多核DSP的SF與PD聯合運動補償算法實現*

楊康，周建江，楊成

(南京航空航天大學 電子信息工程學院， 南京 210016)

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楊康，周建江，楊成

(南京航空航天大學 電子信息工程學院， 南京 210016)

對脈組間調頻步進信號進行處理可以直接獲得合成超帶寬距離像及目標速度信息，獲得的距離像具有較高的分辨率。然而目標的運動將會導致成像產生距離遷徙及波形失真，所以必須對目標的運動進行速度補償。本文在論述了脈組間參差脈沖重復周期(SPRT)的速度補償新方法及PD+調頻步進體制聯合工作模式的基礎上，提出了基于TMS320C6678多核DSP的目標運動補償算法的并行實現方法，該方法論述了目標運動補償的任務級并行流水與核間高效通信。研究結果表明，基于多核DSP的復雜運動補償算法具有較好的實時性及較高的目標成像精度。

調頻步進；脈沖多普勒；脈組間參差PRT法；嵌入式多核DSP；并行處理

1 算法原理

1.1 調頻步進信號的多普勒效應

調頻步進雷達通過脈間線性跳變來獲得等效大帶寬，在現有的硬件水平限制下，具有較窄的瞬時帶寬，降低了對接收機和信號處理器件的要求。對于單目標而言，將調頻步進雷達的接收回波與其本振信號進行混頻，再通過低通濾波器進行低通及雙通道處理，得到的視頻信號為：

(1)

其中，Ai為第i個發射脈沖經混頻和低通濾波后處理后視頻信號的幅度，Nb為一幀發射信號的子脈沖個數，Tr為回波脈沖重復周期，Tpb為發射的脈沖寬度。視頻信號的相位為：ψi(t)=-2πfiτ(t)；運動目標回波對應的距離延時為：τ(t)=2R/c-2vt/c。R為目標距離，v為雷達相對于目標的運動速度，c為光速。

對回波脈沖串進行采樣，令：

則第i個采樣點可表示為

i=0,1,…，Nb-1

(2)

當目標處于靜止狀態，即v=0，將τ(t)的表達式帶入式(2),并對第i個脈沖串進行N點的IFFT運算并求模，可得：

(3)

其中，k=0,1,2,…,Nb-1, |Y(k)|為R處的目標一維距離像，當k=round(2R·NΔf/c)時，上式取得最大值。距離像的分辨率為ΔR=c/(2NΔf)，與單個脈沖相比距離分辨率提高了N倍；距離像的距離寬度(或不模糊測距間隔)為c/(2Δf)。

然而，調頻步進信號是一種多普勒敏感信號，當目標速度不為零時，高分辨率成像會出現距離遷徙及波形失真情況。考慮到上述分析中v≠0情況，目標運動在視頻回波相位中會引入如式(4)所示的一次線性干擾項及二次非線性干擾項。

(4)

對于目標運動速度的估計，國內外已經展開了較多的研究，并已提出了多種運動補償的方法。歸結而言，這些方法主要分成三大類：

① 利用參數估計法。參考文獻[6]描述的極大似然估計法(ML)及參考文獻[7]提出的多項式相位變換(DPT)法是都是典型的參數估計方法。

② 利用頻率步進信號的特性。這類方法主要利用回波的多幀數據之間的位置變化進行目標速度的估計，典型的方法有正負調頻法[8]、時域互相關法[9]等等。

③ 利用目標速度搜索的算法，典型的算法有對比度法和最小熵法[10-11]等。

本文將要介紹的基于脈組間參差PRT的速補償法屬于上述的第二類算法。首先利用步進頻信號的PRT法得到目標運動速度的一次估計，然后借助PD的高精度測速，實現雙體制的目標運動聯合補償。

1.2 SF+PD聯合體制運動補償

首先介紹一種稱為脈組間參差脈沖重復周期PRT進行目標速度估計的方法。

所謂PRT法就是借助多組脈沖周期不同的信號來進行目標速度估計的方法。雷達發射多組復合調頻步進SF信號，每一組SF信號由多幀(譬如兩組)子信號組成。假設兩幀SF信號的脈沖周期分別為Tr1和Tr2。由于Tr1和Tr2是極小量，在兩幀信號發射過程中，目標距離和運動速率變化可忽略不計。對一組復合調頻步進信號做N點的IFFT，可得到兩幀SF信號的距離像位置分別為

(5)

(6)

將以上兩式聯合計算可測得速度為

(7)

假設雷達發射的SF信號參數為：載頻 f0= 94 GHz，脈沖重復周期Tr1=18 μs,Tr2=16 μs，子脈沖的寬度為Tpb=200 ns，步進頻率值Δf=5 MHz，一幀的脈沖個數128。假定對SF回波數據進行512點的IFFT運算，則采用PRT法測速可達到的不模糊范圍為v = (-398.936 m/s , 398.936 m/s)，測速精度可達到1.5583 m/s。使用相同參數，參考文獻[9]提出的時域相關測速法達到的測速范圍為±13 021 m/s，但是測速精度僅為203.45 m/s；而參考文獻[8]提到的正負調頻測速法可達精度為0.346 m/s，但是測速范圍只有±22.164 m/s。相比較上述的兩種測速法，PRT法得到的測速范圍和測速精度都保持在較好的水平，這在一般戰場環境不是十分復雜的應用中是比較適合的。

然而，對于測速精度及測速范圍要求很高的應用場合，PRT法顯然不能滿足要求。因此，可考慮借助PD雷達的高精度測速及回波處理簡單等優勢來進一步提高PRT法的測速范圍和測速精度。

由上述分析可知，采取PRT法進行目標運動測速的范圍足夠大，但是精度與測速范圍成反比。而PD測速精度很高，滿足運動補償的精度要求，但是不模糊測速范圍相對較小。所以必須將基于SF的脈組間參差脈沖重復周期法與PD測速的方法結合起來，才能進行精確有效地測速。

假設PRT法測得目標的速度為v1和v2，則實際速度可表示為

(8)

因此，高分辨率成像雷達信號體制在設計時考慮到上述運動補償實現算法，選擇SF和PD交叉體制，交替發射調頻步進信號以及多普勒信號。每一組發射信號由一幀PD信號以及兩幀具有相同脈沖數的調頻步進信號組成。PD信號的脈沖數為Np，脈沖周期為Tr；連續的兩幀SF信號脈沖數為Nb，脈沖周期分別為Tr1和Tr2。雷達發射信號波形如圖 1所示。

圖1 雷達交替發射PD信號和SF信號

根據上述雙體制聯合運動補償算法分析，對每一組雷達回波的數字信號處理流程如圖 2所示。

圖2 SF和PD復合體制運動補償流程

2 基于多核的運動補償算法實現

2.1 信號處理系統架構

本系統采用基于TMS320C6678嵌入式DSP架構，外圍輔助Xilinx公司的FPGA作為前端數據采集和初步信號處理的模塊。利用FPGA豐富的I/O資源和邏輯運算資源，對前期大量的雷達信號數據進行采集和預處理，然后再通過RapidIO接口將FPGA處理后的數據傳送給DSP，在DSP中進行進一步雷達回波數據的算法實現。具體的系統架構如圖3所示。

圖3 雷達信號處理系統架構

TMS320C6678是一款基于KeyStone架構的高性能浮點嵌入式DSP。

本系統采用基于SYS/BIOS的IPC通信模塊與EDMA協同工作，最終實現了核間的通信與數據的交換。

2.2 任務并行模式

對于多核系統，根據其處理器分工的不同，可分為主從工作模式和數據流工作模式。

主從模式顯著的特點為集中控制，分散執行，強調多核之間的主從之分，一般而言核0作為主核，負責任務的分工和調度；其余各核作為從核，負責任務的并行執行。而數據流模式的顯著特點為分散控制，分散執行。采用該模式時，系統中不同的任務將被映射到各個核中，各個核根據傳遞數據的有效性來而并發地執行不同的任務，整體上實現程序的流水線狀態。本文中的系統任務是1000幀回波信號經過混頻，低通濾波，雙通道處理以及A/D轉換之后進入多核DSP進行運動補償及高分辨率成像處理。根據任務描述的情況，本文選擇主從任務模式。核0負責任務調度及核間任務同步控制，其余各個核連同核0參與具體任務的分工。

2.3 核間通信模塊設計

核之間，以及核與外設之間的通信是多核編程的核心。核間通信包括數據的通信和消息的通信。數據通信是大量數據的傳輸，通信時間長，實時性要求較低； 消息(狀態量)通信是小數據量的傳遞，用于核之間任務調度過程中控制指令傳輸以及狀態量的反饋，通信時間短，要求的實時性較高。

根據算法的實際需要，KeyStone架構下數據通信的實現采取了EDMA以及基于SYS/BIOS的IPC模塊聯合工作方式實現大數據量的傳輸和核間消息的傳遞。核間通信模塊如圖4所示。

圖4 核間通信模塊設計

3 測試結果及分析

本文對1000幀雷達回波進行信號處理以驗證上述算法的可靠性和多核計算的實時性。雷達發射波的參數為：載頻f0=94 GHz，子脈沖的寬度為Tpb=200 ns。PD脈沖重復周期為Tr=20 μs，一幀PD脈沖個數為1 024個。調頻步進脈沖重復周期Tr1=18 μs,Tr2=16 μs，步進頻率值Δf=5 MHz，一幀的脈沖個數128。目標在距離雷達系統1 800～2 000 m之間的范圍內移動，速度在-50 ～50 m/s之間變化。本系統對該目標進行距離和速度的估計。并基于測試結果，對算法精度和效率進行分析。

3.1 運動補償精度分析

使用PRT算法以及聯合補償算法對雷達回波進行處理，得到速度的估計以及速度估計的誤差。并且利用聯合法得到的速度對調頻步進回波信號進行運動補償，進而得到比較精確的目標一維距離像。基于TMS320C6678平臺對雷達回波的數字信號處理結果略——編者注。

聯合測速法得到的速度估計精度比PRT測速精度高出50倍以上。且隨著回波信號的SNR變化，PRT法估計的速度誤差有較明顯的浮動。隨著信噪比減小，回波信號中干擾加強，PRT法的測速精度會有較大回落。而采取聯合測速的方法，速度精度高，且基本不隨回波信號的SNR產生變動，這是由于其自身融合了PD測速輔助，聯合測速精度可以達到多普勒測速精度值。這也是為什么測速需要借助PD雷達的原因。另一方面，由于PD測速范圍較小，所以需要借助PRT方法擴展測速的范圍。

3.2 運算量及耗時分析

聯合體制運動補償算法在TMS320C6678多核上實現，不僅使得算法在實現起來靈活多變，更重要的是提高了算法的實時性，有利于在復雜作戰環境中快速且精確地跟蹤目標。本文對1000幀雷達回波進行數字信號處理，基于上述運動補償算法采取了三種實現方案。首先，在MATLAB平臺上實現該算法，算法具體的耗時為1 546.875 ms。 這對于高速運行的彈載系統而言，實時性要求不高。然后在TMS320C6678平臺上，采取了基于8核以及基于4核的算法實現，兩種方案實現算法消耗的周期數及時間略——編者注。

由于各核算法是并行實現，所以系統中的運行周期數及算法耗時取決于運行耗時最多的核。經過優化之后，算法的實時性得到進一步提高，根據測試結果可知，八核的目標運動補償算法實時性能達到20 ms以內，滿足了復雜戰場環境對高速雷達系統的實時性要求。

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楊康、楊成(碩士研究生)，研究方向為嵌入式系統設計與信號處理；周建江(教授)，主要研究方向為雷達信號處理、目標識別和目標特性分析。

Yang Kang, Zhou Jianjiang, Yang Cheng

( College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

High range resolution can be obtained by processing of millimeter wave stepped-frequency signal, but the motion of object can cause the phenomena of distance-migration and waveform distortion in the 1-D range profile, so it is necessary to make compensation in the motion velocity. In this paper a method of velocity estimation called staggering pulse repetition time (SPRT) in different pulse groups is mentioned and then a complex work mode of radar system based on SF and PD is discussed. Then, a method of the motion compensation algorithm of range profile using SF+PD work model based on TMS320C6678 is introduced. The method implements task-level parallel pipeline and efficient inter-core communication. Experimental results show that the method is feasible and effective, and has a good real-time performance with high resolution of the range profile.

module step-frequency; pulse Doppler; stagger pulse repetition time in different pulse groups; embedded multi-core DSP；parallel processing

南京航空航天大學研究生創新基地(實驗室)開放基金資助 (項目編號：kfjj120116); 中央高校基本科研業務費專項資金資助。

TP399

A

珍

2013-10-15)