雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)字模擬的TMS320C6201實(shí)現(xiàn)

1 引言

    隨著科技的發(fā)展和需求的不斷提高，雷達(dá)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，種類越來(lái)越多，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)和維護(hù)變得越來(lái)越困難。正是在這樣的情形下，使雷達(dá)模擬成為解決這一系列問題的有效手段，雷達(dá)系統(tǒng)模擬是數(shù)字技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)。用軟件建立符合用戶需求的模型，區(qū)別于實(shí)物模型易受環(huán)境、物質(zhì)、技術(shù)等條件的約束，具有良好的可控性。

　　雷達(dá)目標(biāo)模擬是雷達(dá)系統(tǒng)模擬的重要組成部分。雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)可以視為發(fā)射波形經(jīng)過(guò)延遲和多普勒頻移后的復(fù)現(xiàn)波形，而且波形振幅受到天線方向圖的雙程波瓣調(diào)制，利用DSP的高速計(jì)算性能，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號(hào)的實(shí)時(shí)計(jì)算輸出。

2 雷達(dá)目標(biāo)回波的模擬

2.1 點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)

　　由于本文要模擬的雷達(dá)目標(biāo)尺寸小于雷達(dá)分辨單元，因此將此目標(biāo)視為點(diǎn)目標(biāo)。設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)表示為：

　　　　 

　　其中u（t）是復(fù)調(diào)制函數(shù)，f0是載頻。

　　則目標(biāo)回波的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)恒定多普勒理論簡(jiǎn)化后可表示為：

　　

　　其中τ為回波信號(hào)的雙程時(shí)延，fd為目標(biāo)回波的多普勒頻移，
　　　　。

　　上式適用于v＜＜c，BT＜＜c/2v的點(diǎn)目標(biāo)情況。

2.2 點(diǎn)目標(biāo)回波的相干視頻模擬

　　目標(biāo)回波的相干視頻信號(hào)是指目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)雷達(dá)接收機(jī)的相干解調(diào)后輸出的信號(hào),可表示為：

　　　　　　　　　 

　　上式?jīng)]有考慮復(fù)反射系數(shù)γ引起的附加相移，在不考慮τ及由τ引起的附加固定相位項(xiàng)exp（－j2πfoτ），則上式可簡(jiǎn)化為：

　　 

　　設(shè)相干脈沖雷達(dá)脈沖重復(fù)間隔為T，復(fù)調(diào)函數(shù)u(t)＝a（t）exp[jθ(t)]，則點(diǎn)目標(biāo)回波的相干視頻信號(hào)采樣可用其正交分量表示為：

　　　　 

　　其中k表示采樣號(hào)，θ(kT)為目標(biāo)回波的初始相位，計(jì)算時(shí)可取為0，雷達(dá)點(diǎn)目標(biāo)回波的全部信息都包含在這兩個(gè)正交分量中。fd是該點(diǎn)目標(biāo)的多普勒頻移；a（kT）為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)復(fù)調(diào)制函數(shù)的包羅函數(shù)，A（kT）＝ ，γ為復(fù)反射系數(shù)，他與雷達(dá)截面積σ的關(guān)系為 ，式中φ表示反射信號(hào)附加的相移。雷達(dá)截面積不僅與目標(biāo)的大小、反射特性等特點(diǎn)有關(guān)，還受目標(biāo)起伏特性的影響，此處雷達(dá)截面積采用swelling模型。λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，R為目標(biāo)與雷達(dá)間的距離，G為受天線方向圖影響的雷達(dá)單邊功率增益，L為系統(tǒng)損耗因子。

　　因此，雷達(dá)回波的數(shù)字模擬主要是模擬目標(biāo)的振幅A（kT）和多普勒頻移fd。

2.3 天線的調(diào)制

　　單脈沖跟蹤雷達(dá)采用和差波束來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，這種雷達(dá)系統(tǒng)的天線在一個(gè)角平面內(nèi)有4個(gè)部分重疊的子波束，如圖1所示。 

　　　　　　　　　　

　　4個(gè)子波束分別對(duì)接收到的目標(biāo)回波進(jìn)行幅度調(diào)制，可以得到4路信號(hào)，雷達(dá)將這4路信號(hào)進(jìn)行和差處理，由差信號(hào)的大小可以得到目標(biāo)位置（方位角、俯仰角）與天線中心指向的偏離誤差，所以可以調(diào)整天線指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。從波束截面圖方向看，4個(gè)波束的中心位置如圖1所示，其中原點(diǎn)為天線軸向，α軸為方向角方向，β軸為俯仰角方向，設(shè)由4個(gè)波束接收到的目標(biāo)信號(hào)為A1，A2，A3，A4，那么和信號(hào)Σ，方位差信號(hào)Δα、俯仰差信號(hào)Δβ可以分別表示為：

　　Σ＝A1＋A2＋A3＋A4

　　Δα＝A2＋A4－A1－A3

　　Δβ＝A1＋A2－A3－A4

　　雷達(dá)按照上式對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，也可以看作是和差方向圖調(diào)制的結(jié)果。以兩個(gè)波束為例，將兩個(gè)子波束、和波束、差波束的方向圖表示如圖2所示。

　　　　　　　　　 

　　要模擬點(diǎn)目標(biāo)Σ，Δα，Δβ信號(hào)，最直接的辦法是產(chǎn)生一路Σ信號(hào)，然后分別用圖2所示的和、差波束方向圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，從而得到Σ，Δα，Δβ信號(hào)，但是必須采用多通道結(jié)構(gòu)。如果換一個(gè)角度考慮，采用4個(gè)精密衰減器來(lái)模擬4個(gè)子波束的調(diào)制，得到4路信號(hào)后，再使用上式求出Σ，Δα，Δβ信號(hào)就可以只用一個(gè)目標(biāo)信號(hào)通道，在數(shù)據(jù)輸出時(shí)再使用衰減器來(lái)產(chǎn)生Σ，Δα，Δβ信號(hào)，目標(biāo)的航跡在模擬器中可按主機(jī)傳送的參數(shù)，由DSP實(shí)時(shí)計(jì)算得出。

3 目標(biāo)軌跡的模擬

　　由于雷達(dá)獲得的是離散的目標(biāo)信號(hào)，即以一定時(shí)間間隔T獲得的目標(biāo)信息。當(dāng)這個(gè)時(shí)間間隔足夠小時(shí)，可以用直接段（或旋）去逼近目標(biāo)的飛行軌跡，同時(shí)可以認(rèn)為在這樣一個(gè)微小的時(shí)間間隔內(nèi)目標(biāo)是勻加速運(yùn)動(dòng)的。因此任意飛行軌跡可視為直線運(yùn)動(dòng)和勻速空間圓周運(yùn)動(dòng)的組合。

　　根據(jù)以上兩種基本運(yùn)動(dòng)軌跡，可以組合出很多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖3為用TMS320C6201實(shí)現(xiàn)的，基于直線和圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行組合而產(chǎn)生的一個(gè)復(fù)合軌跡。

4 基于TMS320C6201的實(shí)現(xiàn)

4.1 TMS320C6201簡(jiǎn)介

　　TMS320C6201是TI公司推出的一款定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，CPU內(nèi)含有8個(gè)并行處理的運(yùn)算單元，指令長(zhǎng)達(dá)256b，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開設(shè)置，程序存儲(chǔ)器為512kb，或作為外部存儲(chǔ)器的Cache。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為512kb，指令周期為5ns，時(shí)鐘為200MHz。理想情況下，每次執(zhí)行8條指令，故可以達(dá)到1600MIPS，芯片內(nèi)集成外設(shè)包括：外存儲(chǔ)器接口EMIF，主機(jī)口HPI，擴(kuò)展總線XB，自舉控制邏輯、多通道緩沖串口、定時(shí)、中斷選擇子、Power－down邏輯。軟件設(shè)計(jì)可采用C語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言和線性匯編語(yǔ)言等。

4.2 基于TMS320C6201的實(shí)現(xiàn)

　　由于模擬雷達(dá)回波信號(hào)有實(shí)時(shí)性的要求，因此在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用了C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程的方法，框架程序使用C語(yǔ)言編寫，對(duì)運(yùn)行速度要求高的子程序采用匯編語(yǔ)言編寫，因此這就涉及到C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程的接口約定，現(xiàn)將部分接口約定總結(jié)如下：

　?。?）C函數(shù)調(diào)用匯編程序時(shí)，主調(diào)C程序會(huì)自動(dòng)保存A0－A9，B0－B9寄存器的值，其余寄存器的值如有必要需人工保存，返回時(shí)A0－A9，B0－B9寄存器的值會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，其余則需人工恢復(fù)；

　　（2）主調(diào)C程序進(jìn)行匯編函數(shù)調(diào)用時(shí)，函數(shù)的參數(shù)傳遞遵循以下規(guī)則：8/16b參數(shù)依次存入A4，B4、A6、B6、A8、B8、A10、B10、A12、B12；如果傳遞的是長(zhǎng)型，雙精度等32/64b參數(shù)，則將參數(shù)存入一對(duì)奇偶寄存器對(duì)中，如A5：A4，B5：B4，A8：A7等。當(dāng)需要傳遞的參數(shù)個(gè)數(shù)多于10個(gè)時(shí)，則多出的參數(shù)置于stack中。

　?。?）如果C調(diào)用函數(shù)中做了正確的函數(shù)返回聲明，則被調(diào)用的匯編函數(shù)可以返回有效值。如果返回值是整型或32位的浮點(diǎn)型，則放在寄存器A4中返回，如果返回值是雙精度或是長(zhǎng)雙精度型，則放在A5：A4中返回，如果返回值是一個(gè)結(jié)構(gòu)類型，則將結(jié)構(gòu)地址放在A3中返回。

　?。?）任何一個(gè)在匯編語(yǔ)言中聲明的對(duì)象都要使其在C中是可訪問的，那么在匯編語(yǔ)言中必須用.def或.global進(jìn)其聲明為外部變量。同樣在匯編語(yǔ)言中要引用C函數(shù)或?qū)ο髸r(shí)，必須用.ref或.global將C對(duì)象聲明，將這產(chǎn)生一個(gè)在匯編語(yǔ)言函數(shù)中沒有定義的由鏈接器辨識(shí)的外部引用。

　　圖3即為用TMS320C6201實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)軌跡之一，將整個(gè)系統(tǒng)放在硬件平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試，可以得到與其要求的目標(biāo)軌、目標(biāo)的多普勒頻移和天線調(diào)制后的目標(biāo)回波信號(hào)振幅。

5 目標(biāo)通道實(shí)現(xiàn)

　　計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI接口卡和模擬器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口。目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用了高速大容量同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM），SDRAM映射在TMS320C6201的外部存儲(chǔ)器的空間的CE2和CE3空間，EPROM映射在CE1空間，而輸入輸出雙口RAM都映射在CE0空間。

　　 整個(gè)工作流程如下：

　?。?）在主機(jī)中根據(jù)雷達(dá)調(diào)試要求設(shè)置載機(jī)高度、載機(jī)速度、雷達(dá)載頻以及目標(biāo)的各項(xiàng)參量，預(yù)先計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)。

　?。?）主機(jī)通過(guò)PCI接口把事先計(jì)算好的目標(biāo)數(shù)據(jù)送往輸入雙口RAM，再通過(guò)TMS320C6201把輸入雙口RAM中的數(shù)據(jù)存入目標(biāo)SDRAM中。

　?。?）在主機(jī)和TMS320C6201將目標(biāo)數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)器后，TMS320C6201根據(jù)下一幀的PRF值，計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)的存放地址，從該地址取出一幀目標(biāo)數(shù)據(jù)送往目標(biāo)幅度輸出雙口存儲(chǔ)器，再由輸出雙口存儲(chǔ)器輸出到后級(jí)電路，TMS320C6201還要根據(jù)當(dāng)前的波束指向輸出衰減器控制數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行天線方向圖調(diào)制，形成目標(biāo)和差信號(hào)。

　?。?）數(shù)字、視頻輸出

　　信號(hào)合成與輸出電路將目標(biāo)、雜波、噪聲數(shù)據(jù)合成得到數(shù)字雷達(dá)回波信號(hào)后直接輸出Σ，Δα，Δβ數(shù)字信號(hào)，視頻輸出由Σ，Δα，Δβ數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A變換后得到。

6 結(jié)語(yǔ)

　　本文簡(jiǎn)要介紹了雷達(dá)視頻模擬的理論，并介紹了C語(yǔ)言和匯編程序混合編程的一些約定，對(duì)目標(biāo)軌跡的模擬進(jìn)行了分析，基于簡(jiǎn)單的基本軌跡實(shí)現(xiàn)各種復(fù)合軌跡，較逼真地復(fù)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境中目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。