廉志玲

(中國電子科技集團(tuán)第38 研究所 合肥 230031)

0 引言

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

近年來，越來越多的雷達(dá)采用數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)，由于可以同時(shí)形成多波束，增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了目標(biāo)的空間分辨能力和檢測跟蹤的能力。當(dāng)然，這種體制在帶來處理性能提高的同時(shí)，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(dú)完成PD 處理的整個(gè)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(gè)TS201 芯片。對每一簇來說，4 片DSP 共享總線，同時(shí)4 片DSP 之間通過鏈路口兩兩互聯(lián)，兩簇之間物理獨(dú)立。

TS201(600MHz)芯片的主要性能指標(biāo)如下:

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

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

(3)每秒可執(zhí)行12 ×109次16bits 定點(diǎn)運(yùn)算或者3.6 ×109次浮點(diǎn)運(yùn)算;

(4)外部DMA 傳輸速度達(dá)到1.2Gb/s(雙向)

(5)四個(gè)鏈路口，每個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu):8個(gè)片子分為兩簇，每簇4 片，簇之間相互獨(dú)立。簇內(nèi)共享總線，DSP 之間兩兩相連，構(gòu)成一個(gè)處理結(jié)點(diǎn)。

圖1 DSP 板的拓?fù)浣Y(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(yùn)動目標(biāo)的譜線濾出來。與一般的MTD 不同的是，PD 雷達(dá)一般采用較高的脈沖重復(fù)頻率，這主要是因?yàn)閷τ跈C(jī)載雷達(dá)，地物雜波譜會隨著飛機(jī)的運(yùn)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(gè)目標(biāo)的檢測在雜波背景中進(jìn)行。

一個(gè)典型的脈沖多普勒雷達(dá)的處理流程包括脈沖壓縮，雜波補(bǔ)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(jì)

3.1 進(jìn)數(shù)機(jī)制

為了DSP 與外界通信簡單化，便于編程和實(shí)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(shí)時(shí)性，我們將控制字打包到每個(gè)波位數(shù)據(jù)的前端，發(fā)射泄露所在的位置。當(dāng)DSP 收到當(dāng)前波位的第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，將會對收到的控制字進(jìn)行解析，計(jì)算出當(dāng)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(gè)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(dāng)模式或者控制字變化時(shí)，相應(yīng)的處理參數(shù)也將實(shí)時(shí)變化，從而實(shí)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(jìn)行劃分，當(dāng)距離單元總數(shù)不能被4 整除時(shí)，距離段余數(shù)合并到DSP4 中進(jìn)行處理。在DSP 處理時(shí)，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(gè)數(shù)取決于CFAR的保護(hù)單元個(gè)數(shù)和背景單元個(gè)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(jìn)行補(bǔ)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(shí)也要進(jìn)行分距離段處理，只不過此時(shí)的距離分段是按照雷達(dá)的量程進(jìn)行分段，每個(gè)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(gè)典型的脈沖多普勒雷達(dá)的處理流程包括脈沖壓縮，雜波補(bǔ)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(gè)DSP 芯片的處理流程如圖5所示。

分段處理時(shí)，需要注意DSP 片子之間的同步問題，因?yàn)橹挥械人蠨SP 完成當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，才能進(jìn)行下面的處理;否則，后續(xù)處理從SDRAM取數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)是不完整的。TS201 DSP 之前的同步是通過廣播實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)處理時(shí)，有如下幾個(gè)節(jié)點(diǎn)需要同步。

同步1:當(dāng)當(dāng)前數(shù)據(jù)有效，并且當(dāng)前波位的數(shù)據(jù)進(jìn)數(shù)全部完成時(shí)，由DSP1 發(fā)起同步標(biāo)志，并廣播至各片。只有當(dāng)各片DSP 收到該標(biāo)志，才開始后面的處理，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)無效，不進(jìn)行處理。

同步2:因?yàn)镈SP 之間是分段處理的，所以在解模糊的時(shí)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(biāo)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(diǎn)跡處理，將點(diǎn)跡數(shù)據(jù)發(fā)送至外存，然后由DSP1 讀入點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，完成點(diǎn)跡數(shù)據(jù)的拼接，并通過總線以DMA 的方式將點(diǎn)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(gè)數(shù)據(jù)通信結(jié)點(diǎn):

注1:每片DSP 的檢測結(jié)果送SDRAM，由于處理時(shí)進(jìn)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(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

下圖給出了某次飛行的實(shí)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(biāo)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(shí)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(jì)［M］北京:電子工業(yè)出版社，2006.

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［4］邢孟道，王彤，李真芳等.雷達(dá)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(shí)現(xiàn)［J］.工藝與技術(shù)，2012，27:81-82.