DSP技術在雷達信號處理中的應用

郭博雷 張鵬 湯玲 杜志強

（1.中國電子科技集團公司第二十七研究所 河南 鄭州 450047；2.南京北斗創(chuàng)新應用科技研究院有限公司 江蘇 南京 211500；3.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室 湖北 武漢 430072）

DSP 技術在雷達信號處理領域的應用越來越廣泛，它可以實現(xiàn)信號采集、轉換、濾波等一系列處理，提高信號傳輸和接收的可靠性［1］，原因是這項技術可以使用特殊的計算機來防止精度受到不穩(wěn)定因素的影響。然而，相關研究人員沒有充分認識到DSP 技術應用于控制系統(tǒng)的價值［2］。為此，研究人員應分析DSP技術在雷達信號處理系統(tǒng)中的實際應用，找出最優(yōu)控制的重點和方向。雷達信號處理系統(tǒng)的運行控制可以滿足其所在通信領域現(xiàn)代化發(fā)展的需要，從而使雷達信號達到升級為軟件編程的目的［3］。因此，業(yè)內人士應該分析DSP 信號處理對雷達信號的重要性，在此基礎上，找出技術應用的難點和關鍵點，為硬件平臺的參數(shù)化和功能模塊設計提供有力支持。

1 DSP技術在雷達信號處理中的意義

DSP技術（數(shù)字信號處理技術）主要隨著計算機技術與信息技術的發(fā)展而興起與不斷發(fā)展，發(fā)展至今，已然在多個領域內得到廣泛性應用。在DSP技術的實際運行過程中，主要在計算機設備、專用處理設備的支持下，以數(shù)字的形式完成采集信號、變換信號、濾波、增強或壓縮信號、識別信號等處理任務，最終生成人們所需要的信號形式并投入實際應用［4］。通常情況下，DSP主程序的一般性流程如圖1所示。

圖1 DSP主程序一般性流程

在完成上位機的復位后，從FLASH搬運程序及數(shù)據。初始化處理，在McBSP 的支持下實現(xiàn)對A/D 模塊實際工作的設置。等待外部中斷，判斷是否轉入中斷狀態(tài)，若判斷結果為“否”，則返回上一操作；若是判斷結果為“是”，自動跳轉至數(shù)據采集狀態(tài)。對采集到的數(shù)據實施處理。判斷DMA傳輸是否中斷，若判斷結果為“否”則返回上一操作；若是判斷結果為“是”，自動將數(shù)據傳遞至上位機內，并反饋等待外部中斷步驟，以此循環(huán)運行［5］。

現(xiàn)階段，雷達信號處理系統(tǒng)主要通過對雷達接收機獲取的雷達回波信號進行處理，通過對雜波進行模數(shù)轉換和濾波，實現(xiàn)復雜噪聲環(huán)境下目標的實時檢測。系統(tǒng)可以使用提取方法獲取數(shù)據中的目標信息，即方位、距離等，當其顯示在設備上時，完成雷達信息處理。圖2是雷達信號處理系統(tǒng)的示意流程圖。

圖2 雷達信號處理系統(tǒng)流程

然而，隨著市場的多元化發(fā)展，雷達信號處理的工作量也隨之增加，信號處理不能滿足高實時性和強穩(wěn)定性的要求［6］。為此，相關建設者應使用DSP 技術為雷達系統(tǒng)中的大量數(shù)據處理提供條件。具體來說，就是提高雷達信號處理能力，降低體積和能耗，增強穩(wěn)定性，使雷達信號處理工作向軟件化方向發(fā)展，從而達到升級的目的。就目前而言，DSP 技術在雷達信號處理中的應用還沒有達到預期的效果。因此，研究人員應通過DSP對其進行分析，把握方向和重點。

2 DSP技術在雷達信號處理中的應用現(xiàn)狀

對雷達信號處理的DSP 技術分析可知，DSP 具有體積小、精度高、運算速度快等優(yōu)點，它的全稱是數(shù)字信號處理技術。該應用要求使用專用計算機使數(shù)字形式的信號完成采集、轉換、濾波，數(shù)字信號處理需要大量的數(shù)據計算。目前，市場上有兩種計算方法，即FFT和FIR 濾波器，數(shù)據處理需要多個操作。作為一種數(shù)字信號微處理器，DSP技術應該被通用處理器所采用，以實現(xiàn)信號處理相關算法的期望［7］。

然而，雷達信號處理系統(tǒng)的速度不斷加快，對數(shù)據信息處理的需求呈現(xiàn)多樣化的趨勢，實現(xiàn)了DSP 技術的應用效果，通過必要的調整應達到以下需求目標。

對于主信號，為了提高數(shù)據信號處理的靈活性，雷達系統(tǒng)在識別和成像目標及探測時應與統(tǒng)計、反射和物理相關聯(lián)。DSP技術應優(yōu)化雷達系統(tǒng)的各種功能軟件和技術，以提高數(shù)據存儲容量、計算和數(shù)據傳輸速度。

對于信號預處理，應根據電流的大數(shù)據量、高速和實時特性，對數(shù)據信號進行濾波、預處理、補償和預失真。

這樣，雷達信號處理系統(tǒng)就可以兼顧各個功能，實現(xiàn)各個功能的獨立性?，F(xiàn)代雷達系統(tǒng)運行和使用的趨勢是低能耗、小型化和在物理環(huán)境中分布。DSP 技術運營商需要關注更復雜的環(huán)境。

3 DSP技術在雷達信號處理中的應用控制策略

3.1 硬件平臺建設方法

在構建雷達信號處理系統(tǒng)之前，DSP 技術人員應掌握操作并分析信號處理，以確定需要遵循的規(guī)范和注意事項。目前，高速信號處理方法通常采用“ASIC（FPGA）+DSP+大容量RAM”，F(xiàn)PGA 的靈活性高于ASICDSP 技術。由于該設備具有大容量RAM 并支持外部擴展RAM，因此數(shù)字信號處理能力非常高。因此，它在存儲大量數(shù)據信息的同時，還可以為目標捕獲和檢測提供條件。

在用DSP 編程設計雷達信號處理硬件平臺時，需要在系統(tǒng)接收到雷達回波后對信號進行轉換和處理。具體過程是，利用FPGA采集雷達信號并控制定時，根據DSP 提取信息和目標檢測，然后將目標信息顯示在顯示設備上。這樣，與雷達信號處理系統(tǒng)相比，用DSP編程的雷達信號處理系統(tǒng)更加靈活，原因在于系統(tǒng)將硬件平臺和軟件算法有效地結合起來，使系統(tǒng)能夠根據需要調整參數(shù)，成功地提高了信號處理的靈活性。

值得注意的是，信息提取和目標檢測作為控制算法結構更為復雜，整個硬件平臺的搭建需要使用尋址方式靈活、運算速度快的DSP芯片。

3.2 參數(shù)化設計控制

雷達信號處理系統(tǒng)去除干擾雷達信號回波信號后，可進行目標檢測，獲取系統(tǒng)工作參數(shù)等有用信號。在雷達信號處理系統(tǒng)的參數(shù)化設計中，有必要從硬件平臺的搭建入手，采用DSP技術，根據系統(tǒng)雷達信號處理的功能特點，提高系統(tǒng)的參數(shù)化設計效果。這里的設計效果是通過簡化功能來提高雷達信號脈沖和復頻參數(shù)的設計效率。參數(shù)化設計中，應注意信號波形問題，信號波形為物理量x隨t的變化，具體變化如式（1）所示：

在進行參數(shù)化設計控制時，必須注意各參數(shù)的取值，才能保證最終參數(shù)化設計的合理性。

3.3 雷達系統(tǒng)功能模塊設計

由于DSP技術的對象是數(shù)字信號，因此，在雷達信號處理過程中，需要進行模數(shù)轉換的質量效應控制。具體過程是，利用DSP技術設計雷達系統(tǒng)的功能模塊，優(yōu)化DSP編程的信號處理方法，基于DSP技術精度高、運算速度快的優(yōu)點，采用FFT設計數(shù)據處理模塊，重構算法細節(jié)，控制處理程序占用雷達系統(tǒng)內存。例如，系統(tǒng)模塊用于執(zhí)行傾斜消除處理，具體流程如圖3所示。

圖3 傾斜消除處理

3.4 DSP技術在功能模塊設計中的應用

該平臺最常用的高速信號處理方法是“ASIC（FPGA）+DSP+大容量RAM”，其中，F(xiàn)PGA 的邏輯功能更適合配置條件。對于DSP 處理器的應用，其外圍接口豐富，可編程性強，能夠存儲大量的雷達數(shù)據信息，為后續(xù)雷達信號處理提供可靠的技術環(huán)境。在采用DSP 技術后，主要采用DSP 編程來實現(xiàn)所需的系統(tǒng)控制效果。在分析了系統(tǒng)的實際應用情況后，利用以往目標檢測和信號提取的特點，只能保證采集到少量的數(shù)據信息，只有使用DSP芯片，才能使用復雜的結構算法和靈活的尋址方法等算術控制要求。

由此可見，當雷達信號處理系統(tǒng)的硬件結構靈活時，為實現(xiàn)模塊化控制和提高算法效率提供了條件。然而，有必要依靠DSP 軟件編程來促進系統(tǒng)的快速重構。值得注意的是，基于DSP 技術構建的雷達信號處理系統(tǒng)不會受到系統(tǒng)差異和不同標準雷達信號處理任務的影響，可通過DSP軟件編程，滿足雷達對應信號的處理要求。

4 結語

在雷達信號處理系統(tǒng)中使用DSP技術的局限性集中在更復雜的環(huán)境條件、系統(tǒng)和標準的差異及任務上。DSP技術的應用要求軟件編程和芯片方法不斷改造雷達信號處理系統(tǒng)，為大量任務提供高速、高精度的信號處理技術平臺。事實證明，只有這樣，DSP技術的應用才能充分影響雷達信號處理系統(tǒng)的控制，進而推動雷達信號處理系統(tǒng)的現(xiàn)代化。研究人員應將上述分析和科研成果應用到不同構成和任務標準的雷達信號處理中，以提高信息數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性。我國參與雷達信號處理系統(tǒng)，不會受到市場復雜因素的影響，它將以高穩(wěn)定性服務于現(xiàn)代經濟建設的可持續(xù)發(fā)展。