馬曉靜

(解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037)

0 引言

信號(hào)處理機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響到雷達(dá)作用距離、目標(biāo)檢測(cè)性能和目標(biāo)的識(shí)別?，F(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理廣泛采用數(shù)字脈沖壓縮、動(dòng)目標(biāo)顯示/動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTI/MTD）、恒虛警處理等先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，大大提高了雷達(dá)的作戰(zhàn)性能。脈沖壓縮雷達(dá)能同時(shí)提高雷達(dá)的作用距離和距離分辨率，較好地解決了雷達(dá)作用距離和距離分辨率之間的矛盾。MTI/MTD 通過(guò)對(duì)回波相參脈沖串作MTI 濾波和匹配濾波處理來(lái)實(shí)現(xiàn)雜波抑制，進(jìn)而提高系統(tǒng)在復(fù)雜背景中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力。恒虛警處理(CFAR）主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)干擾(雜波或噪聲）電平增加時(shí)，能夠隨干擾電平的變化自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)門(mén)限值，將虛警率控制在正常的水平。

本文結(jié)合了某雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)。該處理機(jī)由線(xiàn)性調(diào)頻脈沖壓縮、動(dòng)目標(biāo)顯示、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和恒虛警處理等工作模塊構(gòu)成，共處理4800個(gè)距離單元，先做8192 點(diǎn)脈沖壓縮，然后取4800個(gè)有效單元進(jìn)行后續(xù)處理。本文通過(guò)分析該處理機(jī)的工作原理，提出了軟件設(shè)計(jì)的方法。

1 信號(hào)處理過(guò)程及其工作原理

信號(hào)處理機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)前端信號(hào)的接收和處理，完成對(duì)目標(biāo)距離以及方位信息的提取，其工作原理如圖1所示。該信號(hào)處理機(jī)主要包括脈沖壓縮(PC）、數(shù)字對(duì)消(MTI）、相參積累(MTD）和恒虛警處理(CFAR）4個(gè)功能模塊。

圖1 信號(hào)處理系統(tǒng)框圖

脈沖壓縮采用頻域脈壓的方法實(shí)現(xiàn)。圖2 是頻域脈壓的原理性框圖。在具體工程實(shí)現(xiàn)時(shí)一般將匹配濾波器權(quán)系數(shù)存于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM）中，當(dāng)需要加權(quán)以降低距離旁瓣時(shí)，存于RAM中的權(quán)系數(shù)應(yīng)當(dāng)是匹配濾波器頻率響應(yīng)與加權(quán)函數(shù)的乘積。

圖2 頻域數(shù)字脈壓原理框圖

MTI 采用兩脈沖對(duì)消或三脈沖對(duì)消。一次相消器是很簡(jiǎn)單的濾波器，其實(shí)現(xiàn)無(wú)需相乘，每一個(gè)輸出采樣只有一個(gè)減法器，但其零頻凹口窄，對(duì)于雜波抑制效果不理想。二次相消器也是一種常用的MTI 濾波器，可通過(guò)級(jí)連兩個(gè)一次相消器得到。二脈沖對(duì)消原理圖見(jiàn)圖3，三脈沖對(duì)消原理圖見(jiàn)圖4。MTD 是在MTI后串接一組相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組，覆蓋整個(gè)重復(fù)頻率的范圍，對(duì)不同通道進(jìn)行相參積累處理。

圖3 兩脈沖對(duì)消原理圖

圖4 三脈沖對(duì)消原理圖

采用單元平均CFAR 實(shí)現(xiàn)恒虛警檢測(cè)。對(duì)于某一個(gè)檢測(cè)單元，取其兩側(cè)一定數(shù)目的距離單元作為參考單元，對(duì)所有的參考單元相加求和，再乘以適當(dāng)?shù)拈T(mén)限系數(shù)，就可以得到相應(yīng)于給定的虛警概率的門(mén)限電平。此門(mén)限電平是隨著目標(biāo)附近的距離段內(nèi)的背景雜波或噪聲而連續(xù)變化的。大目標(biāo)的強(qiáng)回波會(huì)波及到臨近的距離單元，使平均背景的測(cè)量受到影響。因此，檢測(cè)單元左右兩側(cè)的一些距離單元的輸出應(yīng)不計(jì)入，以免對(duì)平均背景值產(chǎn)生影響。這些距離單元稱(chēng)為保護(hù)單元，其原理如圖5所示。

圖5 單元平均CFAR 原理框圖

2 信號(hào)處理機(jī)的硬件環(huán)境

信號(hào)處理機(jī)采用ADI 公司的新型DSP 芯片ADSP-TS201S為主要器件設(shè)計(jì)處理板，通過(guò)對(duì)DSP 軟件編程完成信號(hào)處理算法的工程實(shí)現(xiàn)。信號(hào)處理板在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的6U CPCI 板上集成了ADI 公司的8個(gè)600 MHz TS201S處理器，可提供28.8GFLOPS 峰值計(jì)算能力，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 信號(hào)處理機(jī)系統(tǒng)框圖

每個(gè)處理器的64 位總線(xiàn)無(wú)縫連接4 片32MX16位SDRAM(MT48LC32M16），4 片SDRAM 配置成32M×64 位，共256MB。整板SDRAM 容量達(dá)256MB×8=2048MB。CPCI 主機(jī)和DSP 可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)SDRAM。

3 信號(hào)處理機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)工作模塊中的一片或幾片DSP 編程來(lái)完成模塊功能，多個(gè)模塊組成的并行處理系統(tǒng)保證了高速實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理能力。在能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的前提下，軟件編程最重要的考慮是軟件處理的通過(guò)率。因此，在設(shè)計(jì)信號(hào)處理軟件時(shí)，要對(duì)每個(gè)模塊的運(yùn)算通過(guò)率作詳細(xì)的分析。

3.1 脈沖壓縮的編程原理

脈沖壓縮模塊處理的是一個(gè)重復(fù)周期的回波數(shù)據(jù)。以8192 點(diǎn)脈壓為例，開(kāi)辟一個(gè)長(zhǎng)度為8192*2的緩沖區(qū)buffer1，用于存放一個(gè)周期的回波數(shù)據(jù)，即脈壓的輸入數(shù)據(jù);再開(kāi)辟一個(gè)長(zhǎng)度為8192*2的緩沖區(qū)buffer2，用于存放回波的FFT的結(jié)果;另外開(kāi)辟一個(gè)長(zhǎng)度為8192*2的緩沖區(qū)buffer3，用于存放一個(gè)周期匹配函數(shù)的FFT的結(jié)果。buffer2和buffer3中順序存放的是8192個(gè)距離單元的實(shí)部和虛部。將同一個(gè)距離單元在buffer2和buffer3中分別對(duì)應(yīng)的2個(gè)復(fù)數(shù)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法，(a+bj）*(c+dj）=(ac－bd）+(ad+bc）j，在經(jīng)過(guò)4 次乘法運(yùn)算和2 次加法運(yùn)算后得到復(fù)乘后的復(fù)數(shù)結(jié)果，按照實(shí)虛部依次存放在長(zhǎng)度為8192*2的緩沖區(qū)buffer4中。再對(duì)復(fù)乘結(jié)果作IFFT，將得到的結(jié)果放在長(zhǎng)度為8192*2的緩沖區(qū)buffer5中，其處理流程見(jiàn)圖7。其中，IFFT 是通過(guò)取共軛，作FFT，再取共軛，最后乘以1/N來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖7 脈沖壓縮的軟件編程流程

3.2 MTI的編程原理

3.2.1 二脈沖對(duì)消

由其時(shí)域方程y(n）=x(n）－x(n－1）可知，一次相消器(二脈沖對(duì)消）就是由相鄰兩個(gè)脈沖作減法運(yùn)算，n個(gè)脈沖對(duì)消后變?yōu)閚－1個(gè)脈沖，即同一個(gè)距離單元的每相鄰2個(gè)采樣值就要作一次對(duì)消。這樣，5個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)二脈沖對(duì)消后變?yōu)?個(gè)脈沖，見(jiàn)圖8。

圖8 二脈沖對(duì)消的基本原理圖

在DSP 軟件設(shè)計(jì)中，它的本質(zhì)就是一次復(fù)數(shù)減法，也就是由實(shí)部和虛部分別作一次實(shí)數(shù)減法運(yùn)算。由于采用雙核運(yùn)算提高運(yùn)算速度，也就是在X和Y兩個(gè)計(jì)算塊中進(jìn)行相同的減法運(yùn)算，所以只需要一條指令就可以完成。

3.2.2 三脈沖對(duì)消

由其時(shí)域方程y(n）=x(n）－2x(n－1）+x(n－2）可知，二次相消器(三脈沖對(duì)消）就是由相鄰3個(gè)脈沖按照一定的規(guī)則進(jìn)行加法運(yùn)算，n個(gè)脈沖對(duì)消后變?yōu)閚－2個(gè)脈沖，即同一個(gè)距離單元的每相鄰3個(gè)采樣值要作二次對(duì)消。這樣，10個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)三脈沖對(duì)消后變?yōu)?個(gè)脈沖，見(jiàn)圖9。

在DSP 軟件設(shè)計(jì)中，它的本質(zhì)就是一次復(fù)數(shù)乘法和兩次復(fù)數(shù)加法(減法），也就是由實(shí)部和虛部分別作一次實(shí)數(shù)乘法運(yùn)算和兩次實(shí)數(shù)加法(減法）運(yùn)算。由于在X和Y兩個(gè)計(jì)算塊中進(jìn)行相同的運(yùn)算，所以只需要兩條指令就可以完成。

圖9 三脈沖對(duì)消的基本原理圖

以4800個(gè)距離單元、10個(gè)重復(fù)周期作三脈沖對(duì)消為例，脈壓后的數(shù)據(jù)按照重復(fù)周期存放，MTI后的數(shù)據(jù)按照距離單元存放。由于作三脈沖對(duì)消的3組復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)在內(nèi)存區(qū)中沒(méi)有連續(xù)存放，所以需要3個(gè)指針j1、j2、j3分別指向這3組數(shù)據(jù)，通過(guò)指針后加4800*2(4800個(gè)復(fù)數(shù)所占的內(nèi)存單元數(shù)）更新到同一個(gè)距離單元對(duì)應(yīng)的下一個(gè)脈沖(重復(fù)周期）的位置上，為下一次對(duì)消作準(zhǔn)備。將同一個(gè)距離單元的8 次三脈沖對(duì)消的結(jié)果順序存放在一個(gè)長(zhǎng)度為8*2的緩沖區(qū)內(nèi)。每完成一個(gè)距離單元的三脈沖對(duì)消后，將3個(gè)指針j1、j2、j3 更新到下一個(gè)距離單元的位置上，再進(jìn)行新一輪的三脈沖對(duì)消。這樣得到的下一個(gè)距離單元的三脈沖對(duì)消結(jié)果順序存放在MTI后的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，與上一個(gè)距離單元的三脈沖對(duì)消的結(jié)果連續(xù)存放。見(jiàn)圖10。

圖10 MTI 前后的數(shù)據(jù)存放示意圖

3.3 MTD的編程原理

8 點(diǎn)MTD的基本原理就是對(duì)同一個(gè)距離單元的8個(gè)采樣值作8 點(diǎn)的DFT 運(yùn)算。由于MTI后的數(shù)據(jù)已經(jīng)是按照距離單元存放的，也就是說(shuō)，同一個(gè)距離單元的8個(gè)采樣值是放在連續(xù)的16個(gè)內(nèi)存單元內(nèi)。所以，只需要用一個(gè)指針j14 指向長(zhǎng)度為8*2*4800的輸入緩沖區(qū)的首地址，也就是第一個(gè)8*2的緩沖區(qū)的首地址上，通過(guò)調(diào)用DFT 這一工作模塊，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)距離單元的8個(gè)采樣值的8 點(diǎn)DFT 運(yùn)算。然后通過(guò)指針j14的后加16，將指針指向下一個(gè)距離單元的8個(gè)采樣值的長(zhǎng)度為8*2的緩沖區(qū)的首地址，然后再調(diào)用DFT 程序，依此通過(guò)4800個(gè)循環(huán)，完成4800個(gè)距離單元的8 點(diǎn)MTD的運(yùn)算。其基本原理見(jiàn)圖11。

圖11 8 點(diǎn)MTD的基本原理

這里利用雙核運(yùn)算，考慮到要進(jìn)行四字操作，所以在X和Y 計(jì)算塊中分別進(jìn)行兩個(gè)距離單元的平方和運(yùn)算。這樣一次內(nèi)循環(huán)同時(shí)處理4個(gè)距離單元，所以8 點(diǎn)MTD循環(huán)數(shù)=距離單元數(shù)*8*2/8=距離單元數(shù)*2，4 點(diǎn)MTD 循環(huán)數(shù)=距離單元數(shù)*4*2/8=距離單元數(shù)。

3.4 CFAR的編程原理

設(shè)當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置:作兩邊檢測(cè)時(shí)，只在單側(cè)取4個(gè)保護(hù)單元，8個(gè)參考單元;作中間檢測(cè)時(shí)，在左右兩邊分別取2個(gè)保護(hù)單元，8個(gè)參考單元。

4800個(gè)距離單元，左右兩邊同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算，分別放在X和Y 計(jì)算塊中，用j 指針和k 指針進(jìn)行指向，這樣使循環(huán)數(shù)減半。

在進(jìn)行中間單元的檢測(cè)時(shí)，仍然用j2和k2分別指向左邊和右邊的當(dāng)前檢測(cè)單元。j1 是中間檢測(cè)時(shí)依次指向左邊的檢測(cè)單元的左邊的參考單元的指針，其初始位置是其最左邊的參考單元。k1 是中間檢測(cè)時(shí)依次指向右邊的檢測(cè)單元的右邊的參考單元的指針，其初始位置是其最右邊的參考單元。而與之相對(duì)應(yīng)的是，j3 是指向中間檢測(cè)時(shí)依次指向左邊的檢測(cè)單元的右邊的參考單元的指針，其初始位置是其最左邊的參考單元。k3是指向中間檢測(cè)時(shí)依次指向右邊的檢測(cè)單元的左邊的參考單元的指針，其初始位置是其最右邊的參考單元。j4 是指向中間檢測(cè)時(shí)左邊的檢測(cè)單元的左邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是其最左邊的參考單元。k4 是指向中間檢測(cè)時(shí)右邊的檢測(cè)單元的右邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是最右邊的參考單元。j5 是指向中間檢測(cè)時(shí)左邊的檢測(cè)單元的右邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是其最左邊的參考單元。k5 是指向中間檢測(cè)時(shí)右邊的檢測(cè)單元的左邊的參考單元累加和依次要減去的參考單元，初始位置是最右邊的參考單元。其處理流程圖如圖12所示，其參數(shù)設(shè)置為:M個(gè)重復(fù)周期，N個(gè)距離單元，最左邊N1個(gè)距離單元只取其右邊的參考單元求和，最右邊N2個(gè)距離單元只取其左邊的參考單元求和。

圖12 單元平均恒虛警的處理流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是結(jié)合某雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)而展開(kāi)的。該信號(hào)處理機(jī)包含脈沖壓縮(PC）、動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI）、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD）、恒虛警檢測(cè)(CFAR）等功能模塊，在通用DSP 硬件平臺(tái)上通過(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理功能，具有功能強(qiáng)大、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，取得了很好的工程應(yīng)用效果，對(duì)軟件化雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)具有一定的參考價(jià)值。

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