一種PD雷達信號處理系統(tǒng)的并行實現(xiàn)

廉志玲

(中國電子科技集團第38 研究所 合肥 230031)

0 引言

脈沖多普勒(PD)雷達是在動目標顯示(Moving Target Indication，MTI)基礎上發(fā)展起來的一種新型雷達體制，具有較高的距離分辨力和速度分辨力，較強的雜波抑制能力，可以在強雜波背景中分辨出動目標。由于其卓越的雜波抑制性能，自20世紀70年代以來，PD 體制已被廣泛應用于預警機雷達和機載火控雷達，PD 技術也越來越成熟。

近年來，越來越多的雷達采用數字波束形成(DBF)技術，由于可以同時形成多波束，增強了抗干擾能力，提高了目標的空間分辨能力和檢測跟蹤的能力。當然，這種體制在帶來處理性能提高的同時，也提高了系統(tǒng)的數據率，對信號處理的處理速度和數據率提出了更高的要求。

本文基于8 片TS201 信號處理板，提出了將同一波位的數據按照距離段分成4 段，每片DSP 處理其中的一段，多片DSP 并行處理的方法。與論文［5］相比，本文方法4 片DSP 均參與處理，并且每片DSP 可單獨完成PD 處理的整個流程。

1 硬件平臺

我們采用8 片TS201 構成的信號處理板，處理芯片分成兩簇，每簇有4 個TS201 芯片。對每一簇來說，4 片DSP 共享總線，同時4 片DSP 之間通過鏈路口兩兩互聯(lián)，兩簇之間物理獨立。

TS201(600MHz)芯片的主要性能指標如下:

(1)運行速度:1.67ns 指令周期，每個周期可以執(zhí)行4 條指令;

(2)DSP 內部有雙運算模塊，支持的運算類型有:32bits 和40bits 浮點運算，8bits，16bits，32bits 以及64bits 定點運算;

(3)每秒可執(zhí)行12 ×109次16bits 定點運算或者3.6 ×109次浮點運算;

(4)外部DMA 傳輸速度達到1.2Gb/s(雙向)

(5)四個鏈路口，每個鏈路口的速度最高為1.2Gb/s;

(6)多處理器處理能力，具有支持多處理器無縫連接的片內仲裁邏輯，多處理器采用統(tǒng)一尋址的方式訪問，可以通過簇總線(Cluster Bus)或鏈路口(Link Ports)方便地構成多處理器系統(tǒng)。

圖1 給出了8 片ADSP-TS201 的拓撲結構:8個片子分為兩簇，每簇4 片，簇之間相互獨立。簇內共享總線，DSP 之間兩兩相連，構成一個處理結點。

圖1 DSP 板的拓撲結構

2 脈沖多普勒的原理

PD 技術采用相鄰的窄帶濾波器組或者窄帶跟蹤濾波器，將運動目標的譜線濾出來。與一般的MTD 不同的是，PD 雷達一般采用較高的脈沖重復頻率，這主要是因為對于機載雷達，地物雜波譜會隨著飛機的運動而展寬，考慮到其以重復頻率周期性的出現(xiàn)，則在過小的重復頻率下相鄰的旁瓣雜波將產生重疊，從而造成整個目標的檢測在雜波背景中進行。

一個典型的脈沖多普勒雷達的處理流程包括脈沖壓縮，雜波補償，多普勒濾波，副瓣匿隱，CFAR，解距離/速度模糊，和差比幅測角，流程如圖2所示。

圖2 處理流程框圖

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 進數機制

為了DSP 與外界通信簡單化，便于編程和實現(xiàn)，我們將第二片DSP(DSP1)作為系統(tǒng)的I/O，即輸入輸出接口。脈壓之后的數據以鏈路口DMA 的方式傳輸給DSP1，為了鏈路口傳輸方便，每次傳輸的數據長度采用固定長度。

3.2 模式切換

考慮到系統(tǒng)控制的實時性，我們將控制字打包到每個波位數據的前端，發(fā)射泄露所在的位置。當DSP 收到當前波位的第一個數據包時，將會對收到的控制字進行解析，計算出當前波位的數據總量，數據傳輸需要的總中斷數，每個DSP 片子需要處理的距離單元起始，結束等，然后將控制字通過廣播的方式發(fā)送給其它的DSP 片子。這樣，當模式或者控制字變化時，相應的處理參數也將實時變化，從而實現(xiàn)處理模式的切換。

3.3 距離分段

分段處理體現(xiàn)在原始數據的分段和解距離模糊的分段上。

原始數據的分段是按照等距離段的原則進行劃分，當距離單元總數不能被4 整除時，距離段余數合并到DSP4 中進行處理。在DSP 處理時，需要注意的是，雖然是等距離段劃分，但是考慮到CFAR 處理需要左右背景，數據的起始和結束分別要向前或者向后多取一些，多取的距離單元個數取決于CFAR的保護單元個數和背景單元個數。第一段數據和最后一段數據分別在數據的前面和后面進行補零。距離分段的方法如下圖所示。

圖3 分段處理示意圖

解距離模糊時也要進行分距離段處理，只不過此時的距離分段是按照雷達的量程進行分段，每個DSP 在其距離段量程上解距離模糊。

圖4 分段解模糊示意圖

3.4 分段處理算法

一個典型的脈沖多普勒雷達的處理流程包括脈沖壓縮，雜波補償，多普勒濾波，副瓣匿隱，CFAR，解距離/速度模糊，和差比幅測角等。距離分段后，每個DSP 芯片的處理流程如圖5所示。

分段處理時，需要注意DSP 片子之間的同步問題，因為只有等所有DSP 完成當前節(jié)點的數據處理，才能進行下面的處理;否則，后續(xù)處理從SDRAM取數時，數據是不完整的。TS201 DSP 之前的同步是通過廣播實現(xiàn)的。系統(tǒng)處理時，有如下幾個節(jié)點需要同步。

同步1:當當前數據有效，并且當前波位的數據進數全部完成時，由DSP1 發(fā)起同步標志，并廣播至各片。只有當各片DSP 收到該標志，才開始后面的處理，否則認為數據無效，不進行處理。

同步2:因為DSP 之間是分段處理的，所以在解模糊的時候存在數據拼接的問題。該同步等待所有的數據段完成目標檢測，將檢測結果送至外存。每片DSP 都讀入所有的檢測結果，完成拼接，然后各片按照量程范圍完成數據的分段解距離速度模糊。

同步3:該同步等待幾片DSP 完成點跡處理，將點跡數據發(fā)送至外存，然后由DSP1 讀入點跡數據，完成點跡數據的拼接，并通過總線以DMA 的方式將點跡發(fā)送至FPGA 中。

圖5 處理流程與同步示意圖

距離分段之后，DSP 之間的大量數據交互和通信是通過SDRAM 完成的，如上圖所示，DSP 之間有如下幾個數據通信結點:

注1:每片DSP 的檢測結果送SDRAM，由于處理時進行了分段，所以每段處理結果都是其中的一部分。

注2:每片DSP 分別讀入四段的處理結果，并在DSP 內存將其組合，用于后續(xù)的解距離模糊和解速度模糊。

注3:每片DSP 分別將解模糊測角后的結果送至外存。

注4:DSP2 將每片DSP 的處理結果讀出，完成拼接，并將其送至FPGA。

4 實測數據處理結果

下圖給出了某次飛行的實測數據在采用本文方法處理之前與處理之后的結果。顯然，經過脈沖多普勒處理之后，目標更加明顯從而更加容易檢測到。

圖6 脈壓結果

圖7 多普勒濾波結果

5 結論

脈沖多普勒處理技術日趨成熟，由于硬件平臺的不一致，其工程實現(xiàn)方式也不盡相同。本文提出的基于分段的處理方法，不僅僅適用于8 片201 信號處理平臺，對其它形式的硬件平臺也有一定的啟發(fā)意義。

［1］劉書明，羅永江.ADSP TS20X 系列DSP 原理與應用設計［M］北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］丁鷺飛等 雷達原理(第三版)［M］西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［3］廉志玲等.一種基于查表的解速度模糊算法［J］合肥:雷達科學與技術，2011，9(4):358-360.

［4］邢孟道，王彤，李真芳等.雷達信號處理基礎［M］北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［5］朱大厚，葉紅軍，葉波，脈沖多普勒信號處理技術的實現(xiàn)［J］.工藝與技術，2012，27:81-82.