基于C6678平台的ISAR算法实现

摘 要：ISAR利用了舰船等目标的相对转动来实现成像，需要对原始回波信号的平动分量进行精确补偿，包括包络对齐以及初相校正处理。同时，为了满足大数据量、高通过率的实时系统，本文选用了TI公司的新一代高性能DSP处理器TMS320C6678，利用了该芯片强大的多核并行能力搭建雷达信号处理平台，实际效果良好。

关键词：雷达信号处理；包络对齐；相位校正；多核

0 引言

随着现代雷达技术的高速发展，雷达信号处理系统运算量大、算法结构复杂的特点日益明显，对大带宽、远距离的高分辨率实时成像技术需求越来越迫切，这对系统实时信号处理和数据吞吐能力提出了极高的要求。

考虑到机载雷达受空间和重量等因素的限制，对雷达设备量的限制极为苛刻，高集成度的雷达信号处理系统则显得尤为重要。因此，如何解决大数据处理量和小设备量之间的矛盾成为实时处理的关键。本文选择TI公司推出的一款全新的高性能DSP处理器TMS320C6678（简称C6678）构建的高速处理平台，很好的解决了该矛盾。

1 C6678平台概述

1.1 处理平台介绍

C6678是一款TI公司2010年11月的基于Keystone架构的8核DSP处理器，单核主频1.25GHZ，能实现40GMAC定点计算与20GFLOP的浮点计算能力， 单核都有自己独立的32KB的L1P、32KB的L1D以及512KB的L2，8核，还共享4MB SRAM，芯片内部集成了RapidIO、千兆以太网、PCIe、EDMA等高速接口，可以满足片间（两片C6678之间）、板间（两个C6678板卡之间）高速的数据交换需求。此外，片内集成了大量的硬件加速器，例如Packet Accelerator， Multicore Navigator等，被广泛的应用于通讯、雷达、声纳、火控、电子对抗等领域。同时，芯片还提供完善的多核同步机制，极大提升了系统软件的并行处理能力。目前，基于C6678的硬件和软件平台成为信号处理的主流。

与上一代信号处理器TS201相比，无论从主频、多核并行技术、存储能力以及总线吞吐能力各个方面，均性能优势明显。

1.2 RapidlO总线拓扑关系

串行RapidIO是一种用于芯片或背板间互联的新型高速接口，是一种开放式互连协议标准，以其高效率、高稳定性、低系统成本特点，为通信系统各器件间提供了高带宽、低延时数据传输的解决方案，同时拥有支持点对点或点对多点的通信能力，兼容性和可扩展性是该系统架构最大的优点， 在拥有SRIO SWITCH的架构下可自由增减端点设备。以一个模块4片C6678，一个系统2个模块为例，每个模块32个DSP核，共64核，如何简单高效实现64个分布式节点的通讯成为了实时系统的关键。RapidIO数据链路拓扑架构如图1。

1.3 多核并行处理拓扑关系

单片C6678具有强大的8核处理能力，同时OSEck也对IPC进行了底层封装，利用Signal信号灯实现了进程间的多核同步，极大提升了系统软件的并行能力。此外，多核间也可以通过共享数据区置同步标志来实现同步。通常可以将并行管理机制分为两类：主从式同步和独立同步机制。

主从式拓扑架构如图2所示。该方式可在多进程系统下实现，OSEck提供了该底层多进程机制，将主核（控制核，通常为0核）划分为Client进程和Server进程。Client进程主要负责外部中断的输入判断和多核同步信号灯的分发和收集，实现多核的处理同步； Server进程主要完成数据运算和交换，完成后发起同步信号灯给Client进程，表明当前操作已完成，接受下一个处理步骤， Server进程之间没有任何握手。

独立同步机制则相对简单，主要是8个Server进程在共享空间独立进行同步标志的读写。每个Server进程处理前先清各自标志字，每次处理结束后置结束标志，每个进程独立读取所有标志字，当完整收集到8个标志字后，认为完成一次处理同步。该同步过程没有主从之分，各个Server进程独立进行同步判断，简单可靠，与主从方式相比，各有优缺点。本文采用主从式同步方式。

2 ISAR介绍

2.1 成像原理

通常，ISAR成像是利用目标相对于雷达的转动形成一定的转角来实现成像。当目标以散射点模型 表示时，若目标处于雷达的远场，雷达电磁波可用平面波表示，在只有平动分量的情况下，目标上各散射点回波的多普勒完全相同，对雷达成像没有贡献， 因此为ISAR成像提供有用信息的只有转动分量，在图象重构前需要将平动分量精确补偿掉。

常规距离-多普勒（RD）算法的运动补偿可分为两步：第一步是粗补偿即包络对齐，相当于使得目标上同一散射点的回波位于同一距离单元内，通过包络对齐的粗补偿，使得各次回波中目标上相应的距离单元基本对准，但回波信号的相位还是混乱的，必须进行相位校正，经过相位校正后的信号才能进行相参积累。通常以第一次回波为基准校正初相误差。第二步是精补偿即初相校正，相当于将目标上的某一特显点等效地置于转台轴心。即认为在不大的角度范围里，目标可用位置固定、强度不的某些散射点表示它的散射特性。

2.2 关键参数

2.2.1 距离分辨率

根据公式距离分辨率，其中C为光速，Br为距离带宽；此外，根据，决定了距离向保留点数。其中，Fs为采样率，Wr为成像幅宽，一旦Fs和Wr确定，距离向保留点数也就确定了。

2.2.2 方位分辨率与转角

根据公式方位分辨率，一旦波长确定，方位向分辨率与积累脉冲平台总的转角成反比，其中，其中M为方位向接收回波次数，为每个PRI内目标相对平台的转角。一旦和方位分辨率确定，则相对转角也确定，根据，单个脉冲的转角只与脉冲积累个数有关，以（X波段）为例，计算可得各种分辨率情况下的转角

但通常非合作目标的不能确定，因此积累脉冲点数M也不能确定。在不确定的情况下，为了确保方位分辨率，可适当增加脉冲积累点数。

3 算法及实时处理

常规RD算法处理流程如图3，关键步骤主要是包络对齐和相位补偿。

3.1 距离脉压

对原始回波数据进行距离脉压处理。

其中，s1为原始输入数据，ref为脉压匹配参考函数。

3.2 包络对齐

包络对齐主要是逐个对各脉冲回波进行与参考脉冲的相关处理和自身的移位处理，利用强散射点的距离向位置平移来实现平动分量的补偿，以第一个回波为参考，通过强散射点之间的相关性来实现距离门的细化修正，迭代次数决定了修正量的精度，需要综合考虑实时系统的处理能力。以第一个脉冲为基准，后一个脉冲与前面脉冲模值和进行相关运算操作。

（1）找最大相关值和对应位置

其中，vsumabs为前面n个脉冲的模值求和，vtemplabs为当前第n个脉冲的模值；

找到相关序列的最大值及对应位置index；

以第一个脉冲最大值位置为基准，后面的脉冲最大值位置偏移量为当前脉冲最大值位置与第一个脉冲最大值位置之差。

（2）对每个脉冲的最大值偏移位置所在距离门进行精化处理，K为精化因子，将一个距离门等分1/K，计算K次，得到K个相关值，并找到其中的最大值作为包络对齐的最终匹配因子，用来完成包络对齐。包络对齐前后的图像如下，横坐标为距离维，纵坐标为方位维，包络对齐前的强散射点随时间变化距离门出现了偏移（图4），经过对齐处理后的强散射点在同一距离门上（图5）。

3.3 相位补偿

初相校正的任务是要利用数据矩阵估算出来的初相`差序列来校正回波信号的初相，主要包括相邻脉冲的时域共轭相乘及平均相位提取。

（1） 计算每次前后两脉冲复向量的相关系数

其中，S（n）为前一个脉冲信号复量，S（n+1）为当前脉冲信号复向量。

（2） 归一化处理

其中，为第n+1个脉冲的归一化相关系数。

（3）相位补偿

其中，S（n+1）为当前脉冲原始复信号，S1（n+1）为反补后的信号。

相位补偿前后如图6、7。横坐标为距离维，纵坐标为方位维， 相位补偿前的强散射点相位随时间变化出现了距离门偏移（图6），经过相位补偿处理后的强散射点相位在同一距离门上（图7）。

4 结论

利用实录海面舰船回波数据进行ISAR处理，通过对平动分量的精确补偿处理， 完成了包络对齐和相位校正等功能，能够实现ISAR成像。同时利用了TI公司的高性能DSP C6678强大的核间、片间及板间处理能力，实现了ISAR的系统实时在线处理，取得较好的效果。

参考文献

[1] Texas Instrument TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor[R].

SPRS691，2010

[2] KeyStone architecture serial RapidlO （SRIO）user guide[R].SPRUGW1，2010

[3] 保铮、邢孟道.雷达成像技术[M].电子工业出版社，2005