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閾值，提高雷達(dá)在各種干擾情況下的檢測能力。

美國模擬器件公司(ADD的ADSP-TS201處理器具有高速運(yùn)算能力、可時分復(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)集成大容量存儲器，性價比高，并兼有ASIC和FPGA的信號處理性能、指令集處理器的高度可編程性與靈活性，適用于高性能、大存儲量的信號處理和圖像應(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簡介

ADSP-TS201采用超級哈佛結(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，內(nèi)部存儲器帶寬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)先級中斷和嵌套中斷；
4個全雙工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、存儲器結(jié)構(gòu)和鏈路口結(jié)構(gòu)上有差別，如表1所列。通過比較可以看出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。

      4恒虛警檢測原理
      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：

      
      門限VT一旦確定，背景噪聲(干擾)和雜波干擾會使虛警概率增加，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。
      選大單元平均CFAR通過兩側(cè)2L個距離單元數(shù)據(jù)平均值估算雜波功率，用雜波功率對所檢測的距離單元數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化并乘以門限，作為檢測門限。檢測門限與檢測單元比較，超過門限判斷為有目標(biāo)，低于門限判斷為無目標(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)周圍的二維平面劃分成許多方位距離單元，再將每個方位距離單元的接收信號存入存儲器，每個存儲單元對應(yīng)一個方位距離單元。一個雜波圖單元可以由一個或幾個分辨單元組成。按照不同的距離和不同的波位計(jì)算并存儲雜波圖，利用雜波圖數(shù)據(jù)設(shè)置門限并與雷達(dá)回波相比較，檢測低速目標(biāo)。
      雜波圖分為動態(tài)雜波圖和靜態(tài)雜波圖。靜態(tài)雜波圖是在雷達(dá)建站時或者定期對雷達(dá)周圍的雜波環(huán)境進(jìn)行測量，靜態(tài)雜波圖對雷達(dá)回波信號按照特定公式進(jìn)行歸一化處理，一般用于接收機(jī)控制增益。而動態(tài)雜波圖隨著天線掃描，每個方位單元存儲的信號遞歸更新，天線多圈掃描后，幅度雜波圖存儲相應(yīng)方位距離單元的雜波均值。檢測門限為相應(yīng)方位距離單元雜波均值與門限之積。如果被檢測信號大于門限，則判為有目標(biāo)，否則判為無目標(biāo)。
      5 恒虛警在ADSP-TS201上的實(shí)現(xiàn)
      5.1運(yùn)算量、存儲量分析及時間估計(jì)
      首先分析選大單元平均CFAR的運(yùn)算量和時間。以某一重復(fù)頻率為例(重復(fù)頻率為184μs，無模糊距離為27.6 km)，整個距離的數(shù)據(jù)量約為3.6
      K個32 bit的字。處理一幀數(shù)據(jù)的時間約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)的時間約為314.5
      ms。因此僅用一片ADSP-TS201是無法實(shí)現(xiàn)的。
      然后分析雜波圖的存儲量。將雷達(dá)周圍的二維平面劃分為6個掃描區(qū)，每個掃描區(qū)有91個波位，每個波位存10層(前后各5層)雜波數(shù)據(jù)。若一個雜波圖單元由2個分辨單元組成，則一個雜波圖單元存儲16
      bit，一個掃描區(qū)最大存儲量約為30 M，ADSP-TS201內(nèi)存不能存儲雜波圖數(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)，每個處理器都連接一個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，DSP2與FPGA連接用于接收來自FPGA脈壓后的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)。兩個處理器之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信是通過鏈路口互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，每個鏈路口以雙向全雙工方式工作。兩個DSP各自連接SDRAM用于存儲雜波圖數(shù)據(jù)。DSP1采用EPROM加載方式，DSP2通過鏈路口加載。
      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、雜波圖檢測以及CFAR處理。每部分程序都是一個子程序，便于調(diào)用、調(diào)試?？紤]到實(shí)時性要求，程序采用匯編語言，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處理要對兩側(cè)L個臨近單元求和，取模可直接求和，把取模和CFAR用一個子程序完成，減少了讀取數(shù)據(jù)的時間。圖2、圖3分別為DSP1、DSP2的軟件處理流圖。

      DSP1主要完成加載，頻率通道號為奇數(shù)行數(shù)據(jù)的雜波圖檢測和CFAR，并將一幀數(shù)據(jù)檢測到的目標(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接收來自FPGA脈壓后的數(shù)據(jù)，將頻率通道號為奇數(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)行功能測試。圖4是背景雜波服從瑞利分布時，采用ADSP-TS201匯編語言對整個雷達(dá)目標(biāo)恒虛警檢測過程仿真得到的結(jié)果。采樣點(diǎn)數(shù)為1
      024點(diǎn)。需要指出的是，恒虛警檢測算法會帶來不同程度的恒虛警損失，與鄰近單元的個數(shù)L和積累周期數(shù)有關(guān)，因此在實(shí)現(xiàn)時要盡量減小恒虛警損失。
            

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