© 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.
Обработка радиолокационной информации (РЛИ) как правило состоит из нескольких этапов. Первичная обработка РЛИ осуществляется аппаратурой радиолокационной станции (АПОИ РЛС) с выдачей информации о плотах. Для всех АПОИ РЛС информация о плотах включает координаты целей (азимут, дальность) как от первичного радиолокатора (ПРЛ), так и от вторичного радиолокатора (ВРЛ), причем АПОИ осуществляет объединение такой информации и дополнительную информацию от бортового ответчика .
Вторичная обработка РЛИ заключается в отработке информации о плотах с целью обнаружения и сопровождения траекторий воздушных судов. В случае наличия нескольких РЛС появляется задача объединения информации от них с целью получения единого системного трека. Информация о треке предоставляется диспетчеру управления воздушным движением. Объединение радиолокационной информации от нескольких источников называется третичной обработкой .
Задачи третичной обработки решаются двумя основными методами:- мозаичная обработка- мультирадарная обработка.
При мозаичной обработке каждой РЛС выделяется своя зона обзора, не пересекающаяся с зонами обзора других РЛС. Для формирования единого системного трека используется информация только от одной РЛС.
К недостаткам данного метода относится проблема сопровождения траекторий воздушных судов при пересечении границ зон обзора, а также не использование преимущества перекрытия зон обнаружения соседних РЛС.
При мультирадарной обработке используется вся доступная РЛИ для формирования единого системного трека.
INCLUDEPICTURE \d "SOFTAERO_Ru Автоматизированные системы мультитрекинговой обработки радиолокационной информации.files/rght_arrblsm.gif"Сопровождение воздушного судна несколькими РЛС
В системе обработки РЛИ от нескольких РЛС используется метод мультитрекингового сопровождения воздушной цели. На вход системы поступает поток плотов от нескольких РЛС. Система преобразует входные данные в унифицированные сообщения. Каждой РЛС присваивается идентификатор, входящий в состав информации о воздушной цели.
Каждая РЛС описывается индивидуальными значениями параметров.
Для вторичной обработки РЛИ используются алгоритмы, основанные на дискретном фильтре Кальмана (фильтр первого порядка). Для третичной обработки используются алгоритмы весового суммирования, (фильтр нулевого порядка) с приведением результатов вторичной обработки к единому времени. Относительный весовой коэффициент обратно пропорционален квадратному корню дальности до цели. При этом также происходит выделение ведущей РЛС.
2.Особливості обробки радіолокаційної інформації. Вибір параметрів радіолокаційної станції, які впливають на характеристики засобів обробки.
Параметри:
вид сигналу;
потужність сигналу;
длительность зондирующего сигнала /Тс/;
обрабатываемый доплеровский диапазон частот /INCLUDEPICTURE \d "виртуальная выставка товаров и достижений.files/delta.gif"F/ ;
разрешающая способность по дальности /d / ;
разрешающая способность по доплеровской частоте / INCLUDEPICTURE \d "виртуальная выставка товаров и достижений.files/sigma.gif"f/;
выигрыш в отношении сигнал/шум /q/;
уровень боковых лепестков функции неопределенности /R/;
уровень подавления в зоне 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.
Требования к системе
Система должна строиться на современной элементной базе с использованием соответствующих международным стандартам конструктивов и интерфейсов.
Система должна иметь модульную структуру и строиться на основе минимального количества унифицированных аппаратно-программных решений для обеспечения ее масштабируемости для решения конкретных задач цифровой обработки, организации внешних интерфейсов с сопрягаемыми системами, отображения результатов обработки и интерфейса с оператором.
Должны отрабатываться прототипы унифицированных модулей и заложены возможности их расширения и модификации в части внешних интерфейсов, возможно, на основе мезонинных технологий.
В состав модулей входят:
модуль аналогового ввода;
модуль цифровой обработки;
модуль интеллектуального интерфейса;
модуль аналогового вывода;
модуль одноплатного компьютера;
модуль ввода/вывода (обеспечение гальванической развязки, по уровню сигнала и т.д.).
Реализация системы в зависимости от требований к ней может существовать в конструктивах обычной ПЭВМ для менее критических приложений или в конструктиве ?Евромеханика 6U? , используемом в ПЭВМ ?Багет-01? на основе шины ISA и в стандартной VME-аппаратуре.
Отдельные характеристики отдельных модулей системы должны легко масштабироваться путем их быстрой модификации (использование мезонинной технологии, в т.ч. и ТИМ-модулей) и перепрограммирования.
Элементная база
Ориентация на два механических конструктива и на две стандартных системных шины приводит к тому, что могут существовать три различных типа унифицированных модулей:
Система на основе ПЭВМ с шинами ISA и PCI в качестве настольной системы обработки, отображения и рабочего места оператора.
Система на основе конструктива ?Евромеханика-6U? ПЭВМ ?Багет-01?с шиной ISA в качестве системы обработки, отображения и рабочего места оператора для критических приложений.
Система на основе конструктива ?Евромеханика-6U? с шиной VME для высокопроизводительных систем реального времени.
Данные решения будут иметь различную (нарастающую) стоимость реализации, поэтому необходимо обеспечить как можно большую преемственность модулей, входящих в такую систему. В настоящее время существуют отдельные, уже освоенные модульные решения для построения таких систем:
ТИМ-несущие платы для установки 1,2,4 процессорных модулей с TMS320C4x, в том числе и содержащих АЦП, в конструктивах ПЭВМ ISA, PCI, Багет-01, VME-6U. Построение системы цифровой обработки на основе этих модулей не зависит от используемого конструктива, т.к. модули легко переконфигурируются и масштабируются. Подсистема ЦОС может быть разработана на ПЭВМ с шиной ISA (как самая дешевая разработке) и изготовлена в любом другом.
Модули одноплатных компьютеров также существуют для всех вышеперечисленных конструктивов.
Модуль аналогового ввода предназначен для ввода аналоговых сигналов в подсистему ЦОС, и его интерфейс подключения может определяться интерфейсом модулей ЦОС - параллельный интерфейс коммуникационного порта TMS320C4x, поэтому данный модуль несущественно зависит от применяемого конструктива.
То же самое относится и к модулю аналогового вывода.
Модуль интеллектуального интерфейса предназначен для сопряжения с различными датчиками, линиями статусных и синхронизирующих сигналов, проведения их предварительной обработки и ввода в подсистему ЦОС, поэтому его внешний интерфейс сопряжения определяется реальными сопрягаемыми системами, а внутренний - COM - порт TMS320C4x.
Модули ввода/вывода существуют в различных конструктивах, и в некоторых случаях они не являются необходимыми.
Архитектура системы
Предлагается комбинированная архитектура на основе разделяемой системной шины и конфигурируемых пользователем высокопроизводительных прямых соединений модулей между собой для решения задач высокопроизводительной обработки данных. Используемая в конкретной системе системная шина не является архитектурно-образующим фактором, т.к. выполняет функции управления загрузкой системы, глобальным управлением обработкой и взаимодействием с пользователем. Задачи сопряжения с внешними системами и устройствами решают модули аналогового ввода, вывода, интеллектуального интерфейса, которые объединяются совместно с подсистемой ЦОС через прямые соединения с коммуникационными портами процессоров TMS320C4x. В случаях, когда необходимо принципиально повысить производительность подсистемы ЦОС, могут быть применены модули ЦОС с процессорами TMS320C4x (для коммуникаций) и TMS320C67xx для вычислений (имеют производительность в 10 раз большую, чем С4х, будут освоены в течение 1-2 лет).
Предлагаемая архитектура системы приведена на Рис. Количество отдельных унифицированных модулей, входящих в конечную систему будет определяться требованиями к системе по вычислительной производительности, количеству входных и выходных аналоговых каналов данных, количеству сопрягаемых систем, рабочих мест операторов и т.д. Выбранный для реализации конструктив и тип системной шины будет приводить к незначительной модификации интерфейсов модулей с сохранением логики работы всей системы и наработанногопрограммного обеспечения.
4. Мультипроцессорна мережа на базі TMS320C4x
Аппаратная реализация сети
Узлы вычислительной сети выполнены на процессорах TMS320C40 (TMS320C44), к которым подключена внешняя оперативная память емкостью 512-1024 кбайт. В зависимости от реализации процессорного модуля (TIM), память подключена только к локальной или к локальной и глобальной шинам процессора. Узлы сети используют коммуникационные порты процессора (6 для процессоров TMS320C40 и 4 для процессоров TMS320C44) для связи с другими узлами или внешними по отношению к сети устройствами.При построении сети использовались два типа процессорных модулей (TIM) с процессорами TMS320C44 - двухпроцессорный модуль с глобальной и локальной памятью в каждом узле (Dst44W) и четырехпроцессорный модуль только с локальной памятью (Dst44Q). Загрузка программного обеспечения сети и управление сетью осуществлялось с универсальной ЭВМ 486DX4-100, прием и отображение результатов обработки осуществлялся технологической ЭВМ 486DX2-66, установленной в VME-крейте.Двухпроцессорный модуль имеет связь с управляющей ЭВМ через FIFO буфер, подключенный к ISA шине и физически располагается в корпусе управляющей ЭВМ (на плате DSM40AT). Четырехпроцессорный модуль физически установлен в плату DSM40EP, расположенную в крейте вместе с технологической ЭВМ и связан с ее LPT портом через специальный адаптер собственного изготовления. Процессорные модули связаны между собой коммуникационными портами и JTAG-интерфейсом для отладки.
Простейшая первичная обработка РЛИ на МП сети
Для отработки и реализации на мультипроцессорной сети простейшего алгоритма первичной обработки данных было разработано функциональное программное обеспечение (ФПО), реализующее алгоритм, изображенный на рис.1. Исследование временных характеристик ФПО производилось под управлением мультипроцессорной операционной системы (ОС) реального времени SDF (разработки НГТУ), которая управляла потоком данных в сети и осуществляла синхронизацию отдельных модулей ФПО. В схему обработки (рис.1.) входят:
СДЦ 2-го порядка с действительными коэффициентами.
Ограничитель импульсных помех.
Согласованный фильтр для сложного сигнала (фильтр сжатия).
Детектор с пороговым устройством.
Входной сигнал для системы обработки формируется моделью, работающей в реальном времени, выход которой через дополнительный детектор с пороговым устройством подан на контрольный ИКО управляющей ЭВМ.INCLUDEPICTURE \d "Сеть на TMS.files/ris1.gif"Модель. Для формирования радиолокационной обстановки используется программа на С, модифицированная для достижения требуемого быстродействия и адаптированная к запуску из сетевой ОС. Модель формирует 512 комплексных отсчетов принятого сигнала по прерываниям таймера, период которого установлен равным периоду зондирования РЛС. Пакет данных модели, представляющий собой отсчеты эхо-сигнала, соответсвующие одному азимуту, направляется маршрутизаторами ОС узла в пороговое устройство 2 и далее на ИКО управляющей ЭВМ для контроля формируемой радиолокационной обстановки и в систему первичной обработки.
СДЦ. (Селекція рухомих цілей) В первичной обработке реализована СДЦ 2-го порядка с действительными коэффициентами. Для работы СДЦ требуются отсчеты сигнала (пакеты данных) с трех соседних азимутов. Прием и буферизация требуемых пакетов в процессорном узле, выполняющем СДЦ, осуществлялась операционной системой.
Ограничитель.
Алгоритм вычислений для одного отсчета данных, реализуемый в ограничителе, показан на рис.2. Как видно из алгоритма, время вычислений в ограничителе зависит от значений входных данных. В случае “жесткого” ограничения время вычислений больше. Время выполнения программы ограничителя было измерено в симуляторе, при этом на вход ограничителя подавались два пакета данных-первый содержал отсчеты, которые всегда приводили к выполнению условия ограничения, второй-отсчеты, для которых условия ограничения никогда не выполнялись. Значения времени выполнения в циклах для пакетов данных, содержащих 512 отсчетов, приведены в таблице 1.
Согласованный фильтр.Фильтр сжатия сложного сигнала реализован стандартным образом с замещением значений входного сигнала. Вычисления производятся по формулеINCLUDEPICTURE \d "Сеть на TMS.files/equ1.gif"где Base -длина импульсной характеристики согласованного цифрового фильтра H.Использование параллельных команд позволило вычислять комплексное умножение (4 умножения и 4 сложения) за 4 цикла (0.16 мкс). С учетом дополнительных расходов процессорного времени на организацию циклов вычисление одного выходного отсчета фильтра (32 комплексных умножения и 31 комплексное сложение) составило 144 цикла (5.76 мкс).
Пороговые устройства.В системе реализованы пороговые устройства со скользящим порогом. Значение порога вычислялось по формулеINCLUDEPICTURE \d "Сеть на TMS.files/equ2.gif"где A[n]=|x[n]| -амплитуда входного сигнала. При превышении сигналом порога принималось решение о наличии цели на n-ой дальности и формировалась соответствующая кодограмма в выходной пакет для индикации.
Распределение ФПО по сети процессоров.Распараллеливание вычислений и распределение модулей ФПО по сети процессоров производилось вручную. Для этого в симуляторе были определены временные характеристики каждого из модулей. Согласованный фильтр после анализа программы по времени выполнения был разбит на 4 части: фильтр 0 - первые 64 выходных отсчета, фильтры 1 и 2 по 192 выходных отсчета и фильтр 3 - 32 выходных отсчета. В таблице 1 приведены времена выполнения каждого программного модуля в процессорных циклах и в микросекундах для процессоров с тактовой частотой 50 МГц, а также количество операций с плавающей точкой, реализованных в каждом модуле ФПО. Максимальная производительность процессоров Vmax для каждого программного модуля определялась как количество операций с ПТ деленное на время.
Таблица 1. Временные параметры модулей ФПО, полученные в симуляторе.
Для реализации системы была выбрана линейная мультипроцессорная сеть из 6 процессоров TMS320C44, распределение модулей ФПО по процессорам сети показано на рис.3. Загрузка и запуск ФПО осуществлялось по управлением монитора сетевой операционной системы SDF.INCLUDEPICTURE \d "Сеть на TMS.files/ris3.gif"
При работе ФПО системы первичной обработки РЛИ с помощью встроенных средств ОС контролировались временные параметры каждого программного модуля. Результаты экспериментально полученных временных характеристик модулей приведены в таблице 2. Максимальная производительность процессоров оценивалась аналогично табл.1. Средняя производительность Vузла получена как общее количество операций с ПТ, выполняемых узлом, деленное на период поступления входных данных (период зондирования).
Таблица 2. Экспериментально измеренные временные параметры модулей ФПО.
Возможности наращивания сети
Несущая плата DSM40AT позволяет устанавливать 4 TIM-модуля DST44Q (16 процессорных узлов). Крейт имеет 8 разъемов для плат DSM40EP, на каждую из которых устанавливается по 4 TIM-модуля DST44Q. Таким образом, сеть может быть увеличена до 144 процессорных узлов.При построении мультипроцессорной сети использовались узлы и компоненты, выпускаемые АО "Инструментальные системы" г.Москва.
5. Пристрій формування і обробки сигналів. /ПФОС/
Устройство формирования и обработки сигналов. /УФОС/
1. Назначение УФОС.Устройство формирования и обработки сигналов /УФОС/ входит в состав когерентной дальностно-доплеровской радиолокационной станции, работающей в импульсном или квазинепрерывном режимах излучения и приема сложных амплитудно-фазоманипулированных зондирующих сигналов.В УФОС реализованы оригинальные алгоритмы формирования и обработки сложных амплитудно-фазоманипулированных зондирующих сигналов, обеспечивающие высокую эффективность и многофункциональность радиолокационных систем. Взаимосвязь УФОС с основными устройствами (приборами) РЛС приведставлена на рис. 1.
2. Принцип построения и структура УФОС.Устройство формирования и обработки сигналов построено по модульному принципу с наращиванием структуры и состоит из отдельных взаимозаменяемых программно-аппаратных модулей. Каждый программно-аппаратный модуль определяет свое функциональное назначение в соответствии со своим посадочным местом на этапе запуска системы путем программирования архитектуры и загрузки программ формирования и обработки сигналов для импульсного или квазинепрерывного режимов работы. При программировании модуль приобретает архитектуру устройства формирования сигналов (модуль кодирующего устройства - модуль КУ) или архитектуру устройства цифровой обработки сигналов (модуль устройства цифровой обработки сигналов модуль - УЦОС).Количество модулей определяется требуемыми тактико-техническими характеристиками системы.
3.Техническая реализация модуля.Модуль формирования и обработки сигналов реализован на основе устройств программируемой логики фирм Xilinx, Altera и сигнальных процессоров фирмы Analog Devices. Основные технические характеристики модуля определяются ресурсами ПЛИС ХС4010 ( Xilinx) и производительностью сигнального процессора ADSP2171 (Analog Devices), реализующего алгоритмы формирования и обработки сигналов.
Основные характеристики модуля УФОС при ведены в таблице:
К основным достоинствам разработки можно отнести:
увеличенный динамический диапазон обработки сигналов;
малые габариты, стабильность параметров, экономичность и надежность;
существенно сниженное энергопотребление;
высокую производительность и универсальность, обусловленную применением ПЛИС и сигнальных процессоров;
широкие возможности совершенствования архитектуры и модификации алгоритмов обработки.
4. Модуль кодирующего устройства.Кодирующее устройство предназначено для :
обеспечения режимов работы РЛС и требуемых рабочих шкал дальности;
формирования модулирующих сигналов, задающих закон амплитудно-фазовой манипуляции когерентной несущей зондирующего сигнала;
формирования и юстировки дискретных сигналов развязки, задающих закон коммутации приемно-передающего тракта РЛС;
обеспечения имитации контрольных целей в режимах проверки работоспособности РЛС.
Функциональная схема кодирующего устройства на представлена на рис. 3.
выполняют аналого-цифровое преобразование входных квадратурных видеосигналов, поступающих с фазовых детекторов;
производят корреляционную обработку сигналов в заданном рабочем диапазоне задержек;
выполняют спектральную обработку сигналов в заданном доплеровском диапазоне частот;
осуществляют требуемую селекцию движущихся и неподвижных целей /СДЦ,СНЦ/;
производят логическую обработку сигналов по сжатию радиолокационной информации;
вырабатывают адаптивный порог и выносят решение о наличии целей в отдельно-разрешаемых элементах дистанции;
производят цифро-аналоговое преобразование радиолокационной информации и выводят обработанную информацию в виде видеосигнала или цифрового сигнала на УВО.
Функциональная схема устройства цифровой обработки сигналов представлена на рис. 4. 6. Состав УФОС.
Возможный вариант реализации структурной схемы УФОС, отражающей взаимосвязь устройств и назначение основных сигналов, представлен на рис. 5.В состав УФОС входят:
два модуля кодирующих устройств;
восемь модулей устройства цифровой обработки сигналов.
7. Режимы работы УФОС.
УФОС обеспечивает формирование и обработку сигналов в двух режимах излучения и приема сложных амплитудно-фазоманипулированных сигналов:
в квазинепрерывном режиме излучения и обработки фазоманипулированных сигналов большой длительности /КРИО/;
в импульсном режиме излучения и обработки фазоманипулированных сигналов малой длительности /ИРИО/.
Режимы работы УФОС характеризуются :
диапазоном рабочих шкал дальности (ШД);
длительностью зондирующего сигнала /Тс/;
обрабатываемым доплеровским диапазоном частот /INCLUDEPICTURE \d "виртуальная выставка товаров и достижений.files/delta.gif"F/ ;
разрешающей способностью по дальности /d / ;
разрешающей способностью по доплеровской частоте / INCLUDEPICTURE \d "виртуальная выставка товаров и достижений.files/sigma.gif"f/;
выигрышом в отношении сигнал/шум /q/;
уровнем боковых лепестков функции неопределенности /R/;
уровенем подавления в зоне СДЦ /D/.
7.1 Квазинепрерывный режим излучения и обработки.
При квазинепрерывном режиме фазоманипулированный сигнал с большой базой (В=<256K) излучается отдельными импульсами, длительность и интервал следования которых определяется структурой дискретного сигнала коммутации передающего тракта. Дискретный сигнал коммутации имеет нерегулярную (псевдослучайную) структуру, в котором интервал следования импульсов значительно меньше времени задержек зхо-сигналов на рабочей шкале дальности. Прием импульсов производится в паузах работы передатчика. Пик-фактор /средняя скважность/ сигналов коммутации равен Q=5.При квазинепрерывном режиме производится когерентная обработка всех импульсов зондирующего сигнала в заданном диапазоне дальностей и доплеровских частот. Выдача радиолокационной информации на устройства вторичной обработки осуществляется после когерентной обработки квазинепрерывных сигналов.
В квазинепрерывном режиме излучения и обработки фазоманипулированных сигналов УФОС поддерживает режимы режекции мощных мешающих отражений в ближней зоне и режимы селекции движущихся и неподвижных целей /СДЦ,СНЦ/.
Основные технические характеристики квазинепрерывного режима:
8. Практическое использования результатов и перспективы развития.
В настоящее время устройства формирования и обработки сигналов (УФОС) испоьзуются в разработках, выполненных совместно с ведущими НПО и НИИ г. Санкт-Петербурга.Разработанные РЛС успешно прошли натурные испытания. Результаты испытаний подтвердили преимущщества предлагаемых методов формирования сигналов, обеспечивающих высокачественную селекцию движущщихся целей, и показали высокую эффективность алгоритмов обработки сигналов в условиях мощных пассивных отражений и преднамеренных помех.В настояий момент ведется разработка устройств формирования и обработки сигналов с разрешающщей способностью по дальности ( d=5 м ) и возможностью когерентной компенсации пассивных помех. Разрабатываемые устройства обладают повышенной производительностью.