基于多核DSP的雷达信号处理和航迹处理系统及方法与流程

本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理系统及方法。

背景技术：

随着雷达技术的不断发展，业界对雷达的功能需求更丰富、性能要求也更严格，相应的带来了更复杂的雷达信号处理和航迹处理算法，需要更快的运行速度、更高的数据处理能力和更大的带宽去实现，这些对雷达信号和航迹处理平台来说都是一个不小的挑战。

传统的单核dsp因受制作工艺、开发成本、功耗等因素的制约，性能提升有限。一种解决办法是在处理板上集成多片单核dsp，所以目前市面上雷达信号处理与航迹处理系统大多是分开完成的，即分在了不同的处理器上执行，虽然可以提高一定的性能，但是会增加板卡尺寸、增大功耗、提高产品生产成本，而且需要额外设计不同处理器间的数据传输模块，增加了系统开发难度。多核dsp可以同时满足高性能和低功耗的特点，自然得到了雷达开发者的青睐。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有低复杂度、高准确性、高可靠性、高实时性以及适应性广等特点的雷达信号处理与航迹处理系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理系统，包括：网口通信模块、srio接口通信模块、核间通信模块、edma数据搬移模块、信号处理模块以及航迹处理模块；

所述网口通信模块，用于实现dsp与上位机之间的数据收发通信，包括雷达工作参数的获取、雷达回波信号处理结果与航迹处理结果的发送；

所述srio接口通信模块，用于实现dsp与fpga之间的高速数据传输；

所述核间通信模块，用于实现dsp处理核间的信息同步和数据交互；

所述edma数据搬移模块，用于实现dsp的内部存储与外部存储之间的数据传输；

所述信号处理模块，用于对fpga传输的经脉压和动目标检测mtd处理之后的批量数据进行信号处理，获得目标点迹信息，包括目标的距离、速度和方位；

所述航迹处理模块，用于对信号处理后的点迹进行航迹处理获得目标航迹信息。

进一步地，所述网口通信模块使用dsp内部的网络协处理器netcp和sys/bios实时操作系统下的ndk网络开发套件实现。

进一步地，所述srio接口通信模块为基于rapidio的串行数据传输链路。

进一步地，所述核间通信模块使用ipc核间通信组件实现，包括notify通知机制和messageq机制。

进一步地，所述edma数据搬移模块具体实现数据从外部存储到内部存储的乒乓预取，以及信号处理模块处理结果从内部存储到外部存储的乒乓存储。

进一步地，所述信号处理模块包括恒虚警单元、目标凝聚单元和测角单元；其中，恒虚警单元，用于保持信号检测时虚警率恒定；

目标凝聚单元，用于将恒虚警单元处理得到的目标信息凝聚为点迹信息；

测角单元，用于测量目标相对于雷达在俯仰上的角度。

进一步地，所述航迹处理模块包括预处理单元、点迹与航迹关联跟踪单元、航迹终结单元和航迹起始单元；其中，

预处理单元，用于根据雷达的距离处理范围、速度处理范围，剔除不在所述处理范围内的点迹并进行坐标系转换；

点迹与航迹关联跟踪单元，用于从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹，同时利用该点迹更新可靠航迹，并将该点迹删除；

航迹终结单元，用于删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹；

航迹起始单元，用于建立临时航迹，且对临时航迹进行关联跟踪，并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头。

基于上述基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过上位机命令确定雷达工作参数；

步骤2，依据步骤1的参数计算获得信号处理模块的距离门和速度门个数；

步骤3，信号处理模块通过srio接口通信模块接收fpga传输的对雷达回波信号完成脉压和mtd之后的数据；

步骤4，信号处理模块对接收到的数据依次进行恒虚警检测、目标凝聚以及测角处理，获得目标点迹信息，包括目标的距离、速度和方位；

步骤5，航迹处理模块对信号处理后的点迹依次进行预处理、点迹与航迹关联跟踪、航迹终结和航迹起始处理，获得目标航迹信息；

步骤6，网口通信模块将步骤4获得的目标点迹信息和步骤5获得的目标航迹信息传输至上位机进行显示，完成雷达系统对目标的检测与跟踪；

在上述过程中，核间通信模块实现所有核处理前的握手工作，各核处理过程中的数据交互，以及最后处理完成的信息交互工作；

在上述过程中，edma数据搬移模块实现数据从外部存储到内部存储的乒乓预取，以及信号处理模块处理结果从内部存储到外部存储的乒乓存储。

进一步地，步骤5所述航迹处理模块对信号处理后的点迹依次进行预处理、点迹与航迹关联跟踪、航迹终结和航迹起始处理，获得目标航迹信息，具体过程包括：

步骤5-1，进行预处理，具体是根据雷达的距离处理范围、速度处理范围，剔除不在所述处理范围内的点迹并进行坐标系转换；

步骤5-2，进行点迹与航迹关联跟踪，具体是从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹，同时利用该点迹更新可靠航迹，并将该点迹删除；

步骤5-3，进行航迹终结处理，具体是删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹；

步骤5-4，进行航迹起始处理，具体是建立临时航迹，且对临时航迹进行关联跟踪，并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头；其中关联跟踪与步骤5-2的过程相同。

进一步地，步骤5-2所述进行点迹与航迹关联跟踪的具体过程包括：

步骤5-2-1，计算点迹与每一条可靠航迹的统计距离；

步骤5-2-2，将统计距离小于预设距离的点迹作为可靠航迹的候选回波；

步骤5-2-3，筛选候选回波中统计距离最小的点迹；

步骤5-2-4，对统计距离最小的点迹与可靠航迹进行卡尔曼滤波，更新可靠航迹。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的多核运行方案将接口通信、信号处理和航迹处理集成在一片多核dsp上执行，每个核处理不同的任务，满足雷达系统的高实时性要求，降低了系统处理时间和开发成本；2)本发明的edma数据搬移模块，可以独立于cpu实现数据的搬移工作，极大的节省了数据传输时间，提高了系统运行的实时性；3)本发明的信号处理模块，通过恒虚警、目标凝聚等一系列处理单元能有效抑制杂波及干扰，删除虚假点迹，进一步提高了目标信息的准确性和可靠性；4)本发明的航迹处理模块，通过预处理、关联跟踪、航迹起始等一系列处理单元能对经信号处理后的若干扫描周期的量测集进行运动轨迹和相关参数的估计，形成稳定的目标航迹并预测下一时刻的位置，实现对运动目标高精度的实时跟踪；5)本发明的两个接口通信模块，能够通过网口与上位机进行通信，通过srio接口与fpga进行通信，能够适应大批量高速数据传输场合。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理系统的结构框图。

图2为本发明中航迹处理模块流程图。

图3为本发明基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理方法流程图。

具体实施方式

结合图1，本发明提供了一种基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理系统，包括：网口通信模块、srio接口通信模块、核间通信模块、edma数据搬移模块、信号处理模块以及航迹处理模块；

网口通信模块，用于实现dsp与上位机之间的数据收发通信，包括雷达工作参数的获取、雷达回波信号处理结果与航迹处理结果的发送；

srio接口通信模块，用于实现dsp与fpga之间的高速数据传输；

核间通信模块，用于实现dsp处理核间的信息同步和数据交互；

edma数据搬移模块，用于实现dsp的内部存储与外部存储之间的数据传输；

信号处理模块，用于对fpga传输的经脉压和动目标检测mtd处理之后的批量数据进行信号处理，获得目标点迹信息，包括目标的距离、速度和方位等参数；

航迹处理模块，用于对信号处理后的点迹进行航迹处理获得目标航迹信息。

进一步地，在其中一个实施例中，网口通信模块使用dsp内部的网络协处理器netcp和sys/bios实时操作系统下的ndk网络开发套件实现。

作为一种具体示例，利用netcp处理数据包的硬件加速，主要侧重于以太网加速包。可以从以太网模块将数据包发送到netcp，也可以通过dsp或其他受支持的外围设备(例如srio)上的包dma将数据包传递到netcp。netcp有四个主要的模块连接到了包交换机和配置总线上，分别是pktdma控制器、包加速器(pa)、安全加速器(sa)和以太网交换机(gbe)。

作为一种具体示例，利用ndk实现网口数据的收发的软件编写，ndk是应用于sys/bios实时操作系统顶层的网络栈，具有tcpclient、tcpserver、udpclient、udpserver四种工作模式，可通过上位机软件配置网络参数和端口参数。其中网络参数可通过自动向具有dhcpserver功能的网关设备获取参数，包括当前选中模块的mac地址、ip地址、子网掩码、默认网关等。端口参数包括网络模式、本地端口、目标ip、目的端口、串口参数等。简单的通过上位机配置软件设置后，即可通过计算机网口与雷达系统进行通信。

作为一种具体示例，网口通信模块中，dsp向上位机发送如下信息用于显示：(1)每个波束内的所有点迹；(2)更新航迹的相关状态信息；(3)删除航迹号。上位机向dsp发送如下信息以控制雷达：(4)相关控制指令，包括工作模式、信号形式、方位调转0～360°、高低覆盖500m或1000m、俯仰层数1～12等其它与雷达前端波控、伺服和频综有关的命令；(5)终端要求撤销的航迹批号。

进一步地，在其中一个实施例中，srio接口通信模块为基于rapidio的串行数据传输链路。rapidio具有非专用、高性能、低引脚数的特性，是一种基于数据包交换的高速通信接口，可以提供芯片间或板间每秒g字节的传输速率。

作为一种具体示例，dsp具体采用c66x系列dsp，c66x系列dsp有4对srio的serdes通道，每个通道可以支持不同的波特率：1.25g，2.5g，3.125g和5g。因为采用了8b/10b编码，实际有效带宽只有1.0/2.0/2.5/4gbps。srio有四个差分对端口，每个端口均可配置为1x/2x/4x模式。4xsrio支持4路1x接口、2路2x接口、1路2x接口和2路1x接口组合和1路4x接口多种模式。

作为一种具体示例，dsp通过srio接口接收的是fpga对雷达回波信号进行脉压和mtd处理后的和差两通道数据，大小为1600×64×4＝409600b，时间要求在1.6ms之内，传输速率要求高于2.048gbps。

进一步地，在其中一个实施例中，核间通信模块使用ipc核间通信组件实现，包括notify通知机制和messageq机制。

作为一种具体示例，使用6个核完成所有的系统任务，首先调用ipc_start()函数完成核间同步，主核调用messageq_put()函数向所有从核发送开始处理消息，从核调用messageq_get()函数接收消息,从核处理结束后调用messageq_put()函数向主核发送处理完成消息，主核调用messageq_put()函数接收消息。

进一步地，在其中一个实施例中，edma数据搬移模块具体实现数据从外部存储到内部存储的乒乓预取，以及信号处理模块处理结果从内部存储到外部存储的乒乓存储。edma数据搬移模块的edma3控制器由通道控制器和传输控制器两个主要模块组成。

作为一种具体示例，dsp具体采用c66x系列中的tms320c6678，在c6678上有3个edma3通道控制器，edma3cc0负责控制外部存储ddr3和共享内存之间的数据传输，剩下的各个存储终端之间的数据传输由edma3cc1和edma3cc2控制。edma3cc有dma和qdma两种通道类型，其中edma3cc0有16个dma通道和8个qdma通道，而edma3cc1和edma3cc1各有64个dma通道和8个qdma通道。dma通道触发可以编程控制，而qdma的通道触发是在触发字写入后自动完成。

作为一种具体示例，进行恒虚警处理的核使用可以独立于cpu运行的edma完成数据的乒乓预取工作，即在核执行恒虚警处理乒数据的同时完成下一步要处理的乓数据的预取工作，执行乓数据处理的同时完成下一步要处理的乒数据的预取工作，每次从ddr3中，将通过srio传输过来的1600×64数据矩阵中40行的和通道数据搬移到dsp的内存l2sram中，得到一个40×32的数据矩阵。处理结束后再将结果使用edma从dsp内存l2sram中搬移到外部存储ddr3中，得到一个32×40的数据矩阵，与预取操作一致，同样的乒乓处理，即处理乒数据时搬移乓数据的处理结果，处理乓数据时搬移乒数据的处理结果。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，信号处理模块包括恒虚警单元、目标凝聚单元和测角单元；其中，

恒虚警单元，用于保持信号检测时虚警率恒定；

目标凝聚单元，用于将恒虚警单元处理得到的目标信息凝聚为点迹信息；

测角单元，用于测量目标相对于雷达在俯仰上的角度。

作为一种具体示例，假设雷达工作模式为低空监视模式，信号形式为宽脉冲长10us和窄脉冲长1us的复合信号，一个cpi内距离门有1600个，速度门有32个，具体工作方式如下：

恒虚警单元对动目标检测后的矩阵使用自适应门限，超过门限的数据保留并确定为目标点，低于门限的数据置为0并确定为杂波，解决了漏检率、虚警概率高等问题；

目标凝聚单元将恒虚警后得到的相邻目标点进行合并，凝聚成一个点目标，将处理后的两个数据矩阵中的非零值所对应的横纵坐标转化为目标的距离信息，纵坐标转化为目标的速度信息；

测角单元将和通道目标凝聚后获得的目标幅值与对应的差通道的幅值相比，根据该比值从雷达传感器的鉴角曲线中获得每个目标点在俯仰上的角度信息。

进一步地，在其中一个实施例中，航迹处理模块包括预处理单元、点迹与航迹关联跟踪单元、航迹终结单元和航迹起始单元；其中，

预处理单元，用于根据雷达的距离处理范围、速度处理范围，剔除不在处理范围内的点迹并进行坐标系转换；

点迹与航迹关联跟踪单元，用于从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹，同时利用该点迹更新可靠航迹，并将该点迹删除；

航迹终结单元，用于删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹；

航迹起始单元，用于建立临时航迹，且对临时航迹进行关联跟踪，并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头。

作为一种具体示例，结合图2，假设信号处理模块传输了一批点迹，数据处理模块首先将点迹存储，具体工作方式如下：

预处理单元根据雷达的距离处理范围225～5025m和速度处理范围-30～30m/s删除不在处理范围内的点迹，将剩余点迹在极坐标系下的信息转为直角坐标系下的信息。

点迹与航迹关联跟踪单元计算剩余点迹与每一条航迹的统计距离，统计距离小于10的点迹成为航迹的候选回波，利用nnsf算法筛选候选回波中统计距离最小的点迹与航迹进行卡尔曼滤波，更新航迹状态，将该被用于更新航迹的点迹从点迹文件中删除。

航迹终结单元对每条航迹计算信号处理模块传输的量测时间和航迹时间的差，删除时间差值超过5倍数据率的航迹。

航迹起始单元存储了长度为1和2的航迹，对剩余点迹与临时航迹进行关联判断，与点迹关联上的长度为2的临时航迹转为可靠航迹，连续2个扫描周期内没有与任何点迹关联上的临时航迹被撤销，未与临时航迹关联上的点迹成为新的航迹头。

作为一种具体示例，基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理系统的工作方式如下：

网口通信模块实现dsp与上位机之间的数据收发通信，具体包括实现雷达工作参数的获取与雷达回波信号处理结果与航迹处理结果的发送。

srio接口通信模块使用directio传输模式，使用4x工作模式，链接速率为3.125gbps，传输nread包，接收的是fpga对雷达回波信号进行脉压和mtd处理后的和差两通道数据，大小为1600×64×4＝409600b，时间要求在1.6ms之内，传输速率要求高于2.048gbps。

核间通信模块调用ipc_start()函数完成核间同步。主核调用messageq_put()函数向所有从核发送开始处理消息，从核调用messageq_get()函数接收消息,从核处理结束后调用messageq_put()函数向主核发送处理完成消息，主核调用messageq_put()函数接收消息。

edma数据搬移模块使用ab传输模式、链式传输方法，每次搬移srio传输过来的1600×64数据矩阵中40行的和通道数据到dsp的内存中，得到一个40×32的数据矩阵，处理结束后再将处理结果使用edma从dsp内存搬移到外部存储ddr3中，得到一个32×40的数据矩阵。

信号处理模块对srio接口通信模块接收过来的脉压和mtd之后的数据进行恒虚警、目标凝聚和测角处理，使用单元平均恒虚警算法去除由杂波、干扰等因素造成的虚警点，使用连通域目标凝聚算法去除虚假点迹，获得准确的目标距离与速度信息，使用单脉冲和差测角算法测得雷达目标的俯仰角，最后将得到的目标距离、速度、角度信息发送给网口通信模块，由网口通信模块发送给上位机进行显示。

经信号处理后的点迹，交由航迹处理模块进一步处理。航迹处理模块将点迹存储，通过预处理单元删除不在雷达距离处理范围225～5025m和速度处理范围-30～30m/s内的点迹，将剩余点迹在极坐标系下的信息转为直角坐标系下的信息。然后通过点迹与航迹关联跟踪单元计算剩余点迹与每一条航迹的统计距离，统计距离小于10的点迹成为航迹的候选回波，利用nnsf算法筛选候选回波中统计距离最小的点迹与航迹进行卡尔曼滤波，更新航迹状态，将该被用于更新航迹的点迹从点迹文件中删除。通过航迹终结单元对每条航迹计算信号处理模块传输的量测时间和航迹时间的差，删除时间差值超过5倍数据率的航迹。通过航迹起始单元存储了长度为1和2的航迹，对剩余点迹与临时航迹进行关联判断，与点迹关联上的长度为2的临时航迹转为可靠航迹，连续2个扫描周期内没有与任何点迹关联上的临时航迹被撤销，未与临时航迹关联上的点迹成为新的航迹头。最后将被更新的航迹信息和被删除的航迹号发送给网口通信模块，由网口通信模块发送给上位机进行显示。

结合图3，基于上述基于多核dsp的雷达信号处理和航迹处理系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过上位机命令确定雷达工作参数；

步骤2，依据步骤1的参数计算获得信号处理模块的距离门和速度门个数；

步骤3，信号处理模块通过srio接口通信模块接收fpga传输的对雷达回波信号完成脉压和mtd之后的数据；

步骤4，信号处理模块对接收到的数据依次进行恒虚警检测、目标凝聚以及测角处理，获得目标点迹信息，包括目标的距离、速度和方位等参数；

步骤5，航迹处理模块对信号处理后的点迹依次进行预处理、点迹与航迹关联跟踪、航迹终结和航迹起始处理，获得目标航迹信息；

步骤6，网口通信模块将步骤4获得的目标点迹信息和步骤5获得的目标航迹信息传输至上位机进行显示，完成雷达系统对目标的检测与跟踪；

在上述过程中，核间通信模块实现所有核处理前的握手工作，各核处理过程中的数据交互，以及最后处理完成的信息交互工作；

在上述过程中，edma数据搬移模块实现数据从外部存储到内部存储的乒乓预取，以及信号处理模块处理结果从内部存储到外部存储的乒乓存储。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤5中航迹处理模块对信号处理后的点迹依次进行预处理、点迹与航迹关联跟踪、航迹终结和航迹起始处理，获得目标航迹信息，具体过程包括：

步骤5-1，进行预处理，具体是根据雷达的距离处理范围、速度处理范围，剔除不在处理范围内的点迹并进行坐标系转换；

步骤5-2，进行点迹与航迹关联跟踪，具体是从信号处理模块获得的点迹中获取属于可靠航迹的点迹，同时利用该点迹更新可靠航迹，并将该点迹删除；

步骤5-3，进行航迹终结处理，具体是删除超出雷达探测范围或航迹质量数低于预设门限的航迹；

步骤5-4，进行航迹起始处理，具体是建立临时航迹，且对临时航迹进行关联跟踪，并将未与临时航迹关联上的点迹作为新的航迹头；其中关联跟踪与步骤5-2的过程相同。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤5-2中进行点迹与航迹关联跟踪的具体过程包括：

步骤5-2-1，计算点迹与每一条可靠航迹的统计距离；

步骤5-2-2，将统计距离小于预设距离的点迹作为可靠航迹的候选回波；

步骤5-2-3，筛选候选回波中统计距离最小的点迹；

步骤5-2-4，对统计距离最小的点迹与可靠航迹进行卡尔曼滤波，更新可靠航迹。

本发明能够实现高准确性、高可靠性、高实时性的雷达信号处理和航迹处理，且能够通过上位机对雷达参数进行控制，并实现信号处理和航迹处理结果的实时显示，适应性广。