对于雷达原始数据录取技术的思考

对于雷达原始数据录取技术的思考

李增元 王莉娜 李晓杰 肖化宇

陕西黄河集团设计所 陕西西安 710043

摘要:本文涉及雷达信号处理领域，主要描述一种高速、实时数据转发录取技术，可以对系统性能和算法正确性进行事后分析验证，能够大大降低系统调试难度、减少开发周期。

前言:信号处理系统是对雷达接收到的回波信号进行A/D正交采样、数字下变频、抽取滤波等预处理，并进行MTI、MTD、FFT、谱分析、CFAR、过门限检测、和差归一化、抗干扰等处理，随着 数据吞吐率非常高、处理运算量非常大，相应的调试难度也越来越大，急需一种高速、实时数据转发录取技术，可以将采样数据实时录取存储，事后对信号处理系统预处理后的数据进行检查，用仿真软件对数据进行算法验证和优化，将优化后的算法移入信号处理系统中进行系统验证，大大提高调试效率。

以某型雷达为例，信号处理系统主要由和路、高低路、方位路、辅助路4路A/D模数转换模块进行模数转换、FPGA大规模可编程逻辑器件进行数字下变频、正交转换、滤波、抽取等预处理，多片DSP数据处理器进行数字信号处理计算。

其工作流程为：

1. 上位机根据雷达工作模式，形成采样通道数、采样起始、采样长度、采样数据率、滤波器带宽等控制参数并发送给FPGA；

2. FPGA根据DSP形成的控制参数，对A/D采样后的数据进行通道选择、长度截取、抽取滤波等处理，形成后续处理所需要的I/Q数据，通过链路口总线或SRIO总线发送给由多片DSP模块组成的数字信号处理阵列；

3. DSP阵列对接收到的I/Q数据进行脉冲压缩、MTI/MTD、FFT、求模、非相干积累、CFAR检测、目标区分、和差归一化等。

在这种架构的信号处理系统中要实现原始数据录取有三种方法：

1. DSP阵列通过链路口总线或SRIO总线直接向存储设备发送数据，其优点是发送部分集成在DSP阵列，硬件不增加设备，缺点是发数逻辑集成在DSP阵列的工作软件中，对软件正常工作会有一定影响，存储部分要与DSP阵列安装在一个机箱中，对系统正常工作会有一定影响；

2. 由上位机通过PCI总线控制FPGA访问DSP内存，将读取到的数据转存到存储设备，其优点是灵活性高，可根据需要选择数据区查看核录取。缺点是设计复杂度高，且会占用总线，存储部分要与DSP阵列安装在一个机箱中，对系统正常工作会有一定影响；

3. 由FPGA直接将数据通过光纤发送给存储设备，其优点是发送逻辑集成在FPGA内，FPGA并行处理模式不影响工作状态，存储设备可独立于系统设计为便携手提式，使用时架设在制导站外，通过光纤与发送端连接，支持热插拔，传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强，存储设备只接收数据，不向系统发送任何数据，不会对系统正常工作产生影响。缺点是发送端硬件需要增加光电转换模块，FPGA需要消耗一定资源实现发送逻辑。

综合考虑，第三种相对于前两种方法，硬件设计简单、使用方便、最重要的是对制导站正常工作不会产生任何影响，而增加的硬件和FPGA资源代价很小，因此选择此种方法。

首先，硬件电路上只需要增加一块光电转换器件，用于将需要记录的雷达信号处理系统原始数据转换为光信号。光电转换器件总线和FPGA可编程逻辑器件相连，由FPGA模块控制数据发送。以雷达数据率最高的模式为例，采样频率20MHz，数据格式为32位浮点I/Q，采样通道为4路，可以计算得出数据传输瞬时带宽为640MB/s，只需选用1路速率10Gbps的光电转换器就能够满足系统所有模式下的数据录取；

其次，FPGA程序保持原工作通道不变，只需要增加一个光口控制模块和雷达信号处理系统光口发送模块，光口控制模块按照所选光电转换器件手册进行配置和编码，光口发送模块的工作原理为：当FPGA程序判断到向DSP阵列发送控制数据或原始I/Q数据时，将这些数据同时由光口发送模块发送到光电转换器件，光电转换器件将数据转换成光信号发送到存储设备。

存储设备硬件部分包含光电转换板卡、存储硬盘阵列、主控PC板，光电转换器将光信号还原为电信号，主控PC机通过软件控制启动和停止将还原后的数据存储到硬盘中，还可以通过软件对存储的数据进行提取、状态判断、数据筛选、信号处理计算等仿真验证。数据录取构成框图见下图。

1. 数据录取构成框图

光电转换板卡与主控PC板卡之间采用133MHz、64bit的PCI-X总线。主控板与磁盘阵列之间采用SATA　64Gbit/ｓ串行总线，相较于传统的PATA并行总线，SATA总线使用嵌入式时钟信号，可以对传输数据和传输指令进行检查，如果发现错误会自动矫正，具备更强的纠错能力，且支持热插拔，在部分磁盘损坏的情况下也可以使用，最大程度的保证了存储数据的正确性和可靠性。磁盘阵列采用8块存储容量为1.5TB的硬盘，考虑到采样占空比及其他时序的低采样率，12TB的磁盘阵列可以保证连续记录时间超过24小时。

存储设备软件部分包含数据存储控制软件、波形回放软件、信号处理仿真软件。

数据存储控制软件控制存储设备开始／结束录取，并在磁盘阵列形成数据文件，界面如下图所示。

2. 数据存储控制软件界面

波形回放软件能够对已录取的数据文件进行回放，并且可以通过软件对回放数据区、回放信号通道、显示区横轴/纵轴尺度等进行设置，以精细显示用户所关注的信息，界面如下图所示。

3. 波形回放软件界面

信号处理仿真软件是基于Matlab的数据处理及算法仿真软件，能够对录取到的数据进行事后处理，分析信号中的目标及干扰信息，验证目标处理算法和抗干扰措施的有效性，界面如下图所示。

4. 信号处理仿真软件界面

结语:雷达原始信号的录取对于信号处理系统来说非常重要，绝大多数雷达信号处理系统在设计时都会考虑数据录取问题，在系统调试尤其是雷达整体调试、各种抗干扰试验和演戏对抗试验时，都要用到录取设备将试验环境下的雷达信号记录存储，事后进行仿真分析及效果评估，因此，如何根据雷达信号处理系统的架构设计一种结构简单、使用方便、与工作状态耦合小的记录存储设备，是值得深思和研究的。

参考文献

1.《雷达手册》 Merrill I.Skolnik 主编 电子工业出版社 2003年

王军 林强 米慈中 许绍杰 俞志强 武文等译

2.《信号与系统》于慧敏 主编 化学工业出版社 2002年