跟蹤雷達(dá)的高速實時信號處理系統(tǒng)研究與設(shè)計
1 引 言
跟蹤雷達(dá)是重要的現(xiàn)代雷達(dá)體制之一,可以對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤并獲取目標(biāo)航跡信息,以便進(jìn)行瞄準(zhǔn)計算。為了實現(xiàn)跟蹤作用,要求波束的主瓣指向目標(biāo)后,波束也必須連續(xù)跟隨目標(biāo)移動,以保證天線波束的主瓣指向不斷地對準(zhǔn)運動目標(biāo),并隨時測定目標(biāo)的瞬時坐標(biāo)數(shù)據(jù),以實現(xiàn)天線對目標(biāo)的跟蹤。隨著導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星和宇航技術(shù)的發(fā)展,采用順序比較波瓣法的圓錐掃描天線體制已經(jīng)不能滿足跟蹤高速飛行器的要求。而單脈沖跟蹤由于采用同時比較波瓣法,獲取誤差信號迅速,跟蹤速度快,誤差信號只與接收到的幾個波束的回波脈沖幅度的相對值有關(guān),不存在目標(biāo)起伏干擾,因此角跟蹤精度高,抗干擾能力強(qiáng),而且獲取目標(biāo)距離信息的波束在天線軸向輻射最強(qiáng),使得雷達(dá)的作用距離也遠(yuǎn)。 跟蹤雷達(dá)對回波信號的特征提取和目標(biāo)識別對數(shù)據(jù)的運算量和吞吐量都提出了特殊要求:即要求對和差通道正交兩路回波信號同時進(jìn)行采集,并實現(xiàn)高速傳輸、實時大容量處理。因此,其對處理性能的高要求使得大規(guī)模實時并行數(shù)字信號處理得到廣泛應(yīng)用。
文中介紹了基于多片ADSP-TS101芯片的某跟蹤雷達(dá)的高性能處理系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)利用DSP軟件編程完成跟蹤雷達(dá)信號處理算法的實現(xiàn),設(shè)計時充分利用ADSP-TS101芯片的內(nèi)部資源,發(fā)揮其性能,合理地解決了高速數(shù)據(jù)率問題,在存儲雷達(dá)回波信號的同時,完成了對雷達(dá)回波信號高速實時的并行處理。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)為振幅和差單脈沖跟蹤雷達(dá),在對目標(biāo)的跟蹤時,只收到一個回波脈沖即可得到目標(biāo)的全部信息(距離、仰角和方位角)。為了實現(xiàn)距離、角度上的高精度跟蹤,系統(tǒng)距離跟蹤采用數(shù)字式距離跟蹤,通過對雷達(dá)回波信號進(jìn)行頻域分析,利用回波信號的相移或頻移與時延的對應(yīng)關(guān)系得出距離信息。角度信息的提取和跟蹤采用比幅式單脈沖。系統(tǒng)將回波信號在AD板中進(jìn)行采樣及中頻正交檢波后輸出I,Q兩路數(shù)據(jù)。在運算板中對數(shù)據(jù)做脈沖壓縮處理后提取目標(biāo)的距離信息,再通過動目標(biāo)檢測模塊,進(jìn)行相參積累、求模、恒虛警處理就可以實時、有效、準(zhǔn)確地檢測出目標(biāo)的距離、速度以及相對于雷達(dá)的俯仰角、方位角和角誤差,其中俯仰角、方位角與角誤差是在差通道中分時處理獲取。該系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
3.1硬件平臺
跟蹤雷達(dá)的處理系統(tǒng)硬件由A/D板、定時板、和差通道運算板組成。A/D板可通過A/D轉(zhuǎn)換器完成對外部和差兩路通道信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換,并且在FPGA內(nèi)對數(shù)字信號進(jìn)行正交中頻檢波,緩存并送出到運算板。從A/D采樣精度和速度綜合考慮,選擇14 b的A/D轉(zhuǎn)換器,其采樣率可達(dá)到100 M,可以滿足系統(tǒng)對12 b有效位數(shù)和40 MHz采樣速率的要求。由于FPGA具有門陣列的高邏輯密度和高可靠性,使用FPGA實現(xiàn)正交中頻檢波具有更快的處理速度及良好的升級和擴(kuò)展性。定時板是由一片AT91RM9200和一片F(xiàn)PGA構(gòu)成的,其中AT91RM9200起控制作用,他通過從RS 422串口接收到外部主機(jī)的控制命令,對內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行控制,同時根據(jù)從和差通道運算板傳人的距離、速度、角誤差等數(shù)據(jù),產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令。而FPGA主要功能是進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送,并由外部傳人的差分時序定時信號,產(chǎn)生AD板、和差通道板相應(yīng)的定時信號。運算板通過FPGA完成與外界信息交互以及對DSP的運算控制,利用4片DSP芯片完成雷達(dá)信號處理,后將運算完的數(shù)據(jù)再由FPGA回傳到定時板,由此可見DSP在整個運算過程中起著核心的作用。
該系統(tǒng)的運算板將和差通道分開處理,和、差通道運算板采用同樣的設(shè)計,兩塊運算板計算之后進(jìn)行綜合求取目標(biāo)的方位信息。考慮到系統(tǒng)的實際功能及通用性和可擴(kuò)展性,運算板采用1片F(xiàn)PGA與4片DSP組合構(gòu)成,其組成框圖如圖2所示?;趯崿F(xiàn)功能和性能,所用FPGA為Cyclone II系列。而DSP采用AD公司新一代Tiger-SHARC結(jié)構(gòu)的高性能定點/浮點數(shù)字信號處理器ADSP-TS101,他具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和非常高的運算速度,片內(nèi)有高達(dá)6 Mb的雙口RlAM。另外,多條相互獨立的總線和強(qiáng)大的通信能力,使其可以方便地構(gòu)成性能更高的多處理器并行信號處理系統(tǒng)。運算板4片DSP以松耦合的鏈路方式進(jìn)行無縫連接,每片DSP可單獨工作。在硬件設(shè)計時,前一片DSP的FLAG0引腳連到下一片DSP的中斷引腳IQR0,這樣就可以用中斷機(jī)制控制鏈路口的傳輸。每個DSP的其余中斷引腳和FLAG引腳都與FPGA相連,從而不直接相連的DSP之間可以通過FPGA進(jìn)行通信。DSP1通過FLASH加載程序,DSP2,DSP3,DSP4的程序通過鏈路口串行加載。加載完成后,程序進(jìn)入等待狀態(tài),一直到中斷來到時,開始運行主程序,完成處理任務(wù)。
3.2軟件設(shè)計
軟件編程最重要的是軟件處理的高效性,因此在設(shè)計信號處理軟件時,要對每個模塊的運算高效性做詳細(xì)的分析?;谙到y(tǒng)硬件構(gòu)成,主要介紹對運算板2片DSP編程,完成對雷達(dá)回波信號的脈沖壓縮、動目標(biāo)檢測(MTD)的運算實現(xiàn)。系統(tǒng)運算板中,DSP1通過并行總線使用DMA握手的方式讀入中頻解調(diào)后的和/差通道I、Q路數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮。后將處理的數(shù)據(jù)按波門通過鏈路口1發(fā)送給DSP2。DSP2對脈壓數(shù)據(jù)經(jīng)過32個周期的積累后,采用FFT實現(xiàn)窄帶多普勒濾波器組,完成相參積累,并對結(jié)果進(jìn)行求模、恒虛警處理,最后將處理結(jié)果通過鏈路口0傳送給DSP4。
系統(tǒng)中需對32個通道(周期)的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行脈壓后做相參積累和CFAR。為了實現(xiàn)并行處理,提高DSP處理速度,實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性和等待數(shù)據(jù)傳輸時間的最小,在設(shè)計中將DMA傳輸與內(nèi)核并行工作。具體做法是將DSP的輸人RAM邏輯上分成兩個大小相等的部分A和B。當(dāng)外部數(shù)據(jù)向A(B)寫數(shù)據(jù)時,DSP從B(A)取出上一批已經(jīng)存人的數(shù)據(jù),然后進(jìn)行處理。其輸出RAM設(shè)置過程同輸入RAM。在實現(xiàn)中,DSP進(jìn)行完初始化后,等待外部中斷的到來。外部中斷是告知DSP外部數(shù)據(jù)(雙口RAM中)已經(jīng)準(zhǔn)備好,可以進(jìn)行處理的握手信號。進(jìn)人中斷后,先啟動DMA進(jìn)行外部數(shù)據(jù)的輸入,同時內(nèi)核進(jìn)行對上一批輸人數(shù)據(jù)的運算,存入存儲區(qū),把上一批的結(jié)果送入下一運算模塊。下面給出軟件設(shè)計流程圖,如圖3所示。
脈沖壓縮和MTD的實現(xiàn)都要用到FFT變換,為了在程序處理時最大可能地利用ADSP-TS101的總線資源,提高處理的速度,針對ADSP-TS101 6 Mb片上存儲區(qū)分為M0,M1,M2三個區(qū)域及其各區(qū)域可具有獨立總線的優(yōu)點,將程序代碼放在片上存儲區(qū)M0,旋轉(zhuǎn)因子及匹配濾波器系數(shù)放在M1,而輸入及輸出乒乓存儲區(qū)設(shè)置到M2,這樣在進(jìn)行處理最耗時間的FFT/IFFT運算時,便可充分利用ADSP-TS101的指令并行優(yōu)勢。試驗證明,這樣設(shè)置比將所有參與運算的數(shù)據(jù)采用其他任何方式存放至少節(jié)省10%的指令周期。同時對FFT的旋轉(zhuǎn)因子及脈壓的匹配濾波器系數(shù)均事先放入存儲區(qū),進(jìn)一步減少所耗費的指令周期,提高了效率。利用ADSP-TS101雙運算模塊,單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)的特點,在求模和CFAR的設(shè)計中,同時進(jìn)行兩個距離單元的兩個通道的并行處理,大大縮短了算法的實現(xiàn)時間。程序從CFAR算法實現(xiàn)的優(yōu)化出發(fā),可巧妙地避免重復(fù)的求和運算,減少算法的指令周期。
4 系統(tǒng)測試結(jié)果
上述設(shè)計在實際中得到了驗證,用模擬信號源產(chǎn)生脈沖重復(fù)周期為300μs的和差兩路線性調(diào)頻信號作為測試信號,然后將該信號送到被測系統(tǒng)中進(jìn)行處理,最后通過串口將處理結(jié)果送到計算機(jī)中對目標(biāo)信息進(jìn)行觀察驗證。測試系統(tǒng)框圖如圖4所示。
在測試部分中,AD板正交檢波后以DMA握手方式將I,Q兩路數(shù)據(jù)打包后送到DSP1中進(jìn)行脈壓,在一個脈沖發(fā)射周期內(nèi),外部數(shù)據(jù)DMA傳輸時間為40μs,脈壓完成需198 μs,通過鏈路口傳輸數(shù)據(jù)所需時間約為5.36μs,該實現(xiàn)過程共需40+198+5.36=243.36μs。在實行了運算與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿刑幚砗髮嶋H處理時間縮小到約200μs,小于脈沖重復(fù)周期(300μs)。DSP2接收32通道數(shù)據(jù)需172 μs,相參積累的完成需118μs,求模和恒虛警的完成需336 μs,該實現(xiàn)過程共需172+118+336=626μs。同樣,實行并行處理后實際處理時間縮小,遠(yuǎn)小于32個脈沖重復(fù)周期。由此看出,該系統(tǒng)滿足時間要求。圖5為測試一個目標(biāo)的回波脈壓后的結(jié)果,(a)為Matlab仿真脈壓結(jié)果,(b)為DSP運行結(jié)果,二者誤差很小,主副瓣比約為-28 dB。圖6(a) 為MTD的結(jié)果,由x,y值可知目標(biāo)fd為0,則速度為0,若每一個距離單元代表15 m,則目標(biāo)在315 m。圖6(b)為CFAR結(jié)果,可檢測到目標(biāo)在零通道的第21個距離單元處,與Matlab仿真結(jié)果相同。系統(tǒng)輸入幅度不同的和差兩路測試信號,其角誤差為0.006 34°,得到的實測角誤差為0.006 54°,誤差很小,角跟蹤精度高。這是由于系統(tǒng)對和差通道采用了相同的處理,減小了通道不一致性對測量的影響,提高了角跟蹤精度。
5 結(jié)語
本文以跟蹤雷達(dá)的處理系統(tǒng)設(shè)計為背景,利用ADSP-TS101的超高性能和內(nèi)部資源,采用并行化和模塊化設(shè)計,將硬件平臺與軟件編程相結(jié)合,實現(xiàn)了對雷達(dá)信號的高速實時處理。對脈沖壓縮、MTD、CFAR的實現(xiàn)過程,特別是軟件設(shè)計過程中的具體問題進(jìn)行了詳細(xì)的討論,最后給出一組測試結(jié)果,驗證了系統(tǒng)對目標(biāo)距離跟蹤、角度跟蹤的可靠性和高效性。
評論