深入了解掃描陣列雷達信號處理

　　從信號到目標

　　脈沖壓縮是這一抽象過(guò)程的開(kāi)始。在時(shí)間域或者頻域，脈沖壓縮器一般通過(guò)自相關(guān)找到有可能含有發(fā)送啁啾的波形。然后，它采用脈沖目標來(lái)表示這些波形 —— 含有到達時(shí)間、頻率和相位以及其他相關(guān)數據的數據包。從這里開(kāi)始，接收鏈會(huì )處理這一數據包而不是接收到的信號。

　　下 一步一般是多普勒處理。首先，脈沖被送入方格陣列中( 圖 3 ) 。在陣列中，每一列含有從某一發(fā)射器啁啾返回的脈沖。陣列中會(huì )有很多列，這取決于系統能夠承受多大的延時(shí)。陣列中的行表示返回切換時(shí)間：距離陣列的 x 軸越遠，發(fā)射器啁啾和接收脈沖到達時(shí)間之間的延時(shí)就越大。這樣，延時(shí)方格也代表了與某一脈沖反射的目標的距離。

　　圖 3 .多普勒處理方格。

　　把一系列啁啾脈沖置入到正確的方格中后 ， 多普勒處理程序水平移動(dòng)數據 —— 觀(guān)察從一個(gè)目標返回的脈沖隨時(shí)間的變化 ， 提取出相對速度和目標頭部信息。這一處理方法需要很大的環(huán)形緩沖，無(wú)論某一多普勒算法一次能夠處理多少方格，緩沖都能夠容納所有的方格。

　　先進(jìn)系統在陣列中增加了另一個(gè)維度。通過(guò)把天線(xiàn)劃分成子陣列，系統可以同時(shí)發(fā)送多個(gè)波束，然后，使用相同的多旁瓣天線(xiàn)方向圖設置接收器進(jìn)行監聽(tīng)?；蛘?，系統 通過(guò)聚束或者使用合成孔徑方法來(lái)掃描波束?，F在，當裝入壓縮后的脈沖時(shí)，系統建立一個(gè)三維方格陣列：一個(gè)軸上是發(fā)送脈沖，第二個(gè)是返回延時(shí)，第三個(gè)是波束 方位( 圖 4 ) ?，F在，對于每一路脈沖，我們有兩維或者三維方格陣列，同時(shí)表示距離和方向 —— 表示物理空間。這種存儲器的排列是空時(shí)自適應處理 (STAP) 的起點(diǎn)。

　　圖 4 .多維方格為STAP建立矩陣。

　　這一術(shù)語(yǔ)可以解釋為 ：“ 空時(shí)” ， 數據組在 3D 空間統一了目標的位置 ， 含有與目標相關(guān)的啁啾時(shí)間。之所以是“自適應”，是因為算法從數據中獲得自適應濾波。

　　概 念上，實(shí)際情況也是如此，構成自適應濾波器是一個(gè)矩陣求逆過(guò)程：這一數據要與哪一矩陣相乘，得到噪聲中隱藏的結果 ? 據Altera資深技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Michael Parker，推測的隱藏方向圖信息可能來(lái)自多普勒處理過(guò)程發(fā)現的種子，從其他傳感器采集的數據，或者來(lái)自智能數據。運行在 CPU 下游的算法把假設的方向圖插入到矩陣方程中，解出能夠產(chǎn)生預期數據的濾波函數。

　　很顯然，在這一點(diǎn)，計算負載非常大。反變換算法需要的動(dòng) 態(tài)范圍要求進(jìn)行浮點(diǎn)計算。對于戰斗環(huán)境中一個(gè)實(shí)際的中等規模系統，必須實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，Parker估算了STAP負載會(huì )達到幾個(gè) TFLOPS 。在采用了低分辨率、窄動(dòng)態(tài)范圍的系統中，實(shí)時(shí)性要求并不高，例如，簡(jiǎn)單的汽車(chē)輔助駕駛系統或者合成孔徑映射系統等，這一負載會(huì )顯著(zhù)減小。

　　從 STAP ，信息進(jìn)入到通用CPU中，復雜但是數字計算量小，軟件嘗試對目標進(jìn)行分類(lèi)，構建環(huán)境模型，估算威脅所在，或者告訴操作員，或者直接采取緊急措施。在這一點(diǎn)，我們不但在信號處理域處理信號，而且還進(jìn)入了人工智能領(lǐng)域。

　　兩種體系結構

　　從一名經(jīng)驗豐富的雷達系統設計師的角度看，我們還只是膚淺的了解了 AESA 戰斗雷達。這一參考方法把網(wǎng)絡(luò )看成是相對靜態(tài)的 DSP 鏈，都連接至STA 模塊，其本身是軟件受控的矩陣算術(shù)單元。除此之外，從 DSP 專(zhuān)家的角度看，是一組 CPU 內核。

　　作為對比，汽車(chē)或者機器人系統設計人員會(huì )從完全不同的角度看系統。從嵌入式設計人員的角度看，系統只是一大段軟件，有一些非常專(zhuān)用的 I/O 器件，以及需要進(jìn)行加速的某些任務(wù)。有經(jīng)驗的雷達信號工程師考慮到信號處理和通用硬件的相對規模，可能會(huì )對這一方法不屑一顧。很顯然，機載多功能雷達的數 據速率、靈活性和動(dòng)態(tài)范圍要求采用專(zhuān)用 DSP 流水線(xiàn)以及大量的本地緩沖才能完成實(shí)時(shí)處理。但是對于有幾個(gè)天線(xiàn)單元的不同應用，簡(jiǎn)單的環(huán)境、更短的距離和較低的分辨率，以 CPU 為中心的觀(guān)點(diǎn)帶來(lái)了一些有意思的問(wèn)題。

　　萊斯大學(xué)的 Gene Frantz 教授提出的第一個(gè)問(wèn)題是，定義真實(shí)環(huán)境的 I/O 。第二個(gè)問(wèn)題是選擇 CPU 。 Frantz 注意到，“很少只有一個(gè) CPU 。更常見(jiàn)的是異構多處理系統。” Frantz 建議這一方法不從 MATLAB 中的 DSP 函數開(kāi)始，而是從 C 語(yǔ)言中描述的完整系統開(kāi)始。然后，以 CPU 為中心的設計人員不是定義設計中 DSP 和 CPU 域之間的硬件邊界，而是“不斷優(yōu)化并加速 C 代碼。”

　　實(shí)際結果可能與以 DSP 為中心的方法完全不同。例如，以 CPU 為中心的方法一開(kāi)始假設在一片通用 CPU 上執行所有工作。如果速度不夠快，這一方法轉向多片 CPU ，共享一個(gè)分層的連續存儲器。只有當多核不足以完成任務(wù)時(shí)，這一方法才轉向優(yōu)化的硬件加速器。

　　相似的，以 CPU 為中心的設計從假設一個(gè)統一的存儲器開(kāi)始。它為每一個(gè)處理器分配連續高速緩存，為加速器分配本地工作存儲器。它開(kāi)始時(shí)并不假設任何硬件流水線(xiàn)，也不把任務(wù)混合映射到硬件資源上。