基于TMS320C6678的ISAR實時成像方法研究

楊 剛 向 聰 袁子喬 趙 博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

伴隨著寬帶雷達技術(shù)的發(fā)展，逆合成孔徑雷達ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar)的在國防和民用領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加。ISAR 具有全天候、全天時的對飛機、艦船等遠程目標進行高分辨成像的優(yōu)點，所以一直是雷達領(lǐng)域的研究熱點之一。經(jīng)過眾多科研工作者這些年來的努力，ISAR 技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟。但ISAR 成像算法計算量極大，在實時性要求高的場合，ISAR 的實現(xiàn)是一項繁重的任務(wù)。距離-多普勒(R-D)方法是一種研究比較成熟且應(yīng)用廣泛的ISAR 成像方法，這種方法是基于轉(zhuǎn)臺模型的，該模型假設(shè)雷達與目標之間不存在平動分量，也就是進行了非常理想的運動補償［1］，這種方法相對簡單，便于工程實現(xiàn)，本文將采用R-D 方法進行成像。

TMS320C6678(后文中簡稱C6678)是TI公司于2010年推出的一款具有業(yè)界領(lǐng)先處理能力的多核DSP 處理器，其采用的是KeyStone 多內(nèi)核架構(gòu)，片內(nèi)集成了8 個C66x 核，每個核都具有定點和浮點運算能力，同時也集成了SRIO(Serial RapidIO)，PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)等接口，為方便數(shù)據(jù)的搬移，配置了EDMA(Enhanced Direct Memory Access)。TI公司也為開發(fā)人員提供了C6678 的MathLib，DSPlib 等函數(shù)庫。

本文在分析了ISAR 成像流程的基礎(chǔ)上，對成像流程進行了合理的劃分，在C6678 上進行了并行處理。最后通過仿真數(shù)據(jù)，驗證了并行處理的高效性和成像結(jié)果的正確性。

1 步進頻ISAR 成像原理

ISAR 成像的目的是從回波數(shù)據(jù)中求出目標散射點的幅度及其在二維平面上的分布。ISAR 成像的方式是，雷達不動，目標相對于雷達運動。步進頻ISAR 成像的第一步是對每個CPI的數(shù)據(jù)生成一維距離像。目標和雷達的相對運動可以分解為目標相對于雷達的平移運動(平動)、目標相對于雷達的旋轉(zhuǎn)運動(轉(zhuǎn)動)和目標自身的旋轉(zhuǎn)運動。平動分量會破壞回波信號之間的相干性，造成ISAR 成像結(jié)果的失真［2］，運動補償?shù)哪繕司褪茄a償?shù)裟繕讼鄬τ诶走_的平動部分。

圖1 ISAR 成像流程

1.1 一維距離像原理

ISAR 成像的第一步是利用每個CPI內(nèi)的回波數(shù)據(jù)得到一維距離像。線性調(diào)頻步進信號合成高分辨距離像的方法中，首先對子脈沖回波進行脈沖壓縮得到粗分辨距離像，然后對一個CPI內(nèi)的粗分辨距離像進行IFFT 得到高分辨距離像。為降低采樣損失，一般參數(shù)的選擇使得IFFT 處理結(jié)果有部分重疊，按照一定的準則，從IFFT 結(jié)果中選取一些點，組成完備一維距離像的過程就是目標抽取算法［3］。

目標抽取算法已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用較多的方法有同距離舍棄法、同距離選大法和同距離累加法，這三種方法是分別對IFFT 結(jié)果中重疊部分進行舍棄、選大和累加取平均操作實現(xiàn)的。另外，文獻［4］提到了移位抽取法一種降低抽取損失，該方法是通過將抽取窗與目標同步移動實現(xiàn)的。綜合考慮，本文中采用了移位抽取法來實現(xiàn)一維距離像。

文獻［5］指出當(dāng)目標速度比較高時，在脈沖持續(xù)時間內(nèi)目標和雷達之間距離不變的假設(shè)不再成立，要想得到高分辨一維距離像，需要進行高速運動補償，假設(shè)通過窄帶計算的目標速度為v1，第k 個脈沖對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)為s(k)，脈沖重復(fù)時間為Tr，則一維距離像的高速運動補償公式見式(1)。ISAR成像流程如圖1所示。

1.2 包絡(luò)對齊

包絡(luò)對齊的目的是消除由于目標相對于雷達的平動帶來的相鄰一維距離像的錯位問題。目前應(yīng)用較多的方法是相鄰互相關(guān)法［6］，該方法假設(shè)目標平動造成的相鄰一維距離像之間的包絡(luò)變化較小，有較強的相關(guān)性，一般情況下，ISAR 成像可以滿足該條件?；ハ嚓P(guān)的計算可以采用復(fù)包絡(luò)，也可以采用實包絡(luò)，本文中采用實包絡(luò)，公式為:

根據(jù)互相關(guān)最大值的位置可以確定相鄰距離像偏移的距離單元數(shù)(第i個距離像偏移的距離單元數(shù)記為ri)。為減少累加誤差，本文中是將每個距離像與前面所有距離像移位后的加權(quán)值進行互相關(guān)運算來求偏移的距離單元數(shù)。

由式(2)所得的偏移量為采樣間隔的整數(shù)倍，為提高包絡(luò)對齊的精度，一般是先對距離像進行插值操作，然后再做相鄰互相關(guān)。考慮到距離像的間隔時間相同，成像時間很短，假設(shè)在成像期間目標速度不變，那么，求得的偏移距離單元數(shù)與距離像編號應(yīng)為線性關(guān)系，通過對所求距離像偏移距離單元進行最小二乘擬合，得到偏移距離單元r和距離像i之間的線性關(guān)系:

利用最后一個距離像的偏移單元rN和第一個距離像的偏移單元ri可以求得目標速度v，進而對每個距離像進行包絡(luò)對齊。

1.3 相位補償

相位補償中應(yīng)用比較廣泛的方法是多普勒中心跟蹤法［6］，其實現(xiàn)方法是，將包絡(luò)對齊后的距離像中，相鄰距離像的各距離單元相位差進行加權(quán)平均，所得結(jié)果作為相鄰距離像的多普勒中心相位差，計算公式為:

2 實時成像方案

本系統(tǒng)中所采用的CPI數(shù)為256，脈沖數(shù)為16，距離單元數(shù)為128，目標抽取時在每個IFFT 結(jié)果中抽取4 個點。本系統(tǒng)采用了FPGA+DSP 的處理方式，二者通過RapidIO 接口傳輸數(shù)據(jù)。FPGA 對每個CPI內(nèi)的回波數(shù)據(jù)做完距離向壓縮后，連同通過窄帶信號計算出的速度v1一起發(fā)給DSP，DSP 繼續(xù)后續(xù)流程，本文主要討論DSP 處理流程。并行處理模型有兩種，主從模式和數(shù)據(jù)流模式［7］，主從模式比較適合此系統(tǒng)的處理流程，本系統(tǒng)中選取核0 作為主核，核1-7 作為從核，八個核進行并行處理。

圖2 主核流程圖

2.1 數(shù)據(jù)存儲

C6678 中每個核都包含512KB 的二級存儲器(LL2)，八個核共享4MB 的共享存儲區(qū)(MSM)，同時DSP 還支持8GB 的DDR3 存儲器。本系統(tǒng)中采用的存儲原則是，數(shù)據(jù)量大的和八個核共享的數(shù)據(jù)存儲在MSM 中，并行運算時每個核獨立處理的、數(shù)據(jù)量小的和臨時的數(shù)據(jù)存儲在LL2 中。

在計算時為避免多核對MSM 的訪問沖突消耗時間，在計算前把每個核需要的數(shù)據(jù)通過EDMA 搬進LL2，在計算完成后將計算結(jié)果同樣通過EDMA搬至MSM。C6678 中擁有3 個CC(Channel Controller)，10 個TC(Transfer controller)，對應(yīng)關(guān)系為CC0(TC0，TC1)，CC1(TC0，TC1，TC2，TC3)和CC2(TC0，TC1，TC2，TC3)。10 個TC 可以被配置起來同時執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)中為每個核配置了一個固定的TC 用來傳輸數(shù)據(jù)，這樣在多核同時傳輸數(shù)據(jù)時可以提高效率。

2.2 核間同步

主核和從核可以通過IPC 和Semaphore 進行同步的，當(dāng)需要開始執(zhí)行一項任務(wù)時，主核根據(jù)任務(wù)類型給從核發(fā)送帶有不同中斷信息的IPC 中斷，然后主核開始進行自身的計算。從核X 接收到中斷后，首先請求占有Semaphore X，然后根據(jù)不同的中斷信息執(zhí)行不同的任務(wù)，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，釋放Semaphore X。主核執(zhí)行完自身計算后，通過檢查Semaphore 1-7 的狀態(tài)來判斷從核的計算是否完成，待所有核計算完成一個任務(wù)后，主核開始進行下一任務(wù)的分發(fā)計算。

2.3 任務(wù)分配

本系統(tǒng)中任務(wù)分配的原則是計算量小的，不利于并行計算的以及時間能夠滿足要求的任務(wù)由一個核進行計算，對于計算量比較大的且可以并行計算的任務(wù)，分發(fā)給八個核同時進行計算。分發(fā)的原則是根據(jù)CPI號或者距離單元號進行的，具體來說，如果是根據(jù)CPI號進行分發(fā)，那么核X 執(zhí)行CPI(32 ×X)至CPI(32 ×X+31)之間的數(shù)據(jù);如果是根據(jù)一維距離像中距離單元號進行的，那么核X 執(zhí)行距離單元(64 × X)至距離單元(64 × X+63)之間的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)詳細的DPS 實現(xiàn)流程圖如圖2 和圖3所示，其中圖2 為主核流程圖，圖3 為從核流程圖(虛線框內(nèi)的內(nèi)容只有核1 有，其他從核沒有，因為虛線框中流程耗時很少，在一個CPI時間內(nèi)即可完成，沒有必要進行并行處理)。圖中DNUM 代表核的編號。

4 仿真結(jié)果

C6678 對仿真數(shù)據(jù)計算的包絡(luò)對齊前的結(jié)果如圖4(a)所示，包絡(luò)對齊后的結(jié)果如圖4(b)所示，可以看出，包絡(luò)對齊實現(xiàn)了預(yù)期的效果。

圖3 從核流程圖(虛線框中內(nèi)容只有核1 有)

圖4 包絡(luò)對齊效果

C6678 中對仿真數(shù)據(jù)的成像結(jié)果如圖5(a)所示，相同的數(shù)據(jù)由MATLAB 成像的結(jié)果如圖5(b)所示，二者的差值圖像如圖5(c)所示?？梢钥闯鯟6678 的計算結(jié)果和MATLAB 計算結(jié)果相差極小。

關(guān)鍵子任務(wù)的計算時間如表1所示，計算時間包括了核間同步和數(shù)據(jù)搬移的時間。

圖5 仿真數(shù)據(jù)成像結(jié)果

表1 子任務(wù)計算時間

5 結(jié)束語

本文首先介紹了ISAR 成像算法和C6678 的基本特征。接著介紹了ISAR 成像中任務(wù)的劃分，核間的同步等，并給出了DSP 詳細處理流程圖，最后通過對仿真數(shù)據(jù)的處理說明，本文提出的ISAR 并行處理方案的并行處理效率非常高，能夠滿足ISAR的實時成像要求。

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