《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于組播的LFMCW雷達(dá)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
張士宗1,2,,唐國珍1,,2
1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院,,四川 成都611731,; 2.電子科技大學(xué) 寧波研究院,,浙江 寧波315040
摘要: 基于組播傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),定義了各種顯控協(xié)議報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及與之相關(guān)的組播地址。針對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文中的極坐標(biāo)數(shù)據(jù),,提出了一種基于三維優(yōu)化查找表算法的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法,。對(duì)轉(zhuǎn)換過程中的漏點(diǎn)和重點(diǎn)等問題進(jìn)行了有效解決,并分析了組播在實(shí)現(xiàn)多屏顯示和在綜合船橋系統(tǒng)中的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì),。最終系統(tǒng)通過QT繪制界面,,在以XC6SLX100T和DAVINCI DM3730為基礎(chǔ)的硬件平臺(tái)上完成了實(shí)際測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性,。
中圖分類號(hào): TN958.94
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)11-0029-03
Design and implementation of the LFMCW radar display system based on multicast
Zhang Shizong1,,2,Tang Guozhen1,,2
1.Research Institute of Electronic Science and Technology of UESTC,,Chengdu 611731,China,;2.Ningbo Research Institute of UESTC,,Ningbo 315040,China
Abstract: A radar display system is designed and implemented based on the multicast transmission, the contents of the display control protocols and the related multicast addresses are also defined. A coordinate transformation method based on the three-dimensional optimal look-up table method is presented specifically to the polar coordinates in the image data packet. The issues of point missing and repeated points are effectively resolved. The extended advantages of the multicast transmission both in the realization of multi-screen display and the integrated bridge system are analyzed. The actual test of this system is ultimately accomplished on the hardware platform based on XC6SLX100T and DAVINCI DM3730, according to them the feasibility of this system is verified.
Key words : display system,;multicast,;integrated bridge system;coordinates conversion,;look-up table,;DM3730

0 引言

  LFMCW(線性調(diào)頻連續(xù)波)雷達(dá)是一種通過對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來獲得距離與速度信息的雷達(dá)。因其具有發(fā)射功率低,,距離分辨力高,、不存在距離盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)越來越多地應(yīng)用于船舶導(dǎo)航中。顯示系統(tǒng)作為雷達(dá)直接面對(duì)操作者的部分,,其成像的好壞直接影響到操作的判斷,。同時(shí)對(duì)于集成度越來越高的綜合船舶電子系統(tǒng),單一傳感器的數(shù)據(jù)內(nèi)容往往要提供給多個(gè)顯示單元,,以便利用冗余信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合提高判斷的可靠性,。為此,本文提出了一種三維優(yōu)化查找表算法,,很好地解決了雷達(dá)成像中的重點(diǎn)和漏點(diǎn)問題,,同時(shí)利用組播機(jī)制完成了多屏顯示以及在綜合船橋系統(tǒng)中的拓展。

1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

  本系統(tǒng)并沒有采用如SPI等傳統(tǒng)的總線傳輸作為雷達(dá)掃描單元和顯示單元之間的通信機(jī)制,,而是利用了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)傳輸通信,。考慮到相關(guān)的拓展,,沒有選擇簡(jiǎn)單的單播機(jī)制而選擇了組播,。

  1.1 組播

  組播是一種一點(diǎn)到多點(diǎn)(或多點(diǎn)到多點(diǎn))的通信方式,,即多個(gè)接收者同時(shí)接受一個(gè)數(shù)據(jù)源發(fā)送的相同信息。組播通信中使用的是D類IP地址,,其范圍在224.0.0.1~239.255.255.255 之間,。由于傳輸層上的TCP協(xié)議不支持組播,所以下面設(shè)定的顯控報(bào)文都采用了UDP協(xié)議,。

  1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)


001.jpg

  顯示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,,236.6.7.8、236.6.7.9,、236.6.7.10等就是組播地址,,它們可以看成雷達(dá)掃描單元和顯示單元之間的通道,每個(gè)組播組都有其專屬的功能[1],。系統(tǒng)一上電,,各單元都會(huì)根據(jù)IGMPV3協(xié)議發(fā)出加入相應(yīng)組播組的通知,其部分代碼如下:

  #define  MCAST_REC_ADDR"236.6.7.8"

  #define  MCAST_FD_ADDR"236.6.7.9"

  struct    ip_mreq mreq;

  mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_REC _ADDR);

  mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_FD _ADDR);

  ……

  系統(tǒng)通過這些通道以UDP數(shù)據(jù)包作為載體傳遞信息,。236.6.7.10為控制信息通道,,傳遞開關(guān)、掃描速度,、增益,、雨雪雜波抑制等控制信息;236.6.7.9是反饋信息通道,,主要是顯示單元接收確認(rèn)信息,;236.6.7.8是數(shù)據(jù)內(nèi)容通道,傳輸大量的雷達(dá)圖像信息,。

  1.3 報(bào)文格式

  系統(tǒng)自定義了相關(guān)報(bào)文格式,,其內(nèi)容如表1所示。

005.jpg

  以海雜波為例,,控制報(bào)文中C1是控制命令字,,06是內(nèi)部配置寄存器的編號(hào),19 是狀態(tài)值(19在界面的顯示值是19/256×100),;考慮到單向通信機(jī)制的不可靠本文引入了反饋機(jī)制,,控制報(bào)文發(fā)出時(shí)系統(tǒng)參數(shù)不會(huì)立刻改變,而是等待接收到反饋報(bào)文,,C4 是反饋命令字,,19是當(dāng)前海雜波抑制值;數(shù)據(jù)報(bào)文中0100000000200002是數(shù)據(jù)的幀頭,,其中20(32d)是含有掃描線的數(shù)量,,例子里73 0B是掃描線的編號(hào),1D07是掃描線的角度信息。

2 數(shù)據(jù)處理

  從組播地址236.6.7.8接收到的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)是極坐標(biāo)形式,,由表1可以看到其表示的是掃描線上每個(gè)點(diǎn)的灰度值,,角度值由1D07(1821d)/2 048×360算得,但是極坐標(biāo)數(shù)據(jù)無法直接顯示還必須經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,,這就是圖1中的中間件部分所完成的工作,也是整個(gè)顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,。

  2.1 基本坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式比較

  直接轉(zhuǎn)換方法如下:

  1.png

  式中,,?茲為極坐標(biāo)角度,r為半徑,,x為直角坐標(biāo)中的橫坐標(biāo),,y為縱坐標(biāo)。直接運(yùn)用公式計(jì)算看似簡(jiǎn)單但不可避免地帶來重點(diǎn)和漏點(diǎn)等問題,,這是因?yàn)橹苯亲鴺?biāo)和極坐標(biāo)之間的映射不是一一對(duì)應(yīng)的,。由于極坐標(biāo)在直角坐標(biāo)系中呈放射狀分布,導(dǎo)致近端多個(gè)極坐標(biāo)映射到一個(gè)直角坐標(biāo)點(diǎn)的情況,,這就是重點(diǎn),;而在圓心遠(yuǎn)端的直角坐標(biāo)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)沒有極坐標(biāo)映射的情況,這是漏點(diǎn)[2],。重點(diǎn)會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余,,漏點(diǎn)會(huì)影響成像。

  計(jì)數(shù)法是根據(jù)直角坐標(biāo)都是整數(shù),,且相鄰點(diǎn)的變化量只有0,、1,可以進(jìn)行進(jìn)位信息存儲(chǔ),,此法同樣只能減少存儲(chǔ)空間,,無法解決漏點(diǎn)問題[3]。查找表法預(yù)先存儲(chǔ)了每一個(gè)極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo),,直接尋址操作,,此法使轉(zhuǎn)換效率大大提升,但所需存儲(chǔ)空間大且不能避免漏點(diǎn)[4],。

  2.2 三維優(yōu)化查找表算法

  比較了上述算法并綜合考慮了硬件資源開銷,,提出一種以極坐標(biāo)為地址,直角坐標(biāo)為數(shù)據(jù)的三維優(yōu)化查找表算法,,既解決了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換開銷大,,顯示卡頓問題,也對(duì)重點(diǎn)和漏點(diǎn)問題進(jìn)行了有效解決,,最后利用對(duì)稱性減少了預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量[5],。

  根據(jù)查找表的定義,重點(diǎn)在表中的反映形式為不同的地址擁有同樣的內(nèi)容。如有N個(gè)地址對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)相同,,為了消除重點(diǎn)可將其中N-1個(gè)地址的數(shù)據(jù)編輯為0,,保留唯一的一個(gè)地址的數(shù)據(jù)。實(shí)際采用的消除方式是保留其中地址最小的內(nèi)容,,其余地址內(nèi)容設(shè)為0,。這樣就確保了表中所存直角坐標(biāo)的唯一性。

  補(bǔ)漏的思路是利用其鄰近非漏點(diǎn)的灰度值,。采用三維查找表的目的也就是希望將轉(zhuǎn)換坐標(biāo)點(diǎn)附近的漏點(diǎn)位置標(biāo)記出來,,利用已知的灰度值對(duì)其進(jìn)行插值。而建立這種查找表的第一步就是找出漏點(diǎn),。由式(1)建立起一個(gè)所有轉(zhuǎn)換直角坐標(biāo)的數(shù)組{(x,,y)},通過下面公式:

  2.png

  將結(jié)果數(shù)組與上面得到的結(jié)果數(shù)組相比較就得到了漏點(diǎn)數(shù)組{(x′,,y′)},。

  第二步是給這些漏點(diǎn)去找到其附近的非漏點(diǎn),好進(jìn)行補(bǔ)漏的過程,。本系統(tǒng)在極坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換得到的直角坐標(biāo)數(shù)組{(xi,,yi)}中任選一點(diǎn)再遍歷漏點(diǎn)數(shù)組{(x′,y′)}由式(3):

  3.png

  得數(shù)組{(xij′,,yij′)},,并用(xi,yi)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別減去數(shù)組{(xij′,,yij′)}中對(duì)應(yīng)的元素得到差值(xi-xi1′,,yi-yi1′)(xi-xi2′,yi-yi2′)…(xi-xij′,,yi-yij′),,再用一個(gè)2j×k bit的數(shù)add的每k bit分別表示差值,遍歷直角坐標(biāo)數(shù)組將所有得到的(x,,y,,add)i保存為查找表文件??紤]到角度量化值N為2 048,,掃描半徑M為384,實(shí)際系統(tǒng)在數(shù)據(jù)之后另外加上2位的補(bǔ)漏標(biāo)志位,。00表示該坐標(biāo)附近無漏點(diǎn),,01表示坐標(biāo)(x,y+1)為漏點(diǎn)(當(dāng)前坐標(biāo)為(x,,y)),,10表示(x+1,y)為漏點(diǎn),基本完成成像要求,。

  優(yōu)化后的查找表算法解決了重點(diǎn),、漏點(diǎn)等問題但需耗費(fèi)16 MB的存儲(chǔ)空間,而實(shí)際上通過對(duì)稱性優(yōu)化只需在查找表中存儲(chǔ)0°~45°的數(shù)值就可以完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,。系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)過程中進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換,,由表1知每根線都有各自的編號(hào)n,收到數(shù)據(jù)包時(shí)先提取出編號(hào)進(jìn)行判斷,,然后用下面公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,將其區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)映射到0°~45°區(qū)域:

  4.png

  當(dāng)最終輸出到顯存時(shí),還需要再次轉(zhuǎn)換成掃描線上

  像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)屏幕上的真實(shí)坐標(biāo),,其轉(zhuǎn)換公式如下:

  5.png

  系統(tǒng)的算法流程如圖2所示。

002.jpg

3 組播的優(yōu)勢(shì)及系統(tǒng)擴(kuò)展

  隨著現(xiàn)代船只電子系統(tǒng)的集成化越來越高,,多傳感器復(fù)合顯示的需求也越來越大,,雷達(dá)數(shù)據(jù)往往也要提供給多個(gè)顯示單元??紤]到雷達(dá)掃描一周產(chǎn)生大約1 MB的數(shù)據(jù)量以及24 r/min或者36 r/min的掃描速度,,系統(tǒng)如果自己先進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制再傳輸顯然是困難的,而組播的特點(diǎn)剛好是加入同一組播組的成員都可以接收到發(fā)向這個(gè)組播地址的數(shù)據(jù),,例如多個(gè)顯示單元只要都加入了系統(tǒng)中236.6.7.8組播組都可以接收并顯示雷達(dá)圖像數(shù)據(jù),,輕松實(shí)現(xiàn)多屏顯示。

003.jpg

  而對(duì)于最近興起的綜合船橋系統(tǒng),,其顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,,顯示單元可以分別作為ECDIS、Radar(有兩部S-Band 和 X-Band)以及Conning(船舶綜合數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng))進(jìn)行工作,,又可以切換S-Band雷達(dá)和X-Band雷達(dá)信息進(jìn)行交換顯示,,同時(shí)當(dāng)單一顯示器出現(xiàn)故障時(shí)可以利用其他顯示單元備用顯示。其復(fù)合顯示的基礎(chǔ)就是組播機(jī)制,,顯示系統(tǒng)通過加入的組播組實(shí)現(xiàn)相關(guān)的顯示,,對(duì)于GPS、AIS通過標(biāo)準(zhǔn)串口輸出的數(shù)據(jù)也可以通過轉(zhuǎn)換器封裝成UDP報(bào)文發(fā)送到組播地址,。所以,,基于組播的雷達(dá)可以很好地融入綜合船橋系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展,。

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

  系統(tǒng)利用QT完成了界面設(shè)計(jì)并接收坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)繪制出來[6],,這里硬件采用了Xilinx公司推出的XC6SLX100T-2FG676C FPGA芯片以及TI公司的DAVINCI DM3730芯片,并外掛了DDR3芯片來存儲(chǔ)查找表,所用存儲(chǔ)空間為1.97 MB,,其實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示,。

004.jpg

  圖4中,上兩幅圖分別是未對(duì)邊界進(jìn)行設(shè)置,且沒有進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)算法下漏點(diǎn)的顯示狀態(tài)以及加上邊界約束,,注釋掉刻度層后的顯示效果圖,,可以清楚地觀察到算法的效果;而下兩幅圖是兩臺(tái)顯示器和一個(gè)掃描單元同時(shí)連接到一臺(tái)路由器的LAN口,,實(shí)現(xiàn)多屏顯示的效果圖,,其中左下圖的顯示系統(tǒng)工作在Linux環(huán)境下,而右下圖的顯示系統(tǒng)工作在Windows環(huán)境下,。

5 結(jié)論

  系統(tǒng)基于組播機(jī)制實(shí)現(xiàn)了多屏顯示以及綜合船橋系統(tǒng)中的顯示切換,,并優(yōu)化了一種三維查找表算法,很好地解決了雷達(dá)成像過程中的重點(diǎn)和漏點(diǎn)問題,。同時(shí)也解決了在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中,,由于硬件資源的限制而造成的卡頓現(xiàn)象。在硬件平臺(tái)上的實(shí)際測(cè)試效果良好,。

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