基于C6678平臺的ISAR算法實(shí)現(xiàn)

孫棟+梁浩

摘 要：ISAR利用了艦船等目標(biāo)的相對轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)成像，需要對原始回波信號的平動分量進(jìn)行精確補(bǔ)償，包括包絡(luò)對齊以及初相校正處理。同時(shí)，為了滿足大數(shù)據(jù)量、高通過率的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，本文選用了TI公司的新一代高性能DSP處理器TMS320C6678，利用了該芯片強(qiáng)大的多核并行能力搭建雷達(dá)信號處理平臺，實(shí)際效果良好。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)信號處理；包絡(luò)對齊；相位校正；多核

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的高速發(fā)展，雷達(dá)信號處理系統(tǒng)運(yùn)算量大、算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)日益明顯，對大帶寬、遠(yuǎn)距離的高分辨率實(shí)時(shí)成像技術(shù)需求越來越迫切，這對系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號處理和數(shù)據(jù)吞吐能力提出了極高的要求。

考慮到機(jī)載雷達(dá)受空間和重量等因素的限制，對雷達(dá)設(shè)備量的限制極為苛刻，高集成度的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)則顯得尤為重要。因此，如何解決大數(shù)據(jù)處理量和小設(shè)備量之間的矛盾成為實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵。本文選擇TI公司推出的一款全新的高性能DSP處理器TMS320C6678（簡稱C6678）構(gòu)建的高速處理平臺，很好的解決了該矛盾。

1 C6678平臺概述

1.1 處理平臺介紹

C6678是一款TI公司2010年11月發(fā)布的基于Keystone架構(gòu)的8核DSP處理器，單核主頻1.25GHZ，能實(shí)現(xiàn)40GMAC定點(diǎn)計(jì)算與20GFLOP的浮點(diǎn)計(jì)算能力， 單核都有自己獨(dú)立的32KB的L1P、32KB的L1D以及512KB的L2，8核，還共享4MB SRAM，芯片內(nèi)部集成了RapidIO、千兆以太網(wǎng)、PCIe、EDMA等高速接口，可以滿足片間（兩片C6678之間）、板間（兩個(gè)C6678板卡之間）高速的數(shù)據(jù)交換需求。此外，片內(nèi)集成了大量的硬件加速器，例如Packet Accelerator， Multicore Navigator等，被廣泛的應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、聲納、火控、電子對抗等領(lǐng)域。同時(shí)，芯片還提供完善的多核同步機(jī)制，極大提升了系統(tǒng)軟件的并行處理能力。目前，基于C6678的硬件和軟件平臺成為信號處理的主流。

與上一代信號處理器TS201相比，無論從主頻、多核并行技術(shù)、存儲能力以及總線吞吐能力各個(gè)方面，均性能優(yōu)勢明顯。

1.2 RapidlO總線拓?fù)潢P(guān)系

串行RapidIO是一種用于芯片或背板間互聯(lián)的新型高速接口，是一種開放式互連協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以其高效率、高穩(wěn)定性、低系統(tǒng)成本特點(diǎn)，為通信系統(tǒng)各器件間提供了高帶寬、低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案，同時(shí)擁有支持點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的通信能力，兼容性和可擴(kuò)展性是該系統(tǒng)架構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)， 在擁有SRIO SWITCH的架構(gòu)下可自由增減端點(diǎn)設(shè)備。以一個(gè)模塊4片C6678，一個(gè)系統(tǒng)2個(gè)模塊為例，每個(gè)模塊32個(gè)DSP核，共64核，如何簡單高效實(shí)現(xiàn)64個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)的通訊成為了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵。RapidIO數(shù)據(jù)鏈路拓?fù)浼軜?gòu)如圖1。

1.3 多核并行處理拓?fù)潢P(guān)系

單片C6678具有強(qiáng)大的8核處理能力，同時(shí)OSEck也對IPC進(jìn)行了底層封裝，利用Signal信號燈實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間的多核同步，極大提升了系統(tǒng)軟件的并行能力。此外，多核間也可以通過共享數(shù)據(jù)區(qū)置同步標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)同步。通常可以將并行管理機(jī)制分為兩類：主從式同步和獨(dú)立同步機(jī)制。

主從式拓?fù)浼軜?gòu)如圖2所示。該方式可在多進(jìn)程系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)，OSEck提供了該底層多進(jìn)程機(jī)制，將主核（控制核，通常為0核）劃分為Client進(jìn)程和Server進(jìn)程。Client進(jìn)程主要負(fù)責(zé)外部中斷的輸入判斷和多核同步信號燈的分發(fā)和收集，實(shí)現(xiàn)多核的處理同步； Server進(jìn)程主要完成數(shù)據(jù)運(yùn)算和交換，完成后發(fā)起同步信號燈給Client進(jìn)程，表明當(dāng)前操作已完成，接受下一個(gè)處理步驟， Server進(jìn)程之間沒有任何握手。

獨(dú)立同步機(jī)制則相對簡單，主要是8個(gè)Server進(jìn)程在共享空間獨(dú)立進(jìn)行同步標(biāo)志的讀寫。每個(gè)Server進(jìn)程處理前先清各自標(biāo)志字，每次處理結(jié)束后置結(jié)束標(biāo)志，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立讀取所有標(biāo)志字，當(dāng)完整收集到8個(gè)標(biāo)志字后，認(rèn)為完成一次處理同步。該同步過程沒有主從之分，各個(gè)Server進(jìn)程獨(dú)立進(jìn)行同步判斷，簡單可靠，與主從方式相比，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用主從式同步方式。

2 ISAR介紹

2.1 成像原理

通常，ISAR成像是利用目標(biāo)相對于雷達(dá)的轉(zhuǎn)動形成一定的轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)成像。當(dāng)目標(biāo)以散射點(diǎn)模型 表示時(shí)，若目標(biāo)處于雷達(dá)的遠(yuǎn)場，雷達(dá)電磁波可用平面波表示，在只有平動分量的情況下，目標(biāo)上各散射點(diǎn)回波的多普勒完全相同，對雷達(dá)成像沒有貢獻(xiàn)， 因此為ISAR成像提供有用信息的只有轉(zhuǎn)動分量，在圖象重構(gòu)前需要將平動分量精確補(bǔ)償?shù)簟?/p>

常規(guī)距離-多普勒（RD）算法的運(yùn)動補(bǔ)償可分為兩步：第一步是粗補(bǔ)償即包絡(luò)對齊，相當(dāng)于使得目標(biāo)上同一散射點(diǎn)的回波位于同一距離單元內(nèi)，通過包絡(luò)對齊的粗補(bǔ)償，使得各次回波中目標(biāo)上相應(yīng)的距離單元基本對準(zhǔn)，但回波信號的相位還是混亂的，必須進(jìn)行相位校正，經(jīng)過相位校正后的信號才能進(jìn)行相參積累。通常以第一次回波為基準(zhǔn)校正初相誤差。第二步是精補(bǔ)償即初相校正，相當(dāng)于將目標(biāo)上的某一特顯點(diǎn)等效地置于轉(zhuǎn)臺軸心。即認(rèn)為在不大的角度范圍里，目標(biāo)可用位置固定、強(qiáng)度不變的某些散射點(diǎn)表示它的散射特性。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)

2.2.1 距離分辨率

根據(jù)公式距離分辨率，其中C為光速，Br為距離帶寬；此外，根據(jù)，決定了距離向保留點(diǎn)數(shù)。其中，F(xiàn)s為采樣率，Wr為成像幅寬，一旦Fs和Wr確定，距離向保留點(diǎn)數(shù)也就確定了。

2.2.2 方位分辨率與轉(zhuǎn)角

根據(jù)公式方位分辨率，一旦波長確定，方位向分辨率與積累脈沖平臺總的轉(zhuǎn)角成反比，其中，其中M為方位向接收回波次數(shù)，為每個(gè)PRI內(nèi)目標(biāo)相對平臺的轉(zhuǎn)角。一旦和方位分辨率確定，則相對轉(zhuǎn)角也確定，根據(jù)，單個(gè)脈沖的轉(zhuǎn)角只與脈沖積累個(gè)數(shù)有關(guān)，以（X波段）為例，計(jì)算可得各種分辨率情況下的轉(zhuǎn)角

但通常非合作目標(biāo)的不能確定，因此積累脈沖點(diǎn)數(shù)M也不能確定。在不確定的情況下，為了確保方位分辨率，可適當(dāng)增加脈沖積累點(diǎn)數(shù)。

3 算法及實(shí)時(shí)處理

常規(guī)RD算法處理流程如圖3，關(guān)鍵步驟主要是包絡(luò)對齊和相位補(bǔ)償。

3.1 距離脈壓

對原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離脈壓處理。

其中，s1為原始輸入數(shù)據(jù)，ref為脈壓匹配參考函數(shù)。

3.2 包絡(luò)對齊

包絡(luò)對齊主要是逐個(gè)對各脈沖回波進(jìn)行與參考脈沖的相關(guān)處理和自身的移位處理，利用強(qiáng)散射點(diǎn)的距離向位置平移來實(shí)現(xiàn)平動分量的補(bǔ)償，以第一個(gè)回波為參考，通過強(qiáng)散射點(diǎn)之間的相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)距離門的細(xì)化修正，迭代次數(shù)決定了修正量的精度，需要綜合考慮實(shí)時(shí)系統(tǒng)的處理能力。以第一個(gè)脈沖為基準(zhǔn)，后一個(gè)脈沖與前面脈沖模值和進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算操作。

（1）找最大相關(guān)值和對應(yīng)位置

其中，vsumabs為前面n個(gè)脈沖的模值求和，vtemplabs為當(dāng)前第n個(gè)脈沖的模值；

找到相關(guān)序列的最大值及對應(yīng)位置index；

以第一個(gè)脈沖最大值位置為基準(zhǔn)，后面的脈沖最大值位置偏移量為當(dāng)前脈沖最大值位置與第一個(gè)脈沖最大值位置之差。

（2）對每個(gè)脈沖的最大值偏移位置所在距離門進(jìn)行精化處理，K為精化因子，將一個(gè)距離門等分1/K，計(jì)算K次，得到K個(gè)相關(guān)值，并找到其中的最大值作為包絡(luò)對齊的最終匹配因子，用來完成包絡(luò)對齊。包絡(luò)對齊前后的圖像如下，橫坐標(biāo)為距離維，縱坐標(biāo)為方位維，包絡(luò)對齊前的強(qiáng)散射點(diǎn)隨時(shí)間變化距離門出現(xiàn)了偏移（圖4），經(jīng)過對齊處理后的強(qiáng)散射點(diǎn)在同一距離門上（圖5）。

3.3 相位補(bǔ)償

初相校正的任務(wù)是要利用數(shù)據(jù)矩陣估算出來的初相誤差序列來校正回波信號的初相，主要包括相鄰脈沖的時(shí)域共軛相乘及平均相位提取。

（1） 計(jì)算每次前后兩脈沖復(fù)向量的相關(guān)系數(shù)

其中，S（n）為前一個(gè)脈沖信號復(fù)量，S（n+1）為當(dāng)前脈沖信號復(fù)向量。

（2） 歸一化處理

其中，為第n+1個(gè)脈沖的歸一化相關(guān)系數(shù)。

（3）相位補(bǔ)償

其中，S（n+1）為當(dāng)前脈沖原始復(fù)信號，S1（n+1）為反補(bǔ)后的信號。

相位補(bǔ)償前后如圖6、7。橫坐標(biāo)為距離維，縱坐標(biāo)為方位維， 相位補(bǔ)償前的強(qiáng)散射點(diǎn)相位隨時(shí)間變化出現(xiàn)了距離門偏移（圖6），經(jīng)過相位補(bǔ)償處理后的強(qiáng)散射點(diǎn)相位在同一距離門上（圖7）。

4 結(jié)論

利用實(shí)錄海面艦船回波數(shù)據(jù)進(jìn)行ISAR處理，通過對平動分量的精確補(bǔ)償處理， 完成了包絡(luò)對齊和相位校正等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)ISAR成像。同時(shí)利用了TI公司的高性能DSP C6678強(qiáng)大的核間、片間及板間處理能力，實(shí)現(xiàn)了ISAR的系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線處理，取得較好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] Texas Instrument TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor[R].

SPRS691，2010

[2] KeyStone architecture serial RapidlO （SRIO）user guide[R].SPRUGW1，2010

[3] 保錚、邢孟道.雷達(dá)成像技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2005