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<DIV align=center>第六講 DSP在雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用</DIV></TD></TR>
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<DIV align=center> Lesson 6 DSP's Application in Radar Signal Process</DIV></TD></TR>
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<DIV align=center> 清華大學(xué)電子工程系張衛(wèi)杰博士</DIV></TD></TR>
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<TD> 引言 
DSP是一種基于精簡指令集的可編程數(shù)學(xué)計(jì)算芯片，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域變換、頻譜分析、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮等處理，廣泛應(yīng)用于家用電器、多媒體系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星系統(tǒng)、移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議、醫(yī)學(xué)儀器、實(shí)時(shí)圖像識(shí)別與處理、語音處理、自適應(yīng)制導(dǎo)控制、模式識(shí)別、定位、導(dǎo)航、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)和智能基站等領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹通用DSP在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，以及研制基于DSP的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
 DSP在雷達(dá)信號(hào)處理中的典型應(yīng)用
作為面向數(shù)字信號(hào)處理的可編程嵌入式處理器，DSP具有高速、靈活、可靠、可編程、低功耗、接口豐富、處理速度快、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)所涉及的主要技術(shù)，包括數(shù)據(jù)重采樣、參數(shù)估計(jì)、自適應(yīng)濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應(yīng)波束形成和旁瓣對(duì)消等，通常需要完成大量具有高度重復(fù)性的實(shí)時(shí)計(jì)算。DSP可以利用硬件算術(shù)單元、片內(nèi)存儲(chǔ)器、哈佛總線結(jié)構(gòu)、專用尋址單元、流水處理技術(shù)等特有的硬件結(jié)構(gòu)，高速完成FFT、FIR、復(fù)數(shù)乘加、相關(guān)、三角函數(shù)以及矩陣運(yùn)算等數(shù)字信號(hào)處理。因此，DSP非常適合雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)。 FFT是雷達(dá)信號(hào)處理的重要工具。DSP內(nèi)部的硬件乘法器、地址產(chǎn)生器（反轉(zhuǎn)尋址）和多處理內(nèi)核，保證DSP在相同條件下，完成FFT算法的速度比通用微處理器要快2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在雷達(dá)信號(hào)處理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)-頻域轉(zhuǎn)換、回波頻譜分析、頻域數(shù)字脈沖壓縮等。 FIR濾波器是雷達(dá)信號(hào)處理中常用設(shè)計(jì)之一。在動(dòng)目標(biāo)指示（MTI）或動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）中，采用FIR濾波器可以濾除雜波干擾，提高信雜比，而通過恒虛警處理（CFAR）完成目標(biāo)的檢測(cè)。在機(jī)載多普勒雷達(dá)中，為了抑制地雜波的干擾，采用了復(fù)雜的自適應(yīng)濾波器組。在陣列信號(hào)處理以及波束形成中，進(jìn)行數(shù)據(jù)校正及加權(quán)系數(shù)計(jì)算和控制，均需要大量的復(fù)數(shù)運(yùn)算。這些復(fù)數(shù)加權(quán)濾波器、多普勒濾波器組或者矩陣運(yùn)算都是復(fù)信號(hào)的乘法累加運(yùn)算，可根據(jù)不同算法的需要，采用DSP進(jìn)行靈活編程實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)重采樣主要是為了得到雷達(dá)回波數(shù)據(jù)局部細(xì)節(jié)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)校正或者配準(zhǔn)。例如在SAR圖像處理中，距離徙動(dòng)校正中的多點(diǎn)插值算法和InSAR進(jìn)行圖像配準(zhǔn)之前進(jìn)行8倍像素細(xì)化，均可采用DSP完成一維和二維的插值運(yùn)算。 DSP在參數(shù)估計(jì)方面也得到了廣泛應(yīng)用。典型的應(yīng)用實(shí)例是SAR成像處理中的最大對(duì)比度算法。最大對(duì)比度算法是一種優(yōu)秀的多普勒調(diào)頻斜率估計(jì)方法，它通過對(duì)方位向數(shù)據(jù)的重復(fù)脈沖壓縮，最后通過計(jì)算對(duì)比度，得到最優(yōu)的普勒調(diào)頻斜率。其中，采用DSP完成大量的FFT、IFFT和復(fù)數(shù)乘法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的參數(shù)估計(jì)。 此外，DSP可以利用其存儲(chǔ)器管理和計(jì)算能力，分析雜波強(qiáng)度、面積、雜波的多普勒頻率、起伏分量以及地雜波等，建立雜波圖，完成雷達(dá)回波的統(tǒng)計(jì)分析、信息保存及存儲(chǔ)器控制等任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)CFAR處理。 由此可見，DSP在雷達(dá)信號(hào)處理器設(shè)計(jì)中具有很大的靈活性和適用范圍，它不僅增強(qiáng)了信號(hào)處理的速度和能力，大大提高了信號(hào)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)，而且適合多功能可編程并行處理和陣列處理，滿足高速并行處理的要求。
 基于DSP的新體制雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
高適應(yīng)性和多功能是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)所應(yīng)有的兩個(gè)基本特征，一方面要求雷達(dá)在復(fù)雜雜波環(huán)境下具有很高的檢測(cè)概率和很低的虛警率；另一方面要求雷達(dá)在相同的平臺(tái)上具有多功能，不但需要發(fā)現(xiàn)并測(cè)定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還要進(jìn)行分析處理，判定其屬性和威脅程度，進(jìn)行輔助決策，并將目標(biāo)信息直接傳遞給信息中心。因此，在現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不僅要考慮運(yùn)算量、運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速度、體積的要求，還要考慮系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性、模塊化、可擴(kuò)展性及其相關(guān)的技術(shù)。下面從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)和軟件開發(fā)四個(gè)方面介紹DSP在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用。
基于DSP的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)并行處理系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，多種模塊構(gòu)成一個(gè)通用硬件平臺(tái)，根據(jù)軟件雷達(dá)的思想，通過改變算法和軟件，使其適應(yīng)不同的工作環(huán)境和任務(wù)需要。由于多DSP處理模塊具有運(yùn)算密集、體積小、實(shí)時(shí)性好以及處理時(shí)間可嚴(yán)格預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，通�？勺鳛橄到y(tǒng)的核心模塊。例如我國最新研制的WRSP1（Weather Radar Signal Processor 1）全功能天氣雷達(dá)信號(hào)處理器，由三類標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)成，采用了多DSP并行方式，通過軟件編程能夠?qū)崟r(shí)完成當(dāng)今天氣雷達(dá)信號(hào)多普勒處理的PPP（脈沖對(duì)）、FFT等五種算法，與我國原有系統(tǒng)相比較，具有高集成、高精度、高度靈活、高穩(wěn)定、高成像質(zhì)量和低成本等特點(diǎn)。
另外，同一種DSP處理模塊采用不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，也會(huì)直接影響系統(tǒng)的工作效率、適應(yīng)性等技術(shù)指標(biāo)。國內(nèi)某大學(xué)研制了大存儲(chǔ)容量4 DSP通用高速信號(hào)處理板，并采用多種不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用于SAR實(shí)時(shí)成像處理器研制中。圖1（a）采用并行處理方式，處理模塊中的多個(gè)DSP組成一個(gè)獨(dú)立處理單元，運(yùn)行相同的成像處理程序，負(fù)責(zé)一景圖像的處理。系統(tǒng)的多個(gè)模塊完成多景圖像的處理，是典型的單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)大多數(shù)SAR成像算法。圖1（b）采用總體串行、局部并行的布局，對(duì)于距離脈壓，采用串行處理，提高處理速度；對(duì)于方位向處理，采用并行處理，完成參數(shù)估計(jì)和方位向脈壓，是典型的多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）。MIMD結(jié)構(gòu)處理效率高，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法流程存在相當(dāng)程度的耦合，算法適應(yīng)性不如前者。

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