無人機(jī)載偵察雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 濤 徐 瑋 孔祥輝 張曉東

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在無人機(jī)的發(fā)展過程中早期的偵查無人機(jī)一般使用光學(xué)設(shè)備感知外界信息，但是光學(xué)設(shè)備受天氣影響較大是無法克服的難題，而雷達(dá)正是具有全天候、全天時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，再加上雷達(dá)小型化技術(shù)的成熟，雷達(dá)已逐漸成為無人機(jī)載偵查設(shè)備的首選，近年來的增長(zhǎng)大幅超過光學(xué)設(shè)備，并且由于需求的多樣化和軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的無人機(jī)載多功能雷達(dá)不斷涌現(xiàn)，例如非常著名的美國(guó)全球鷹無人偵察機(jī)具有全天候、大縱深的偵察監(jiān)視能力［1］。無人機(jī)相對(duì)于普通有人飛機(jī)，載荷較小，自動(dòng)化程度高，需要無線數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行傳輸控制和處理數(shù)據(jù)信號(hào)，由此帶來的是雷達(dá)功能的多樣化和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，同時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件高度復(fù)雜，不僅需要完成多模式下的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，而且還需要控制記錄設(shè)備、編碼和發(fā)送數(shù)據(jù)等，此時(shí)需要按不同的功能使用模塊化設(shè)計(jì)，具有可裁減性和數(shù)據(jù)安全性，不僅提高雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的質(zhì)量與可靠性［2］，而且在后期能夠很好的功能延展和維護(hù)。

1 Windows XP Embedded操作系統(tǒng)

Windows XP Embedded為微軟研發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，以組件模塊展現(xiàn)出與Windows XP Profes-sional操作系統(tǒng)一樣的接口與操作模式，包含10000多個(gè)獨(dú)立的功能組件，開發(fā)人員可依各自需求組合出不同的操作系統(tǒng)鏡像文件，確保有Windows XP Professional操作系統(tǒng)相依性以及最佳功能，其基于Win32編程模型，由于采用常見的開發(fā)工具，如Visual Stdio，使用商品化PC硬件，與桌面應(yīng)用程序無縫集成，因此可以縮短開發(fā)時(shí)間。它比較關(guān)鍵的可靠性、安全性和性能包括:系統(tǒng)文件保護(hù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序回滾、搶先型多任務(wù)體系結(jié)構(gòu)、支持多用戶的加密文件系統(tǒng)等等［3］。

雖然Windows XP Embedded具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性上不如WindRiver的VxWorks操作系統(tǒng)［4］。對(duì)于這兩個(gè)缺陷，首先偵察雷達(dá)不同于火控雷達(dá)，前者沒有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性需求，其次制作系統(tǒng)鏡像文件時(shí)可以將不使用的組件完全裁減掉，只使用滿足需求的最少組件，再加上其本身具有的系統(tǒng)文件保護(hù)功能，系統(tǒng)也可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。由以上所述Windows XP Embedded是可以代替Vx-Works作為數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)行環(huán)境，并且由于前者的開發(fā)環(huán)境Visual C++包含強(qiáng)大的MFC類庫(kù)，對(duì)面向?qū)ο缶幊谭椒ㄓ辛己玫闹С?，符合軟件模塊化的要求，故在此使用Windows XP Embedded作為數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)行軟件環(huán)境，Visual C++6.0作為數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)環(huán)境，X86結(jié)構(gòu)單板計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)行硬件環(huán)境。

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成和工作過程

無人機(jī)載偵察雷達(dá)具有SAR成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)功能，其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包含五個(gè)組成部分，分別是數(shù)據(jù)處理板(X86結(jié)構(gòu)單板計(jì)算機(jī))、數(shù)據(jù)記錄板、中心控制板、SAR信號(hào)處理板和動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理板，A/D板通過光纖和中心控制板連接，中心控制板通過三個(gè)ROCKET IO分別和記錄板、SAR信號(hào)處理板、動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理板接連，通過三個(gè)串口分別和機(jī)載計(jì)算機(jī)、慣導(dǎo)、無線數(shù)傳連接，數(shù)據(jù)處理板通過四條 PCIE總線分別和其余板卡連接，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成

雷達(dá)工作過程中，經(jīng)過A/D板采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心控制板，然后由中心控制板將其和接收自機(jī)載計(jì)算機(jī)的雷達(dá)工作模式控制命令、接收自慣導(dǎo)的載機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)位置信息組包后，根據(jù)雷達(dá)工作模式選擇將數(shù)據(jù)發(fā)送到記錄板、SAR信號(hào)處理板或者動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理板，信號(hào)處理板運(yùn)算產(chǎn)生的SAR圖像、一次點(diǎn)跡和DBS圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理板，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件一系列運(yùn)算后產(chǎn)生可以在顯控軟件上顯示的數(shù)據(jù)，最后將此數(shù)據(jù)發(fā)送到中心控制板，由中心控制板通過無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備發(fā)送到地面顯示和進(jìn)行后續(xù)處理。

3 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由以上所述，數(shù)據(jù)處理軟件不僅要完成對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送，還要接收中心控制板的指令，切換自身的工作模式和控制記錄板記錄和回放雷達(dá)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理軟件需要和數(shù)據(jù)記錄板、中心控制板、SAR信號(hào)處理板、動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理板分別進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此可以將軟件分為SAR圖像處理、動(dòng)目標(biāo)處理、記錄板控制、中心控制板通信以及工作模式控制5個(gè)模塊，按照面向?qū)ο缶幊谭椒ㄔO(shè)計(jì)5個(gè)類分別對(duì)應(yīng)上述5個(gè)模塊以及其他:

3.1 軟件模塊設(shè)計(jì)

a.SAR圖像處理類

首先初始化SAR圖像處理所需變量和內(nèi)存緩沖區(qū)，然后打開SAR信號(hào)處理板，啟動(dòng)監(jiān)聽子線程，子線程負(fù)責(zé)等待SAR信號(hào)處理板發(fā)出數(shù)據(jù)處理完畢信號(hào)后，接收BMP格式的原始SAR圖像和圖像定位信息，將BMP圖像壓縮成JPG圖像后和圖像定位信息組合，最后向工作模式控制類發(fā)送SAR圖像處理完畢和存儲(chǔ)圖像到記錄板消息。

因?yàn)镾AR圖像的解析度很大，經(jīng)過JPEG壓縮后產(chǎn)生的JPG圖像一般在5MB～10MB，經(jīng)過誤碼率較高的無線數(shù)傳到達(dá)地面后，有很大的概率出現(xiàn)多處誤碼，而JPG圖像的顯示和誤碼的位置有不確定的關(guān)系，有可能一個(gè)誤碼就會(huì)導(dǎo)致整幅圖像無法顯示，也有可能多處誤碼只是影響某些條帶或者整體亮度，所以采用對(duì)SAR圖像分塊壓縮的方式，即使有多處誤碼，也只會(huì)影響一幅圖像的其中一塊，其余圖像還能夠正常顯示。圖2為重新設(shè)計(jì)的SAR圖像處理和發(fā)送數(shù)據(jù)兩級(jí)流水示意圖，因?yàn)镻CIE接口速度達(dá)到150MB/s，接收原始SAR圖像數(shù)據(jù)只需要不到1s，相對(duì)于一個(gè)成像周期至少20s，所以忽略其占用時(shí)間，只列出處理和發(fā)送兩個(gè)子線程的工作過程:處理和發(fā)送兩個(gè)子線程并行工作，一個(gè)負(fù)責(zé)處理SAR圖像，一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且需要使用乒乓緩存保證處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)隔離，使用同步事件對(duì)象保證兩級(jí)流水的正常工作時(shí)序，使用這種設(shè)計(jì)是為了使處理和發(fā)送數(shù)據(jù)的效率最大化，保證在一個(gè)成像周期的時(shí)間內(nèi)完成所有的處理和發(fā)送。

b.動(dòng)目標(biāo)處理類

首先初始化動(dòng)目標(biāo)處理所需變量和內(nèi)存緩沖區(qū)，然后打開動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理板，啟動(dòng)監(jiān)聽子線程，子線程負(fù)責(zé)等待動(dòng)目標(biāo)信號(hào)處理板發(fā)出數(shù)據(jù)處理完畢信號(hào)后，接收原始一次點(diǎn)跡、點(diǎn)跡定位信息、BMP格式的原始DBS圖像和圖像定位信息，將原始一次點(diǎn)跡經(jīng)過建航處理后和點(diǎn)跡定位信息組合，將BMP格式的DBS圖像按照波束方位角度信息拼接、量化、壓縮后和圖像定位信息組合，最后向工作模式控制類發(fā)送動(dòng)目標(biāo)處理完畢和DBS圖像處理完畢消息。

和SAR圖像處理的一個(gè)成像周期內(nèi)完成所有本次數(shù)據(jù)處理和發(fā)送的情況不同，動(dòng)目標(biāo)處理需要按照CPI接收原始動(dòng)目標(biāo)和DBS數(shù)據(jù)，是持續(xù)不停地接收數(shù)據(jù)，因此對(duì)于接收和處理數(shù)據(jù)也要使用流水設(shè)計(jì)。圖3為動(dòng)目標(biāo)處理和發(fā)送數(shù)據(jù)兩級(jí)流水示意圖:接收、處理和發(fā)送三個(gè)子線程并行工作，接收子線程負(fù)責(zé)在每個(gè)掃描周期內(nèi)按照CPI時(shí)間間隔接收原始數(shù)據(jù)，處理和發(fā)送子線程負(fù)責(zé)在當(dāng)前掃描周期內(nèi)處理和發(fā)送前一個(gè)掃描周期的動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)，類似的同樣需要使用乒乓緩存和同步時(shí)間對(duì)象。此外還有一個(gè)問題就是前視DBS無法成像，這是由DBS處理的原理造成的，無法通過改善算法和雷達(dá)前端等解決，因此在天線掃描到飛行速度方向的小范圍角度內(nèi)，使用單脈沖測(cè)角算法來對(duì)地面成像，此時(shí)由于算法改變，圖像的信噪比明顯變小，如果還是對(duì)整個(gè)掃描周期的圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一量化，就會(huì)產(chǎn)生顯著的明暗變化和明顯的拼接邊界，所以采用對(duì)不同算法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分別量化后再統(tǒng)一壓縮的方式進(jìn)行DBS處理。

c.記錄板控制類

首先初始化記錄板控制所需變量和內(nèi)存緩沖區(qū)，然后打開數(shù)據(jù)記錄板，啟動(dòng)控制子線程，子線程負(fù)責(zé)接收對(duì)記錄板記錄、回放、DMA寫入、DMA讀取等操作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)記錄板的控制。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要在記錄板控制類中集成一個(gè)文件系統(tǒng)，由于記錄板在指定存儲(chǔ)塊開始記錄后，只能按照存儲(chǔ)塊的順序連續(xù)寫入數(shù)據(jù)，不能在記錄過程中跳過任意存儲(chǔ)塊，所以此文件系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化，即按照數(shù)據(jù)文件號(hào)進(jìn)行索引，不需要存儲(chǔ)每個(gè)存儲(chǔ)塊的信息，由上所述此文件系統(tǒng)包括所有記錄文件的個(gè)數(shù)以及每個(gè)記錄文件的起始和終止存儲(chǔ)塊號(hào)、數(shù)據(jù)類型、文件大小、記錄時(shí)間、文件名稱，并且支持刪除第一個(gè)文件或者最后一個(gè)文件，這一點(diǎn)是滿足可以刪除最舊文件的需求，此時(shí)第一個(gè)文件的起始存儲(chǔ)塊就有可能不是記錄板的第一個(gè)存儲(chǔ)塊，這就要求文件系統(tǒng)能夠做到按照存儲(chǔ)塊號(hào)的順序循環(huán)記錄。

d.中心控制板通信類

首先初始化中心控制板通信所需變量和內(nèi)存緩沖區(qū)，然后打開中心控制板，啟動(dòng)監(jiān)聽子線程，子線程負(fù)責(zé)接收雷達(dá)控制命令、發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)和數(shù)據(jù)發(fā)送完畢信號(hào)，做出相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)和中心控制板的通信。

因?yàn)闊o人機(jī)的無線數(shù)傳設(shè)備對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)造成按bit移位，所以需要使用一種特殊的編碼方式使得接收端軟件能夠正確解碼移位后的數(shù)據(jù)，在此使用一種面向字符的SLIP轉(zhuǎn)義方式編碼，它的主要功能是定義一組字符，包括幀頭、幀尾和轉(zhuǎn)義字符，將數(shù)據(jù)組裝成幀，顯控軟件接收到移位后的數(shù)據(jù)幀后能夠根據(jù)幀頭和幀尾判斷位移量和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，然后將數(shù)據(jù)恢復(fù)。

e.工作模式控制類

直接啟動(dòng)主線程，主線程負(fù)責(zé)首先初始化工作模式控制所需變量和內(nèi)存緩沖區(qū)以及上述四個(gè)類的對(duì)象，然后進(jìn)入等待消息循環(huán)，接收到子線程的消息后進(jìn)行相應(yīng)處理:如果是SAR圖像處理完畢、動(dòng)目標(biāo)處理完畢和DBS圖像處理完畢消息，則向中心控制板通信類發(fā)送傳輸雷達(dá)數(shù)據(jù)信號(hào);如果是雷達(dá)模式改變消息，則向各個(gè)類發(fā)送重置信號(hào)，控制子線程回到初始狀態(tài)或者結(jié)束某個(gè)子線程;如果是存儲(chǔ)圖像到記錄板記錄原始數(shù)據(jù)、回放原始數(shù)據(jù)消息，則向記錄板控制類發(fā)送相應(yīng)信號(hào)，由記錄板控制子線程負(fù)責(zé)解碼信號(hào)，控制記錄板響應(yīng)命令。

3.2 其他關(guān)鍵編程方法

圖2 SAR圖像處理和發(fā)送數(shù)據(jù)兩級(jí)流水示意圖

因?yàn)槌绦蚴褂枚嗑€程并行工作機(jī)制，所以需要綜合使用內(nèi)核對(duì)象及消息機(jī)制協(xié)調(diào)多線程的調(diào)度［5］，所有上述子線程的信號(hào)都使用內(nèi)核對(duì)象中的事件對(duì)象，又因?yàn)橹刂眯盘?hào)優(yōu)先級(jí)最高，需要第一時(shí)間做出響應(yīng)，所以所有監(jiān)聽和控制子線程中使用WaitForMultipleObjects函數(shù)等待重置和其他信號(hào)，又因?yàn)樾枰?jié)省CPU占用率，上述函數(shù)等待期間所在子線程處于掛起狀態(tài)，不浪費(fèi)寶貴的 CPU時(shí)間［6］，所以等待時(shí)間設(shè)為無限，這樣可以避免多次的等待時(shí)間超出處理;為了使各個(gè)對(duì)象之間有良好的數(shù)據(jù)隔離性，盡量減少全局變量的使用，并且除了需要在各個(gè)消息中交互的數(shù)據(jù)處理最終結(jié)果，其余所有的數(shù)據(jù)都設(shè)為其對(duì)象的私有變量。

3.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

與數(shù)據(jù)處理單板機(jī)通過PCIE總線連接的板卡在Windows系統(tǒng)下需要WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動(dòng)程序才能夠正常使用，并且涉及到驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序發(fā)出信號(hào)的通信以及DMA數(shù)據(jù)傳輸操作等比較復(fù)雜的應(yīng)用，所以使用高效、集成編譯和調(diào)試工具的Compuware DriverStudio 3.1建立驅(qū)動(dòng)開發(fā)環(huán)境［7］。

圖3 動(dòng)目標(biāo)處理和發(fā)送數(shù)據(jù)兩級(jí)流水示意圖

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在實(shí)際工作過程中，數(shù)據(jù)處理軟件會(huì)根據(jù)和數(shù)據(jù)處理單板機(jī)連接的板卡情況決定相對(duì)應(yīng)的模塊是否工作，在多次試驗(yàn)中加載不同組合的板卡，系統(tǒng)加電后數(shù)據(jù)處理軟件能夠正常運(yùn)行，并且啟動(dòng)模塊都能完成相應(yīng)的功能，證明了使用面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ挠行浴?/p>

分析數(shù)據(jù)處理結(jié)果時(shí)使用實(shí)際飛行記錄的雷達(dá)原始數(shù)據(jù)不斷回放。首先是SAR處理結(jié)果分析:圖4為使用分8塊壓縮和無線傳輸方法的SAR實(shí)時(shí)圖像，可以看到圖4中誤碼對(duì)第7塊圖像產(chǎn)生了一定的影響，其大部分變暗，其余塊的圖像能夠正常顯示，全部圖像拼接后達(dá)到不錯(cuò)的顯示效果，然后將拼接后的圖像存儲(chǔ)為一個(gè)JPG文件，不斷更改其中的某些bit，模擬整幅圖像統(tǒng)一壓縮和無線傳輸后的誤碼效果，圖5為其中一次的結(jié)果，可以看到圖像的下半部分發(fā)生了變亮和偏移，顯示效果很差，結(jié)論是分塊壓縮達(dá)到了改善顯示效果的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo);其次是動(dòng)目標(biāo)處理結(jié)果分析:圖6和圖7是同一個(gè)掃描周期的動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，建航算法相同，不同的是對(duì)地面圖像的處理方法，前者使用統(tǒng)一量化方法，后者使用按照數(shù)據(jù)類型分段量化的方法，由于記錄此段數(shù)據(jù)時(shí)無人機(jī)有向右13°的偏航角，所以使用單脈沖成像算法的區(qū)域中心在天線坐標(biāo)系的左側(cè)13°，可以看到兩圖中天線掃描中心角的左側(cè)30°范圍為單脈沖成像，因?yàn)樗惴ㄔ聿煌?，信噪比有比較大的差異，圖6中使用統(tǒng)一量化后，兩種成像算法區(qū)域?qū)Ρ群苊黠@，并且單脈沖成像區(qū)域由于整體亮度較低，渭河的輪廓無法看清，而圖7中使用分段量化后，單脈沖成像區(qū)域整體亮度提高，除了邊緣有拼接的痕跡外，和DBS成像效果很接近，渭河的輪廓也比較清晰，兩圖中的灰色點(diǎn)為動(dòng)目標(biāo)的航跡點(diǎn)，通過和圖8的衛(wèi)星地圖對(duì)比后發(fā)現(xiàn)典型地貌(渭河和黃河)的輪廓比較準(zhǔn)確，動(dòng)目標(biāo)的航跡和實(shí)際道路(G30連霍高速)匹配。

圖4 單個(gè)圖像塊有誤碼

圖5 整幅圖像有誤碼

圖6 統(tǒng)一量化的疊加動(dòng)目標(biāo)航跡的地面DBS圖像

圖7 分段量化的疊加動(dòng)目標(biāo)航跡的地面DBS圖像

圖8 DBS圖像對(duì)應(yīng)區(qū)域的衛(wèi)星地圖

5 結(jié)論

通過上述設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看到使用面向?qū)ο缶幊谭椒▽?shí)現(xiàn)無人機(jī)載偵查雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件是可行的，模塊化設(shè)計(jì)使得程序更加安全和高效，避免數(shù)據(jù)耦合帶來的各種問題，后期軟件維護(hù)更加容易，并能夠根據(jù)其它類似項(xiàng)目的要求增加和刪減模塊，快速重復(fù)開發(fā)，提高了軟件研制的工作效率，適應(yīng)現(xiàn)代無人機(jī)載雷達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件復(fù)雜化、多功能化發(fā)展的要求。

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