基于VxWorks的SAR信号处理的实现

基于VxWorks的SAR信号处理的实现
邢联大;苏振华;付雷;周瑞雨
【摘要】针对当前SAR系统平台对实时性和稳定性要求的不断提高,构建了一种基于嵌入式实时操作系统VxWorks的SAR实时成像信号处理系统.与传统SAR信号处理系统相比,文中系统的处理方式具有高效、实时、多任务并行等处理优点.并结合雷达成像系统,论述了系统模块组成以及系统工作模式,以及基于VxWorks的实时多任务的SAR信号处理软件设计步骤.通过外场试验,对系统进行了验证,结果表明该系统具有较高的可靠性.
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2015(028)006
【总页数】5页(P150-154)
【关键词】合成孔径雷达(SAR);VxWorks;实时多任务
【作者】邢联大;苏振华;付雷;周瑞雨
【作者单位】空军驻山西地区军代表室,山西太原030024;空军驻山西地区军代表室,山西太原030024;西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安710071;西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN957.52
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种通过雷达平台的运动构建
等效长天线的微波成像雷达，因为其具有全天时、全天候、远距离、高分辨、宽测绘带等优势，近年来受到越来越多的关注［1－3］。

随着对SAR的深入研究，对SAR的工作模式以及各个模式之间的切换的要求越来越高，同时伴随着应用平台
的变迁，要求SAR系统平台具有更好的实时性以及可靠性。

传统的SAR信号处理系统基于“FPGA+多DSP”级联方式构成［4－5］。

由DSP的信号处理特性以及SAR成像处理算法的复杂原理，要求多块DSP级联，
流水完成对雷达回波数据的信号处理功能。

同时由于SAR数据速率高，数据量大
等特点，DSP通常采用乒乓方式进行运行，通过精心设计，以满足DSP芯片处理效率的最大化，这大幅增加了SAR系统软件开发的难度，同时，多 DSP的组成也增加了硬件开发的成本［6－9］。

针对这一问题，本文提出一种基于 VxWorks的多任务SAR实时成像信号处理系统。

VxWorks操作系统是美国风河公司推出的一款高性能、可裁剪的嵌入式实时操作
系统。

其以卓越的可靠性与实时性，被广泛应用于通信、军事、航空、航天等实时性要求较高的领域［10］。

本文以VxWorks为开发环境，搭建一组含有前端控制、信号处理和终端显示的SAR实时成像系统。

以VPX为总线通道，交互控制各个模块通信;以信号处理模块为核心，介绍了以VxWorks为软件平台的多任务SAR信
号处理的软件系统开发。

相较于传统的SAR信号处理系统，基于操作系统的软件
开发环境使得信号处理系统拥有更好的可读性和可移植性;硬件软件分离的开发方
式进一步缩短了开发周期;VxWorks下的多任务并行运行方式充分的利用了CPU
空闲时间，从而提高的信号处理的实时性，降低了系统开发难度;硬件上简单的双
芯片构成，大幅降低了硬件开发的难度和开发成本。

1 雷达系统功能
SAR成像系统一般由前端波束控制模块、雷达信号处理模块和终端显示模块组成［11］，如图1所示。

图1 系统组成
前端波束控制模块主要进行雷达波束控制功能，可以根据雷达初始状态对雷达导引头进行控制，也可根据雷达后端响应反馈实时计算雷达波束指向，然后做出相应的决策，如任务模式切换、控制波束调度系统波束指向变化等。

雷达信号处理模块则主要进行雷达回波采集、存储、处理和结果输出，该模块是雷达系统的主要核心部件，其处理速度以及处理结果直接影响雷达的实时性和有效性，如何通过任务的调度和系统控制完成SAR回波的完整处理是本文叙述重点。

终端显示模块通过雷达信号处理模块输，将结果友好的显示给人机界面，从而实时显示SAR系统成像结果。

2 雷达信号处理
SAR信号处理模块是SAR系统的核心，本文从SAR信号处理入手，结合VxWorks操作系统，对信号处理算法进行模块划分、任务分配，并对各个任务的
优先级进行了分析。

2.1 SAR 成像算法概述
距离多普勒(Range－Doppler，R－D)算法是SAR成像处理中［12］的经典方法，目前在许多模式的SAR，尤其是正侧视SAR的成像处理中仍然广为使用，其可以理解为时域相关算法的演变。

本文采用距离多普勒算法实现SAR系统的信号处理
操作。

R－D算法的基本思想［3－7］是根据上述将二维处理分解为两个一维处理的级联形式，其特点是只考虑相位展开的一次项，将距离压缩后的数据沿方位向作FFT，变换到距离多普勒域，然后完成距离迁移校正和方位向压缩。

距离多普勒算法操作流程如图2所示。

图2 SAR成像算法流程图
图2中，对多普勒的中心估计可以使用原始数据，也可以使用距离FFT后数据，
这是因为在时域和频域中多普勒中心不变，同时多普勒中心估计也是整体算法的核心，其不仅涉及到线性走动的校正，也是构成方位向匹配压缩函数的关键。

本文所述系统结构中，距离脉压和数据转置通过前端数据处理在FPGA和QDR中进行，数据转置后的算法处理在VxWorks环境下完成，方位向脉冲压缩本文通过匹配滤波和dechirp方式分别进行实现。

2.2 算法硬件模块分配
本文采用基于VxWorks操作系统的SAR实时成像系统，其核心信号处理模块以PowerPC为首，集成了A/D、FPGA和QDR SRAM，构成了集信号采集、存储、处理、传输为一体的信号处理系统。

由于SAR系统成像所需回波数据量大，信号处理复杂度高，成像实时性要求精，
硬件平台设计时，选用Xilinx公司的Virtex－7系列芯片和飞思卡尔公司的
MPC86418D处理器芯片来构成系统的信号处理基础，存储方面选用QDR SRAM 实现对信号的转置存取。

芯片之间通过VPX底板上PCIe接口实现高速互联。

本文依据信号的流水前端处理和基于多任务条件下的后端处理来实现对SAR系统
的实时成像。

前端处理通过A/D采样对雷达回波信号进行离散数字化处理，然后
将各个雷达脉冲回波数据发送至FPGA芯片中进行相应的距离向脉冲压缩，之后
将数据通存储至QDR SDRAM中进行脉冲的积累。

本文所述实时成像系统采用512个方位积累为一帧图像，脉冲重复频率为1 kHz，所以在QDR中，当方位向脉冲积累够512个时，便向后端PowerPC发送中断，PowerPC上运行了多任务操作系统VxWorks，在接收到对应中断后，系统对应接受存储任务开始运行，对
数据进行缓存，由于数据在各个芯片之间传输速率快，在脉冲积累间隔，PowerPC上信号处理任务进入运行态，开始处理数据，并在数据处理结束后将数
据传送至终端显示。

综上所述，实时SAR成像系统的算法流程与硬件映射如图3
所示。

图3 信号处理流程及硬件映射
3 算法软件开发
R－D算法以其稳定性好、占用存储空间小、实时性高等多项优点在，工程实现中得到广泛应用，本文采用R－D成像算法。

针对本次实时处理，结合本文所述VPX信号处理板，其整个实时处理流程如图4所示。

图4 VPX信号处理板
3.1 数据前端处理
如前所述，本文所采用VP信号处理板，前端利用FPGA的流水并行处理方式能够很好地完成雷达成像算法中前端数字下变频以及距离向脉冲压缩，因为FPGA处理速度高，在雷达回波接收过程中就可完成算法的处理，从而使得FPGA处理不影响成像的实时性，同时其良好的时序控制能力可以完成对雷达回波采样的时序控制。

在FPGA进行完前端数据处理后，数据会被送进QDR中进行数据积累，本文所述系统采用512个数据脉冲为一帧图像的数据，每个方位向采样点数为1 024，在QDR中对数据进行512次积累以后便会向后端PowerPC发送中断，使其对数据进行读取，由于QDR的独立读写接口，在数据读出时可通过地址的跳变完成数据的转置，这为后续处理节省了时间。

QDR与PowerPC之间通过PCI－E4x进行通信，其最大数据传输速度可达2.0 Gbit·s－1，一幅图像的数据量大小为1 024×512个复数，即1
024×512×2×4=4 MB(一个复数为两个int型变量)数据，从而数据传输的时间大约为1.95 ms，而PowerPC中基于矢量运算引擎的矩阵数据转置，其转置时间为35.15 ms，从而可见QDR转置读写的高效性。

结合FPGA和QDR中数据处理，本文给出其处理框图如5所示。

图5 前端数据处理实现图
3.2 基于VxWorks的多任务的算法实现
PowerPC处于本文信号处理模块的最后端。

如前所述，PowerPC需要完成从FPGA中发来数据的接收存储，同时要对数据进行算法处理，为了方便后续数据的传输，需要对成像结果进行量化，并最终完成该对数据的终端传输。

如此多的任务使得传统的信号处理模块已无法满足系统要求，本文选用多任务实时VxWorks来解决这一难题。

多任务系统设计的一大特色就是任务优先级安排。

通常，优先级安排有些特定的原则［13］。

具体为:(1)占用CPU资源较少的任务可以设置为较高的优先级。

(2)需要响应时间较短的任务可以设置为较高的优先级。

(3)根据时机适当的调整任务优先级。

(4)无需设置过多的优先级。

根据上述原则，将后续处理任务分为3个大的任务模块:数据接收任务Data Recv Task、数据处理任务Data Proc Task和输出发送任务Data Trans Task。

接收任务Data Recv Task模块负责从QDR接收传来的一帧图像的处理数据，由于系统利用512个方位脉冲积累来完成一帧图像的处理，同时在每个方位向脉冲中A/D进行1 024次脉冲采样。

数据传输的时间约为1.95 ms，系统脉冲重复频率为1 kHz，512个脉冲积累时间约为512 ms，从而数据传输的时间远小于一帧图像数据的积累时间。

任务在接收数据的同时，在PowerPC外挂内存中会开辟一片缓冲区，用于存放每帧图像数据;同时，在该任务中断触发，进入运行态后，实现对一幅图像数据存储之后，便会释放一个计数信号量Sem Data Count，通过该信号量使得数据处理任务进入运行态。

由于SAR成像算法需要数据的完整性，所以该任务不能被其他任务打断，结合软件开发原则中优先级安排原则，该任务执行时间短，执行时CPU消耗少，完整性要求严格，因此给该任务以最高的优先级，以保证系统的完整性。

数据处理任务Data Proc Task负责对一帧图像进行成像的算法处理以及后续多视、量化处理。

数据处理任务在创建初期，处于阻塞状态，并一直等待信号量Sem Data Count的获取，即等待数据缓存区有雷达数据后就出发进入运行态。

由于SAR算法处理复杂，同时兼顾量化等后续处理步骤，该任务运行时间较长，
实际测量约一帧图像约为500 ms，这远大于数据接收任务，同时在数据处理时，CPU占有率高，根据优先级分配原则，该任务分配优先级低，该任务会运行于其
他任务执行的间隙，在其他任务运行时，该任务处于挂起态。

任务在处理完一帧图像后，会释放信号量触发后续传输任务的运行，将图像最终传输至终端显示设备进行显示。

数据传输任务Data Trans Task负责对处理后的图像数据进行发送，传输至终端
显示模块。

本文所述系统通过网络Socket通信实现对图像的网络传输。

该任务创建初期处于阻塞状态，当获得信号量时，便触发其进入运行态，进行图像传输。

由于图像在数据处理期间进行了多视处理和量化处理，最终的一幅图像数据量会小于原始雷达回波的数据量。

同时千兆以太网的传输速度更快，并且CPU使用率低，从而给该程序分配较高的优先级。

综上所述，本文完成了3个任务的优先级设计以及任务间的通信，其中算法的具
体设计在SAR成像领域已经成熟。

3个任务相互配合，共同完成SAR信号处理模块的总体功能。

SAR成像算法任务框图如图6所示。

图6 多任务SAR成像算法任务示意图
4 成像结果分析
在武汉长江大桥上进行外场测试，选取江中小洲进行成像试验。

实验车以40
km/h的速度行驶，大桥高约40 m，天线俯仰角为向下3°，才能照射到桥下小洲。

车载SAR采用正侧视条带成像工作模式。

实验为初期简单实验，所以没有安装惯导，多普勒参数包括多普勒中心频率和多普勒方位调频率都是依靠回波信号估计获
得。

采用图1所示的处理流，通过对小洲的实时成像和终端显示，成像结果如图7所示。

图7 SAR实时成像终端显示界面
全图场景宽度为1 500 m，全图场景长度为1 900 m，从图中可以看到江中小岛上的道路、树林和稻田。

通过试验，对成像时间进行测试，结果如表1所示，车载试验雷达重复频率1 kHz，采用512个脉冲积累为一幅图像积累，即一幅图像积累时间为512 ms，采用匹配滤波模式时成像时间稍大于图像积累时间，但仍可满足实时成像的要求，采用Dechirp成像则完全可满足成像上时间需求，但后续图像拼接程序，仍需要时间的消耗。

表1 处理时间表模式数据接收/ms信号处理多普勒中心/ms 多普勒调频率/ms 方位向处理/ms 量化处理/ms图像传输/ms 总计/ms 265.07匹配滤波模式 1.99 79.33 0.05 388.97 56.76 0.58 Dechirp模式 1.99 79.29 0.05 126.45 55.32 1.97 527.68
表1中，给出了方位向Dechirp和匹配滤波两种方式时一帧图像的处理时间，选取图像总的独立特显点，并对其距离向和方位向3 dB带宽进行分析，结果如表2所示。

图8 距离向3 dB带宽
图9 方位向3 dB带宽
表2 成像结果分析/d B距离向 1.0 1方向分辨率/m 积分旁瓣比3 5方位向 0.3 7 7 8 4 5
5 结束语
讨论了一种基于VxWorks嵌入式操作系统的SAR实时成像系统，通过对SAR算法的分析，设计了以PowerPC芯片为核心，集成FPGA模块功能的硬件平台，并在多任务实时操作系统VxWorks下进行信号处理的多任务开发。

最终结合外场试
验对本文所述系统的有效性进行了验证，试验结果表明本文所述基于VxWorks的SAR实时成像信号处理系统是有效可靠的。

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