基于ADSP-TS201的／雷達(dá)恒虛警實(shí)現(xiàn)

1 引言

雷達(dá)恒虛警(CFAR-Constant False Alarm Rate)在雷達(dá)系統(tǒng)中有著重要的作用和地位。恒虛警處理可以避免雜波變化影響的檢測(cè)閾值，提高雷達(dá)在各種干擾情況下的檢測(cè)能力。

美國(guó)模擬器件公司(ADD的ADSP-TS201處理器具有高速運(yùn)算能力、可時(shí)分復(fù)用、并行處理、數(shù)據(jù)吞吐率高等特點(diǎn)。該處理器片內(nèi)集成大容量存儲(chǔ)器，性?xún)r(jià)比高，并兼有ASIC和FPGA的信號(hào)處理性能、指令集處理器的高度可編程性與靈活性，適用于高性能、大存儲(chǔ)量的信號(hào)處理和圖像應(yīng)用。本文主要討論基于ADSP-TS201的恒虛警實(shí)現(xiàn)方法。

2 ADSP-TS201簡(jiǎn)介

ADSP-TS201采用超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)，靜態(tài)超標(biāo)量操作適合多處理器模式運(yùn)算，可直接構(gòu)成分布式并行系統(tǒng)和共享存儲(chǔ)式并行系統(tǒng)。ADSP-TS201的主要性能指標(biāo)如下：

最高工作主頻600 MHz(1.67 ns指令周期)；
支持IEEE浮點(diǎn)格式32 bit數(shù)據(jù)和40 bit擴(kuò)展精度浮點(diǎn)格式。同時(shí)支持8／16／32／64 bit的定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式；
允許128 bit的數(shù)據(jù)、指令和I／O端口訪問(wèn)，內(nèi)部存儲(chǔ)器帶寬33.6 GB／s；
32 bit的地址總線提供4 G的統(tǒng)一尋址空間；
14通道的DMA控制器支持硬件和軟件中斷，支持優(yōu)先級(jí)中斷和嵌套中斷；
4個(gè)全雙工LINK端口支持最達(dá)500 MB／s的傳輸速度；
JTAG仿真接口允許多片DSP仿真。

3 ADSP-TS201與TS101性能比較

ADSP-TS201與ADSP-TS101相比，主要在運(yùn)行速度、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和鏈路口結(jié)構(gòu)上有差別，如表1所列。通過(guò)比較可以看出ADSP-TS201的性能比較好，故選用ADSP-TS201實(shí)現(xiàn)雷達(dá)恒虛警檢測(cè)。

      4恒虛警檢測(cè)原理
      4.1選大單元平均CFAR(GO-CFAR)
      云雨雜波和低分辨率雷達(dá)的海浪和地物雜波的包絡(luò)服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)為：

      
      門(mén)限VT一旦確定，背景噪聲(干擾)和雜波干擾會(huì)使虛警概率增加，因此恒虛警處理十分必要。雜波干擾環(huán)境通常采用單元平均恒虛警。實(shí)際工程中為了消除雜波邊緣內(nèi)側(cè)虛警顯著增大，采用選大單元平均恒虛警。[!--empirenews.page--]
      選大單元平均CFAR通過(guò)兩側(cè)2L個(gè)距離單元數(shù)據(jù)平均值估算雜波功率，用雜波功率對(duì)所檢測(cè)的距離單元數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化并乘以門(mén)限，作為檢測(cè)門(mén)限。檢測(cè)門(mén)限與檢測(cè)單元比較，超過(guò)門(mén)限判斷為有目標(biāo)，低于門(mén)限判斷為無(wú)目標(biāo)。
      4.2雜波圖
      雜波圖可認(rèn)為是CFAR中的一種，采用參考樣本估計(jì)雜波電平。將雷達(dá)周?chē)亩S平面劃分成許多方位距離單元，再將每個(gè)方位距離單元的接收信號(hào)存入存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)方位距離單元。一個(gè)雜波圖單元可以由一個(gè)或幾個(gè)分辨單元組成。按照不同的距離和不同的波位計(jì)算并存儲(chǔ)雜波圖，利用雜波圖數(shù)據(jù)設(shè)置門(mén)限并與雷達(dá)回波相比較，檢測(cè)低速目標(biāo)。
      雜波圖分為動(dòng)態(tài)雜波圖和靜態(tài)雜波圖。靜態(tài)雜波圖是在雷達(dá)建站時(shí)或者定期對(duì)雷達(dá)周?chē)碾s波環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，靜態(tài)雜波圖對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)按照特定公式進(jìn)行歸一化處理，一般用于接收機(jī)控制增益。而動(dòng)態(tài)雜波圖隨著天線掃描，每個(gè)方位單元存儲(chǔ)的信號(hào)遞歸更新，天線多圈掃描后，幅度雜波圖存儲(chǔ)相應(yīng)方位距離單元的雜波均值。檢測(cè)門(mén)限為相應(yīng)方位距離單元雜波均值與門(mén)限之積。如果被檢測(cè)信號(hào)大于門(mén)限，則判為有目標(biāo)，否則判為無(wú)目標(biāo)。
      5 恒虛警在ADSP-TS201上的實(shí)現(xiàn)
      5.1運(yùn)算量、存儲(chǔ)量分析及時(shí)間估計(jì)
      首先分析選大單元平均CFAR的運(yùn)算量和時(shí)間。以某一重復(fù)頻率為例(重復(fù)頻率為184μs，無(wú)模糊距離為27.6 km)，整個(gè)距離的數(shù)據(jù)量約為3.6
      K個(gè)32 bit的字。處理一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間約185.5
      ms。經(jīng)多普勒補(bǔ)償后數(shù)據(jù)量翻倍，實(shí)際處理一幀數(shù)據(jù)(定浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換、取模、CFAR)的時(shí)間約為314.5
      ms。因此僅用一片ADSP-TS201是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
      然后分析雜波圖的存儲(chǔ)量。將雷達(dá)周?chē)亩S平面劃分為6個(gè)掃描區(qū)，每個(gè)掃描區(qū)有91個(gè)波位，每個(gè)波位存10層(前后各5層)雜波數(shù)據(jù)。若一個(gè)雜波圖單元由2個(gè)分辨單元組成，則一個(gè)雜波圖單元存儲(chǔ)16
      bit，一個(gè)掃描區(qū)最大存儲(chǔ)量約為30 M，ADSP-TS201內(nèi)存不能存儲(chǔ)雜波圖數(shù)據(jù)。
      5.2硬件實(shí)現(xiàn)
      采用兩片ADSP-TS201實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)，每個(gè)處理器都連接一個(gè)32 MB×16 bit的SDRAM。硬件連接圖如圖1所示。

      圖中，L表示鏈路口；F表示FLAG引腳；I表示外部中斷引腳；IO表示輸入輸出引腳；DATA表示數(shù)據(jù)口。
      DSP1與Flash相連接用于啟動(dòng)，DSP2與FPGA連接用于接收來(lái)自FPGA脈壓后的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)。兩個(gè)處理器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信是通過(guò)鏈路口互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)鏈路口以雙向全雙工方式工作。兩個(gè)DSP各自連接SDRAM用于存儲(chǔ)雜波圖數(shù)據(jù)。DSP1采用EPROM加載方式，DSP2通過(guò)鏈路口加載。
      5.3軟件實(shí)現(xiàn)
      軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)：定浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換、取模、雜波圖檢測(cè)以及CFAR處理。每部分程序都是一個(gè)子程序，便于調(diào)用、調(diào)試?？紤]到實(shí)時(shí)性要求，程序采用匯編語(yǔ)言，片內(nèi)利用ADSP-TS201的X，Y雙運(yùn)算塊并行運(yùn)算。由于選大單元平均CFAR處理要對(duì)兩側(cè)L個(gè)臨近單元求和，取?？芍苯忧蠛?，把取模和CFAR用一個(gè)子程序完成，減少了讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間。圖2、圖3分別為DSP1、DSP2的軟件處理流圖。

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      DSP1主要完成加載，頻率通道號(hào)為奇數(shù)行數(shù)據(jù)的雜波圖檢測(cè)和CFAR，并將一幀數(shù)據(jù)檢測(cè)到的目標(biāo)信息發(fā)送給接口板。DSP1的鏈路口3與接口板相連，將合并后的結(jié)果送給接口板用于模糊。
      DSP2接收來(lái)自FPGA脈壓后的數(shù)據(jù)，將頻率通道號(hào)為奇數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP1，偶數(shù)行數(shù)據(jù)DSP2自行處理。一幀數(shù)據(jù)處理結(jié)束，DSP2將檢測(cè)到的目標(biāo)信息送至DSP1，經(jīng)DSP1合并后再送出。
      6系統(tǒng)仿真結(jié)果
      軟硬件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行功能測(cè)試。圖4是背景雜波服從瑞利分布時(shí)，采用ADSP-TS201匯編語(yǔ)言對(duì)整個(gè)雷達(dá)目標(biāo)恒虛警檢測(cè)過(guò)程仿真得到的結(jié)果。采樣點(diǎn)數(shù)為1
      024點(diǎn)。需要指出的是，恒虛警檢測(cè)算法會(huì)帶來(lái)不同程度的恒虛警損失，與鄰近單元的個(gè)數(shù)L和積累周期數(shù)有關(guān)，因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)要盡量減小恒虛警損失。
            

      7 結(jié)束語(yǔ)
      介紹了在ADSP-TS201上實(shí)現(xiàn)雜波背景中雷達(dá)目標(biāo)的恒虛警檢測(cè)方法，具體討論了實(shí)現(xiàn)過(guò)程中軟硬件設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)仿真結(jié)果。