文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2013)06-0124-03
雷達(dá)視頻信息的壓縮與傳輸是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié),它將來自雷達(dá)接收機(jī)中的目標(biāo)信息回波視頻信號(hào)進(jìn)行采樣,、壓縮與傳輸,,在顯控臺(tái)中進(jìn)行圖形圖像疊加,,實(shí)現(xiàn)多窗口畫面一次信息與二次信息的綜合顯示,獲取敵我態(tài)勢(shì),、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù),、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等大量信息,輔助指揮員做出判斷和決策[1],。
針對(duì)雷達(dá)視頻數(shù)字化,、傳輸網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì),本文基于最新大規(guī)模邏輯FPGA和高性能DSP芯片,,結(jié)合圖像處理理論,,對(duì)雷達(dá)視頻回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集、壓縮與網(wǎng)絡(luò)化傳輸,,并對(duì)適用雷達(dá)圖像的壓縮算法進(jìn)行了算法驗(yàn)證,,為今后研究基于雷達(dá)視頻目標(biāo)回波信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)、特征研究和模式識(shí)別等提供了依據(jù),,以適應(yīng)雷達(dá)視頻處理通用性和可擴(kuò)展性發(fā)展的要求,。
1 平臺(tái)設(shè)計(jì)
1.1總體框架
雷達(dá)視頻處理具有如下特點(diǎn):
(1)采樣速率高:雷達(dá)是靠天線按一定的方向特性做360°旋轉(zhuǎn),每間隔一定的角度向空間發(fā)射電磁波,,電磁波在傳輸途中遇到目標(biāo)后產(chǎn)生二次輻射,,其中一部分返回雷達(dá)處(稱為回波),由此可以獲取目標(biāo)的空間坐標(biāo),、速度,、特征等信息。由于電磁波按照光速傳播,,且目標(biāo)尺寸可變(最小幾米),,因此要求視頻信號(hào)采樣足夠高,不能丟失目標(biāo),。
(2)數(shù)據(jù)處理負(fù)荷任務(wù)重:按照每秒4 096個(gè)方位,,每個(gè)方位5 000個(gè)采樣點(diǎn),256級(jí)量化(8 bit),,則需要處理數(shù)據(jù)為4 096×512×8=160 Mb/s,,數(shù)據(jù)量大且集中。為此,,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)組織等預(yù)處理工作,,合理設(shè)計(jì)軟件與硬件分工,優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程,,便于傳輸[2],。
(3)強(qiáng)實(shí)時(shí)性:由于軍用與民用雷達(dá)應(yīng)用實(shí)時(shí)性的要求,必須設(shè)計(jì)高速率的數(shù)據(jù)傳輸通道,,對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮,,減少傳輸數(shù)量,,提高通信速度,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)時(shí)顯示,、輔助決策,。
結(jié)合以上特點(diǎn),基于高性能DSP和FPGA構(gòu)建了雷達(dá)視頻壓縮與傳輸平臺(tái),, 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。
每個(gè)平臺(tái)支持一部雷達(dá)視頻信號(hào),,每部雷達(dá)接口信號(hào)包括二路模擬視頻(對(duì)海,、對(duì)空等)與三路脈沖信號(hào)(正北、觸發(fā),、方位等),。模擬信號(hào)經(jīng)過高速A/D變換后,以數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA中,。FPGA對(duì)模擬視頻信號(hào)與脈沖信號(hào)進(jìn)行同步采樣,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,。DSP通過EMIF接口獲取每幀數(shù)據(jù),緩存壓縮后,,通過以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,。
1.2 數(shù)據(jù)采樣
本平臺(tái)距離分辨率達(dá)到2 m,A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率需要達(dá)到75 MHz,。平臺(tái)采用模擬器件公司的高速低功耗的芯片AD9215作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,1 Vp-p差分輸入信號(hào)幅度,線性數(shù)據(jù)編碼格式輸出,最高采樣頻率達(dá)到105 MHz,。AD9215采樣時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)提供,軟件控制時(shí)鐘采樣頻率,。最高設(shè)定頻率75 MHz,基本量化距離為2 m,。
平臺(tái)面向的并不是微弱小信號(hào),因此3路雷達(dá)模擬信號(hào)經(jīng)無源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)衰減后,直接進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,。
1.3 FPGA數(shù)據(jù)處理
由于雷達(dá)視頻信號(hào)中含有大量的雜波,,并且具有較強(qiáng)的隨機(jī)特性,如果不先對(duì)其進(jìn)行一定的處理,,DSP高速并行處理能力將受到限制,,且直接影響雷達(dá)視頻處理的實(shí)時(shí)性。為此,,需要FPGA對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)進(jìn)行處理,。FPGA設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
FPGA選用Altera公司的Stratix II系列EP2S30F672C4N芯片[3],,主要資源應(yīng)用如下:
(1)時(shí)序控制與通信接口: 使用內(nèi)部33 KB邏輯單元(LE),;
(2)片內(nèi)時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)并輸出A/D采樣時(shí)鐘:使用內(nèi)置增強(qiáng)型PLL鎖相環(huán)與快速PLL鎖相環(huán);
(3)雙端口RAM數(shù)據(jù)緩存:使用嵌入式內(nèi)存塊,,器件內(nèi)存總量為1.3 MB,。
雷達(dá)模擬視頻信號(hào)通過A/D變換為原始雷達(dá)數(shù)字視頻信號(hào),,與其他3路脈沖雷達(dá)信號(hào)一起送入FPGA。通過FPGA的可編程電路進(jìn)行時(shí)序控制和預(yù)處理,,同時(shí)產(chǎn)生地址和控制信號(hào),,從而將數(shù)字視頻信號(hào)送入雙口RAM的指定地址,便于DSP進(jìn)行讀取,。
雙口RAM存儲(chǔ)器容量為16 KB,,使用時(shí)分為上下兩個(gè)體,各8 KB,,輪流寫入采樣后的視頻,。為防止小目標(biāo)丟失,須設(shè)定采樣頻率75 MHz,,基本量化距離為2 m,;由于RAM存儲(chǔ)容量限制,如果直接把數(shù)據(jù)存入RAM中,,那么采樣距離只有8 km×2=16 km,。為此,在FPGA中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行10選1處理,。在連續(xù)采樣10點(diǎn)中統(tǒng)計(jì)最大值,,存入RAM。采樣距離為8 km×2×10=160 km,。如果需要提高采樣距離,,則可以降低采樣頻率(15 MHz,10 m精度)或提高統(tǒng)計(jì)極值長(zhǎng)度(如20:1,,320 km),。
FPGA按照乒乓模式緩存數(shù)據(jù)一幀,同步采樣模擬視頻信號(hào)與脈沖信號(hào),數(shù)據(jù)重組,降低DSP工作負(fù)荷,,充分發(fā)揮其信號(hào)處理特長(zhǎng),,提高實(shí)時(shí)性。
1.4 數(shù)據(jù)壓縮與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送
(1)DSP數(shù)據(jù)處理硬件平臺(tái)
DSP通過EMIF接口從FPGA讀取視頻數(shù)據(jù),并進(jìn)行緩存壓縮,,然后通過以太網(wǎng)發(fā)送視頻數(shù)據(jù),。處理流程如下: DSP芯片選用TI公司的TMS320C6455BZTZ,該芯片屬于高速定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片,。為提高實(shí)時(shí)性,,本設(shè)計(jì)中選用1.2 GHz最高運(yùn)行時(shí)鐘,內(nèi)置大容量一級(jí)緩存,、二級(jí)緩存與 ROM,,該芯片可以滿足視頻壓縮、解壓縮技術(shù)指標(biāo)的要求。TMS320C6455BZTZ具有64位外部總線,,可外接引導(dǎo)用Flash,,并可實(shí)現(xiàn)與FPGA芯片的數(shù)據(jù)傳輸; 內(nèi)置DDR2內(nèi)存控制器(DDR2 533),總線16 bit/32 bit可選,,可用于連接DDR2內(nèi)存,,緩存圖像數(shù)據(jù);內(nèi)置10/100/1 000 Mb/s 以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器(EMAC),,可以支持MII,、RMII、GMII和RGMII等多種網(wǎng)絡(luò)接口,,擴(kuò)展系統(tǒng)的功能,,滿足設(shè)計(jì)需要[4]。DSP處理流程如圖3所示,。
網(wǎng)絡(luò)芯片負(fù)責(zé)將壓縮視頻數(shù)據(jù)傳送到交換機(jī)或顯控臺(tái),選擇Intel公司的PHY芯片LXT971ALE,支持10BASE-T/100BASE-TX網(wǎng)絡(luò)模式,,外接隔離變壓器,,可以滿足本設(shè)計(jì)中百兆以太網(wǎng)的要求。
(2)雷達(dá)視頻實(shí)時(shí)壓縮算法
雷達(dá)視頻回波信息中包含大量的冗余數(shù)據(jù)[2],,主要體現(xiàn)陸地,、島嶼等靜態(tài)物體的回波,通過雷達(dá)顯示圖像為各幀之間不變的像素;雷達(dá)數(shù)據(jù)中噪聲和雜波較多,占總數(shù)據(jù)量的80%以上,;運(yùn)動(dòng)物體的回波在相鄰幾次掃描中位移變化很小,,通常會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠种丿B,在視頻圖像上各幀間圖像的變化很少,甚至只有幾個(gè)像素差別,。
利用雷達(dá)視頻信號(hào)的空間和時(shí)間相關(guān)性特點(diǎn),,對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)進(jìn)行二維壓縮,把N個(gè)相鄰的方位角數(shù)據(jù)組成一幅M×N的回波圖像進(jìn)行壓縮,其中M為一個(gè)方位角上視頻回波信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù),。壓縮算法采用小波變換,,具有多分辨分析能力,與實(shí)際雷達(dá)多量程P顯,、粗A顯示,、精A顯示等,由全貌到細(xì)致,、由粗到精的顯示方式相一致,。視頻網(wǎng)絡(luò)中的不同顯控終端可以以各自不同的分辨率來觀察其視頻圖像。壓縮實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示,。
回波圖像經(jīng)過分解后,,頻帶被分為L(zhǎng)Ln、LHn,、HLn和HHn(n為分解級(jí)數(shù))4個(gè)子帶,。其中LL子帶反映了下一尺度的概貌,,其余3個(gè)子帶分別反映圖像在水平、垂直和對(duì)角線方向的高頻細(xì)節(jié)信息,。遞歸這一過程,對(duì)分解后的低頻子帶繼續(xù)分解,,直到滿足壓縮指標(biāo)或精度要求。
(2)門限處理
回波圖像經(jīng)過多尺度二維小波分解后能量幾乎總是集中在低頻的子圖像(LL)中,,并從低頻到高頻(LH,、HL、HH)遞減分布,。低頻部分反映雷達(dá)視頻回波圖像的主要特性,,高頻部分反映回波圖像的細(xì)節(jié)信息。由于高頻成分對(duì)顯示效果貢獻(xiàn)不明顯,,因此對(duì)高頻成分采用硬門限處理方法以提高后續(xù)編碼的效率,,同時(shí)保留原始信號(hào)的一些尖銳特性,防止小目標(biāo)丟失,。
(3)編碼
門限處理后,,圖像數(shù)據(jù)包含大量零數(shù)據(jù)(無效數(shù)據(jù)位與低于門限的圖像數(shù)據(jù)),因此本算法中采用游程編碼和Huffman編碼相結(jié)合的編碼方法,。首先進(jìn)行游程編碼,,統(tǒng)計(jì)零數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),然后進(jìn)行Huffman編碼形成壓縮碼流,,通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,。
2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證
視頻處理平臺(tái)設(shè)計(jì)完成后,對(duì)接雷達(dá)視頻,,并實(shí)際驗(yàn)證平臺(tái)性能,。采用黑色背景、綠色目標(biāo),,在屏幕上可看出明暗及亮度變化,每次掃描能反映出雷達(dá)回波對(duì)目標(biāo)顯示的更新,。
平臺(tái)主要性能指標(biāo)如下:
(1)單路視頻碼率:≤10 Mb/s;
(2)基本量化距離:2 m,;
(3)視頻灰度等級(jí):8 bit,;
(4)實(shí)時(shí)性:視頻延時(shí)<40 ms。
針對(duì)雷達(dá)視頻數(shù)字化,、傳輸網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì),,本文基于最新大規(guī)模邏輯FPGA和高性能DSP芯片,結(jié)合圖像處理理論,,將雷達(dá)視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集,、壓縮與網(wǎng)絡(luò)化傳輸,并對(duì)雷達(dá)圖像適用的壓縮算法進(jìn)行了算法研究,單路視頻碼率小于10 Mb/s;最大視頻采樣數(shù)率為75 MHz,,視頻延時(shí)<40 ms,。為今后研究基于雷達(dá)視頻目標(biāo)回波信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)、特征研究和模式識(shí)別等提供了基礎(chǔ),,在指火控系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] 李俠,董鵬曙,黃樹軍,等.現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,,2000.
[2] 索繼東,,莫翠君.VTS雷達(dá)圖像的壓縮[C].大連海事大學(xué)校慶90周年論文集,大連:大連海事大學(xué)出版社,,1999.
[3] Altera company. The Stratix II handbook [EB/OL].[2007-05-01].http://www.altera.com.cn/support/devices/stratix2/dev-stratix2.html .
[4] TI company. TMS320C6455 Fixed-paint digital signal processor databook[EB/OL].[2012-03-28].http://www.ti.com/product/tms320c6455.