一种基于多核DSP的车辆检测雷达的信号处理器

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，涉及一种基于多核DSP的车辆检测雷达的信号处理器设计。

背景技术

近年来，随着高速目标探测在军事雷达探测和防御领域，以及民用高速高机动车辆检测等方向越来越多的应用。雷达回波里的目标信息淹没在复杂的噪声、杂波和干扰的背景中，为了提高雷达在杂波噪声干扰下的目标检测的性能，通常需要对相参积累后的回波信号进行恒虚警、目标凝聚处理，以获得准确的目标距离、速度和方位信息。

因车辆检测雷达需分辨距离较近的车辆目标，要求雷达具备距离分辨率高，需要较大的信号带宽与回波数据采样速率。这对雷达各接口的数据吞吐量与数据传输速率、可实时处理数据量、信号处理速率均提出了较高要求，这些都要强大的数据处理能力作为支撑，所以选择合适的信号处理平台尤为重要，性能突出的多核DSP是满足上述要求的关键。多核 DSP板卡的高性能、高处理速率、低功耗等特点，在现代雷达信号处理中具有明显优势及很强的适用性。

发明内容

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车辆雷达信号处理方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：SRIO接口通信模块、核间通信模块、EDMA数据搬移模块、信号处理模块以及网口通信模块；

所述SRIO接口通信模块，用于实现FPGA与DSP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传输的动目标检测后的批量数据进行信号处理，包括恒虚警检测、目标凝聚、解速度模糊以及测角处理，获得目标的距离、速度和方位等信息。

所述网口通信模块，用于实现DSP与上位机之间的通信，主要包括雷达回波信号处理结果，即目标信息的上报；

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DDR3预取到内部存储L2，以及信号处理模块处理结果从内部存储L2搬移到外部存储DDR3，以上两种搬移均采用乒乓处理，以达到并行实时效果。

进一步地，所述信号处理模块包括恒虚警检测单元、目标凝聚单元、解速度模糊单元以及测角单元；其中，

恒虚警检测单元，用于保持对雷达回波信号检测时虚警概率恒定，以确定目标是否存在，采用两侧单元平均选大恒虚警算法能解决杂波边缘问题，降低杂波边缘内侧的虚警概率，能够有效抑制回波中的噪声和杂波干扰，保留有效目标信息；

目标凝聚单元，用于将恒虚警检测单元处理得到的目标信息凝聚为点迹信息，采用连通域目标凝聚算法，能有效解决传统凝聚算法中的目标分裂问题，准确找到目标的重心位置；

解速度模糊单元，FPGA对前端发送的雷达数据会采用Keystone变换方法对回波包络进行补偿对齐，实现距离走动校正。在目标速度超过最大不模糊速度时，即速度模糊的情况下，需要对速度模糊数进行准确补偿才能完全校正距离走动，否则无法准确检测目标信息。因此DSP对FPGA传输的MTD后的雷达数据做恒虚警检测和目标凝聚后，需要采取速度模糊数搜索的方法解速度模糊；

测角单元，用于测量目标相对于雷达在俯仰上的角度，采用和差比幅测角的方法，具有较高的测量精度。

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。

基于上述基于多核DSP的雷达信号处理方法，包括以下步骤：

步骤1，通过前端确定雷达工作参数；

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、解速度模糊以及测角处理，获得目标点迹信息，包括目标的位置、速度和方位；

步骤5，网口通信模块将步骤4获得的目标点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；

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数据搬移模块具体实现数据从外部存储DDR3预取到内部存储L2，以及信号处理模块处理结果从内部存储L2搬移到外部存储DDR3，以上两种搬移均采用乒乓处理，以达到并行实时效果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)和差比幅测角得到目标的方位角信息，具有较高的测角精度；2)本发明的多核运行方案将接口通信、信号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；3)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；4)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；5)本发明的两个SRIO接口和千兆以太网接口通信模块，能够实现DSP与FPGA之间的通信以及网口与上位机之间的通信，能够适应大批量高速数据传输场合。

附图说明

图1为本发明基于多核DSP的车辆检测雷达信号处理的结构框图。

图2为本发明基于多核DSP的车辆检测雷达信号处理的流程图。

图3为本发明基于速度模糊数搜索的Keystone变换方法信号处理流程。

图4为本发明恒虚警检测框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

结合图1，本发明提供了一种基于多核DSP的雷达信号处理器，包括：SRIO接口通信模块、核间通信模块、EDMA数据搬移模块、信号处理模块以及网口通信模块；

所述SRIO接口通信模块，用于实现FPGA与DSP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传输的动目标检测后的批量数据进行信号处理，包括恒虚警检测、目标凝聚、解速度模糊以及测角处理，获得目标的距离、速度和方位等信息。

所述网口通信模块，用于实现DSP与上位机之间的通信，主要包括雷达回波信号处理结果，即目标信息的上报；

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。4X SRIO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。

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，首先完成核间同步，主核向所有从核发送开始处理消息，从核接收主核发送的消息，从核处理结束后向主核发送处理完成消息，主核再接收消息。

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DDR3 预取到内部存储L2，以及信号处理模块处理结果从内部存储L2搬移到外部存储DDR3，以上两种搬移均采用乒乓处理，以达到并行实时效果。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。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图2、图3、图4，DSP信号处理模块包括恒虚警检测单元、目标凝聚单元、解速度模糊以及测角单元；其中，

恒虚警检测单元，用于保持对雷达回波信号检测时虚警概率恒定，以确定目标是否存在，采用两侧单元平均选大恒虚警算法能解决杂波边缘问题，降低杂波边缘内侧的虚警概率，能够有效抑制回波中的噪声和杂波干扰，保留有效目标信息；

目标凝聚单元，用于将恒虚警检测单元处理得到的目标信息凝聚为点迹信息，采用连通域目标凝聚算法，能有效解决传统凝聚算法中的目标分裂问题，准确找到目标的重心位置；

解速度模糊单元，FPGA对前端发送的雷达数据会采用Keystone变换方法对回波包络进行补偿对齐，实现距离走动校正。在目标速度超过最大不模糊速度时，即速度模糊的情况下，需要对速度模糊数进行准确补偿才能完全校正距离走动，否则无法准确检测目标信息。因此DSP对FPGA传输的MTD后的雷达数据做恒虚警检测和目标凝聚后，采取速度模糊数搜索的方法解速度模糊。在多个模糊数搜索时，比较各模糊数补偿后的相参积累结果，信号积累增益最大、峰值最高，对应的模糊数即为目标正确模糊数，在检测到目标基带速度的基础上加上相应的模糊速度，得到目标的真实速度；

测角单元，用于测量目标相对于雷达在俯仰上的角度，采用和差比幅测角的方法，具有较高的测量精度。

作为一种具体示例，假设雷达信号形式为脉冲长100us和脉冲间隙长8us的复合信号，一个CPI内距离门有1600个，速度门有256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；

解速度模糊单元采用速度模糊数搜索的方法，FPGA在Keystone变换的同时，利用一些可能的速度模糊数值进行速度模糊相位补偿，若补偿的模糊数与正确模糊数一致，则得到的相参积累结果无距离走动和多普勒扩展，信号能量得到较好的聚集；若补偿的模糊数与正确模糊数差值越大，则距离走动和多普勒扩展越严重，相参积累效果越差。因此在多个模糊数搜索时，比较各模糊数补偿后的相参积累结果，信号积累增益最大、峰值最高，对应的模糊数即为目标正确模糊数，在检测到目标基带速度的基础上加上相应的模糊速度，得到目标的真实速度。

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，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)。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TCP CLIENT、TCP SERVER、UDP CLIENT、UDP SERVER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 DHCP SERVER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。网口通信模块中，DSP向上位机发送如下信息用于显示：每个波束内的所有点迹信息，包括距离、速度、方位。

作为一种具体示例，基于多核DSP的雷达信号处理工作方式如下：

SRIO接口通信模块使用Direct IO传输模式，使用2X工作模式，链接速率为5Gbps，传输SWRITE包，对应的理论传输速率为8Gbps，接收的是FPGA对雷达回波信号进行脉压和MTD处理后的数据，大小为1638400B，要求在27.648ms之内完成数据传输。

核间通信模块首先完成核间同步。主核向所有从核发送开始处理消息，从核接收主核发送的消息，从核处理结束后向主核发送处理完成消息，主核调用再接收消息。

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MTD处理后的数据矩阵中50行的和通道数据到DSP的内存中，进行恒虚警检测处理，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。

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检测、目标凝聚、解速度模糊和测角处理，使用两侧单元平均选大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，使用速度模糊数搜索的方法实现解速度模糊，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。

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。

结合图2和3，基于上述基于多核DSP的雷达信号处理的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过前端确定雷达工作参数；

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、解速度模糊以及测角处理，获得目标点迹信息，包括目标的位置、速度和方位；

步骤5，网口通信模块将步骤4获得的目标点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；

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数据搬移模块具体实现数据从外部存储DDR3预取到内部存储L2，以及信号处理模块处理结果从内部存储L2搬移到外部存储DDR3，以上两种搬移均采用乒乓处理，以达到并行实时效果。

本发明能够实现高准确性、高可靠性、高实时性的车辆检测雷达信号处理，且能够解决速度模糊、距离走动的问题，并实现信号处理结果的实时显示，适应性广。