一种多处理器协同辐射源频率参数估计装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达脉冲信号截获技术领域，特别涉及无源雷达脉冲信号截获后的一种多处理器协同辐射源频率参数估计装置及方法。

背景技术

随着雷达技术的高速发展，业界对雷达的功能需求更丰富、性能要求也更严格，因此带来了更复杂的雷达信号处理算法。这些算法的实现需要雷达信号处理系统提升运行速度的同时提高数据处理能力，对于目前的信号处理技术来说是一个不小的挑战。

传统的雷达信号处理系统多采用单一的处理器，一般有基于FPGA芯片和基于DSP芯片两种方案。DSP作为专门的微处理器，优势是软件非常灵活且更新速度快，特别适合复杂的多算法任务，极大地提高了系统的通用性和灵活性，缺陷是系统采样速率较低，处理速度慢。而FPGA规模大，集成度高，处理速度快且编程灵活方便，具有实时性强的特点，缺点是不能处理多事件，不适合条件操作，同时处理精度有限。

现有技术中，一般在频率测量电路中注入中频信号并记录中频信号频点，将每一次校正电路的初步信息转换为测量的频率值，然后根据测量的频率值和注入的频率值生成频率误差曲线，用解析表达式拟合以此来进行二次校正。该项技术尽管在一定程度上提高了测量频率的精度，但是需要记录多组频率数据，处理复杂，实时性差。

由此，为克服上述现有技术中存在的弊端，亟需一种高效的多处理器协同辐射源频率参数估计装置及方法，以提高估计线性调频信号调频斜率的精度，从而保证线性调频信号调制带宽间接测量精度，特别是在密集信号环境下的脉内调制特性实时分析方面的精度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多处理器协同辐射源频率参数估计装置及方法，在面对脉内调制方式复杂、信噪比低的信号时，既能够克服基于FPGA实现脉内调制特性分析所带来的算法实现困难、效率低的问题，又能够克服基于DSP实现脉内调制特性分析的方法消耗时间长的问题，从而在提升软件处理时间的同时实现了复杂的信号处理算法，同时保证了处理的精度和处理的速度。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明的一方面提供了一种多处理器协同辐射源频率参数估计装置，所述装置基于FPGA和DSP处理器组成脉内参数估计的硬件平台，包括：EMIF接口通信模块、SRIO接口通信模块、参数估计模块；

其中，所述EMIF接口通信模块，用于实现DSP与FPGA之间的指令及数据的通信，包括控制流程指令的发送、线性调频信号参数的发送、参数估计过程中斜率和频率的发送；

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；

所述参数估计模块，用于对FPGA传输的测频去斜数据进行频谱质心和偏心距的计算和迭代分析，获得去斜本振的精确斜率和起始频率；

进一步的，所述参数估计模块包括粗估斜率方向单元、迭代单元和提取频点单元；

其中，所述粗估斜率方向单元，用于估算五个迭代斜率的参数值，评估斜率修正方向；所述迭代单元，用于根据修正策略控制FPGA迭代进行测频去斜操作，获得精确斜率和起始频率；所述提取频点单元，用于提取并拟合频谱中幅值最大且最孤立的频率值。

本发明的另一方面提供了基于上述的多处理器协同辐射源频率参数估计装置的频率参数估计方法，包括以下步骤：

步骤1：DSP初始化完成后通过EMIF接口通知FPGA启动前沿检测，同时将检测门限发送给FPGA；

步骤2：FPGA根据前沿检测门限检测前沿，当检测到有效前沿时缓存数据，通过SRIO接口将前沿数据传给DSP；

步骤3：DSP接收到SRIO接口中断后，计算当前脉冲信号对应的抽取因子nextrct，然后将抽取因子nextrct、粗略频率fest0和粗略斜率kest0经EMIF接口发送至FPGA；

步骤4：FPGA根据收到的参数对缓存的数据进行抽取，抽取后的数据一方面进行n×m点快速傅里叶变换，另一方面按时序进行n次m点快速傅里叶变换，并将幅值数据经SRIO接口发送至DSP；

步骤5：DSP接收到数据后，粗估斜率方向单元根据n次m点快速傅里叶变换的幅值数据进行频谱质心计算，判断斜率修正方向，计算迭代斜率，迭代单元根据n×m点快速傅里叶变换的幅值数据计算频谱质心和偏心距；

步骤6：DSP的迭代单元按修正策略控制FPGA迭代进行测频去斜操作，然后根据FPGA返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据计算频谱质心和偏心距，根据偏心距数据估计计算最优残余斜率和最优残余起始频率并经EMIF接口传给FPGA，迭代过程完成；

步骤7：迭代过程完成后，DSP的提取频点单元从SRIO接口返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据提取幅值最大且最孤立的前k个极值点的频率，然后根据质心的临近幅值数据拟合修正极值点频率值，并通过SRIO接口回发给FPGA以完成后续相关处理；此后DSP准备做下一帧数据的处理。

进一步的，所述步骤5所述粗估斜率方向单元根据n次m点快速傅里叶变换的幅值数据进行噪底估计和频谱质心计算，判断斜率修正方向，计算迭代斜率，具体步骤包括：

步骤5-1、根据n次m点快速傅里叶变换的幅值数据估计噪底；

步骤5-2、分别计算n个m点快速傅里叶变换频谱幅值的质心，筛选出所有大于噪底的频点幅值计算质心；

步骤5-3、估算残余斜率kdir：根据步骤5-2中得到的n个质心，得到质心曲线，利用曲线上最平缓的两点计算得到残余斜率kdir；

步骤5-4、计算迭代斜率：如果残余斜率kdir与粗略斜率kest0相比小于一定范围，那么按一定步进选取基准值左右的几个斜率值作为迭代斜率；

如果残余斜率kdir与粗略斜率kest0相比大于一定范围且符号相同，那么按一定步进选取基准值右侧的几个斜率值作为迭代斜率；

如果残余斜率kdir与粗略斜率kest0相比大于一定范围且符号相反，那么按一定步进选取基准值左侧的几个斜率值作为迭代斜率。

进一步的，所述步骤6所述迭代单元按修正策略控制FPGA迭代进行测频去斜操作，然后根据FPGA返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据计算频谱质心和偏心距，根据偏心距数据估计计算最优残余斜率和最优起始频率并经EMIF接口传给FPGA，具体步骤包括：

步骤6-1、对于五次n×m点快速傅里叶变换数据分别计算噪底和频谱质心；

步骤6-2、计算五次n×m点快速傅里叶变换数据的偏心距，偏心距计算方法：算出质心后，以该质心频率为切分点将n×m点快速傅里叶变换数据分成左右两段，计算左半谱心mbc1和右半谱心mbc2，则偏心距eccntrcdst为左右谱心之差；

步骤6-3、根据五个偏心距估计计算最优斜率：首先找到最小偏心距eccntrcdst(l)；其次，当最小偏心距与其左边的偏心距很接近，那么取最小偏心距对应的斜率值和其左边的斜率值的中心作为最优斜率kopt；当最小偏心距与其右边的偏心距很接近，那么取最小偏心距对应的斜率值和其右边的斜率值的中心作为最优斜率kopt；否则最优斜率kopt为附近三点的拟合值。

步骤6-4、将最优斜率经EMIF接口发送至FPGA再进行一次测频去斜，求出此次返回的n×m点快速傅里叶变换数据的质心mbcopt，然后估计出最优起始频率，将最优斜率和最优起始频率经EMIF接口发送至FPGA再进行一次测频去斜。

进一步的，所述步骤7所述提取频点单元从SRIO接口返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据提取幅值最大且最孤立的前k个极值点的频率，然后根据质心的临近幅值数据拟合修正极值点频率值，具体步骤包括：

步骤7-1、对n×m点快速傅里叶变换数据做前向差分和后向差分，前向差分和后向差分均大于等于零的谱点就是极大值点，前向差分和后向差分均小于等于零的谱点就是极小值点；

步骤7-2、搜索提取幅值在频谱幅值最大频点附近的极大值点，如果没有满足数量，那么先将提取的极大值点排序，然后在剩下的有效范围内按优先级从大到小提取极大值点补足，如果超过所需数量，那么按优先级从大到小提取前k个；

步骤7-3、对步骤7-2中k个极值点进行修正计算，获取更优的分离谱点频率，具体方法为：搜索原始峰值谱点两侧的谱点内幅值与原始谱点幅值相近的谱点作为修正样本数据，使用频谱质心算法估算出峰值点对应的频率作为修正频率。

本发明提供了一种多处理器协同辐射源频率参数估计装置及方法，其有益效果是：针对雷达脉冲信号参数估计过程中单一处理器处理效果不佳的问题，本发明采用高性能FPGA及多核DSP处理器进行参数估计，同时保证了处理的精度和处理的速度。通过采用DSP与FPGA协同处理方式，有效地解决了线性调频信号雷达信号参数估计精度不高的问题，在提升软件处理时间的同时实现了复杂的信号处理算法，实时性好，适应性广。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1为本发明的多处理器协同辐射源频率参数估计装置结构框图。

图2为本发明的多处理器协同辐射源频率参数估计方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域技术人员根据本发明内容所作的类似改进与调整在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均视为本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种多处理器协同辐射源频率参数估计装置，所述装置基于FPGA和DSP处理器组成脉内参数估计的硬件平台，包括：EMIF接口通信模块、SRIO接口通信模块、参数估计模块；

其中，所述EMIF接口通信模块，用于实现DSP与FPGA之间的指令及数据的通信，包括控制流程指令的发送、线性调频信号参数的发送、参数估计过程中斜率和频率的发送；

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；

所述参数估计模块，用于对FPGA传输的测频去斜数据进行频谱质心和偏心距的计算和迭代分析，获得去斜本振的精确斜率和起始频率；

所述参数估计模块包括粗估斜率方向单元、迭代单元和提取频点单元；所述粗估斜率方向单元，用于估算五个迭代斜率的参数值，评估斜率修正方向；所述迭代单元，用于根据修正策略控制FPGA迭代进行测频去斜操作，获得精确斜率和起始频率；所述提取频点单元，用于提取并拟合频谱中幅值最大且最孤立的频率值。

一种基于实施例1所述的多处理器协同辐射源频率参数估计装置的频率参数估计方法，包括以下步骤，

步骤1：DSP初始化完成后通过EMIF接口通知FPGA启动前沿检测，同时将检测门限发送给FPGA；

步骤2：FPGA根据前沿检测门限检测前沿，当检测到有效前沿时缓存数据，通过SRIO接口将前沿数据传给DSP；

步骤3：DSP接收到SRIO接口中断后，计算当前脉冲信号对应的抽取因子nextrct，然后将抽取因子nextrct、粗略频率fest0和粗略斜率kest0经EMIF接口发送至FPGA；

步骤4：FPGA根据收到的参数对缓存的数据进行抽取，抽取后的数据一方面进行n×m点快速傅里叶变换，另一方面按时序进行n次m点快速傅里叶变换，并将幅值数据经SRIO接口发送至DSP；

步骤5：DSP接收到数据后，粗估斜率方向单元根据n次m点快速傅里叶变换的幅值数据进行频谱质心计算，判断斜率修正方向，计算迭代斜率，迭代单元根据n×m点快速傅里叶变换的幅值数据计算频谱质心和偏心距；

步骤6：DSP的迭代单元按修正策略控制FPGA迭代进行测频去斜操作，然后根据FPGA返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据计算频谱质心和偏心距，根据偏心距数据估计计算最优残余斜率和最优残余起始频率并经EMIF接口传给FPGA，迭代过程完成；

步骤7：迭代过程完成后，DSP的提取频点单元从SRIO接口返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据提取幅值最大且最孤立的前k个极值点的频率，然后根据质心的临近幅值数据拟合修正极值点频率值，并通过SRIO接口回发给FPGA以完成后续相关处理；此后DSP准备做下一帧数据的处理。

一种如实施例2所述的多处理器协同辐射源频率参数估计方法，所述步骤5所述粗估斜率方向单元根据n次m点快速傅里叶变换的幅值数据进行噪底估计和频谱质心计算，判断斜率修正方向，计算迭代斜率，具体步骤包括：

步骤5-1、根据n次m点快速傅里叶变换的幅值数据估计噪底；

步骤5-2、分别计算n个m点快速傅里叶变换频谱幅值的质心，筛选出所有大于噪底的频点幅值计算质心；

步骤5-3、估算残余斜率kdir：根据步骤5-2中得到的n个质心，得到质心曲线，利用曲线上最平缓的两点计算得到残余斜率kdir；

步骤5-4、计算迭代斜率：如果残余斜率kdir与粗略斜率kest0相比小于一定范围，那么按一定步进选取基准值左右的几个斜率值作为迭代斜率；

如果残余斜率kdir与粗略斜率kest0相比大于一定范围且符号相同，那么按一定步进选取基准值右侧的几个斜率值作为迭代斜率；

如果残余斜率kdir与粗略斜率kest0相比大于一定范围且符号相反，那么按一定步进选取基准值左侧的几个斜率值作为迭代斜率。

一种如实施例2所述的多处理器协同辐射源频率参数估计方法，所述步骤6所述迭代单元按修正策略控制FPGA迭代进行测频去斜操作，然后根据FPGA返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据计算频谱质心和偏心距，根据偏心距数据估计计算最优残余斜率和最优起始频率并经EMIF接口传给FPGA，具体步骤包括：

步骤6-1、对于五次n×m点快速傅里叶变换数据分别计算噪底和频谱质心；

步骤6-2、计算五次n×m点快速傅里叶变换数据的偏心距，偏心距计算方法：算出质心后，以该质心频率为切分点将n×m点快速傅里叶变换数据分成左右两段，计算左半谱心mbc1和右半谱心mbc2，则偏心距eccntrcdst为左右谱心之差；

步骤6-3、根据五个偏心距估计计算最优斜率：首先找到最小偏心距eccntrcdst(l)；其次，当最小偏心距与其左边的偏心距很接近，那么取最小偏心距对应的斜率值和其左边的斜率值的中心作为最优斜率kopt；当最小偏心距与其右边的偏心距很接近，那么取最小偏心距对应的斜率值和其右边的斜率值的中心作为最优斜率kopt；否则最优斜率kopt为附近三点的拟合值。

步骤6-4、将最优斜率经EMIF接口发送至FPGA再进行一次测频去斜，求出此次返回的n×m点快速傅里叶变换数据的质心mbcopt，然后估计出最优起始频率，将最优斜率和最优起始频率经EMIF接口发送至FPGA再进行一次测频去斜。

一种如实施例2所述的多处理器协同辐射源频率参数估计方法，所述步骤7所述提取频点单元从SRIO接口返回的n×m点快速傅里叶变换的幅值数据提取幅值最大且最孤立的前k个极值点的频率，然后根据质心的临近幅值数据拟合修正极值点频率值，具体步骤包括：

步骤7-1、对n×m点快速傅里叶变换数据做前向差分和后向差分，前向差分和后向差分均大于等于零的谱点就是极大值点，前向差分和后向差分均小于等于零的谱点就是极小值点；

步骤7-2、搜索提取幅值在频谱幅值最大频点附近的极大值点，如果没有满足数量，那么先将提取的极大值点排序，然后在剩下的有效范围内按优先级从大到小提取极大值点补足，如果超过所需数量，那么按优先级从大到小提取前k个；

步骤7-3、对步骤7-2中k个极值点点进行修正计算，获取更优的分离谱点频率，具体方法为：搜索原始峰值谱点两侧的谱点内幅值与原始谱点幅值相近的谱点作为修正样本数据，使用频谱质心算法估算出峰值点对应的频率作为修正频率。

综上所述，本发明提供了一种多处理器协同辐射源频率参数估计装置及方法，既能够克服基于FPGA实现脉内调制特性分析所带来的算法实现困难、效率低的问题，又能够克服基于DSP实现脉内调制特性分析的方法消耗时间长的问题，采用高性能FPGA及多核DSP处理器进行参数估计，同时保证了处理的精度和处理的速度，在提升软件处理时间的同时实现了复杂的信号处理算法，实时性好，适应性广。