的計(jì)算機(jī)能提供高速穩(wěn)定的PCI接口，其數(shù)據(jù)帶寬理論上可達(dá)到532Mbps，在實(shí)際中，由于受硬件環(huán)境，如主機(jī)板和CPU的影響，至少可以達(dá)到132 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了PCI總線傳輸數(shù)據(jù)[4]，接口控制芯片為PCI9054，該芯片可以在C模式下簡便實(shí)現(xiàn)本地接口與PCI總線的連接，PCI9054的PCI端允許接入33 MHz時(shí)鐘，如用32位數(shù)據(jù)寬度，傳輸速率可達(dá)到132 Mbps。PCI9054可配置為從方式，計(jì)算機(jī)控制本地總線，完成數(shù)據(jù)的下發(fā)；也可配置為DMA方式，此時(shí)由PCI9054控制本地總線，與計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間直接傳輸數(shù)據(jù)，無需CPU的參與，本設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)高速回讀數(shù)據(jù)基于PCI9054的DMA模式實(shí)現(xiàn)，將幀結(jié)構(gòu)的雷達(dá)數(shù)據(jù)通過DMA方式傳給驅(qū)動程序，同時(shí)使用FPGA芯片完成輔助控制邏輯，共同實(shí)現(xiàn)PCI局部總線接口到外部并行接口之間的接口轉(zhuǎn)換，采用通過FPGA編程設(shè)置PCI9054的特殊功能寄存器和雙向數(shù)據(jù)緩存的設(shè)計(jì)思路，以確保的數(shù)據(jù)傳輸速率和準(zhǔn)確性。

計(jì)算機(jī)部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲的瓶頸主要在于硬盤數(shù)據(jù)訪問速度，目前普通硬盤的數(shù)據(jù)訪問速度可達(dá)到100 Mbps，固態(tài)硬盤能夠達(dá)到更高的數(shù)據(jù)讀寫速度，可滿足實(shí)時(shí)存儲需求。

采集時(shí)序控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸是關(guān)鍵也是技術(shù)的難點(diǎn)所在。為保證采集數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)存儲，設(shè)計(jì)中采用流水線方式的數(shù)據(jù)處理方法。數(shù)據(jù)存儲器設(shè)計(jì)為乒乓結(jié)構(gòu)，分成兩個緩沖區(qū)，容量各為1M*32 bits，在將一個緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀出并通過DMA模式傳送到計(jì)算機(jī)的同時(shí)，另一個緩沖區(qū)正在寫入采集數(shù)據(jù)，這樣兩片緩沖區(qū)交替讀寫，不會產(chǎn)生沖突。切換信號由雷達(dá)正北信號觸發(fā)。為了保證采集數(shù)據(jù)不丟失，計(jì)算機(jī)必須在一個雷達(dá)的天線掃描周期內(nèi)將1M緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部讀入至計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件完成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)記錄和存儲的啟動/暫?？刂埔约皵?shù)字視頻的回放，主要功能是接收數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、顯示數(shù)字視頻。接收數(shù)據(jù)是通過PCI總線讀取數(shù)據(jù)；記錄數(shù)據(jù)則是由計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)存入硬盤；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是運(yùn)行程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以顯示的數(shù)據(jù)；顯示數(shù)據(jù)則是通過程序?qū)⑥D(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要涉及到數(shù)據(jù)記錄控制程序和回放顯示程序的設(shè)計(jì)[5]。

1）記錄控制程序的設(shè)計(jì)

在DMA方式，PCI9054作為PCI總線和LOCAL總線的主設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)PCI總線存儲空間與LOCAL總線存儲空間之間的數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)，PCI9054接管兩總線的控制權(quán)，進(jìn)行兩個方向的數(shù)據(jù)傳輸。PCI9054芯片中和DMA操作相關(guān)的寄存器包括：DMA模式寄存器（DMAMODE）、PCI基地址寄存器（DMAPADR）、LOCAL 基地址寄存器（DMALADR）、傳輸大小寄存器（DMASIZ）和描述符指針寄存器（DMADPR）。通過這些寄存器的操作，實(shí)現(xiàn)PCI到LCOAL或LOCAL到PCI的DMA數(shù)據(jù)傳輸。但是這只是硬件上的實(shí)現(xiàn)，而要在操作系統(tǒng)上進(jìn)行操作，還必須具有相應(yīng)的驅(qū)動程序支持。在設(shè)計(jì)中，使用PLX公司專門為PCI9054芯片開發(fā)的SDK作為驅(qū)動開發(fā)的工具。使用該SDK的好處在于可以避免經(jīng)常性的死機(jī)，并且提供的函數(shù)已經(jīng)經(jīng)過官方的測試，能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

記錄控制程序利用PLXmon軟件提供的相應(yīng)API函數(shù)來編寫，因?yàn)镈MA模式中主要是對各相關(guān)寄存器進(jìn)行操作，采 用 PlxPci_PlxRegisterRead （）、PlxPci_DmaChannelOpen（）、PlxPci_DmaChannelClose（）、PlxPci_DmaTransferBlock（） 等 函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，PlxMon軟件自帶的SDK用戶手冊中有對這些函數(shù)使用方法的詳細(xì)說明。視頻數(shù)據(jù)記錄軟件DMA模式操作流程圖如圖3所示。

圖3 雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)記錄軟件DMA操作流程圖Fig.3 Radar video data record software DMA mode flow chart

DMA模式操作步驟是：

①檢測系統(tǒng)中是否存在PLX芯片；

②若存在PLX芯片則查找PLX設(shè)備驅(qū)動并獲得詳細(xì)的設(shè)備信息；

③打開要進(jìn)行讀寫操作的設(shè)備；

④對該設(shè)備進(jìn)行DMA操作；

⑤讀寫完畢后對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位。

記錄控制軟件采用查詢的方式判斷DMA數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備完畢，用DMA塊傳輸函數(shù)PlxPci_DmaTransferBlock將一個雷達(dá)天線掃描周期內(nèi)的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)幀一次性讀入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存緩沖區(qū)，若干數(shù)據(jù)幀以文件方式寫入硬盤。數(shù)據(jù)硬盤采用FAT32文件系統(tǒng)，使用一個硬盤分區(qū)。為了提高文件的寫入速度，應(yīng)盡可能地讓文件以連續(xù)物理扇區(qū)的方式寫入硬盤。硬盤上保存有兩種類型數(shù)據(jù)文件：一個索引文件和大量數(shù)字視頻壓縮文件。索引文件起索引作用，訪問索引文件可以得到硬盤上保存的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)文件的各種信息，用戶根據(jù)這些信息打開需要的數(shù)據(jù)文件，為后續(xù)的信號分析工作帶來便利。

數(shù)字視頻壓縮文件保存大量壓縮數(shù)據(jù)，即壓縮的圓數(shù)據(jù)。壓縮數(shù)據(jù)文件的名字和大小固定。壓縮數(shù)據(jù)文件的名字為文件的索引號。由于采集數(shù)據(jù)量非常大，如果寫入一個文件中，勢會對后續(xù)文件的讀取帶來困難，故在程序中增加文件切換功能，一個壓縮數(shù)據(jù)文件達(dá)到128M字節(jié)后，自動關(guān)閉、存儲該文件。應(yīng)用程序支持?jǐn)?shù)據(jù)覆蓋功能，如果硬盤記滿后，循環(huán)保存數(shù)據(jù)。

2）數(shù)字視頻回放顯示程序設(shè)計(jì)[6]

雷達(dá)數(shù)字視頻回放顯示程序利用圖形控件引擎，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)雷達(dá)掃描變換、視頻疊加顯示等光柵顯示功能。其特點(diǎn)是采用通用計(jì)算機(jī)，無需開發(fā)專用硬件，因此成本低，移植方便，系統(tǒng)升級也容易。數(shù)據(jù)回放顯示程序讀取雷達(dá)數(shù)字視頻文件至內(nèi)存，按照數(shù)據(jù)幀的協(xié)議，解析每一個數(shù)據(jù)幀的信息，從中得到采樣單元的方位信息、幅度信息，并通過轉(zhuǎn)換得到采樣單元的坐標(biāo)值、灰度值，最終在顯示界面上以像素的形式顯示。在設(shè)計(jì)中將程序分成兩個部分：一部分完成讀取數(shù)據(jù)文件、解算數(shù)據(jù)的工作；另一部分設(shè)計(jì)了顯示界面，完成顯示數(shù)據(jù)的工作，實(shí)現(xiàn)PPI顯示或AR顯示功能。

光柵顯示系統(tǒng)以直角坐標(biāo)方式顯示數(shù)據(jù)，而雷達(dá)PPI顯示系統(tǒng)以極坐標(biāo)方式顯示數(shù)字視頻。對于接收到的雷達(dá)視頻信號，在PPI顯示時(shí)，要先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，通過雷達(dá)方位編碼信息可以計(jì)算出天線掃描角度，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，這個轉(zhuǎn)換是通過軟件變換來實(shí)現(xiàn)的。

在雷達(dá)掃描變換中，每個坐標(biāo)值的計(jì)算都需要用到正弦和余弦函數(shù)，如果直接計(jì)算會耗費(fèi)較長時(shí)間，通常事先計(jì)算好每個方位點(diǎn)上的正弦和余弦值，并存儲到一個緩區(qū)內(nèi)，然后通過查表的方式直接提取數(shù)據(jù)，這樣可大大降低計(jì)算量，提高顯示速度。由于正弦和余弦函數(shù)相互正交且是周期性函數(shù)，存儲一個1/4周期的正弦值后，其它角度的正弦和余弦值可以通過變換得到，因此節(jié)省了存儲容量。

雷達(dá)光柵顯示除了要顯示雷達(dá)視頻外，還要顯示距離和方位標(biāo)志等二次視頻。雷達(dá)顯示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理是通過采用圖形顯示存儲器分層方法來實(shí)現(xiàn)的，先把雷達(dá)視頻、距離和方位標(biāo)志等二次視頻繪制在不同的圖形層，然后通過硬件疊加的方式實(shí)現(xiàn)信息綜合?；谶@種原理，用軟件實(shí)現(xiàn)顯示采用的是緩沖區(qū)疊加的方法，先在緩沖區(qū)中預(yù)設(shè)好雷達(dá)的距離標(biāo)志和方位標(biāo)志，然后與雷達(dá)的原始視頻進(jìn)行或運(yùn)算，最后的結(jié)果送顯示組件完成顯示。

回放顯示軟件主要包括數(shù)據(jù)文件選擇、顯示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、時(shí)間選擇等功能模塊，通過功能模塊的設(shè)置，可在屏幕上任意選擇顯示某一個或幾個信號周期，并能對信號波形的細(xì)節(jié)進(jìn)行放大或縮小，對研究信號波形的特征、信號之間的關(guān)聯(lián)、信號的噪聲具有重要意義。

4 結(jié)束語

利用高速A/D轉(zhuǎn)換器件、FPGA芯片，基于PCI總線設(shè)計(jì)了雷達(dá)數(shù)字視頻回波數(shù)據(jù)記錄和回放系統(tǒng)，解決了雷達(dá)視頻回波信號高速采集和大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲等問題，同時(shí)為采集數(shù)據(jù)的回放顯示提供了軟件平臺。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻回波信號數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、記錄、事后回放分析提供了便利的技術(shù)手段。

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