邢聯(lián)大，蘇振華，付 雷，周瑞雨

(1.空軍駐山西地區(qū)軍代表室，山西太原 030024;2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種通過雷達平臺的運動構(gòu)建等效長天線的微波成像雷達，因為其具有全天時、全天候、遠距離、高分辨、寬測繪帶等優(yōu)勢，近年來受到越來越多的關(guān)注［1－3］。隨著對SAR的深入研究，對SAR的工作模式以及各個模式之間的切換的要求越來越高，同時伴隨著應(yīng)用平臺的變遷，要求SAR系統(tǒng)平臺具有更好的實時性以及可靠性。

傳統(tǒng)的SAR信號處理系統(tǒng)基于“FPGA+多DSP”級聯(lián)方式構(gòu)成［4－5］。由 DSP的信號處理特性以及SAR成像處理算法的復(fù)雜原理，要求多塊DSP級聯(lián)，流水完成對雷達回波數(shù)據(jù)的信號處理功能。同時由于SAR數(shù)據(jù)速率高，數(shù)據(jù)量大等特點，DSP通常采用乒乓方式進行運行，通過精心設(shè)計，以滿足DSP芯片處理效率的最大化，這大幅增加了SAR系統(tǒng)軟件開發(fā)的難度，同時，多 DSP的組成也增加了硬件開發(fā)的成本［6－9］。針對這一問題，本文提出一種基于 VxWorks的多任務(wù)SAR實時成像信號處理系統(tǒng)。

VxWorks操作系統(tǒng)是美國風河公司推出的一款高性能、可裁剪的嵌入式實時操作系統(tǒng)。其以卓越的可靠性與實時性，被廣泛應(yīng)用于通信、軍事、航空、航天等實時性要求較高的領(lǐng)域［10］。本文以VxWorks為開發(fā)環(huán)境，搭建一組含有前端控制、信號處理和終端顯示的SAR實時成像系統(tǒng)。以VPX為總線通道，交互控制各個模塊通信;以信號處理模塊為核心，介紹了以VxWorks為軟件平臺的多任務(wù)SAR信號處理的軟件系統(tǒng)開發(fā)。相較于傳統(tǒng)的SAR信號處理系統(tǒng)，基于操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境使得信號處理系統(tǒng)擁有更好的可讀性和可移植性;硬件軟件分離的開發(fā)方式進一步縮短了開發(fā)周期;VxWorks下的多任務(wù)并行運行方式充分的利用了CPU空閑時間，從而提高的信號處理的實時性，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度;硬件上簡單的雙芯片構(gòu)成，大幅降低了硬件開發(fā)的難度和開發(fā)成本。

1 雷達系統(tǒng)功能

SAR成像系統(tǒng)一般由前端波束控制模塊、雷達信號處理模塊和終端顯示模塊組成［11］，如圖1所示。

前端波束控制模塊主要進行雷達波束控制功能，可以根據(jù)雷達初始狀態(tài)對雷達導(dǎo)引頭進行控制，也可根據(jù)雷達后端響應(yīng)反饋實時計算雷達波束指向，然后做出相應(yīng)的決策，如任務(wù)模式切換、控制波束調(diào)度系統(tǒng)波束指向變化等。

雷達信號處理模塊則主要進行雷達回波采集、存儲、處理和結(jié)果輸出，該模塊是雷達系統(tǒng)的主要核心部件，其處理速度以及處理結(jié)果直接影響雷達的實時性和有效性，如何通過任務(wù)的調(diào)度和系統(tǒng)控制完成SAR回波的完整處理是本文敘述重點。

終端顯示模塊通過雷達信號處理模塊輸，將結(jié)果友好的顯示給人機界面，從而實時顯示SAR系統(tǒng)成像結(jié)果。

2 雷達信號處理

SAR信號處理模塊是SAR系統(tǒng)的核心，本文從SAR信號處理入手，結(jié)合VxWorks操作系統(tǒng)，對信號處理算法進行模塊劃分、任務(wù)分配，并對各個任務(wù)的優(yōu)先級進行了分析。

2.1 SAR 成像算法概述

距離多普勒(Range－Doppler，R－D)算法是SAR成像處理中［12］的經(jīng)典方法，目前在許多模式的SAR，尤其是正側(cè)視SAR的成像處理中仍然廣為使用，其可以理解為時域相關(guān)算法的演變。本文采用距離多普勒算法實現(xiàn)SAR系統(tǒng)的信號處理操作。

R－D算法的基本思想［3－7］是根據(jù)上述將二維處理分解為兩個一維處理的級聯(lián)形式，其特點是只考慮相位展開的一次項，將距離壓縮后的數(shù)據(jù)沿方位向作FFT，變換到距離多普勒域，然后完成距離遷移校正和方位向壓縮。距離多普勒算法操作流程如圖2所示。

圖2 SAR成像算法流程圖

圖2中，對多普勒的中心估計可以使用原始數(shù)據(jù)，也可以使用距離FFT后數(shù)據(jù)，這是因為在時域和頻域中多普勒中心不變，同時多普勒中心估計也是整體算法的核心，其不僅涉及到線性走動的校正，也是構(gòu)成方位向匹配壓縮函數(shù)的關(guān)鍵。

本文所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，距離脈壓和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置通過前端數(shù)據(jù)處理在FPGA和QDR中進行，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置后的算法處理在VxWorks環(huán)境下完成，方位向脈沖壓縮本文通過匹配濾波和dechirp方式分別進行實現(xiàn)。

2.2 算法硬件模塊分配

本文采用基于VxWorks操作系統(tǒng)的SAR實時成像系統(tǒng)，其核心信號處理模塊以PowerPC為首，集成了A/D、FPGA和QDR SRAM，構(gòu)成了集信號采集、存儲、處理、傳輸為一體的信號處理系統(tǒng)。

由于SAR系統(tǒng)成像所需回波數(shù)據(jù)量大，信號處理復(fù)雜度高，成像實時性要求精，硬件平臺設(shè)計時，選用Xilinx公司的Virtex－7系列芯片和飛思卡爾公司的MPC86418D處理器芯片來構(gòu)成系統(tǒng)的信號處理基礎(chǔ)，存儲方面選用QDR SRAM實現(xiàn)對信號的轉(zhuǎn)置存取。芯片之間通過VPX底板上PCIe接口實現(xiàn)高速互聯(lián)。

本文依據(jù)信號的流水前端處理和基于多任務(wù)條件下的后端處理來實現(xiàn)對SAR系統(tǒng)的實時成像。前端處理通過A/D采樣對雷達回波信號進行離散數(shù)字化處理，然后將各個雷達脈沖回波數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA芯片中進行相應(yīng)的距離向脈沖壓縮，之后將數(shù)據(jù)通存儲至QDR SDRAM中進行脈沖的積累。本文所述實時成像系統(tǒng)采用512個方位積累為一幀圖像，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，所以在QDR中，當方位向脈沖積累夠512個時，便向后端PowerPC發(fā)送中斷，PowerPC上運行了多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks，在接收到對應(yīng)中斷后，系統(tǒng)對應(yīng)接受存儲任務(wù)開始運行，對數(shù)據(jù)進行緩存，由于數(shù)據(jù)在各個芯片之間傳輸速率快，在脈沖積累間隔，PowerPC上信號處理任務(wù)進入運行態(tài)，開始處理數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)處理結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳送至終端顯示。綜上所述，實時SAR成像系統(tǒng)的算法流程與硬件映射如圖3所示。

圖3 信號處理流程及硬件映射

3 算法軟件開發(fā)

R－D算法以其穩(wěn)定性好、占用存儲空間小、實時性高等多項優(yōu)點在，工程實現(xiàn)中得到廣泛應(yīng)用，本文采用R－D成像算法。針對本次實時處理，結(jié)合本文所述VPX信號處理板，其整個實時處理流程如圖4所示。

圖4 VPX信號處理板

3.1 數(shù)據(jù)前端處理

如前所述，本文所采用VP信號處理板，前端利用FPGA的流水并行處理方式能夠很好地完成雷達成像算法中前端數(shù)字下變頻以及距離向脈沖壓縮，因為FPGA處理速度高，在雷達回波接收過程中就可完成算法的處理，從而使得FPGA處理不影響成像的實時性，同時其良好的時序控制能力可以完成對雷達回波采樣的時序控制。

在FPGA進行完前端數(shù)據(jù)處理后，數(shù)據(jù)會被送進QDR中進行數(shù)據(jù)積累，本文所述系統(tǒng)采用512個數(shù)據(jù)脈沖為一幀圖像的數(shù)據(jù)，每個方位向采樣點數(shù)為1 024，在QDR中對數(shù)據(jù)進行512次積累以后便會向后端PowerPC發(fā)送中斷，使其對數(shù)據(jù)進行讀取，由于QDR的獨立讀寫接口，在數(shù)據(jù)讀出時可通過地址的跳變完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)置，這為后續(xù)處理節(jié)省了時間。

QDR與PowerPC之間通過PCI－E4x進行通信，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可達2.0 Gbit·s－1，一幅圖像的數(shù)據(jù)量大小為1 024×512個復(fù)數(shù)，即1 024×512×2×4=4 MB(一個復(fù)數(shù)為兩個int型變量)數(shù)據(jù)，從而數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間大約為1.95 ms，而PowerPC中基于矢量運算引擎的矩陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置，其轉(zhuǎn)置時間為35.15 ms，從而可見QDR轉(zhuǎn)置讀寫的高效性。

結(jié)合FPGA和QDR中數(shù)據(jù)處理，本文給出其處理框圖如5所示。

圖5 前端數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)圖

3.2 基于VxWorks的多任務(wù)的算法實現(xiàn)

PowerPC處于本文信號處理模塊的最后端。如前所述，PowerPC需要完成從FPGA中發(fā)來數(shù)據(jù)的接收存儲，同時要對數(shù)據(jù)進行算法處理，為了方便后續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸，需要對成像結(jié)果進行量化，并最終完成該對數(shù)據(jù)的終端傳輸。如此多的任務(wù)使得傳統(tǒng)的信號處理模塊已無法滿足系統(tǒng)要求，本文選用多任務(wù)實時VxWorks來解決這一難題。

多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計的一大特色就是任務(wù)優(yōu)先級安排。通常，優(yōu)先級安排有些特定的原則［13］。具體為:(1)占用CPU資源較少的任務(wù)可以設(shè)置為較高的優(yōu)先級。(2)需要響應(yīng)時間較短的任務(wù)可以設(shè)置為較高的優(yōu)先級。(3)根據(jù)時機適當?shù)恼{(diào)整任務(wù)優(yōu)先級。(4)無需設(shè)置過多的優(yōu)先級。

根據(jù)上述原則，將后續(xù)處理任務(wù)分為3個大的任務(wù)模塊:數(shù)據(jù)接收任務(wù)Data Recv Task、數(shù)據(jù)處理任務(wù)Data Proc Task和輸出發(fā)送任務(wù)Data Trans Task。

接收任務(wù)Data Recv Task模塊負責從QDR接收傳來的一幀圖像的處理數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)利用512個方位脈沖積累來完成一幀圖像的處理，同時在每個方位向脈沖中A/D進行1 024次脈沖采樣。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間約為1.95 ms，系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，512個脈沖積累時間約為512 ms，從而數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間遠小于一幀圖像數(shù)據(jù)的積累時間。

任務(wù)在接收數(shù)據(jù)的同時，在PowerPC外掛內(nèi)存中會開辟一片緩沖區(qū)，用于存放每幀圖像數(shù)據(jù);同時，在該任務(wù)中斷觸發(fā)，進入運行態(tài)后，實現(xiàn)對一幅圖像數(shù)據(jù)存儲之后，便會釋放一個計數(shù)信號量Sem Data Count，通過該信號量使得數(shù)據(jù)處理任務(wù)進入運行態(tài)。

由于SAR成像算法需要數(shù)據(jù)的完整性，所以該任務(wù)不能被其他任務(wù)打斷，結(jié)合軟件開發(fā)原則中優(yōu)先級安排原則，該任務(wù)執(zhí)行時間短，執(zhí)行時CPU消耗少，完整性要求嚴格，因此給該任務(wù)以最高的優(yōu)先級，以保證系統(tǒng)的完整性。

數(shù)據(jù)處理任務(wù)Data Proc Task負責對一幀圖像進行成像的算法處理以及后續(xù)多視、量化處理。數(shù)據(jù)處理任務(wù)在創(chuàng)建初期，處于阻塞狀態(tài)，并一直等待信號量Sem Data Count的獲取，即等待數(shù)據(jù)緩存區(qū)有雷達數(shù)據(jù)后就出發(fā)進入運行態(tài)。

由于SAR算法處理復(fù)雜，同時兼顧量化等后續(xù)處理步驟，該任務(wù)運行時間較長，實際測量約一幀圖像約為500 ms，這遠大于數(shù)據(jù)接收任務(wù)，同時在數(shù)據(jù)處理時，CPU占有率高，根據(jù)優(yōu)先級分配原則，該任務(wù)分配優(yōu)先級低，該任務(wù)會運行于其他任務(wù)執(zhí)行的間隙，在其他任務(wù)運行時，該任務(wù)處于掛起態(tài)。任務(wù)在處理完一幀圖像后，會釋放信號量觸發(fā)后續(xù)傳輸任務(wù)的運行，將圖像最終傳輸至終端顯示設(shè)備進行顯示。

數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)Data Trans Task負責對處理后的圖像數(shù)據(jù)進行發(fā)送，傳輸至終端顯示模塊。本文所述系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)Socket通信實現(xiàn)對圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸。該任務(wù)創(chuàng)建初期處于阻塞狀態(tài)，當獲得信號量時，便觸發(fā)其進入運行態(tài)，進行圖像傳輸。

由于圖像在數(shù)據(jù)處理期間進行了多視處理和量化處理，最終的一幅圖像數(shù)據(jù)量會小于原始雷達回波的數(shù)據(jù)量。同時千兆以太網(wǎng)的傳輸速度更快，并且CPU使用率低，從而給該程序分配較高的優(yōu)先級。

綜上所述，本文完成了3個任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)計以及任務(wù)間的通信，其中算法的具體設(shè)計在SAR成像領(lǐng)域已經(jīng)成熟。3個任務(wù)相互配合，共同完成SAR信號處理模塊的總體功能。SAR成像算法任務(wù)框圖如圖6所示。

圖6 多任務(wù)SAR成像算法任務(wù)示意圖

4 成像結(jié)果分析

在武漢長江大橋上進行外場測試，選取江中小洲進行成像試驗。實驗車以40 km/h的速度行駛，大橋高約40 m，天線俯仰角為向下3°，才能照射到橋下小洲。車載SAR采用正側(cè)視條帶成像工作模式。實驗為初期簡單實驗，所以沒有安裝慣導(dǎo)，多普勒參數(shù)包括多普勒中心頻率和多普勒方位調(diào)頻率都是依靠回波信號估計獲得。采用圖1所示的處理流，通過對小洲的實時成像和終端顯示，成像結(jié)果如圖7所示。

圖7 SAR實時成像終端顯示界面

全圖場景寬度為1 500 m，全圖場景長度為1 900 m，從圖中可以看到江中小島上的道路、樹林和稻田。通過試驗，對成像時間進行測試，結(jié)果如表1所示，車載試驗雷達重復(fù)頻率1 kHz，采用512個脈沖積累為一幅圖像積累，即一幅圖像積累時間為512 ms，采用匹配濾波模式時成像時間稍大于圖像積累時間，但仍可滿足實時成像的要求，采用Dechirp成像則完全可滿足成像上時間需求，但后續(xù)圖像拼接程序，仍需要時間的消耗。

表1 處理時間表

表1中，給出了方位向Dechirp和匹配濾波兩種方式時一幀圖像的處理時間，選取圖像總的獨立特顯點，并對其距離向和方位向3 dB帶寬進行分析，結(jié)果如表2所示。

圖8 距離向3 dB帶寬

圖9 方位向3 dB帶寬

表2 成像結(jié)果分析

5 結(jié)束語

討論了一種基于VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的SAR實時成像系統(tǒng)，通過對SAR算法的分析，設(shè)計了以PowerPC芯片為核心，集成FPGA模塊功能的硬件平臺，并在多任務(wù)實時操作系統(tǒng)VxWorks下進行信號處理的多任務(wù)開發(fā)。最終結(jié)合外場試驗對本文所述系統(tǒng)的有效性進行了驗證，試驗結(jié)果表明本文所述基于VxWorks的SAR實時成像信號處理系統(tǒng)是有效可靠的。

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