基于国产DSP的步进频率综合宽带处理

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

雷达系统发射大带宽信号可以提高自身的距离分辨能力,雷达回波经脉冲压缩处理使得目标上多个散射点距离上可分,即雷达可以获知目标尺寸、散射点个数、散射点间相对强弱及位置分布等信息,大大提升了雷达的目标感知能力,因而雷达具备发射大带宽信号能力具有重要意义。与大瞬时带宽工作体制相比,步进频率综合宽带工作体制需求的瞬时带宽小,可以在窄带发射机、接收机条件下工作,是一种易于工程实现的大带宽信号形式,具有巨大的工程应用优势。但步进频率综合宽带工作体制存在距离-多普勒耦合现象[1-2],对运动目标综合成像时必须先对其精确测速再作对应的速度补偿处理,使得步进频率综合宽信号处理包含多个流程。子脉冲调频使得子脉冲的波形设计更加灵活[1],因而本文主要讨论线性调频 步进频率工作体制的信号处理流程。

1 算法原理分析

1.1 频率步进高分辨距离成像原理

频率步进综合宽带的基本原理是将B=N·d F的总信号带宽,分在N个子脉冲中分时发射出去,经过信号处理后距离分辨能力与直接发射瞬时大带宽信号的距离分辨率相同。顺序步进时载频按d F的频率间隔在脉冲间跳变,即由f0步进到f0+(N-1)·d F,频率步进脉冲串信号的数学表示如下:

式中,xp(t)为子脉冲基带信号,ban d为信号带宽,m为脉冲串内第m个子脉冲的标识,T为脉冲重复周期,f0为起始载频,d F为脉间频率步进量,N为脉冲串内子脉冲个数。信号综合总带宽B=(N-1)d F+ban d,根据波形设计准则,一般ban d＞d F[1-2],因而B≈N·d F。回波信号经过混频、解调及后续信号处理后距离分辨率与直接发射瞬时综合带宽B的距离分辨率相同,即达到了合成宽带效果,实现了距离高分辨成像。

脉冲压缩后大尺寸目标回波信号分布在子脉冲的相邻若干距离单元内,需要拼接每个距离单元的综合成像结果得到大尺寸目标的完整高分辨距离像。为保证子脉冲单个距离单元的目标综合成像结果不发生混叠,要求子脉冲距离单元大小小于步进频率不模糊距离大小范围,此时综合成像结果中存在冗余部分,需要从中提取有效数据段进行拼接处理[1]。

1.2 运动目标影响

当目标运动时,假设目标作匀速运动,径向速度为v,距离延时得到解调后的步进频率回波数据如下:

式中,m为第m个子脉冲的标号。公式第二行的一次项使得综合成像结果发生偏移,二次项使得综合成像结果产生波形畸变、失真[3-4]。偏移距离为

运动目标综合成像结果的位置较其真实位置发生偏移,而距离像拼接时要求目标在综合成像结果中的位置与目标真实位置一致,否则距离像拼接时将发生错误,二次相位使得综合成像结果失真,二者均会导致最终距离像拼接结果发生错误。为了消除目标运动速度对步进频率综合成像结果的影响,需要准确估计目标的运动速度,并构造式(2)中的一次相位、二次相位进行补偿。

目标运动同样对子脉冲产生距离走动影响[2]。一方面目标距离的变化使得多个子脉冲的脉压结果出现距离走动现象;另一方面,由于各子脉冲载频步进变化,运动目标的多普勒效应在各子脉冲中引起的距离偏移量不同。上述距离走动将影响最终成像结果的质量,需要依据目标速度初始估计值(一般由窄带模式提供)完成多普勒校正和包络对齐处理,然后再作步进频测速处理。在测速后需要依据测速结果完成子脉冲的包络再对齐操作,消除帧内子脉冲距离走动残留量。

1.3 相位差分-IFFT测速算法

对目标径向速度的估计方法可分为两类:第一类是通过回波数据直接计算求取目标速度,如时域互相关法[3]、频域互相关法[3]、正负调频测速法[4]等;另一类是利用构造的评价函数在一定速度范围搜索最大值/最小值获得目标速度,如最小波形熵法、最小脉组误差法[5]、最小脉组相位差分法[6]等,属于速度搜索类。频域互相关法测速精度高,但测速不模糊范围小,不具有实用价值;时域互相关法测速不模糊范围大,测速精度中等,具有较好的抗噪声性能;速度搜索类算法的运算量大,测速精度与速度搜索步长有关,算法实时性较差。

依据两帧回波的相位变化可以测量目标在此期间的距离走动量,即相位差分测距。目标匀速运动时两帧步进频率回波的多普勒效应一次、二次相位相同,两帧回波数据共轭相乘即得到相邻两帧回波数据的相位差复指数信号。单散射点情况下该信号是单频率信号,频率与目标距离变化量对应,多散射点情况下该信号不是单频率信号。但文献[7]中已论证特定频率的信号分量幅度最大,可通过IFFT实现相干积累,搜索IFFT结果模值最大值所在频率并解算出速度估计值,称为相位差分-IFFT测速算法,该算法属于第一类算法。相位差分-IFFT测速算法是相干积累,具有很好的信噪比得益,抗噪声性能良好。

相位差分-IFFT测速算法的数学表达如下:

式中,M为FFT/IFFT的点数。y′1,y′2分别对应前一帧、当前帧脉间频率步进回波补零后的序列。两帧频率步进回波补零、共轭相乘再作IFFT运算得到Z,由Z模值最大值的位置解算出两帧时间间隔内目标的距离走动量实现速度估计。由式(4)可知,在测速前是否作相位补偿并不影响Z,即不影响测速结果。与文献[3]中的时域互相关法相比,相位差分-IFFT测速算法省略了两帧回波数据的成像运算,算法效率更高。

为了提高测速算法的抗噪声性能与稳健性,需要综合多个含目标距离单元的测速结果作为最终测速结果。含目标的距离单元与只含噪声的距离单元相比,相邻帧综合像包络具有较高的相似性,可由相关系数是否过门限确定包含目标的距离单元。

2 步进频率综合宽带信号处理流程

综上可知,步进频率综合宽带信号处理主要包含以下步骤[1]:1)子脉冲压缩(包含多普勒校正、包络对齐);2)相位差分-IFFT测速;3)包络再对齐;4)速度补偿+综合成像;5)距离像拼接。对应的处理流程图如图1所示。由于步进频率综合宽带技术主要用于获取目标细节信息,脉冲压缩后在目标位置附近选取一定距离范围内的若干距离单元数据进行后续处理即可,该距离范围要大于目标可能的最大尺寸,保证在获取目标完整高分辨距离像的同时大大减小整个信号处理流程的计算量。

3 系统设计与实现

3.1 系统硬件平台

选用国产CPCI6-DSP-BW100信号处理板卡作为实时系统的硬件平台方案,CPCI6-DSPBW100是中国电子科技集团公司第三十八研究所基于自主研制的“魂芯一号”(BWDSP100)高性能浮点DSP处理器构成的6U CPCI总线接口信号处理板板卡[8-9]。板上搭载4片DSP处理器和1片大规模FPGA,对外采用PCI总线和高速串行通信,在功能、性能上均可替代国外高端DSP处理器构成的信号处理板卡,板卡框图如图2所示。单个BWDSP100工作主频为300MHz,每个BWDSP100有4个8 bit链路口,DSP片间采用Link口互连,每片DSP通过Link口连接到FPGA;FPGA与BWDSP100间Link口传输数据率为266MHz×8 bit,BWDSP100与BWDSP100间的Link口传输数据率为300MHz×8 bit,BWDSP100与BWDSP100间无共享总线,可通过Link口互连构成多片DSP分布式并行结构网络,特别适合流水线处理。

图1 步进频率综合宽带信号处理流程

图2 BW100板卡框图

3.2 系统软件设计

为了最优化软件设计,将信号处理整体流程合理分配到多片DSP系统中的每一片中,使得各片上任务所需时间开销相近,提高系统效率。CPCI6-DSP-BW100信号处理板卡共有4片DSP,需要将整个信号处理流程合理分配到4片上,构成基于任务划分的流水线实时处理模式[10]。若步进频率综合宽带信号处理一次完整流程所需时间大于两帧回波数据到达时间间隔,但只要每片所需处理时间均小于两帧回波数据到达时间间隔,则流水线处理时即可实时获得运动目标的高分辨距离像数据,满足实时处理要求。所需运算量最大的是子脉冲压缩、多普勒校正、包络对齐,其次是相位差分-IFFT测速和包络再对齐,再次是速度补偿、综合成像,距离像拼接操作所需运算量最小,因而令DSP片0负责子脉冲压缩、多普勒校正、包络对齐操作,DSP片1负责相位差分-IFFT测速,DSP片2负责包络再对齐,DSP片3负责速度补偿、综合成像以及距离像拼接操作,并行DSP工作流程如图3所示。

图3 并行DSP工作流程

Link口数据传输采用DMA传输方式。FPGA通过Link口一次传输一个子脉冲的原始回波(一帧的工作参数单独传送或包含在一个脉冲回波数据内)到DSP片0;DSP片0收到一个子脉冲数据后,根据工作参数完成脉冲压缩、多普勒校正、包络对齐处理,处理完所有脉冲数据后将处理结果和工作参数通过两个Link口发送到DSP片1和DSP片2;DSP片1接收完数据后,依据工作参数完成每个距离单元的测速操作,记录测速值和相关系数,最后对相关系数过门限的距离单元的测速结果进行加权平均得到速度最终估计值,并将该值通过Link口送到DSP片2和DSP片3;DSP片2收到速度估计值后,依据工作参数完成子脉冲的包络再对齐处理,并将工作参数和处理结果通过Link口发送到DSP片3;DSP片3接收到数据后,依据工作参数完成每个距离单元的速度补偿、综合成像运算,最后完成距离像拼接运算,DSP片3将一帧距离像拼接后,结果及必要参数由Link口送FPGA,以上过程流水进行时实时完成步进频率综合宽带信号处理工作。

3.3 仿真结果与系统测试

设目标远离雷达,径向速度v=-1 300 m/s,目标上3个散射点的散射点强度相同,3个散射点分别位于距离29 998 m,30 002 m,30 005 m处。雷达发射波形参数如下:起始载频f0=5 GHz,综合宽带为150MHz,子脉冲带宽band=8MHz,脉冲宽度τ=0.131 58 ms,子脉冲采样频率fs=9.6MHz,步进频率值为4MHz,一帧内的脉冲个数N=38,脉冲重复周期PRT=1 ms,相邻两帧间的时间间隔为57 ms,子脉冲脉压前回波信噪比为-10 d B。目标速度初始估计值vest=-1 453 m/s。依据此速度初值对相邻两帧子脉冲脉压结果进行多普勒校正和包络对齐处理,结果如图4所示。

图4 子脉冲脉压结果

由图4可以看出,未进行包络对齐处理时,运动目标相邻两帧多个子脉冲的脉压结果包络无法对齐,依据速度初值进行包络对齐处理后包络基本对齐。

图5为相邻两帧回波的相位差分-IFFT结果的模值,解算出目标速度的估计值为vnew=-1 298.805 3 m/s,与目标的速度真实值接近。

图5 相邻两帧回波的相位差分-IFFT结果

图6为子脉冲中目标位置附近21个距离单元数据的距离像拼接结果,从图中可以清晰地看到3个尖峰,3个尖峰的位置从左到右分别是29 998 m,30 002 m,30 005 m,3个尖峰的幅度大小基本一致,从左到右分别是228.8,228.8,218.1,3个尖峰的幅度差异由采样损失造成。图7给出了未作包络再对齐处理时的距离像拼接结果,此时拼接结果中出现了严重的伪峰现象,拼接失败,原因在于未作包络再对齐处理时存在距离定标偏差且距离走动使得目标跨越多个距离单元,该结果说明了包络再对齐处理在整个信号处理流程中的必要性。

系统测试时由FPGA实时产生对应的回波数据,DSP完成信号处理工作并将处理结果送FPGA后由FPGA发送到计算板卡上保存成数据文件。比对后发现基于国产DSP的步进频率综合宽带信号处理实时系统的处理结果与Matlab处理结果一致,验证了实时系统的功能正确性,并且满足实时性设计要求。

图6 距离像拼接结果

图7 无包络再对齐处理时的距离像拼接结果

4 结束语

本文以步进频率综合宽带距离高分辨成像的需求为背景,介绍了步进频率综合宽带的算法原理和完整信号处理流程,基于国产“魂芯一号”DSP芯片构成的高性能并行信号处理硬件平台,对实时处理系统的软件进行最优化设计,给出实时系统方案。文中验证了步进频率综合宽带实时信号处理系统的正确性、可靠性和实时性能。雷达装备的发展趋势是数字化、相控阵化、多功能化,步进频率综合宽带信号处理的实时实现使得窄带雷达装备能够以较低成本拥有距离高分辨能力。特别地,相控阵雷达若发射瞬时大带宽信号来获取距离高分辨能力将面临宽带数字波束形成等复杂问题,采用步进频率体制时只涉及到窄带波束形成,工程研制难度大大降低,因而具有重要的工程应用价值。

[1]毛二可,龙腾,韩月秋.频率步进雷达数字信号处理[J].航空学报,2001,22(S):16-24.

[2]龙腾,毛二可,何佩琨.调频步进雷达信号分析与处理[J].电子学报,1998,26(12):84-88.

[3]蒋楠稚,王毛路,李少洪,等.频率步进脉冲距离高分辨一维成像速度补偿分析[J].电子科学学刊,1999,21(5):665-670.

[4]刘宏伟,王俊,张守宏.运动目标环境下步进频率信号的设计及处理[J].西安电子科技大学学报,1997,24(S):75-81.

[5]刘峥,张守宏.步进频率雷达目标的运动参数估计[J].电子学报,2000,28(3):43-45.

[6]牛涛,陈卫东.脉冲步进频率雷达的一种运动补偿新方法[J].中国科学技术大学学报,2005,35(2):161-166.

[7]涂建华,石志广,肖怀铁.一种基于FFT和对称性的目标运动补偿新方法[J].雷达科学与技术,2009,7(1):65-70.TU Jianhua,SHI Zhiguang,XIAO Huaitie.A New Velocity Compensation Method of Moving Target Based on FFT and Symmetric Property[J].Radar Science and Technology,2009,7(1):65-70.(in Chinese)

[8]CETC38.BW100硬件用户手册[M].合肥:中国电子科技集团公司第三十八研究所,2011:1-222.

[9]CETC38.BW100软件用户手册[M].合肥:中国电子科技集团公司第三十八研究所,2011:1-441.

[10]王瑞军,邱兆坤,黎湘,等.基于并行DSP的实时ISAR成像系统设计[J].雷达科学与技术,2010,8(4):306-311.WANG Ruijun,QIU Zhaokun,LI Xiang,et al.Design of Real-Time ISAR Imaging System Based on Parallel DSP[J].Radar Science and Technology,2010,8(4):306-311.(in Chinese)