一種雷達(dá)信號處理機(jī)的軟件設(shè)計(jì)*

馬曉靜

(解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037)

0 引言

信號處理機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響到雷達(dá)作用距離、目標(biāo)檢測性能和目標(biāo)的識別。現(xiàn)代雷達(dá)信號處理廣泛采用數(shù)字脈沖壓縮、動目標(biāo)顯示/動目標(biāo)檢測(MTI/MTD）、恒虛警處理等先進(jìn)的信號處理技術(shù)，大大提高了雷達(dá)的作戰(zhàn)性能。脈沖壓縮雷達(dá)能同時提高雷達(dá)的作用距離和距離分辨率，較好地解決了雷達(dá)作用距離和距離分辨率之間的矛盾。MTI/MTD 通過對回波相參脈沖串作MTI 濾波和匹配濾波處理來實(shí)現(xiàn)雜波抑制，進(jìn)而提高系統(tǒng)在復(fù)雜背景中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力。恒虛警處理(CFAR）主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)干擾(雜波或噪聲）電平增加時，能夠隨干擾電平的變化自動調(diào)整檢測門限值，將虛警率控制在正常的水平。

本文結(jié)合了某雷達(dá)信號處理機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)。該處理機(jī)由線性調(diào)頻脈沖壓縮、動目標(biāo)顯示、動目標(biāo)檢測和恒虛警處理等工作模塊構(gòu)成，共處理4800個距離單元，先做8192 點(diǎn)脈沖壓縮，然后取4800個有效單元進(jìn)行后續(xù)處理。本文通過分析該處理機(jī)的工作原理，提出了軟件設(shè)計(jì)的方法。

1 信號處理過程及其工作原理

信號處理機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對前端信號的接收和處理，完成對目標(biāo)距離以及方位信息的提取，其工作原理如圖1所示。該信號處理機(jī)主要包括脈沖壓縮(PC）、數(shù)字對消(MTI）、相參積累(MTD）和恒虛警處理(CFAR）4個功能模塊。

圖1 信號處理系統(tǒng)框圖

脈沖壓縮采用頻域脈壓的方法實(shí)現(xiàn)。圖2 是頻域脈壓的原理性框圖。在具體工程實(shí)現(xiàn)時一般將匹配濾波器權(quán)系數(shù)存于隨機(jī)存取存儲器(RAM）中，當(dāng)需要加權(quán)以降低距離旁瓣時，存于RAM中的權(quán)系數(shù)應(yīng)當(dāng)是匹配濾波器頻率響應(yīng)與加權(quán)函數(shù)的乘積。

圖2 頻域數(shù)字脈壓原理框圖

MTI 采用兩脈沖對消或三脈沖對消。一次相消器是很簡單的濾波器，其實(shí)現(xiàn)無需相乘，每一個輸出采樣只有一個減法器，但其零頻凹口窄，對于雜波抑制效果不理想。二次相消器也是一種常用的MTI 濾波器，可通過級連兩個一次相消器得到。二脈沖對消原理圖見圖3，三脈沖對消原理圖見圖4。MTD 是在MTI后串接一組相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組，覆蓋整個重復(fù)頻率的范圍，對不同通道進(jìn)行相參積累處理。

圖3 兩脈沖對消原理圖

圖4 三脈沖對消原理圖

采用單元平均CFAR 實(shí)現(xiàn)恒虛警檢測。對于某一個檢測單元，取其兩側(cè)一定數(shù)目的距離單元作為參考單元，對所有的參考單元相加求和，再乘以適當(dāng)?shù)拈T限系數(shù)，就可以得到相應(yīng)于給定的虛警概率的門限電平。此門限電平是隨著目標(biāo)附近的距離段內(nèi)的背景雜波或噪聲而連續(xù)變化的。大目標(biāo)的強(qiáng)回波會波及到臨近的距離單元，使平均背景的測量受到影響。因此，檢測單元左右兩側(cè)的一些距離單元的輸出應(yīng)不計(jì)入，以免對平均背景值產(chǎn)生影響。這些距離單元稱為保護(hù)單元，其原理如圖5所示。

圖5 單元平均CFAR 原理框圖

2 信號處理機(jī)的硬件環(huán)境

信號處理機(jī)采用ADI 公司的新型DSP 芯片ADSP-TS201S為主要器件設(shè)計(jì)處理板，通過對DSP 軟件編程完成信號處理算法的工程實(shí)現(xiàn)。信號處理板在一個標(biāo)準(zhǔn)的6U CPCI 板上集成了ADI 公司的8個600 MHz TS201S處理器，可提供28.8GFLOPS 峰值計(jì)算能力，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 信號處理機(jī)系統(tǒng)框圖

每個處理器的64 位總線無縫連接4 片32MX16位SDRAM(MT48LC32M16），4 片SDRAM 配置成32M×64 位，共256MB。整板SDRAM 容量達(dá)256MB×8=2048MB。CPCI 主機(jī)和DSP 可同時訪問SDRAM。

3 信號處理機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

通過對工作模塊中的一片或幾片DSP 編程來完成模塊功能，多個模塊組成的并行處理系統(tǒng)保證了高速實(shí)時的數(shù)字信號處理能力。在能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的前提下，軟件編程最重要的考慮是軟件處理的通過率。因此，在設(shè)計(jì)信號處理軟件時，要對每個模塊的運(yùn)算通過率作詳細(xì)的分析。

3.1 脈沖壓縮的編程原理

脈沖壓縮模塊處理的是一個重復(fù)周期的回波數(shù)據(jù)。以8192 點(diǎn)脈壓為例，開辟一個長度為8192*2的緩沖區(qū)buffer1，用于存放一個周期的回波數(shù)據(jù)，即脈壓的輸入數(shù)據(jù);再開辟一個長度為8192*2的緩沖區(qū)buffer2，用于存放回波的FFT的結(jié)果;另外開辟一個長度為8192*2的緩沖區(qū)buffer3，用于存放一個周期匹配函數(shù)的FFT的結(jié)果。buffer2和buffer3中順序存放的是8192個距離單元的實(shí)部和虛部。將同一個距離單元在buffer2和buffer3中分別對應(yīng)的2個復(fù)數(shù)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法，(a+bj）*(c+dj）=(ac－bd）+(ad+bc）j，在經(jīng)過4 次乘法運(yùn)算和2 次加法運(yùn)算后得到復(fù)乘后的復(fù)數(shù)結(jié)果，按照實(shí)虛部依次存放在長度為8192*2的緩沖區(qū)buffer4中。再對復(fù)乘結(jié)果作IFFT，將得到的結(jié)果放在長度為8192*2的緩沖區(qū)buffer5中，其處理流程見圖7。其中，IFFT 是通過取共軛，作FFT，再取共軛，最后乘以1/N來實(shí)現(xiàn)的。

圖7 脈沖壓縮的軟件編程流程

3.2 MTI的編程原理

3.2.1 二脈沖對消

由其時域方程y(n）=x(n）－x(n－1）可知，一次相消器(二脈沖對消）就是由相鄰兩個脈沖作減法運(yùn)算，n個脈沖對消后變?yōu)閚－1個脈沖，即同一個距離單元的每相鄰2個采樣值就要作一次對消。這樣，5個脈沖經(jīng)過二脈沖對消后變?yōu)?個脈沖，見圖8。

圖8 二脈沖對消的基本原理圖

在DSP 軟件設(shè)計(jì)中，它的本質(zhì)就是一次復(fù)數(shù)減法，也就是由實(shí)部和虛部分別作一次實(shí)數(shù)減法運(yùn)算。由于采用雙核運(yùn)算提高運(yùn)算速度，也就是在X和Y兩個計(jì)算塊中進(jìn)行相同的減法運(yùn)算，所以只需要一條指令就可以完成。

3.2.2 三脈沖對消

由其時域方程y(n）=x(n）－2x(n－1）+x(n－2）可知，二次相消器(三脈沖對消）就是由相鄰3個脈沖按照一定的規(guī)則進(jìn)行加法運(yùn)算，n個脈沖對消后變?yōu)閚－2個脈沖，即同一個距離單元的每相鄰3個采樣值要作二次對消。這樣，10個脈沖經(jīng)過三脈沖對消后變?yōu)?個脈沖，見圖9。

在DSP 軟件設(shè)計(jì)中，它的本質(zhì)就是一次復(fù)數(shù)乘法和兩次復(fù)數(shù)加法(減法），也就是由實(shí)部和虛部分別作一次實(shí)數(shù)乘法運(yùn)算和兩次實(shí)數(shù)加法(減法）運(yùn)算。由于在X和Y兩個計(jì)算塊中進(jìn)行相同的運(yùn)算，所以只需要兩條指令就可以完成。

圖9 三脈沖對消的基本原理圖

以4800個距離單元、10個重復(fù)周期作三脈沖對消為例，脈壓后的數(shù)據(jù)按照重復(fù)周期存放，MTI后的數(shù)據(jù)按照距離單元存放。由于作三脈沖對消的3組復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)在內(nèi)存區(qū)中沒有連續(xù)存放，所以需要3個指針j1、j2、j3分別指向這3組數(shù)據(jù)，通過指針后加4800*2(4800個復(fù)數(shù)所占的內(nèi)存單元數(shù)）更新到同一個距離單元對應(yīng)的下一個脈沖(重復(fù)周期）的位置上，為下一次對消作準(zhǔn)備。將同一個距離單元的8 次三脈沖對消的結(jié)果順序存放在一個長度為8*2的緩沖區(qū)內(nèi)。每完成一個距離單元的三脈沖對消后，將3個指針j1、j2、j3 更新到下一個距離單元的位置上，再進(jìn)行新一輪的三脈沖對消。這樣得到的下一個距離單元的三脈沖對消結(jié)果順序存放在MTI后的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，與上一個距離單元的三脈沖對消的結(jié)果連續(xù)存放。見圖10。

圖10 MTI 前后的數(shù)據(jù)存放示意圖

3.3 MTD的編程原理

8 點(diǎn)MTD的基本原理就是對同一個距離單元的8個采樣值作8 點(diǎn)的DFT 運(yùn)算。由于MTI后的數(shù)據(jù)已經(jīng)是按照距離單元存放的，也就是說，同一個距離單元的8個采樣值是放在連續(xù)的16個內(nèi)存單元內(nèi)。所以，只需要用一個指針j14 指向長度為8*2*4800的輸入緩沖區(qū)的首地址，也就是第一個8*2的緩沖區(qū)的首地址上，通過調(diào)用DFT 這一工作模塊，實(shí)現(xiàn)第一個距離單元的8個采樣值的8 點(diǎn)DFT 運(yùn)算。然后通過指針j14的后加16，將指針指向下一個距離單元的8個采樣值的長度為8*2的緩沖區(qū)的首地址，然后再調(diào)用DFT 程序，依此通過4800個循環(huán)，完成4800個距離單元的8 點(diǎn)MTD的運(yùn)算。其基本原理見圖11。

圖11 8 點(diǎn)MTD的基本原理

這里利用雙核運(yùn)算，考慮到要進(jìn)行四字操作，所以在X和Y 計(jì)算塊中分別進(jìn)行兩個距離單元的平方和運(yùn)算。這樣一次內(nèi)循環(huán)同時處理4個距離單元，所以8 點(diǎn)MTD循環(huán)數(shù)=距離單元數(shù)*8*2/8=距離單元數(shù)*2，4 點(diǎn)MTD 循環(huán)數(shù)=距離單元數(shù)*4*2/8=距離單元數(shù)。

3.4 CFAR的編程原理

設(shè)當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置:作兩邊檢測時，只在單側(cè)取4個保護(hù)單元，8個參考單元;作中間檢測時，在左右兩邊分別取2個保護(hù)單元，8個參考單元。

4800個距離單元，左右兩邊同時進(jìn)行運(yùn)算，分別放在X和Y 計(jì)算塊中，用j 指針和k 指針進(jìn)行指向，這樣使循環(huán)數(shù)減半。

在進(jìn)行中間單元的檢測時，仍然用j2和k2分別指向左邊和右邊的當(dāng)前檢測單元。j1 是中間檢測時依次指向左邊的檢測單元的左邊的參考單元的指針，其初始位置是其最左邊的參考單元。k1 是中間檢測時依次指向右邊的檢測單元的右邊的參考單元的指針，其初始位置是其最右邊的參考單元。而與之相對應(yīng)的是，j3 是指向中間檢測時依次指向左邊的檢測單元的右邊的參考單元的指針，其初始位置是其最左邊的參考單元。k3是指向中間檢測時依次指向右邊的檢測單元的左邊的參考單元的指針，其初始位置是其最右邊的參考單元。j4 是指向中間檢測時左邊的檢測單元的左邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是其最左邊的參考單元。k4 是指向中間檢測時右邊的檢測單元的右邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是最右邊的參考單元。j5 是指向中間檢測時左邊的檢測單元的右邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是其最左邊的參考單元。k5 是指向中間檢測時右邊的檢測單元的左邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是最右邊的參考單元。其處理流程圖如圖12所示，其參數(shù)設(shè)置為:M個重復(fù)周期，N個距離單元，最左邊N1個距離單元只取其右邊的參考單元求和，最右邊N2個距離單元只取其左邊的參考單元求和。

圖12 單元平均恒虛警的處理流程

4 結(jié)束語

本文是結(jié)合某雷達(dá)信號處理機(jī)的設(shè)計(jì)而展開的。該信號處理機(jī)包含脈沖壓縮(PC）、動目標(biāo)顯示(MTI）、動目標(biāo)檢測(MTD）、恒虛警檢測(CFAR）等功能模塊，在通用DSP 硬件平臺上通過軟件的方法實(shí)現(xiàn)了信號處理功能，具有功能強(qiáng)大、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，取得了很好的工程應(yīng)用效果，對軟件化雷達(dá)信號處理的實(shí)現(xiàn)具有一定的參考價值。

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