航海雷達(dá)數(shù)據(jù)高速采集回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅來(lái)金，曾連蓀，夏 念

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 200135）

在現(xiàn)代雷達(dá)研制中，普遍需要現(xiàn)場(chǎng)采集大量的雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)，為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究提供仿真驗(yàn)證和性能評(píng)估的依據(jù)。在雷達(dá)生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)試及質(zhì)檢部門(mén)需要檢驗(yàn)雷達(dá)在真實(shí)的環(huán)境中運(yùn)行參數(shù)。在雷達(dá)使用過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)記錄雷達(dá)的工作狀態(tài)信息，便于在出現(xiàn)問(wèn)題后，進(jìn)行問(wèn)題的復(fù)現(xiàn)。高性能的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集回放設(shè)備為應(yīng)用各種算法對(duì)雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析提供依據(jù)，為檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)工作性能提供了重要的技術(shù)手段，為重現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)畫(huà)面，分析目標(biāo)參數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此高速雷達(dá)數(shù)據(jù)采集回放系統(tǒng)在軍用和民用雷達(dá)系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用[1]。

高速高分辨率的雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)，高帶寬數(shù)據(jù)傳輸往往成為很多系統(tǒng)的瓶頸，隨著計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展，PCI總線技術(shù)可以解決系統(tǒng)高數(shù)據(jù)吞吐量的問(wèn)題[2]。在設(shè)計(jì)中為了縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間及提高系統(tǒng)的通用性及可升級(jí)性，使用商用PCI-XX高速數(shù)據(jù)采集卡和PCI-XXX高速數(shù)字輸入輸出卡。系統(tǒng)在高速采集的同時(shí)，需要實(shí)時(shí)保存采集到的數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)磁盤(pán)，高速磁盤(pán)讀寫(xiě)技術(shù)可以在高速采集的同時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)中，確保數(shù)據(jù)的完整性[3]。上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。軟件中還采用微軟公司提供的DirectX控件，實(shí)時(shí)模擬航海雷達(dá)顯控界面。隨著雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，航海雷達(dá)型號(hào)多樣化，采集接口板和回放接口板可解決多型號(hào)船用導(dǎo)航雷達(dá)兼容性問(wèn)題。整機(jī)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)大大提升了系統(tǒng)的通用性和可維護(hù)性。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)高速采集回放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為船用導(dǎo)航雷達(dá)數(shù)據(jù)高速記錄回放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

便攜式工控機(jī)通過(guò)PCI總線連接PCI-XX高速模擬信號(hào)采集卡、PCI-XXX高速數(shù)字輸入輸出卡。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of system

采集接口板在采集時(shí)完成多種型號(hào)雷達(dá)視頻信號(hào)及其對(duì)應(yīng)標(biāo)志位信號(hào)（觸發(fā)、方位、船首、數(shù)字羅經(jīng)、計(jì)程儀、GPS等）的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

回放接口板在回放時(shí)，將計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)并輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的視頻模擬信號(hào)及與主脈沖同步的時(shí)標(biāo)信息，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)電路，保證其有足夠的驅(qū)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)雷達(dá)顯示終端。

上位機(jī)的軟件則主要使用了采集卡和數(shù)據(jù)輸入輸出卡提供的SDK，完成數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)。顯示則主要采用DirectX提供的SDK實(shí)現(xiàn)雷達(dá)畫(huà)面的實(shí)時(shí)顯示[4]。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 采集接口板硬件設(shè)計(jì)

考慮不同導(dǎo)航雷達(dá)視頻信號(hào)、標(biāo)志位信號(hào)具有不同的電氣特性，接口板分為擴(kuò)展模塊和核心模塊，在采集接口板擴(kuò)展模塊中主要通過(guò)模擬電路對(duì)雷達(dá)收發(fā)機(jī)發(fā)送下來(lái)的標(biāo)志位信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，即對(duì)不同電氣特性（模擬輸入、數(shù)字輸入；單端輸入、差分輸入等）的視頻、標(biāo)志位信號(hào)完成阻抗匹配、極性及動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整等工作。為了以后擴(kuò)展，在接口板上預(yù)留串口、網(wǎng)絡(luò)接口及相應(yīng)的通信、編解碼芯片，保證記錄回放儀能夠滿足多種型號(hào)導(dǎo)航雷達(dá)的需要。

核心模塊具體工作流程如圖2所示：將處理后的雷達(dá)視頻信號(hào)、標(biāo)志位信號(hào)提供給采集卡，其中還包括對(duì)回波重頻的自適應(yīng)檢測(cè)信號(hào)。使用PCI-XX在120 Ms/s采集數(shù)據(jù)時(shí)，只能使用采集卡上的CH-0，而且只能采集模擬信號(hào)，不能直接采集雷達(dá)的所有標(biāo)志位信號(hào)，考慮到記錄、回放雷達(dá)視頻信號(hào)時(shí)，標(biāo)志位信號(hào)與主脈沖的同步問(wèn)題，采取“時(shí)分復(fù)用”的思想在每一個(gè)主脈沖視頻信號(hào)末尾添加模擬標(biāo)志位信號(hào)的方式解決。通過(guò)FPGA（Field-Programmable Gate Array）對(duì)各種標(biāo)志位信號(hào)進(jìn)行編碼并控制高速模擬電子開(kāi)關(guān)對(duì)雷達(dá)回波視頻信號(hào)及編碼信號(hào)的銜接。

圖2 核心模塊工作流程圖Fig.2 Flow chart of the core module

如圖3所示，波形1為10海里雷達(dá)回波視頻信號(hào)和時(shí)標(biāo)編碼信息合為一路輸出波形，其中銜接點(diǎn)是在高速開(kāi)關(guān)切換點(diǎn)。波形2為收發(fā)機(jī)下來(lái)的同步觸發(fā)脈沖，從中可以看出接口板工作是與主脈沖同步的。

圖3 接口板輸出波形示波器截圖Fig.3 Oscilloscope output waveform of interface board

采集卡在120 MHz的采樣頻率及14位的量化精度條件下，實(shí)時(shí)帶寬為120 M×2 B/s=240 MB/s，遠(yuǎn)大于PCI總線的132 MB/s的帶寬和硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度[5]。為保證系統(tǒng)能穩(wěn)定存儲(chǔ)及顯示采集到的數(shù)據(jù)，在2個(gè)觸發(fā)脈沖之間要留有比較充裕的時(shí)間來(lái)給PCI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示的時(shí)間。具體時(shí)序分配如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與PCI總線傳輸時(shí)序分配圖Fig.4 Timing distribution diagram of data acquisition and PCI bus transfer

其中TS為采樣時(shí)間，TDMA為數(shù)據(jù)由采集卡傳入系統(tǒng)內(nèi)存占用的時(shí)間，Tstorage為數(shù)據(jù)寫(xiě)入硬盤(pán)占用的時(shí)間，Tvacanyc為軟件完成數(shù)據(jù)顯示以及其他操作的時(shí)間。

1.1.2 PCI-XX和PCI-XXX卡的特性

PCI-XX是一款基于 PCI總線的雙通道 65 Ms/s、14位A/D分辨率的高速高分辨率數(shù)字化儀。具有多種觸發(fā)模式、多卡同步、自校準(zhǔn)功能。它的輸入配置十分靈活（包括可編程輸入范圍和用戶自定義輸入阻抗）。借助于大容量板載采集內(nèi)存SODIM SDRAM，PCI-XX通過(guò)DMA和Scatter Gather不會(huì)被PCI總線132 MB/s的帶寬所限制，并且可以在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行波形記錄。借助于“乒乓”操作模式，采樣率在使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)高達(dá)120 Ms/s，在外部時(shí)鐘條件下可以高達(dá)130 Ms/s。PCI-XX適合于高速波形捕捉，例如雷達(dá)和超聲波等[6]。

PCI-XXX是一款基于PCI總線，32通道的數(shù)字輸入/輸出的超高速輸入輸出卡，適合高速數(shù)字信號(hào)傳輸、數(shù)字模式波形發(fā)生和捕獲及邏輯分析等應(yīng)用。配合DMA和Scatter Gather，PCI-XXX最高數(shù)字傳輸速率高達(dá)80 MB/s[7]。

1.1.3 回放接口板硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)輸出卡PCI-XXX輸出的是采集到的數(shù)字信號(hào) （其中包含視頻信號(hào)及軟件處理過(guò)的標(biāo)志位信號(hào)），因此需要設(shè)計(jì)回放接口板卡，將數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并從中解碼出相應(yīng)的標(biāo)志位信號(hào)，并且轉(zhuǎn)換后的信號(hào)應(yīng)該能有足夠的驅(qū)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)雷達(dá)顯示終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的復(fù)原。

在回放接口板中主要通過(guò)FPGA控制雙口FIFO及DA進(jìn)行讀寫(xiě)操作。FPAG完成對(duì)編碼信號(hào)的解碼，同時(shí)控制FIFO及DA的讀寫(xiě)，F(xiàn)IFO完成數(shù)據(jù)輸出卡到D/A之間的數(shù)據(jù)緩存，D/A完成雷達(dá)視頻信號(hào)的復(fù)原。

1.2 高速雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)構(gòu)

軟件的基本功能及流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart of software

1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄 包括導(dǎo)航雷達(dá)視頻信號(hào)、標(biāo)志位信號(hào)以及重頻的變化；實(shí)時(shí)記錄內(nèi)容還包括采集數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)信息。

2）實(shí)時(shí)顯示 包括雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)以及記錄的標(biāo)志位、海況、數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中突發(fā)事件等的顯示。在記錄、回放數(shù)據(jù)時(shí)顯示采集狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)。

3）實(shí)時(shí)回放 系統(tǒng)回放時(shí)將磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)讀出后進(jìn)行信號(hào)的同步處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)輸出卡。

圖6 人機(jī)界面Fig.6 Man-machine interface

如圖6所示，記錄回放軟件的操控界面主要分為2個(gè)顯示區(qū)（數(shù)據(jù)顯示區(qū)域P顯、數(shù)據(jù)顯示區(qū)域A顯），和3個(gè)操控區(qū)（設(shè)置菜單初始化、顯控菜單、輔助功能交互區(qū)）。雷達(dá)回波顯示模式包括P顯和A顯：P顯以點(diǎn)顯示主脈沖回波數(shù)據(jù)，A顯以波形方式顯示指定方位的主脈沖回波數(shù)據(jù)，方便小目標(biāo)回波信號(hào)的觀察與分析。操控區(qū)主要是便于實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的顯示畫(huà)面。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間船載測(cè)試表明該采集回放系統(tǒng)能夠采集多種型號(hào)導(dǎo)航雷達(dá)視頻信號(hào)、多種標(biāo)志位信號(hào)，使用自定義的數(shù)據(jù)格式，以文件形式記錄到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，也可以將保存的數(shù)據(jù)文件還原為原始的雷達(dá)視頻及多種標(biāo)志位信號(hào)發(fā)送給雷達(dá)顯控終端，復(fù)現(xiàn)導(dǎo)航雷達(dá)工作的真實(shí)情況。通過(guò)對(duì)比記錄回放儀記錄的數(shù)據(jù)和實(shí)際雷達(dá)獲得數(shù)據(jù)，誤差很小，符合設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié) 論

系統(tǒng)采用便攜式工控機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)字輸入輸出卡，配合信號(hào)采集接口板及回放轉(zhuǎn)接板，采用“時(shí)分復(fù)用”的思想設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單通道采集卡對(duì)多路雷達(dá)信號(hào)采集實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。隨著高速傳輸總線技術(shù)及高速磁盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，在今后的研究中可以采用更高速的傳輸總線如PCIE，PCI-X等，軟件設(shè)計(jì)中加入壓縮算法和圖形顯示算法，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率，使得系統(tǒng)能存儲(chǔ)更多的雷達(dá)數(shù)據(jù)，展示更好的實(shí)時(shí)顯示效果。

[1]宋杰，何友.基于FPGA的超高速雷達(dá)信號(hào)實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（11）：18-20.SONG Jie，HE You.FPGA-based high-speed real-time radar signalacquisition and storage systems [J].Electronic Applications，2005 （11） ：18-20.

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[5]Shanley T，Aderson D.PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].4版.劉暉，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[6]凌華科技（ADLINK）.PCI-xx Datasheet 09[EB/OL].（2010-07-27）[2011-03-11]http：//www.adlinktech.com/PD/cn/PD_detail.php?cKind=&pid=358&seq=&id=&sid=.

[7]凌華科技（ADLINK）.PCI-xxx Datasheet 10[EB/OL].（2010-02-03）[2011-03-11]http：//www.adlinktech.com/PD/cn/PD_detail.php?cKind=&pid=787&seq=&id=&sid=.