© Ваврук Є.Я.
Курс лекцій
"Комп’ютерні засоби обробки сигналів та зображень"
Лекція 10
Тема: Проектування систем і процесорів обробки радіолокаційної інформації
Питання.
1.Ієрархічність засобів обробки радіолокаційної інформації.
2.Особливості обробки радіолокаційної інформації. Вибір параметрів радіолокаційної станції, які впливають на характеристики засобів обробки.
3. Архітектура уніфікованої системи обробки, відображення, керування і діагностики радіолокаційних комплексів нового покоління..
4. Мультипроцессорна мережа на базі TMS320C4x
5. Пристрій формування і обробки сигналів. /ПФОС/
1.Ієрархічність засобів обробки радіолокаційної інформації.
Обробка радіолокаційної інформації (РЛІ) як правило складається з декількох етапів. Первинна обробка РЛІ здійснюється апаратурою радіолокаційної станції (АПОИ РЛС) з видачею інформації про плоти. Для всіх АПОИ РЛС інформація про плоти включає координати цілей (азимут, дальність) як від первинного радіолокатора (ПРЛ), так і від вторинного радіолокатора (ВРЛ), причому АПОИ здійснює об'єднання такої інформації і додаткову інформацію від бортового відповідача .
Вторинна обробка РЛІ полягає у відпрацьовуванні інформації про плоти з метою виявлення і супроводу траєкторій повітряних судів. У випадку наявності декількох РЛС з'являється задача об'єднання інформації від них з метою одержання єдиного системного треку. Інформація про трек надається диспетчеру керування повітряним рухом. Об'єднання радіолокаційної інформації від декількох джерел називається третинною обробкою .
Задачі третинної обробки вирішуються двома основними методами:
- мозаїчна обробка - мультирадарна обробка.
При мозаїчній обробці кожної РЛС виділяється своя зона огляду, що не перетинається з зонами огляду інших РЛС.
Для формування єдиного системного треку використовується інформація тільки від однієї РЛС.
До недоліків даного методу відноситься проблема супроводу траєкторій повітряних судів при перетинанні границь зон огляду, а також не використання переваги перекриття зон виявлення сусідніх РЛС.
При мультирадарній обробці використовується вся доступна РЛІ для формування єдиного системного треку.
Супровід повітряного судна декількома РЛС
У системі обробки РЛІ від декількох РЛС використовується метод мультитрекінгового супроводу повітряної мети. На вхід системи надходить потік плотів від декількох РЛС. Система перетворить вхідні дані в уніфіковані повідомлення. Кожній РЛС присвоюється ідентифікатор, що входить до складу інформації про повітряну мету.
Кожна РЛС описується індивідуальними значеннями параметрів.
Для вторинної обробки РЛІ використовуються алгоритми, засновані на дискретному фільтрі Кальмана (фільтр першого порядку). Для третинної обробки використовуються алгоритми вагового підсумовування, (фільтр нульового порядку) із приведенням результатів вторинної обробки до єдиного часу. Відносний ваговий коефіцієнт обернено пропорційний квадратному кореню дальності до мети. При цьому також відбувається виділення ведучої РЛС.
2.Особливості обробки радіолокаційної інформації. Вибір параметрів радіолокаційної станції, які впливають на характеристики засобів обробки.
Параметри:
вид сигналу;
потужність сигналу;
тривалість зондувального сигналу /Тс/;
оброблюваний доплеровский діапазон частот /F/ ;
дозволяюча здатність, по дальності /d / ;
дозволяюча здатність, по доплеровской частоті / f/;
виграш у відношенні сигнал/шум /q/;
рівень бічних пелюстків функції невизначеності /R/;
рівень подавлення в зоні СДЦ /D/.
Повинні бути вибрані: висока імпульсна потужність випромінювання і малі по довжині імпульси – щоб забезпечити максимальну віддаль виявлення.
Вибір виду сигналу
1. Необхідно прийняти рішення про частоту повторення імпульсів. За відношенням до частоти повторення імпульсів (ЧПІ) радіолокаційні системи діляться на системи з низькою (НЧП), високою (ВЧП) і середньою (СЧП) ЧПІ.
Системи НПЧ однозначно вимірюють віддаль до цілі, швидкість (доплерівські частоти) вимірюють неоднозначно.
Системи СПЧ неоднозначно вимірюють віддаль до цілі та швидкість.
Системи ВПЧ однозначно вимірюють швидкість, неоднозначно віддаль. Рис.1 ілюструє особливості сигналів для всіх типів ЧПІ в часовій (по дальності) та частотній (по доплерівських частотах) областях..
EMBED MSPhotoEd.3
Середня потужність передавача реальної РЛС визначається максимальною необхідною віддаллю виявлення цілі. При заданій середній потужності можна працювати або з малою імпульсною потужністю при імпульсі великої довжини, або з великою імпульсною потужністю при імпульсі малої довжини. В обидвох випадках після обробки імпульс повинен мати малу довжину тоді однозначно можна виміряти віддаль. По цій причині при зондуючих імпульсах великої тривалості необхідно виконувати стиск імпульсів.
Вибір частоти повторення імпульсів Складна і тудомістка задача. Є різні системні обмеження на ЧПІ, а найкращий набір ЧПІ залежить від умов роботи РЛС (від висоти, швидкості, наявності завад).
3. Архітектура уніфікованої системи обробки, відображення, керування і діагностики радіолокаційних комплексів нового покоління.
Вимоги до системи
Система повинна будуватися на сучасній елементній базі з використанням відповідних міжнародним стандартам конструктивов і інтерфейсів
Система повинна мати модульну структуру і будуватися на основі мінімальної кількості уніфікованих апаратно-програмних рішень для забезпечення її масштабируемости для рішення конкретних задач цифрової обробки, організації зовнішніх інтерфейсів із системами, що сполучаються, відображення результатів обробки й інтерфейсу з оператором.
Повинні відпрацьовуватися прототипи уніфікованих модулів і закладені можливості їхнього розширення і модифікації в частині зовнішніх інтерфейсів, можливо, на основі мезонинных технологій.
До складу модулів входять:
модуль аналогового виводу;
модуль модуль цифрової обробки;
модуль інтелектуального інтерфейсу;
модуль аналогового виводу;
модуль одноплатного комп'ютера;
модуль вводу/виводу (забезпечення гальванічної розв'язки, за рівнем сигналу і т.д.).
Реалізація системи в залежності від вимог до неї може існувати в конструктивах звичайної ПЕОМ для менш критичних прикладів чи у конструктиві, що використовується в ПЕОМ на основі шини ІSA і в стандартній VME-апаратурі.
Окремі характеристики окремих модулів системи повинні легко масштабуватися шляхом їхньої швидкої модифікації (використання мезоніної технології, у т.ч. і ТІМ-модулів) і перепрограмовування.
Елементна база
Орієнтація на два механічних конструктива і на дві стандартні системні шини приводить до того, що можуть існувати три різних типи уніфікованих модулів:
1. Система на основі ПЕОМ із шинами ІSA і PCІ як настільна система обробки, відображення і робочого місця оператора.
2. Система на основі конструктиву з шиною ІSA в якості системи обробки, відображення і робочого місця оператора для критичних додатків.
3. Система на основі конструктива з шиною VME для високопродуктивних систем реального часу.
Дані рішення будуть мати різну (наростаючу) вартість реалізації, тому необхідно забезпечити як можна більшу кількість модулів, що входять у таку систему. В даний час існують окремі, вже освоєні модульні рішення для побудови таких систем:
· ТІМ-несучі плати, для встановлення 1,2,4 процесорних модулів з TMS320C4x, у тому числі й тих,що містять АЦП, у конструктивах ПЕОМ ІSA, PCІ, Багет-01, VME-6U. Побудова системи цифрової обробки на основі цих модулів не залежить від використовуваного конструктива, тому що модулі легко переконфігуровуються і масштабуються. Підсистема ЦОС може бути розроблена на ПЕОМ із шиною ІSA (як найдешевша розробка) і виготовлена в будь-якому іншому.
· Модулі одноплатних комп'ютерів також існують для всіх перерахованих вище конструктивів.
· Модуль аналогового вводу призначений для вводу аналогових сигналів у підсистему ЦОС, і його інтерфейс підключення може визначатися інтерфейсом модулів ЦОС - паралельний інтерфейс комунікаційного порту TMS320C4x, тому даний модуль несуттєво залежить від застосовуваного конструктива.
· Те ж саме відноситься і до модуля аналогового виводу.
· Модуль інтелектуального інтерфейсу призначений для сполучення з різними датчиками, лініями статусних і синхронізуючих сигналів, проведення їхньої попередньої обробки і вводу в підсистему ЦОС, тому його зовнішній інтерфейс сполучення визначається реальними системами, що сполучаються, а внутрішній - COM - порт TMS320C4x.
· Модулі вводу/виводу існують у різних конструктивах, і в деяких випадках вони не є необхідними.
Архітектура системи
Пропонується комбінована архітектура на основі поділюваної системної шини і конфигуруючих користувачем високопродуктивних прямих з'єднань модулів між собою для рішення задач високопродуктивної обробки даних. Використовувана в конкретній системі системна шина не є архітектурно-утворюючим чинником, тому що виконує функції керування завантаженням системи, глобальним керуванням обробкою і взаємодією з користувачем. Задачі сполучення з зовнішніми системами і пристроями вирішують модулі аналогового вводу/виводу, інтелектуального інтерфейсу, що поєднуються разом з підсистемою ЦОС через прямі з'єднання з комунікаційними портами процесорів TMS320C4x. У випадках, коли необхідно принципово підвищити продуктивність підсистеми ЦОС, можуть бути застосовані модулі ЦОС із процесорами TMS320C4x (для комунікацій) і TMS320C67xx для обчислень (мають продуктивність у 10 разів більшу, ніж С4х, будуть освоєні протягом 1-2 років).
Пропонована архітектура системи приведена на Рис. Кількість окремих уніфікованих модулів, що входять у кінцеву систему буде визначатися вимогами до системи по обчислювальній продуктивності, кількості вхідних і вихідних аналогових каналів даних, кількості систем, що сполучаються, робочих місць операторів і т.д. Обраний для реалізації конструктив і тип системної шини буде призводити до незначної модифікації інтерфейсів модулів зі збереженням логіки роботи всієї системи і наробленого программного забезпечення.
4. Мультипроцессорна мережа на базі TMS320C4x
Апаратна реалізація мережі
Вузли обчислювальної мережі виконані на процесорах TMS320C40 (TMS320C44), до яких підключена зовнішня оперативна пам'ять ємністю 512-1024 кбайт. У залежності від реалізації процесорного модуля (TІМ), пам'ять підключена тільки до локальної чи до локальної і глобальної шин процесора. Вузли мережі використовують комунікаційні порти процесора (6 для процесорів TMS320C40 і 4 для процесорів TMS320C44) для зв'язку з іншими вузлами чи зовнішніми стосовно мережі пристроями.
При побудові мережі використовувалися два типи процесорних модулів (TІМ) із процесорами TMS320C44 - двопроцесорний модуль із глобальною і локальною пам'яттю в кожнім вузлі (Dst44W) і чотирипроцесорний модуль тільки з локальною пам'яттю (Dst44Q). Завантаження програмного забезпечення мережі і керування мережею здійснювалося з універсальної ЕОМ 486DX4-100, прийом і відображення результатів обробки здійснювався технологічною ЕОМ 486DX2-66, встановленою в VME-крейті.
Двопроцесорний модуль має зв'язок з керуючої ЕОМ через FІFO буфер, підключений до ІSA шини і фізично розташовується в корпусі керуючої ЕОМ (на платі DSM40AT). Чотирипроцесорний модуль фізично встановлений у плату DSM40EP, розташовану в крейті разом з технологічною ЕОМ і зв'язаний з її LPT портом через спеціальний адаптер власного виготовлення. Процесорні модулі зв'язані між собою комунікаційними портами і JTAG-інтерфейсом для відлагодження.
Найпростіша первинна обробка РЛИ на МП мережі
Для відпрацьовування і реалізації на мультипроцесорній мережі найпростішого алгоритму первинної обробки даних було розроблено функціональне програмне забезпечення (ФПЗ), що реалізує алгоритм, зображений на мал.1. Дослідження тимчасових характеристик ФПЗ вироблялося під керуванням мультипроцесорної операційної системи (ОС) реального часу SDF (розробки НГТУ), що керувала потоком даних у мережі і здійснювала синхронізацію окремих модулів ФПЗ. У схему обробки (мал.1.) входять:
СДЦ 2-го порядку з дійсними коефіцієнтами
Обмежувач імпульсних перешкод
Погоджений фільтр для складного сигналу (фільтр стиску
Детектор із граничним пристроєм
Вхідний сигнал для системи обробки формується моделлю, що працює в реальному часі, вихід якого через додатковий детектор із граничним пристроєм поданий на контрольний ІКО керуючої ЕОМ.
INCLUDEPICTURE \d "Сеть на TMS.files/ris1.gif"Модель. Для формування радіолокаційної обстановки використовується програма на С, модифікована для досягнення необхідної швидкодії й адаптована до запуску з мережевої ОС. Модель формує 512 комплексних відліків прийнятого сигналу по перериваннях таймера, період якого встановлений рівним періоду зондування РЛС. Пакет даних моделі, що представляє собою відліки ехо-сигналу,що відповідає одному азимуту, направляється маршрутизаторами ОС вузла в граничний пристрій 2 і далі на ІКО керуючої ЕОМ для контролю формованої радіолокаційної обстановки й у систему первинної обробки.
СДЦ. (Селекція рухомих цілей) У первинній обробці реалізована СДЦ 2-го порядку з дійсними коефіцієнтами. Для роботи СДЦ вимагаються відліки сигналу (пакети даних) із трьох сусідніх азимутів. Прийом і буферизация необхідних пакетів у процесорному вузлі, що виконує СДЦ, здійснювалася операційною системою.
Обмежувач.
Алгоритм обчислень для одного відліку даних, реалізований в обмежувачі, показаний на мал.2. Як видно з алгоритму, час обчислень в обмежувачі залежить від значень вхідних даних. У випадку "твердого" обмеження час обчислень більший. Час виконання програми обмежувача було виміряно в симуляторі, при цьому на вхід обмежувача подавалися два пакети даних-перший містив відліки, що завжди приводили до виконання умови обмеження, другий-відліки, для яких умови обмеження ніколи не виконувалися. Значення часу виконання в циклах для пакетів даних, що містять 512 отсчетов, приведені в таблиці 1.

Погоджений фільтр.Фільтр стиску складного сигналу реалізований стандартним чином із заміщенням значень вхідного сигналу. Обчислення здійснюються по формулі
де Base -довжина імпульсної характеристики погодженого цифрового фільтра H.
Використання паралельних команд дозволило обчислювати комплексне множення (4 множення і 4 додавання) за 4 цикли (0.16 мкс). З урахуванням додаткових витрат процесорного часу на організацію циклів обчислення одного вихідного відліку фільтра (32 комплексні множення і 31 комплексне додавання) склало 144 цикли (5.76 мкс).
Порогові пристрої.У системі реалізовані порогові пристрої з ковзним порогом. Значення порога обчислювалося по формулі
де A[n]=|x[n]| -амплітуда вхідного сигналу. При перевищенні сигналом порога приймалося рішення про наявність цілі на n-ої дальності і формувалася відповідна кодограмма у вихідний пакет для індикації.
Розподілення ФПЗ по мережі процесорів.Розпаралелювання обчислень і розподіл модулів ФПЗ по мережі процесорів робилося вручну. Для цього в симуляторі були визначені тимчасові характеристики кожного з модулів. Погоджений фільтр після аналізу програми за часом виконання був розбитий на 4 частини: фільтр 0 - перші 64 вихідних відліки, фільтри 1 і 2 по 192 вихідних відліки і фільтр 3 - 32 вихідних відліки. У таблиці 1 приведені часи виконання кожного програмного модуля в процесорних циклах і в мікросекундах для процесорів з тактовою частотою 50 МГЦ, а також кількість операцій із плаваючою крапкою , реалізованих у кожному модулі ФПЗ. Максимальна продуктивність процесорів Vmax для кожного програмного модуля визначалася як кількість операцій із ПК поділена на час.
Таблиця 1. Тимчасові параметри модулів ФПЗ, отримані в симуляторі.

Для реалізації системи була обрана лінійна мультипроцесорна мережа з 6 процесорів TMS320C44, розподіл модулів ФПЗ по процесорах мережі показаний на мал.3. Завантаження і запуск ФПЗ здійснювалося по керуванню монітора мережної операційної системи SDF.
При роботі ФПЗ системи первинної обробки РЛИ за допомогою вбудованих засобів ОС контролювалися тимчасові параметри кожного програмного модуля. Результати експериментально отриманих тимчасових характеристик модулів приведені в таблиці 2. Максимальна продуктивність процесорів оцінювалася аналогічно табл.1. Середня продуктивність Vвузла отримана як загальна кількість операцій із ПК, виконуваних вузлом, ділене на період надходження вхідних даних (період зондування).
Таблиця 2. Експериментально виміряні тимчасові параметри модулів ФПЗ.
Можливості нарощування мережі
Несуча плата DSM40AT дозволяє встановлювати 4 TІM-модуля DST44Q (16 процесорних вузлів). Крейт має 8 роз’ємів для плат DSM40EP, на кожну з який встановлюється по 4 TІM-модуля DST44Q. Таким чином, мережа може бути збільшена до 144 процесорних вузлів.
При побудові мультипроцесорної мережі використовувалися вузли і компоненти, що випускаються АТ "Інструментальні системи" м.Москва.
5. Пристрій формувания і обробки сигналів. /ПФОС/
1. Призначення ПФОС.
Пристрій формування й обробки сигналів /ПФОС/ входить до складу когерентної далеко-доплерівської радіолокаційної станції, що працює в імпульсному чи квазінеперервному режимі випромінювання і прийому складних амплітудно-фазоманіпуляційних зондувальних сигналів.
В ПФОС реалізовані оригінальні алгоритми формування й обробки складних амплітудно-фазоманіпуляційних зондувальних сигналів, що забезпечують високу ефективність і багатофункціональність радіолокаційних систем. Взаємозв'язок ПФОС з основними пристроями (приладами) РЛС приведставлений на мал. 1.
2. Принцип побудови і структура ПФОС.
Пристрій формування й обробки сигналів побудовано по модульному принципі з нарощуванням структури і складається з окремих взаємозамінних програмно-апаратних модулів. Кожен програмно-апаратний модуль визначає своє функціональне призначення у відповідності зі своїм посадочним місцем на етапі запуску системи шляхом програмування архітектури і завантаження програм формування й обробки сигналів для імпульсного чи квазінеперервного режимів роботи. При програмуванні модуль здобуває архітектуру пристрою формування сигналів (модуль пристрою, що кодує - модуль КУ) чи архітектуру пристрою цифрової обробки сигналів (модуль пристрою цифрової обробки сигналів модуль - ПЦОС).
Кількість модулів визначається необхідними тактико-технічними характеристиками системи.
3.Технічна реалізація модуля.
Модуль формування й обробки сигналів реалізований на основі пристроїв програмувальної логіки фірм Xіlіnx, Altera і сигнальних процесорів фірми Analog Devіces. Основні технічні характеристики модуля визначаються ресурсами ПЛІС ХС4010 ( Xіlіnx) і продуктивністю сигнального процесора ADSP2171 (Analog Devіces), що реалізує алгоритми формування й обробки сигналів.
Основные характеристики модуля ПФОС приведені в таблиці:
До основних достоїнств розробки можна віднести:
· збільшений динамічний діапазон обробки сигналів;
· малі габарити, стабільність параметрів, економічність і надійність;
· істотно знижене енергоспоживання;
· високу продуктивність і універсальність, обумовлену застосуванням ПЛІС і сигнальних процесорів;
· широкі можливості удосконалювання архітектури і модифікації алгоритмів обробки.
4. Модуль кодуючого пристрою .
Кодуючий пристрій призначений для :
· забезпечення режимів роботи РЛС і необхідних робочих шкал дальності;
· формування модулюючих сигналів , що задають закон амплітудно-фазової маніпуляції когерентної несучої зондувального сигналу;
· формування і юстировки дискретних сигналів розв'язки, що задають закон комутації приймально-передавального тракту РЛС;
· забезпечення імітації контрольних цілей у режимах перевірки працездатності РЛС.
Функціональна схема кодуючого пристрою на представлена на мал. 3.
· виконують аналого-цифрові перетворення вхідних квадратурних відеосигналів, що надходять з фазових детекторів;
· роблять кореляційну обробку сигналів у заданому робочому діапазоні затримок;
· виконують спектральну обробку сигналів у заданому доплеровському діапазоні частот;
· здійснюють необхідну селекцію рухомих і нерухомих цілей /СРЦ,СНЦ/;
· роблять логічну обробку сигналів по стиску радіолокаційної інформації;
· виробляють адаптивний поріг і виносять рішення про наявність цілей в окремо-дозволяючих елементах дистанції;
· роблять цифро-аналогові перетворення радіолокаційної інформації і виводять оброблену інформацію у виді відеосигналу чи цифрового сигналу на УВО.
Функціональна схема пристрою цифрової обробки сигналів представлена на мал. 4.6.
Склад ПФОС.
Можливий варіант реалізації структурної схеми ПФОС, що відбиває взаємозв'язок пристроїв і призначення основних сигналів, представлений на мал. 5.
До складу УФОС входять:
· два модулі кодуючих пристроїв;
· вісім модулів пристрою цифрової обробки сигналів.
7. Режими роботи ПФОС.
ПФОС забезпечує формування й обробку сигналів у двох режимах випромінювання і прийому складних амплітудно-фазоманіпуляційних сигналів:
· у квазінеперервному режимі випромінювання й обробки фазоманіпуляційних сигналів великої тривалості /КРВО/;
· в імпульсному режимі випромінювання й обробки фазоманіпуляційних сигналів малої тривалості /ІРВО/.
Режими роботи ПФОС характеризуються :
· діапазоном робочих шкал дальності (ШД);
· тривалістю зондувального сигналу /Тс/;
· оброблюваним доплеровським діапазоном частот /F/ ;
· дозволяючою здатністю по дальності /d / ;
· дозволяючою здатністю по доплеровській частоті / f/;
· виграшом у відношенні сигнал/шум /q/;
· рівнем бічних пелюстків функції невизначеності /R/;
· рівнем придушення в зоні СДЦ /D/.
7.1 Квазінеперервний режим випромінювання й обробки.
При квазінеперервному режимі фазоманіпуляційний сигнал з великою базою (В=<256K) випромінюється окремими імпульсами, тривалість і інтервал проходження яких визначається структурою дискретного сигналу комутації передавального тракту. Дискретний сигнал комутації має нерегулярну (псевдовипадкову) структуру, у якому інтервал проходження імпульсів значно менше часу затримок ехо-сигналів на робочій шкалі дальності. Прийом імпульсів робиться в паузах роботи передавача. Пік-фактор /середня скважність/ сигналів комутації дорівнює Q=5.
При квазінеперервному режимі виробляється когерентна обробка всіх імпульсів зондувального сигналу в заданому діапазоні дальностей і доплеровських частот. Видача радіолокаційної інформації на пристрої вторинної обробки здійснюється після когерентної обробки квазінеперервних сигналів.
У квазінеперервному режимі випромінювання й обробки фазоманіпуляційних сигналів ПФОС підтримує режими режекції великих відображень, що заважають, у ближній зоні і режими селекції рухомих і нерухомих цілей /СРЦ,СНЦ/.
Основні технічні характеристики квазінеперервного режиму:
8. Практичне використання результатів і перспективи розвитку.
В даний час пристрої формування й обробки сигналів (ПФОС) використовуються в розробках, виконаних разом з ведучими НПО і НДІ м. Санкт-Петербурга.
Розроблені РЛС успішно пройшли натурні випробувування. Результати випробовуваннь підтвердили переваги запропонованих методів формування сигналів, що забезпечують високоякісну селекцію рухомих цілей, і показали високу ефективність алгоритмів обробки сигналів в умовах великих пасивних відображень і навмисних перешкод.
В теперішній час ведеться розробка пристроїв формування й обробки сигналів з роздільною здатністю по дальності ( d=5 м) і можливістю когерентної компенсації пасивних перешкод. Розроблювальні пристрої мають підвищену продуктивність.