跟踪雷达的高速实时信号处理系统研究 高媛媛，罗 丰，吴顺君 (西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 陕西西安 710071) 摘 要：介绍了基于多片ADSP—TSl01的高速实时跟踪雷达信号处理系统。为了实现对雷达信号的高速实时处理，系 统采用并行化和模块化设计，将硬件平台与软件编程相结合，对跟踪雷达回波信号采用脉冲压缩，动目标检测以及恒虚警处 理算法，获取了目标距离和角度信息。对该系统进行测试，结果表明系统的实现具有很高的可行性和效率。 关键词：ADSP—TSl01，跟踪雷达；脉冲压缩；MTDICFAR 中图分类号：TN957．51 文献标识码：A 文章编号：1004—373X(2008)05一019一03 Study of High Speed Real—time Signal Processing System of Tracking Radar GA0 Yuanyuan，LU0 Feng，WU Shunjun (National Key Lab of Radar Sigml Pro∞s5i唱，Xidian Unive鹅ity，)【i’胁，7I0071，Chi眦) Abstract：A high speed r髓l—time tracking radar signal pmcessing system based on multiple ADSP—TSl01 chip is presen— ted in the paper．In order to r∞lize high speed real—time radar signal pmcessing，pafallel and blocking design is adopted in the system．Hardwafe platfom and software pmgramming are combined and echo signalis processed by employing pul驰compres— sion，moving target detection and CFAR processing to obtain the infomation of target distance and azimuth．The validity and high efficiency of the system algorithms is proved in the successfuI realization of the systerm Keywords：ADSP—TSl01；tracking radar；pulse compression；MTD}CFAR l 引 言 —TSl01芯片的内部资源，发挥其性能，合理地解决了高速 数据率问题，在存储雷达回波信号的同时，完成了对雷达 跟踪雷达是重要的现代雷达体制之一，可以对目标进 回波信号高速实时的并行处理。 行连续跟踪并获取目标航迹信息，以便进行瞄准计算二为 了实现跟踪作用，要求波束的主瓣指向目标后，波束也必 2 系统构成 须连续跟随目标移动，以保证天线波束的主瓣指向不断地 系统为振幅和差单脉冲跟踪雷达，在对目标的跟踪 对准运动目标，并随时测定目标的瞬时坐标数据，以实现 时，只收到一个回波脉冲即可得到目标的全部信息(距离、 天线对目标的跟踪。随着导弹、火箭、人造卫星和宇航技 术的发展，采用顺序比较波瓣法的圆锥扫描天线体制已经 不能满足跟踪高速飞行器的要求。而单脉冲跟踪由于采 用同时比较波瓣法，获取误差信号迅速，跟踪速度快，误差 信号只与接收到的几个波束的回波脉冲幅度的相对值有 关，不存在目标起伏干扰，因此角跟踪精度高，抗干扰能力 强，而且获取目标距离信息的波束在天线轴向辐射最强， 使得雷达的作用距离也远。 跟踪雷达对回波信号的特征提取和目标识别对数据 的运算量和吞吐量都提出了特殊要求：即要求对和差通道 正交两路回波信号同时进行采集，并实现高速传输、实时 大容量处理。因此，其对处理性能的高要求使得大规模实 时并行数字信号处理得到广泛应用。 文中介绍了基于多片ADSP—TSl01芯片的某跟踪雷 达的高性能处理系统的设计。系统利用DSP软件编程完 成跟踪雷达信号处理算法的实现，设计时充分利用ADSP 仰角和方位角)。为了实现距离、角度上的高精度跟踪，系 统距离跟踪采用数字式距离跟踪，通过对雷达回波信号进 行频域分析，利用回波信号的相移或频移与时延的对应关 系得出距离信息。角度信息的提取和跟踪采用比幅式单 脉冲。系统将回波信号在AD板中进行采样及中频正交 检波后输出l，Q两路数据。在运算板中对数据做脉冲压 缩处理后提取目标的距离信息，再通过动目标检测模块， 进行相参积累、求模、恒虚警处理就可以实时、有效、准确 地检测出目标的距离、速度以及相对于雷达的俯仰角、方 位角和角误差，其中俯仰角、方位角与角误差是在差通道 中分时处理获取。该系统构成如图1所示。 3系统设计与实现 3，1硬件平台 跟踪雷达的处理系统硬件由A／D板、定时板、和差通 道运算板组成。A／D板可通过A／D转换器完成对外部和 收稿日期：2007—08—2l 差两路通道信号的模数转换，并且在FPGA内对数字信号 19 万方数据 

理任务。 FPGA 图2 雷达信号处理系统运算板硬件框图 ， 3．2软件设计 软件编程最重要的是软件处理的高效性，因此在设计 信号处理软件时，要对每个模块的运算高效性做详细的分 析。基于系统硬件构成，主要介绍对运算板2片DsP编 程，完成对雷达回波信号的脉冲压缩、动目标检测(MTD) 的运算实现。系统运算板中，DSPl通过并行总线使用 DMA握手的方式读人中频解调后的和／差通道I、Q路数 据，对数据进行脉冲压缩。后将处理的数据按波门通过链 路口1发送给DSP2。DSP2对脉压数据经过32个周期的 积累后，采用FFT实现窄带多普勒滤波器组，完成相参积 累，并对结果进行求模、恒虚警处理，最后将处理结果通过 链路口O传送给DSP4。 系统中需对32个通道(周期)的数据依次进行脉压后 做相参积累和CFAR。为了实现并行处理，提高D：sP处理 速度，实现数据处理的连续性和等待数据传输时间的最小， 在设计中将DMA传输与内核并行工作。具体做法是将 DsP的输人RAM逻辑上分成两个大小相等的部分A和B。 当外部数据向A(B)写数据时，D：sP从B(A)取出上一批已 经存人的数据，然后进行处理。其输出RAM设置过程同 输入RAM。在实现中，联、P进行完初始化后，等待外部中 断的到来。外部中断是告知DsP外部数据(双口RAM中) 已经准备好，可以进行处理的握手信号。进入中断后，先启 动DMA进行外部数据的输入，同时内核进行对上一批输 人数据的运算，存入存储区，把上一批的结果送入下一运算 模块。下面给出软件设计流程图，如图3所示。 脉冲压缩和MTD的实现都要用到FFT变换，为了在 程序处理时最大可能地利用ADSP—TSl01的总线资源， 提高处理的速度，针对ADSP—TSl01 6 Mb片上存储区分 为MO，M1，M2三个区域及其各区域可具有独立总线的优 点，将程序代码放在片上存储区Mo，旋转因子及匹配滤波 器系数放在M1，而输入及输出乒乓存储区设置到M2，这 样在进行处理最耗时间的FFT／IFFT运算时，便可充分利 用ADSP—TSlOl的指令并行优势。试验证明，这样设置 比将所有参与运算的数据采用其他任何方式存放至少节 省10％的指令周期。同时对FFT的旋转因子及脉压的匹 配滤波器系数均事先放入存储区，进一步减少所耗费的指 有一凰…………一茹………’H瓣嘧 铺一幽 万方数据 

令周期，提高了效率。利用ADSP—TSl01双运算模块，单 为㈣的结果，由z，y值可知目标厶为o，则速度为o，若 指令多数据(SIMD)的特点，在求模和CFAR的设计中，同 每一个距离单元代表15 m，则目标在315 m。图6(b)为 时进行两个距离单元的两个通道的并行处理，大大缩短了 CFAR结果，可检测到目标在零通道的第21个距离单元 算法的实现时间。程序从CFAR算法实现的优化出发，可 处，与Matlab仿真结果相同。系统输入幅度不同的和差两 巧妙地避免重复的求和运算，减少算法的指令周期。 路测试信号，其角误差为o．006 34。，得到的实测角误差为 DsPI系统韧始化 等待外部中断 阳动DMA．输入数据至存储区A(B)l l 对存储区B(A)数据定转浮点 l I l l l z∞s点孵 频域相乘 m 设置链路口DMA 发送上次处理结果 I l I l I l O．006 54。，误差很小，角跟踪精度高。这是由于系统对和差 通道采用了相同的处理，减小了通道不一致性对测量的影 响，提高了角跟踪精度。 O ．10 -20 ．30 ∞ 捌舶 q渤 柳 ．，0 渤 M越lab仿真脉压结果 lIp柏 t 11y．2896l ^．一| 山』 翮 ■■_ 【^j． 翮 榔 nF’_’ 靶 科‰ ’I。l f F’ ”n O 200 400 S00 600 1000 “)M叫ab仿真结果 12∞l枷1600 。 阱P2程序流程 图3软件设计漉程图 4系统测试结果 图5脉压结果 上述设计在实际中得到了验证，用模拟信号源产生脉 冲重复周期为300坤的和差两路线性调频信号作为测试信 号，然后将该信号送到被测系统中进行处理，最后通过串口 将处理结果送到计算机中对目标信息进行观察验证。测试 系统框图如图4所示。 图4测试系统框图 在测试部分中，AD板正交检波后以D凇握手方式将 I，Q两路数据打包后送到DsPl中进行脉压，在一个脉冲发 射周期内，外部数据DMA传输时间为40弘s，脉压完成需 198 ps，通过链路口传输数据所需时间约为5．36弘s，该实现 过程共需40+198+5．36=243．36 ps。在实行了运算与数 据传输的并行处理后实际处理时间缩小到约200 fIs，小于 脉冲重复周期(300 ps)。DsP2接收32通道数据需172严s， 量膏簟盂 (曲m结果 DSP埘亍CFAR■■ (b)a0岷结果 图6 MTD与CFAR结果 ’ 5结语 本文以跟踪雷达的处理系统设计为背景，利用脚一 相参积累的完成需118 ps，求模和恒虚警的完成需336 ps， Tsl01的超高性能和内部资源，采用并行化和模块化设计， 该实现过程共需172+118+336—626 ps。同样，实行并行 处理后实际处理时间缩小，远小于32个脉冲重复周期。由 将硬件平台与软件编程相结合，实现了对雷达信号的高速 实时处理。对脉冲压缩、Mm、CFAR的实现过程，特别是 此看出，该系统满足时间要求。图5为测试一个目标的回 软件设计过程中的具体问题进行了详细的讨论，最后给出 波脉压后的结果，(a)为Matlab仿真脉压结果，(b)为D：sP 一组测试结果，验证了系统对目标距离跟踪、角度跟踪的可 运行结果；二者误差很小，主副瓣比约为一28 dB。图6(a) 靠性和高效性。 (下转第24页) 21 万方数据 

■臣l|国国 昌 型董；=壁基王旦竺!!i里竖堕回壁到笪生竖出鱼笪让直洼 看出，对于检测信噪比小于10 dB的微弱信号时，有着很 大的可信度。从3个样本中，分离出一条线性性较好的， 对其进行拟和，得到拟合曲线和残差分布如图6所示。 2 1．5 l O．5 O 0．2 O．I O ．o．1 -0．2 5结语 此种信噪比的估计方法需要的时间序列较短，符合通 常信号的实际采集情况。通过数据拟合出的曲线可以作 为一般经验，经过仿真验证后，在信噪比为一10 dB以下， 可以得出较为精确的结论。该方法在信噪比大于一10 dB 时，拟合误差较大，故期待对这种估计方法做进一步完善。 参考文献 图6拟合曲线及其残差分布 · 拟合后的方程为，(z)=O．585 2*exp(一O．039 08* z)，根据其拟合优度统计量ssE=o．066 64，均方误差 [1]E吼Swiercz．A New Method of Detection of C0ded Sig∞ls in Additive chaos on the Enmple of Barker C0de口]．sig柏l Processing，2006，86(1)：153—170． R2一o．975 8，可以评价其拟合效果良好。 [2] Vesna Rubezic．Time—Frequency Representations—based 4验证 照 拟合后曲线上信噪比SNR与平均分离距离ADD的 对应关系见表1。 Detector of Chaos in Oscillatory circuits[J]．signal Pr；Dcess— ing，2006，86：2 255—2 270． [3]Dixiong Yang．Convergence A∞lysis of First Order Reliabi卜 ity Method using chaos Th∞ry口]．C0mputers and strIlc— 寰l拟台后曲线上sNR与ADD的对应关系 tures，2006，84：563—571． 序号 l 2 3 4 5 6 7 8 SNR 一30 —27 —24 —21 —18 —15 一12 —9 [4]zuo x Q，A chaos search 1mmune Algorithm with Its Ap— plication to Neuro—fuzzy controller Design[J]．cha∞，soli— tons and FractaIs，2006，30：94—109． ADD 1．89004 1．68095 1．49499 1．32960 1．18251 l?05169 o．93534 o．83187 [5] Chunbi们Gam Noise—induced Chaos in a Q岫dmtically 得到拟合曲线后，不妨加以验证。可以预先设置一定 信噪比Duffing混沌时间序列，计算该序列的平均分离距 离ADD，然后由拟合曲线的对应关系，得出估计的信噪 比，并加以比较。 裹2 DⅡm豫时问序列信噪比的估计结果 预设SNR 一30 一25 —20 一15 一lO Nonlinear Oscillator[刀．chaos，solitons and Fractals，2006， 30：920一929． [6]Ⅵk髂I乏ai．EvoIviIlg t0 dle Edge of ch∞s：chance or Neoe鹞ity [J]．Cha∞，SOIit0璐and F瞰_tals，2006，30：1 074一l 087． [7]samuel Bowong．synchronizing Chaotic Dynamics with Un— certainties Using a Pr础ctable synchronization Delay Design [J]．communications in Nonlinear science and NumericaI ADD 1．896 54 1．553 99 1．274 68 1．053 49 O．865 65 Simulation，2006，11：973—987． 估计SNR一30．087 8—24．990 5—19．920 6—15．043 8—10．018 6 [8]李月，杨宝俊．混沌振子系统(L—Y)与检测[M]．北京：科学 相对误差 O．029％ O．038％ O．397％ 0．292％ O．186％ 出版社，2007． 从估计结果看，在信噪比一10 dB以下的估计偏差没 有超过O．1 dB，相对误差不足1％，因此，估计可信度较 高，效果良好。 [9]王兴元．复杂非线性系统中的混沌[M]．北京：电子工业出 版社，2000． ’ [10]杨志家，赵光宙．一种定量估计混沌信号中信噪比的方法 [J]．信号处理，1999，15(3)：226—229． 作者简介 吕 科 男，1977年出生，硕士，讲师。研究方向为微弱信号处理。 ，‘．．．．．．‘．．．．．．．．．．．．一．．．／．．．．，．．．．．．．．．．．．．．’．．．．．．．．．．．．．。．．．．，．．．．．，‘．．．，．．．．，．．．．，、，、，、，’k，、．．．-．．．，、，、，。．．．，、，、．．．。．．．．．一．．．．．．。v。．．．．，、．．．、，‘．．．，．．．．．．、．．．．．．．，、，．-．．，、，、，．．．．．．．．．．．，、，、，．．．．．．．-．．．，．．．．．．．～，’．．．．，．．．I，、．．．．、．．．．～ (上接第21页) 参考文献 Inc．Z003． [4]Tiger SHARC DSP Programming Reference[z]．Analog De— [1]丁鹭飞，张平．雷达系统[M]．西安：西北电讯工程学院出版 vices Inc．2003． 社。1984． [5]刘书明，苏涛，罗军辉．Tiger sHARc DsP应用系统设计 [2]丁玉美，高西全，彭学愚．数字信号处理[M]．西安：西安电子 [M]．北京：电子工业出版社，2004． 科技大学出版社，1994． ’ [6]顾颖，张雪婷，张飚．基于ADsP—TS201的通用雷达信号处 [3]Tiger sHARc DsP Hardware Reference[z]．Analog Devices 理机的设计口]．现代雷达，2006，28(6)：49—51． 作者简介 高媛嫒．女，1982年出生，硕士研究生。主要研究方向为雷达信号处理。 罗‘丰 男，1971年出生，博士，副教授。主要研究方向为雷达系统、高速实时信号处理等． 24 万方数据 

跟踪雷达的高速实时信号处理系统研究 作者： 作者单位： 刊名： 高媛媛， 罗丰， 吴顺君， GAO Yuanyuan， LUO Feng， WU Shunjun 西安电子科技大学,雷达信号处理国家重点实验室,陕西,西安,710071 现代电子技术 MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE 2008，31(5) 0次 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 参考文献(6条) 1.丁鹭飞.张平 雷达系统 1984 2.丁玉美.高西全.彭学愚 数字信号处理 1994 3.Tiger SHARC DSP Hardware Reference 2003 4.Tiger SHARC DSP Programming Reference 2003 5.刘书明.苏涛.罗军辉 Tiger SHARC DSP应用系统设计 2004 6.顾颖.张雪婷.张飚 基于ADSP-TS201的通用雷达信号处理机的设[期刊论文]-现代雷达 2006(06) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xddzjs200805007.aspx 授权使用：北京理工大学(北京理工大学)，授权号：f8efa88d-4698-4b57-a5ed-9db500a62b15 下载时间：2010年7月16日