专利名称：基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据压缩解压领域，具体为一种基于游程差值编码的雷达回波压缩/ 解压算法。
背景技术：
目前，随着雷达新技术的不断发展，数字化的雷达视频距离库长越来越小。假定 最小的雷达可识别回波脉宽为0. 5us，量化位数为8Bits，若不进行压缩编码，则至少需要 16Mbps的信道带宽才能将其完全传出。而如此高的带宽要求又会给无线通信设备的设计带 来巨大的困难，更使得图传设备的成本呈指数迅速飙升。为了能在有限带宽下传输更多的雷达探测信息，在系统中运用压缩处理技术对雷 达回波信号进行压缩/解压处理已成必然。单就压缩算法而言，种类繁多PCM(脉冲编码调制)、预测编码、变换编码(离散余 弦变换)、统计编码(Huffman编码、算术编码、游程编码)、矢量量化和子带编码等。这些算 法除压缩比各不相同外，运算的复杂性也各不一样。雷达探测需要的是准确性、及时性，因 此在图传设备中应用压缩技术首先必须要满足实时性要求。游程编码(Run-Length Coding, RLC)做为一种简单而实用的统计编码在很早就被 提出了，其主要压缩依据就是将数据流中连续出现的数据(称为游程)用该数据以及连续 出现的个数来表示。即X(构成连续数据串的数据值)+SC(连续数据串的长度)。正因为 该算法无需获取大量的历史数据做相关运算，故而相对其他算法(如小波变换域压缩)而 言对内存的需求更小，也更具实时性。但在游程编码中，对于两个无连续重复的数据进行编 码时，会产生冗余。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，以解决 采用传统的游程编码算法对两个无连续重复的数据进行编码时会产生冗余的问题。为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，依次包括编码压缩模块和解码模 块，其特征在于所述编码压缩模块和解码模块均基于游程差值编码算法，所述游程差值编 码算法是对雷达回波信号数据流中前后数据的差值和重复次数进行游程编码的算法；所述编码压缩模块包括以下步骤(1)噪声滤除首先将工作期内采集到的数据逐个与前次雷达休止期内采集到的 雷达系统噪声值做比较，以初步滤除噪声，而后再拿初步滤除噪声后的数据与前3次记录 的回波数据中在相同距离点上做滑窗相关性比对，如连续3次比对结果显示相同距离点上 初步滤除噪声后的数据和前3次记录的回波数据均具有相关性，则保留当前采集到的数 据，否则将当前采集到的数据置为噪声电平；(2)差值模糊处理为了实现动态调整有损压缩率以适应小信道传输带宽的要求，特引入差值模糊系数F，所述差值模糊系数F即差值模糊范围值，其取值范围为(1 64)；假如当前采样点Cn的数据值与前一个采样点Clri的数据值之间差值小于差值模糊 系数F，则Cn产生了失真，当前采样点Cn的数据值取为前一个采样点Clri的数据值参与编 码，反之则取当前的采样点Cn的数据值参与编码，显然Cn与Clri取同样的值参与编码则仅 将重复次数累加器加一即可，这对于游程编码而言可大大提高压缩效率，进而降低传输数 据量，但带来的是少许的幅度失真；差值模糊系数F值是由编码模块根据编码的数据量及信道的传输带宽动态调整 的，当编码的数据流量超过传输带宽时，动态提高差值模糊系数F值以加大压缩率，从而以 适量的回波编码失真换取更小的数据流量，当编码的数据流量小于传输带宽某个值时，动 态降低F值以减小压缩率，从而降低编码失真度，但随之也会加大对传输带宽的占用量；(3)游程差值编码首先对一个周期内连续采样点的数据值进行游程差值编码压 缩，当周期内游程差值编码压缩完成并完整传出压缩数据流后，对相邻周期间的相同距离 点上的连续采样点的数据值进行游程差值编码压缩，如周期间游程差值编码压缩完成后不 能完整传出压缩数据流，便退回到周期内游程差值编码压缩，直到周期内游程差值编码压 缩完成并完整传出压缩数据流后，再重新进行周期间游程差值编码压缩，如此循环直至所 有数据均进行游程差值编码压缩并完整传出压缩数据流；所述解码模块包括以下步骤(1)同步控制首先通过识别游程差值编码压缩传至的压缩数据流中唯一性特征 码来组装8位字节，以对整个解码过程进行周期性的存储/解码控制；(2)游程差值解码根据所识别的唯一性特征码，首先对唯一性特征码对应周期 内的压缩数据流按游程差值编码约定进行游程差值解码，当周期内游程差值解码完成并完 整传出数据后，对相邻周期间的相同距离点上的连续采样点的压缩数据流进行游程差值解 码，如周期间游程差值解码完成后不能完整传出数据，便退回到周期内游程差值解码，直到 周期内游程差值解码完成并完整传出数据后，再重新进行周期间游程差值解码，如此循环 直至所有压缩数据流均进行游程差值解码并完整传出数据。所述的基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，其特征在于解码输出的 回波数据总是前一周期输入的压缩编码数据。所述的基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，其特征在于所述编码压 缩模块以自适应动态调整差值模糊系数F的方式减少序列中数据不连续的次数。所述的基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，其特征在于所述编码压 缩模块和解码模块均集成在FPGA中，所述FPGA接有兵乓结构的双口 SRAM。本发明用于雷达模拟回波数据压缩/解压。本发明是在经典的游程编码 (Run-Length Coding, RLC)基础上的经改进而产生的，同比原有的游程编码算法相比具有 更高的压缩比。本发明根据雷达特点对原始回波信号进行了自适应噪声滤除处理，更引入 了差值模糊度的概念，以自适应动态调整差值模糊度的方式减少序列中数据不连续的次 数，以提高编码的压缩比。本发明算法压缩有效，动态压缩比高、硬件实时性强、系统动态范 围满足光栅显示要求指标。目前已在多种雷达产品中成功应用。
图1为本发明编码压缩模块流程框图。图2为本发明解码模块流程框图。图3为本发明硬件电路实现原理框图。图4为本发明编码时序图。图5为本发明解码时序图。
具体实施例方式编码压缩工作流程如图1所示，为压缩编码的流程框图。由于在相邻重复周期中的地物回波、气象回 波、目标回波是相关的，而噪声却完全随机。这就给噪声的滤除提供了依据。“噪声滤除”的步骤简述如下首先，将工作期内采到的数据逐个与前次雷达休止 期内采到的雷达系统噪声值(NL)做比较，以初步滤除噪声，而后再拿当前有信号的值(比 噪声值大的数据)与前3次记录的回波数据中该距离点上的值做滑窗相关性比对，如连续 3次在该距离点上均采到具有相关性的信号值，则保留当前值，否则将当前值置为噪声电平 (NL)并传递给后序模块。差值模糊处理”实际上是一种失真度的控制，其主要是为了提高游程差值编码的 效率而设置的。由于IMbps的读出速率是恒定的，而经编码后的数据量又是可变的，假设当 前触发周期为τ (单位为s)，编码后的数据量为C，则当O (τ XlXlO6)/8时，以IMbps 的速率在当前触发周期内是不能将编码数据完全传出的。解决该问题的唯一办法就是用少 量的失真换取更少的编码数据量。出于这样的考虑，我们引入了一个模糊系数(F)的概念。假如当前采样点Cn的值(currentjalue)与前一个采样点Clri的值(prejalue) 的差小于差值模糊系数(F)，则当前采样点Cn的值取为前一个采样点的值(pre_ValUe)参 与编码，反之则取当前的采样值进行编码。此方法可增加连续重复数据的个数，但因此会带 来信号幅度上的少许失真。当编码后的数据量大到信道传输不能承受时，编码模块会自适 应地调整差值模糊系数(F)以达到一个幅度失真与编码信息量相对平衡的状态。游程差值编码不仅能对一个周期内的连续采样值进行压缩，还可对相邻周期的相 同距离点上的值进行差值压缩。由于相邻的周期中同样距离点上的采样数据相关性极大， 或者说其差值为“0”或接近“0”的概论很高，因此周期间的游程差值编码比周期内的游程 差值编码更为高效。但周期间的游程差值编码依赖于前一周期的数据，故实际的做法是当 采用周内游程差值编码压缩并完整传出后，即可采用周间游程差值编码压缩，而当周间游 程差值编码不能完整传出，便退回到周内游程差值编码，直到周内游程差值编码完整传出 后，再采用周间游程差值编码，以上切换过程由编码模块控制，周而复始地进行。双口 SRAM在设计中被划分为多个乒乓结构的区域块，以便分时存储一个周期的 采样值及编码数据，编码后的数据最终由“信道传输控制”模块以IMbps速率串行传出。解码工作流程如图2所示，由于整个解码过程的唯一数据来源就是IMbps的串行数据流，而编/ 解码是依据8位的字节进行的，因此解码的第一步首先就是要通过串行数据流中唯一性特 征码(“触发头”特征码)的识别来正确地组装8位字节。“同步控制”模块正是据此按照
6“触发头”特征码的到来时刻对整个解码过程进行周期性的存储/解码控制的。“游程差值 解码”模块会根据“触发头”中包含的信息选择合适的算法进行周内游程差值解码或是周 间游程差值解码并同时输出。由于编码数据流是以IMbps低速输入的，而解码输出则以2M Byte/s进行，因此采用了乒乓结构的双口 RAM充当桥梁。解码输出的回波数据源总是前一 周期输入的编码数据。本发明一个硬件电路来实现的。为了达到快速编/解码的目的，我们采用了以 FPGA为控制器的设计方案来加以实现。参见图3，该电路核心器件是一片高性能FPGA可编程逻辑芯片。为实现一板二用， 在该芯片集成了压缩编码及解压缩还原这两大功能模块的控制算法。具体哪个功能模块工 作(即整个电路是工作在编码模式还是解码模式)则由拨码开关选择决定。双口 SRAM在 设计中被划分为多个乒乓结构的区域块，以便同时存储采样值及编码数据。图4和图5分别描述了编/解码中主要功能模块的工作时序。从对RAM的读写角 度来看，无论是编码还是解码，其主要功能均可归纳为同时进行的数据块写及数据块读两 大模块。当该插件作为压缩编码应用时，雷达模拟视频回波经A/D通道及相关接口进入 FPGA。压缩编码工作是随回波输入同步进行的，即随着当前触发周期的回波采样值以2MHz 的频率逐个输入，压缩编码模块也同时对其依次按差值进行编码并实时地存入内存，直到 下一个触发到来时才切换至另一个缓存进行编码写入。在将当前编码数据写入内存的同 时，前一个周期的编码数据也源源不断地从乒乓缓存的另一个存储区中读出并以IMbps的 串行数据流输出。由于经过编码压缩后的数据量大为减少，因此在编码数据流输出时会在 其后面动态地填充一些空数据“0”，以等待一个周期的结束。当该插件作为解压缩应用时，首先要做的就是要从IMbps串行数据流中抓到“同 步字”，并以此作为每组触发周期编码数据块的划分依据。经串/并转换后的数据首先以 0. 125MHz的频率直接写入RAM，与此同时，解码模块会从另一个乒乓缓存中将前一个周期 的编码数据读出解码并同时以2MHz的频率稳定输出8位的回波数据流给D/A进行还原。从该工作时序图4，5中不难看出，这种编/解码系统的总延时仅为2个触发周期， 可见其实时性是很强的。本发明原理如下假设有一段8位数据流的回波数据，其16进制表示为...IA IA IA IA 2C 4E4E 4E 4E 4E 3D 6F 6F 6F 6F 8C 8C 8C 8C 8C...，在这 20 个字节中，数字 1AH/2CH/4EH/3DH/6FH/8CH分别出现了 4/1/5/1/4/5次，由此得知他们在信息中出现的概
m
率分别是0. 2/0. 05/0. 25/0. 05/0. 2/0. 25。根据信息熵计算公式丑(z) = ~^10§2尺可计
算出整条信息的“信息熵”(也就是表示这条信息所需的最少极限位数)H = - (4Xlog2(0. 2)+lXlog2(0. 05)+5Xlog2(0. 25)+lXlog2(0. 05) + 4X log2(0. 2)+5X log2 (0. 25)) = 47. 22 (位) 5. 9 (字节)即“熵”约等于6个字节。而经过游程编码(RLC)后，该数据流可以表示为· · · IA 04 2C 01 4E 05 3D 01 6F 04 8C 05. · ·
显然，该数据流采用无失真的游程编码时，其码长由20个字节压缩为12个字节。 就该数据流而言压缩比接近2 1，但距离其“熵”(6个字节)还有6个字节的差距，也就 是说，这种编码方式还没有去除这6个字节的冗余，还有进一步压缩的可能性。经分析发现，在上述数据流中出现了两个无连续重复的数据2CH、3DH。可是经过 RLC编码后却从2个字节QCH 3DH)增加为4个字节(2CH OlH 3DH01H),这显然违背了压 缩的目的。“游程差值编码”的核心思想是尝试用一个字节来进行类似“游程”的编码。即以 记录前后值的差及重复次数为主。该编码约定见下表表1编码约定
权利要求
1.基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，依次包括编码压缩模块和解码模 块，其特征在于所述编码压缩模块和解码模块均基于游程差值编码算法，所述游程差值编 码算法是对雷达回波信号数据流中前后数据的差值和重复次数进行游程编码的算法；所述编码压缩模块包括以下步骤(1)噪声滤除首先将工作期内采集到的数据逐个与前次雷达休止期内采集到的雷达 系统噪声值做比较，以初步滤除噪声，而后再拿初步滤除噪声后的数据与前3次记录的回 波数据中在相同距离点上做滑窗相关性比对，如连续3次比对结果显示相同距离点上初步 滤除噪声后的数据和前3次记录的回波数据均具有相关性，则保留当前采集到的数据，否 则将当前采集到的数据置为噪声电平；(2)差值模糊处理为了实现动态调整有损压缩率以适应小信道传输带宽的要求，特 引入差值模糊系数F，所述差值模糊系数F即差值模糊范围值，其取值范围为(1 64)；假如当前采样点Cn的数据值与前一个采样点Clri的数据值之间差值小于差值模糊系数 F，则Cn产生了失真，当前采样点Cn的数据值取为前一个采样点Clri的数据值参与编码，反 之则取当前的采样点Cn的数据值参与编码，显然Cn与Clri取同样的值参与编码则仅将重复 次数累加器加一即可，这对于游程编码而言可大大提高压缩效率，进而降低传输数据量，但 带来的是少许的幅度失真；差值模糊系数F值是由编码模块根据编码的数据量及信道的传输带宽动态调整的，当 编码的数据流量超过传输带宽时，动态提高差值模糊系数F值以加大压缩率，从而以适量 的回波编码失真换取更小的数据流量，当编码的数据流量小于传输带宽某个值时，动态降 低F值以减小压缩率，从而降低编码失真度，但随之也会加大对传输带宽的占用量；(3)游程差值编码首先对一个周期内连续采样点的数据值进行游程差值编码压缩， 当周期内游程差值编码压缩完成并完整传出压缩数据流后，对相邻周期间的相同距离点上 的连续采样点的数据值进行游程差值编码压缩，如周期间游程差值编码压缩完成后不能完 整传出压缩数据流，便退回到周期内游程差值编码压缩，直到周期内游程差值编码压缩完 成并完整传出压缩数据流后，再重新进行周期间游程差值编码压缩，如此循环直至所有数 据均进行游程差值编码压缩并完整传出压缩数据流；所述解码模块包括以下步骤(1)同步控制首先通过识别游程差值编码压缩传至的压缩数据流中唯一性特征码来 组装8位字节，以对整个解码过程进行周期性的存储/解码控制；(2)游程差值解码根据所识别的唯一性特征码，首先对唯一性特征码对应周期内的 压缩数据流按游程差值编码约定进行游程差值解码，当周期内游程差值解码完成并完整传 出数据后，对相邻周期间的相同距离点上的连续采样点的压缩数据流进行游程差值解码， 如周期间游程差值解码完成后不能完整传出数据，便退回到周期内游程差值解码，直到周 期内游程差值解码完成并完整传出数据后，再重新进行周期间游程差值解码，如此循环直 至所有压缩数据流均进行游程差值解码并完整传出数据。
2.根据权利要求1所述的基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，其特征在于 解码输出的回波数据总是前一周期输入的压缩编码数据。
3.根据权利要求1所述的基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，其特征在于 所述编码压缩模块以自适应动态调整差值模糊系数F的方式减少序列中数据不连续的次数。
4.根据权利要求1所述的基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，其特征在于 所述编码压缩模块和解码模块均集成在FPGA中，所述FPGA接有兵乓结构的双口 SRAM。
全文摘要
本发明公开了一种基于游程差值编码的雷达回波压缩/解压算法，用于雷达模拟回波数据压缩/解压控制板的软件设计。本发明以记录数据流前后值的差及重复次数为主来实现压缩编码。以滑窗平均提取噪声均值，而后进行噪声的自适应门限切割来抑制噪声干扰，并最终提高编码的压缩比。以自适应动态调整差值模糊度的方式减少序列中数据不连续的次数，以提高编码的压缩比。采用FPGA实现了算法的所有功能。
文档编号G01S7/32GK102062855SQ20101053354
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者徐瑾 申请人:安徽四创电子股份有限公司