一种PD 雷达信号处理系统的并行实现

廉志玲

(中国电子科技集团第38 研究所 信号系统部，安徽 合肥 230031)

脉冲多普勒(Pulse－Doppler，PD)雷达是在动目标显示(Moving Target Indication，MTI)基础上发展起来的一种新型雷达体制，具有较高的距离分辨力、速度分辨力以及较强的杂波抑制能力，可以在强杂波背景中分辨出动目标。由于其卓越的杂波抑制性能，自20世纪70 年代以来，PD 体制已被广泛应用于预警机雷达和机载火控雷达。

近年来，越来越多的雷达采用数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)技术，由于可以同时形成多波束，增强了抗干扰能力，提高了目标的空间分辨能力和检测跟踪的能力。当然，这种体制在带来处理性能提高的同时，也提高了系统的数据率，对信号处理的处理速度和数据率提出了更高的要求。

本文基于8 片TS201 信号处理板，提出了将同一波位的数据按照距离段分成4 段，每片DSP 处理其中的一段，多片DSP 并行处理的方法。与文献［1］相比，本文方法4 片DSP 均参与处理，并且每片DSP 可单独完成PD 处理的整个流程。

1 硬件平台

采用8 片TS201 构成的信号处理板，处理芯片分成两簇，每簇有4 个TS201 芯片。对每一簇来说，4 片DSP 共享总线，同时4 片DSP 之间通过链路口两两互联，两簇之间物理独立。

TS201(600 MHz)芯片的主要性能指标如下［2］:

(1)运行速度。1.67 ns 指令周期，每个周期可以执行4 条指令。

(2)DSP 内部有双运算模块，支持的运算类型有。32 bit 和40 bit 浮点运算，8 bit，16 bit，32 bit 以及64 bit定点运算。

(3)每秒可执行12×109次16 bit 定点运算或者3.6×109次浮点运算。

(4)外部DMA 传输速度达到1.2 Gbit·s－1(双向)。

(5)4 个链路口，每个链路口的速度最高为1.2 Gbit·s－1。

(6)多处理器处理能力，具有支持多处理器无缝连接的片内仲裁逻辑，多处理器采用统一寻址的方式访问，可以通过簇总线(Cluster Bus)或链路口(Link Ports)方便地构成多处理器系统。

图1 给出了8 片ADSP－TS201 的拓扑结构:8 片分为两簇，每簇4 片，簇之间相互独立。簇内共享总线，DSP 之间两两相连，构成一个处理结点。

图1 DSP 板的拓扑结构

2 脉冲多普勒的原理

PD 技术采用相邻的窄带滤波器组或者窄带跟踪滤波器，将运动目标的谱线滤出。与一般的MTD 不同，PD 雷达一般采用较高的脉冲重复频率，这主要是因为对于机载雷达，地物杂波谱会随着飞机的运动而展宽，考虑到其以重复频率周期性出现，则在过小的重复频率下相邻的旁瓣杂波将产生重叠，从而造成整个目标的检测在杂波背景中进行。

一个典型的脉冲多普勒［3］雷达的处理流程包括脉冲压缩、杂波补偿、多普勒滤波、副瓣匿隐、CFAR、解距离/速度模糊，以及差比幅测角，流程如图2 所示。

图2 处理流程框图

3 系统的软件设计

3.1 进数机制

为使DSP 与外界通信简单化，便于编程和实现，将第2 片DSP(DSP1)作为系统的I/O，即输入输出接口。脉压之后的数据以链路口DMA 的方式传输给DSP1，为使链路口传输方便，每次传输的数据长度采用固定长度。

3.2 模式切换

考虑到系统控制的实时性，将控制字打包到每个波位数据的前端，发射泄露所在的位置。当DSP 收到当前波位的第一个数据包时，将会对收到的控制字进行解析，计算出当前波位的数据总量，数据传输需要的总中断数，每个DSP 需要处理的距离单元起始、结束等，然后将控制字通过广播的方式发送给其它DSP。这样，当模式或者控制字变化时，相应的处理参数也将实时变化，从而实现处理模式的切换。

3.3 距离分段

分段处理体现在原始数据的分段和解距离模糊的分段上。

原始数据的分段按照等距离段的原则进行划分，当距离单元总数不能被4 整除时，距离段余数合并到DSP4 中进行处理。在DSP 处理时，需要注意的是，虽然是等距离段划分，但考虑到CFAR 处理需要左右背景，数据的起始和结束分别要向前或向后多取一些，多取的距离单元个数取决于CFAR 的保护单元个数和背景单元个数。第一段数据和最后一段数据分别在数据的前面和后面进行补零。距离分段的方法如图3所示。

图3 分段处理示意图

解距离模糊时也要进行分距离段处理，只是此时的距离分段是按照雷达的量程进行分段，每个DSP 在其距离段量程上解距离模糊。

图4 分段解模糊示意图

3.4 分段处理算法

一个典型的脉冲多普勒雷达的处理流程包括脉冲压缩、杂波补偿、多普勒滤波、副瓣匿隐、CFAR、解距离/速度模糊［4］、和差比幅测角等。距离分段后，每个DSP 芯片的处理流程如图5 所示。

分段处理时，需要注意DSP 芯片之间的同步问题，因为只有等所有DSP 完成当前节点的数据处理，才能进行下面的处理;否则，后续处理从SDRAM 取数时，数据会不完整。TS201 DSP 之前的同步通过广播实现，系统处理时，有如下几个节点需要同步:

同步1 当当前数据有效，并且当前波位的数据进数全部完成时，由DSP1 发起同步标志，并广播至各片。只有当各片DSP 收到该标志，才开始后面的处理，否则认为数据无效，不进行处理。

同步2 因为DSP 之间是分段处理，所以在解模糊时存在数据拼接问题。该同步等待所有的数据段完成目标检测，将检测结果送至外存。每片DSP 都读入所有的检测结果，完成拼接，然后各片按照量程范围完成数据的分段解距离速度模糊。

同步3 该同步等待几片DSP 完成点迹处理，将点迹数据发送至外存，然后由DSP1 读入点迹数据，完成点迹数据的拼接，并通过总线以DMA 的方式将点迹发送至FPGA 中［5－7］。

图5 处理流程与同步示意图

距离分段之后，DSP 之间的大量数据交互和通信通过SDRAM 完成，如图5 所示，DSP 之间有如下几个数据通信结点:

注1 每片DSP 的检测结果送SDRAM，由于处理时进行了分段，所以每段处理结果都是其中的一部分。

注2 每片DSP 分别读入四段的处理结果，并在DSP 内存将其组合，用于后续的解距离 模糊和解速度模糊。

注3 每片DSP 分别将解模糊测角后的结果送至外存。

注4 DSP2 将每片DSP 的处理结果读出，完成拼接，并将其送至FPGA。

4 实测数据处理结果

下图给出了某次飞行的实测数据在采用本文方法处理前、后的结果。经过脉冲多普勒处理之后，目标更加明显，从而更容易被检测到。

图6 脉压结果

图7 多普勒滤波结果

5 结束语

脉冲多普勒处理技术日趋成熟，由于硬件平台的不一致，其工程实现方式也不尽相同。本文提出的基于分段的处理方法，不仅适用于8 片201 信号处理平台，为其它形式的硬件平台也提供了参考。

［1］ 朱大厚，叶红军，叶波.脉冲多普勒信号处理技术的实现［J］.机电信息，2012(27):81－83.

［2］ 刘书明，罗永江.ADSP TS20X 系列DSP 原理与应用设计［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］ 丁鹭飞，陈建春.雷达原理［M］.3 版.西安:西安电子科技大学出版社，2002.

［4］ 廉志玲，张代忠，张小菊.一种基于查表的解速度模糊算法［J］.雷达科学与技术，2011，9(4):358－361.

［5］ 邢孟道，王彤，李真芳，等.雷达信号处理基础［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［6］ G V 莫里斯.机载脉冲多普勒雷达［M］.北京:航空工业出版社，1990.

［7］ George W Stimson.机载雷达导论［M］.2 版.吴汉平，译.北京:电子工业出版社，2005.