楊 剛 陳穎哲 王 巖

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

傳統(tǒng)的雷達往往是針對特定應(yīng)用場景設(shè)計,采用專用的硬件平臺和軟件架構(gòu),開發(fā)周期長,成本高,軟硬件耦合性強,維護和升級既困難又昂貴[1]。隨著雷達探測技術(shù)、電子對抗技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)場的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜,目標探測的難度越來越大。為適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境,陣列雷達的通道數(shù)越來越多,信號帶寬越來越大,以及先進的抗干擾算法和目標識別算法的引入,都增加了信號處理的復(fù)雜度。而且現(xiàn)在的雷達都具備多種探測任務(wù)的需求,集多種功能于一體,要求雷達可以靈活配置資源,擴展功能。

傳統(tǒng)的雷達大多采用“FPGA+DSP”處理架構(gòu)。FPGA集成了大量可編程的數(shù)字邏輯構(gòu)件和RAM塊,具有強大的定點運算能力和輸入輸出帶寬[2],一般用于完成雷達信號處理中的AD采樣,數(shù)字下變頻,數(shù)字波束形成,脈沖壓縮等功能。DSP浮點運算能力強,能夠滿足算法和邏輯比較復(fù)雜的場景,當前雷達信號處理系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的DSP是TI的TMS320C6678,其浮點處理能力可以達到128GFLOPS(1GHz主頻時),一般完成雷達信號處理中的動目標檢測,橫虛警檢測,點跡凝聚,測角,雜波圖等功能?！癋PGA+DSP”架構(gòu)在過去許多年里一直在雷達信號處理領(lǐng)域占據(jù)著主流位置,然而,該架構(gòu)固有的特性,導(dǎo)致程序的可重用性低,硬件調(diào)試困難,開發(fā)周期長,難以滿足當前瞬息萬變的現(xiàn)代化信息戰(zhàn)的要求。

針對傳統(tǒng)雷達的不足,軟件化雷達[3-4]的概念被提出,不同于傳統(tǒng)雷達的“以硬件技術(shù)為中心,面向?qū)Ｓ霉δ堋碧攸c,軟件化雷達是“以軟件技術(shù)為中心,面向?qū)嶋H需求”的開發(fā)模式。軟件化雷達通過層次化的開放式體系架構(gòu),可以實現(xiàn)硬件資源的靈活擴展。通過中間件技術(shù),可以將應(yīng)用程序與硬件資源完全解耦,從而實現(xiàn)可移植、可重構(gòu)的軟件化雷達系統(tǒng)[5]。

1 硬件平臺選擇

FPGA雖然處理能力強大,但是開發(fā)調(diào)試周期長,軟件和硬件耦合性強,可移植性差,所以較少應(yīng)用于軟件化雷達檢測信號處理中。

單片DSP處理能力較弱,所以一般在一塊板卡內(nèi)同時包含2片、4片、8片TMS320C6678,每片C6678包含8個C66x核。為了充分發(fā)揮DSP的性能,大多應(yīng)用中需要手動劃分每片DSP,甚至每個C66x核的功能。所以DSP程序開發(fā)和調(diào)試同樣比較復(fù)雜,不太適用于軟件化雷達信號處理。

受功耗墻的限制,單核CPU無法繼續(xù)通過提高主頻來提升計算性能,CPU也轉(zhuǎn)為了利用更多的核心來提升計算性能[4]。CPU芯片相對于DSP的主頻更高,內(nèi)存更大,浮點運算能力更強,而且運行的Linux操作系統(tǒng)比DSP上運行的輕量級操作系統(tǒng)性能更強,所以廣泛應(yīng)用于軟件化雷達信號處理中。

本文方法實踐中,計算刀片使用的處理器是志強D-2183IT,主頻2.2GHz,最大支持16核/32線程,三級緩存為22MB,采用AVX2.0指令集,板載支持4通道64GB、2400MHz Register DDR4 ECC內(nèi)存,可檢測多位內(nèi)存錯誤,查找和糾正單位錯誤,以保證系統(tǒng)持續(xù)正常運行,單精度浮點處理能力為1.1TFLOPS。

MKL是英特爾設(shè)計的一個函數(shù)庫,涵蓋了圖像處理、自動控制、科學(xué)計算、統(tǒng)計數(shù)學(xué)和信號處理等領(lǐng)域的基本函數(shù),比如快速傅里葉變換,矩陣操作等。MKL內(nèi)的函數(shù)進行了高度的優(yōu)化,而且是線程安全的,很適合雷達信號處理應(yīng)用。利用VISPL標準[7]和MKL可以實現(xiàn)高效的算法中間件。

通信中間件采用“發(fā)布-訂閱”模型,遵循DDS(Data Distribution Service)接口協(xié)議,提供了統(tǒng)一的接口進行數(shù)據(jù)和消息的傳遞,支持TCP、UDP和共享內(nèi)存等傳輸協(xié)議。

目前CPU支持的并行編程模型包括Pthread、 OpenMP、 MPI和OpenCL等[6]。Pthread是線程的POSIX標準,定義了創(chuàng)建和操作線程的一整套API,能夠在多種操作系統(tǒng)上運行,具有很好的可移植性,且所有線程都可以訪問全局的共享內(nèi)存,可以部分的減少線程之間數(shù)據(jù)通信的代價,當然多線程之間訪問共享內(nèi)存時需要考慮線程安全問題。本文采用Pthread來設(shè)計雷達信號處理程序。

2 信號處理算法

雷達信號處理最顯著的特點是各功能模塊的流水性,前后模塊間數(shù)據(jù)的迭代性和相關(guān)性較弱[8],所以不失一般性,這里只討論動目標檢測和橫虛警處理。

2.1 動目標檢測(MTD, Moving Target Detection)

在實際工作中,雷達不僅會收到目標回波信號,也可能收到地物、云雨、海浪、以及人為釋放的箔條等產(chǎn)生的雜波信號。一般來說,雷達接收到的雜波功率比實際運動目標信號的功率高很多,這對運動目標的檢測產(chǎn)生了嚴重的影響。因此,在橫虛警檢測之前,必須對雜波進行抑制,盡可能降低雜波對檢測的影響。

MTD是一種利用多普勒濾波器組來抑制各種雜波,以提高雷達在雜波背景下檢測運動目標能力的技術(shù)[9]。MTD多普勒濾波器組的實現(xiàn)方法主要有FFT濾波器組法和有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器組法。FFT方法的優(yōu)點是計算效率高,但是對雜波抑制能力較弱。FIR方法計算量大,但是在零頻附近抑制雜波更加靈活,其頻率響應(yīng)可以在零頻附近產(chǎn)生滿足要求帶寬的零陷[10]。16點FIR和FFT多普勒濾波器組如圖1所示。

圖1 MTD多普勒濾波器組

由于MKL中矩陣乘法效率很高,所以在CPU上實現(xiàn)MTD時一般采用FIR濾波器組。

2.2 橫虛警處理(CFAR, Constant False Alarm Rate)

在實際工作中,干擾電平通常是變化的,橫虛警檢測的目的就是在實際干擾環(huán)境下保持信號檢測時的虛警率恒定。常用的方法有單元平均CFAR (CA CFAR),平均選大橫虛警(GO CFAR),平均選小橫虛警 (SO CFAR),審核式橫虛警,有序統(tǒng)計橫虛警(OS CFAR)等。這些橫虛警算法的主要區(qū)別在于多目標環(huán)境和雜波邊緣的表現(xiàn)不同[11]。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計

整個處理流程采用流水線的方式實現(xiàn)并行計算,除輸入輸出模塊外,各模塊接收上一級模塊輸出的參數(shù)和數(shù)據(jù),完成計算后,將參數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)給下一級模塊。這里模塊之間傳輸?shù)膮?shù)和數(shù)據(jù)組合,是通過使用傳址的方式進行傳遞,以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。輸入模塊接收外部模塊的輸入,輸出模塊將最終處理結(jié)果上報給外部模塊。

志強D-2183IT共有16個核,為了各模塊處理時間的穩(wěn)定,對各模塊分配了固定的核進行處理,首先對這些核進行隔離,然后將各處理模塊線程綁定到對應(yīng)核上。軟件化雷達模塊示例見圖2所示。

圖2 軟件化雷達模塊示例

每個模塊內(nèi)有一個循環(huán)隊列,用于存儲參數(shù)+數(shù)據(jù)組合的地址,隊列越大對模塊處理時間抖動的容忍度越大,但隊列太大對內(nèi)存的需求越大,需要根據(jù)模塊實際的處理時間抖動進行合理設(shè)置。

模塊內(nèi)的線程分為兩種,管理線程和計算線程。

每個模塊的管理線程只有一個,用于判斷循環(huán)隊列的狀態(tài),管理計算線程。當計算線程空閑時,管理線程判斷循環(huán)隊列是否為空,如果不為空,就取出最先收到的“參數(shù)+數(shù)據(jù)”組合,根據(jù)工作參數(shù),劃分好每個計算線程的計算任務(wù),給計算線程發(fā)送信號量,啟動計算線程開始計算,然后等待計算線程計算完成后發(fā)送的信號量。最后將該模塊生成的“參數(shù)+數(shù)據(jù)”組合發(fā)給下一個模塊。管理線程處理流程如圖3(a)所示。

每個模塊有多個計算線程,計算線程用于完成管理線程分配的計算任務(wù)。計算線程空閑時,等待管理線程發(fā)送的信號量,收到信號量后開始執(zhí)行計算任務(wù),計算完成后,給管理線程發(fā)送標志著計算完成的信號量,然后繼續(xù)等待管理線程發(fā)送的信號量。管理線程主要是判斷循環(huán)隊列和計算線程的狀態(tài),以及完成任務(wù)分配,計算量不大,所以無需單獨劃分一個核,可以和計算線程綁定到同一個核,計算線程數(shù)量的選取需根據(jù)模塊的計算量,以及系統(tǒng)可劃分給該模塊的核數(shù)確定。計算線程處理流程如圖3(b)所示。

舉例來說,假設(shè)當前MTD模塊和CFAR模塊需要處理的是一個波束,16個多普勒通道,1024個距離單元,MTD模塊和CFAR模塊分別分配3個核,分別有3個計算線程。

圖3 管理線程和計算線程處理流程

MTD模塊中管理線程檢測到計算線程空閑,且循環(huán)隊列中有未處理的“參數(shù)+數(shù)據(jù)”時,給三個計算線程分配計算任務(wù),其中:計算線程1完成距離單元1～342的MTD處理;計算線程2完成距離單元343～683的MTD處理;計算線程3完成距離單元684～1024的MTD處理。

同理,CFAR模塊中管理線程檢測到計算線程空閑,且循環(huán)隊列中有未處理的“參數(shù)+數(shù)據(jù)”時,給三個計算線程分配計算任務(wù),其中:計算線程1完成多普勒通道1～6的CFAR處理;計算線程2完成多普勒通道7～11的CFAR處理;計算線程3完成多普勒通道12～16的CFAR處理。

4 結(jié)束語

雷達信號處理系統(tǒng)計算量大,實時性要求高,傳統(tǒng)雷達信號處理系統(tǒng)軟硬件耦合性強,不利于升級和擴展,導(dǎo)致研發(fā)周期長,成本高。本文介紹了一種基于CPU刀片服務(wù)器的軟件化雷達信號處理實現(xiàn)方法,使用循環(huán)隊列實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)和參數(shù)的存儲和傳遞,應(yīng)用管理線程自動劃分每個計算線程的計算任務(wù),并管理計算線程的執(zhí)行狀態(tài)。通過MTD模塊和CFAR模塊具體介紹了循環(huán)隊列,管理線程和計算線程的使用方法。本文介紹的實現(xiàn)方法,可以滿足常規(guī)軟件化雷達信號處理應(yīng)用場景。