航海雷达数据高速采集回放系统设计与实现

罗来金，曾连荪，夏 念

（上海海事大学 信息工程学院，上海 200135）

在现代雷达研制中，普遍需要现场采集大量的雷达信号数据，为雷达数据处理技术研究提供仿真验证和性能评估的依据。在雷达生产过程中，调试及质检部门需要检验雷达在真实的环境中运行参数。在雷达使用过程中，需要实时记录雷达的工作状态信息，便于在出现问题后，进行问题的复现。高性能的雷达数据采集回放设备为应用各种算法对雷达信号数据进行分析提供依据，为检验雷达系统工作性能提供了重要的技术手段，为重现雷达探测画面，分析目标参数雷达系统的优化设计提供依据。因此高速雷达数据采集回放系统在军用和民用雷达系统中都有广泛应用[1]。

高速高分辨率的雷达信号采集系统，高带宽数据传输往往成为很多系统的瓶颈，随着计算机总线技术的发展，PCI总线技术可以解决系统高数据吞吐量的问题[2]。在设计中为了缩短开发时间及提高系统的通用性及可升级性，使用商用PCI-XX高速数据采集卡和PCI-XXX高速数字输入输出卡。系统在高速采集的同时，需要实时保存采集到的数据到计算机磁盘，高速磁盘读写技术可以在高速采集的同时，将数据存储在磁盘中，确保数据的完整性[3]。上位机软件实时监控系统的工作状态，更好地实现人机交互的功能。软件中还采用微软公司提供的DirectX控件，实时模拟航海雷达显控界面。随着雷达技术的进步，航海雷达型号多样化，采集接口板和回放接口板可解决多型号船用导航雷达兼容性问题。整机系统模块化设计大大提升了系统的通用性和可维护性。

1 雷达数据高速采集回放系统结构

图1为船用导航雷达数据高速记录回放系统结构图。

便携式工控机通过PCI总线连接PCI-XX高速模拟信号采集卡、PCI-XXX高速数字输入输出卡。

图1 系统结构图Fig.1 Block diagram of system

采集接口板在采集时完成多种型号雷达视频信号及其对应标志位信号（触发、方位、船首、数字罗经、计程仪、GPS等）的标准化处理。

回放接口板在回放时，将计算机存储并输出的数字信号转换成相应的视频模拟信号及与主脉冲同步的时标信息，同时设计相应的驱动增强电路，保证其有足够的驱动能力驱动雷达显示终端。

上位机的软件则主要使用了采集卡和数据输入输出卡提供的SDK，完成数据的采集及存储。显示则主要采用DirectX提供的SDK实现雷达画面的实时显示[4]。

1.1 硬件结构

1.1.1 采集接口板硬件设计

考虑不同导航雷达视频信号、标志位信号具有不同的电气特性，接口板分为扩展模块和核心模块，在采集接口板扩展模块中主要通过模拟电路对雷达收发机发送下来的标志位信号进行调理，即对不同电气特性（模拟输入、数字输入；单端输入、差分输入等）的视频、标志位信号完成阻抗匹配、极性及动态范围调整等工作。为了以后扩展，在接口板上预留串口、网络接口及相应的通信、编解码芯片，保证记录回放仪能够满足多种型号导航雷达的需要。

核心模块具体工作流程如图2所示：将处理后的雷达视频信号、标志位信号提供给采集卡，其中还包括对回波重频的自适应检测信号。使用PCI-XX在120 Ms/s采集数据时，只能使用采集卡上的CH-0，而且只能采集模拟信号，不能直接采集雷达的所有标志位信号，考虑到记录、回放雷达视频信号时，标志位信号与主脉冲的同步问题，采取“时分复用”的思想在每一个主脉冲视频信号末尾添加模拟标志位信号的方式解决。通过FPGA（Field-Programmable Gate Array）对各种标志位信号进行编码并控制高速模拟电子开关对雷达回波视频信号及编码信号的衔接。

图2 核心模块工作流程图Fig.2 Flow chart of the core module

如图3所示，波形1为10海里雷达回波视频信号和时标编码信息合为一路输出波形，其中衔接点是在高速开关切换点。波形2为收发机下来的同步触发脉冲，从中可以看出接口板工作是与主脉冲同步的。

图3 接口板输出波形示波器截图Fig.3 Oscilloscope output waveform of interface board

采集卡在120 MHz的采样频率及14位的量化精度条件下，实时带宽为120 M×2 B/s=240 MB/s，远大于PCI总线的132 MB/s的带宽和硬盘的读写速度[5]。为保证系统能稳定存储及显示采集到的数据，在2个触发脉冲之间要留有比较充裕的时间来给PCI进行数据传输以及软件对采集到的信号进行存储与显示的时间。具体时序分配如图4所示。

图4 数据采集与PCI总线传输时序分配图Fig.4 Timing distribution diagram of data acquisition and PCI bus transfer

其中TS为采样时间，TDMA为数据由采集卡传入系统内存占用的时间，Tstorage为数据写入硬盘占用的时间，Tvacanyc为软件完成数据显示以及其他操作的时间。

1.1.2 PCI-XX和PCI-XXX卡的特性

PCI-XX是一款基于 PCI总线的双通道 65 Ms/s、14位A/D分辨率的高速高分辨率数字化仪。具有多种触发模式、多卡同步、自校准功能。它的输入配置十分灵活（包括可编程输入范围和用户自定义输入阻抗）。借助于大容量板载采集内存SODIM SDRAM，PCI-XX通过DMA和Scatter Gather不会被PCI总线132 MB/s的带宽所限制，并且可以在很长的时间内进行波形记录。借助于“乒乓”操作模式，采样率在使用内部时钟时高达120 Ms/s，在外部时钟条件下可以高达130 Ms/s。PCI-XX适合于高速波形捕捉，例如雷达和超声波等[6]。

PCI-XXX是一款基于PCI总线，32通道的数字输入/输出的超高速输入输出卡，适合高速数字信号传输、数字模式波形发生和捕获及逻辑分析等应用。配合DMA和Scatter Gather，PCI-XXX最高数字传输速率高达80 MB/s[7]。

1.1.3 回放接口板硬件电路设计

数据输出卡PCI-XXX输出的是采集到的数字信号 （其中包含视频信号及软件处理过的标志位信号），因此需要设计回放接口板卡，将数字视频信号转换为模拟信号，并从中解码出相应的标志位信号，并且转换后的信号应该能有足够的驱动能力驱动雷达显示终端，实现对雷达信号的复原。

在回放接口板中主要通过FPGA控制双口FIFO及DA进行读写操作。FPAG完成对编码信号的解码，同时控制FIFO及DA的读写，FIFO完成数据输出卡到D/A之间的数据缓存，D/A完成雷达视频信号的复原。

1.2 高速雷达数据采集软件结构

软件的基本功能及流程如图5所示。

图5 软件流程图Fig.5 Flow chart of software

1）数据实时记录 包括导航雷达视频信号、标志位信号以及重频的变化；实时记录内容还包括采集数据时的状态信息。

2）实时显示 包括雷达视频数据以及记录的标志位、海况、数据记录过程中突发事件等的显示。在记录、回放数据时显示采集状态和采集数据。

3）实时回放 系统回放时将磁盘中的数据读出后进行信号的同步处理，然后将处理后的数据送到数据输出卡。

图6 人机界面Fig.6 Man-machine interface

如图6所示，记录回放软件的操控界面主要分为2个显示区（数据显示区域P显、数据显示区域A显），和3个操控区（设置菜单初始化、显控菜单、辅助功能交互区）。雷达回波显示模式包括P显和A显：P显以点显示主脉冲回波数据，A显以波形方式显示指定方位的主脉冲回波数据，方便小目标回波信号的观察与分析。操控区主要是便于实时查看系统的工作状态和调节系统的显示画面。

2 实验结果及分析

经过长时间船载测试表明该采集回放系统能够采集多种型号导航雷达视频信号、多种标志位信号，使用自定义的数据格式，以文件形式记录到计算机硬盘，也可以将保存的数据文件还原为原始的雷达视频及多种标志位信号发送给雷达显控终端，复现导航雷达工作的真实情况。通过对比记录回放仪记录的数据和实际雷达获得数据，误差很小，符合设计技术指标要求。

3 结 论

系统采用便携式工控机及高速数据采集卡，数字输入输出卡，配合信号采集接口板及回放转接板，采用“时分复用”的思想设计并实现了单通道采集卡对多路雷达信号采集实时显示系统。随着高速传输总线技术及高速磁盘存储技术的发展，在今后的研究中可以采用更高速的传输总线如PCIE，PCI-X等，软件设计中加入压缩算法和图形显示算法，提高数据采集系统的效率，使得系统能存储更多的雷达数据，展示更好的实时显示效果。

[1]宋杰，何友.基于FPGA的超高速雷达信号实时采集存储系统[J].电子技术应用，2005（11）：18-20.SONG Jie，HE You.FPGA-based high-speed real-time radar signalacquisition and storage systems [J].Electronic Applications，2005 （11） ：18-20.

[2]葛起翔.基于PCI总线的高速雷达数据采集回放系统的研制[D].南京：南京信息工程大学，2007.

[3]李军，孙朋举，龙方.基于高速磁盘阵列的数据采集系统及其应用[J].舰船电子对抗，2002（6）：17-19.LI Jun， SUN Peng-ju，LONG Fang.Data acquisition system and its application based on high-speed disk array[J].Shipboard Electronic Warfare，2002 （6）：17-19.

[4]武永康.DirectDraw原理与API参考[M].北京：清华大学出版社，2000.

[5]Shanley T，Aderson D.PCI系统结构[M].4版.刘晖，译.北京：电子工业出版社，2000.

[6]凌华科技（ADLINK）.PCI-xx Datasheet 09[EB/OL].（2010-07-27）[2011-03-11]http：//www.adlinktech.com/PD/cn/PD_detail.php?cKind=&pid=358&seq=&id=&sid=.

[7]凌华科技（ADLINK）.PCI-xxx Datasheet 10[EB/OL].（2010-02-03）[2011-03-11]http：//www.adlinktech.com/PD/cn/PD_detail.php?cKind=&pid=787&seq=&id=&sid=.