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 合肥 230031)

0 引言

脉冲多普勒(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和速度分辨力，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，PD 技术也越来越成熟。

近年来，越来越多的雷达采用数字波束形成(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。与论文［5］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

我们采用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(600MHz)芯片的主要性能指标如下:

(1)运行速度:1.67ns 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:32bits 和40bits 浮点运算，8bits，16bits，32bits 以及64bits 定点运算;

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

(4)外部DMA 传输速度达到1.2Gb/s(双向)

(5)四个链路口，每个链路口的速度最高为1.2Gb/s;

(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个片子分为两簇，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来。与一般的MTD 不同的是，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的出现，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，和差比幅测角，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

为了DSP 与外界通信简单化，便于编程和实现，我们将第二片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，为了链路口传输方便，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，我们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 片子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的DSP 片子。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。

原始数据的分段是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，但是考虑到CFAR 处理需要左右背景，数据的起始和结束分别要向前或者向后多取一些，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。距离分段的方法如下图所示。

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，只不过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，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 片子之间的同步问题，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，数据是不完整的。TS201 DSP 之前的同步是通过广播实现的。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 之间是分段处理的，所以在解模糊的时候存在数据拼接的问题。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。

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是通过SDRAM 完成的，如上图所示，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之前与处理之后的结果。显然，经过脉冲多普勒处理之后，目标更加明显从而更加容易检测到。

图6 脉压结果

图7 多普勒滤波结果

5 结论

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，不仅仅适用于8 片201 信号处理平台，对其它形式的硬件平台也有一定的启发意义。

［1］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.

［2］丁鹭飞等 雷达原理(第三版)［M］西安:西安电子科技大学出版社，2002.

［3］廉志玲等.一种基于查表的解速度模糊算法［J］合肥:雷达科学与技术，2011，9(4):358-360.

［4］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.

［5］朱大厚，叶红军，叶波，脉冲多普勒信号处理技术的实现［J］.工艺与技术，2012，27:81-82.