雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)字模擬的TMS320C6201實現(xiàn)

1 引言

隨著科技的發(fā)展和需求的不斷提高，雷達(dá)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，種類越來越多，對于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計、監(jiān)測和維護(hù)變得越來越困難。正是在這樣的情形下，使雷達(dá)模擬成為解決這一系列問題的有效手段，雷達(dá)系統(tǒng)模擬是數(shù)字技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有靈活性和經(jīng)濟性的優(yōu)點。用軟件建立符合用戶需求的模型，區(qū)別于實物模型易受環(huán)境、物質(zhì)、技術(shù)等條件的約束，具有良好的可控性。

雷達(dá)目標(biāo)模擬是雷達(dá)系統(tǒng)模擬的重要組成部分。雷達(dá)目標(biāo)信號可以視為發(fā)射波形經(jīng)過延遲和多普勒頻移后的復(fù)現(xiàn)波形，而且波形振幅受到天線方向圖的雙程波瓣調(diào)制，利用dsp的高速計算性能，可以實現(xiàn)目標(biāo)回波信號的實時計算輸出。

2 雷達(dá)目標(biāo)回波的模擬

2.1 點目標(biāo)回波信號

由于本文要模擬的雷達(dá)目標(biāo)尺寸小于雷達(dá)分辨單元，因此將此目標(biāo)視為點目標(biāo)。設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號表示為：

其中u（t）是復(fù)調(diào)制函數(shù)，f0是載頻。

則目標(biāo)回波的視頻信號經(jīng)過恒定多普勒理論簡化后可表示為：

其中τ為回波信號的雙程時延，fd為目標(biāo)回波的多普勒頻移，。

上式適用于v＜＜c，bt＜＜c/2v的點目標(biāo)情況。

2.2 點目標(biāo)回波的相干視頻模擬

目標(biāo)回波的相干視頻信號是指目標(biāo)回波信號經(jīng)過雷達(dá)接收機的相干解調(diào)后輸出的信號,可表示為：

上式?jīng)]有考慮復(fù)反射系數(shù)γ引起的附加相移，在不考慮τ及由τ引起的附加固定相位項exp（－j2πfoτ），則上式可簡化為：

設(shè)相干脈沖雷達(dá)脈沖重復(fù)間隔為t，復(fù)調(diào)函數(shù)u(t)＝a（t）exp[jθ(t)]，則點目標(biāo)回波的相干視頻信號采樣可用其正交分量表示為：

其中k表示采樣號，θ(kt)為目標(biāo)回波的初始相位，計算時可取為0，雷達(dá)點目標(biāo)回波的全部信息都包含在這兩個正交分量中。fd是該點目標(biāo)的多普勒頻移；a（kt）為雷達(dá)發(fā)射信號復(fù)調(diào)制函數(shù)的包羅函數(shù)，a（kt）＝ ，γ為復(fù)反射系數(shù)，他與雷達(dá)截面積σ的關(guān)系為 ，式中φ表示反射信號附加的相移。雷達(dá)截面積不僅與目標(biāo)的大小、反射特性等特點有關(guān)，還受目標(biāo)起伏特性的影響，此處雷達(dá)截面積采用swelling模型。λ為雷達(dá)波長，r為目標(biāo)與雷達(dá)間的距離，g為受天線方向圖影響的雷達(dá)單邊功率增益，l為系統(tǒng)損耗因子。

因此，雷達(dá)回波的數(shù)字模擬主要是模擬目標(biāo)的振幅a（kt）和多普勒頻移fd。

2.3 天線的調(diào)制

單脈沖跟蹤雷達(dá)采用和差波束來對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，這種雷達(dá)系統(tǒng)的天線在一個角平面內(nèi)有4個部分重疊的子波束，如圖1所示。

4個子波束分別對接收到的目標(biāo)回波進(jìn)行幅度調(diào)制，可以得到4路信號，雷達(dá)將這4路信號進(jìn)行和差處理，由差信號的大小可以得到目標(biāo)位置（方位角、俯仰角）與天線中心指向的偏離誤差，所以可以調(diào)整天線指向，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。從波束截面圖方向看，4個波束的中心位置如圖1所示，其中原點為天線軸向，α軸為方向角方向，β軸為俯仰角方向，設(shè)由4個波束接收到的目標(biāo)信號為a1，a2，a3，a4，那么和信號σ，方位差信號δα、俯仰差信號δβ可以分別表示為：

雷達(dá)按照上式對回波信號進(jìn)行處理，也可以看作是和差方向圖調(diào)制的結(jié)果。以兩個波束為例，將兩個子波束、和波束、差波束的方向圖表示如圖2所示。

要模擬點目標(biāo)σ，δα，δβ信號，最直接的辦法是產(chǎn)生一路σ信號，然后分別用圖2所示的和、差波束方向圖對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，從而得到σ，δα，δβ信號，但是必須采用多通道結(jié)構(gòu)。如果換一個角度考慮，采用4個精密衰減器來模擬4個子波束的調(diào)制，得到4路信號后，再使用上式求出σ，δα，δβ信號就可以只用一個目標(biāo)信號通道，在數(shù)據(jù)輸出時再使用衰減器來產(chǎn)生σ，δα，δβ信號，目標(biāo)的航跡在模擬器中可按主機傳送的參數(shù)，由dsp實時計算得出。

3 目標(biāo)軌跡的模擬

由于雷達(dá)獲得的是離散的目標(biāo)信號，即以一定時間間隔t獲得的目標(biāo)信息。當(dāng)這個時間間隔足夠小時，可以用直接段（或旋）去逼近目標(biāo)的飛行軌跡，同時可以認(rèn)為在這樣一個微小的時間間隔內(nèi)目標(biāo)是勻加速運動的。因此任意飛行軌跡可視為直線運動和勻速空間圓周運動的組合。

根據(jù)以上兩種基本運動軌跡，可以組合出很多種復(fù)雜的運動軌跡，圖3為用tms320c6201實現(xiàn)的，基于直線和圓周運動進(jìn)行組合而產(chǎn)生的一個復(fù)合軌跡。

4 基于tms320c6201的實現(xiàn)

4.1 tms320c6201簡介

tms320c6201是ti公司推出的一款定點數(shù)字信號處理器，cpu內(nèi)含有8個并行處理的運算單元，指令長達(dá)256b，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開設(shè)置，程序存儲器為512kb，或作為外部存儲器的cache。數(shù)據(jù)存儲器為512kb，指令周期為5ns，時鐘為200mhz。理想情況下，每次執(zhí)行8條指令，故可以達(dá)到1600mips，芯片內(nèi)集成外設(shè)包括：外存儲器接口emif，主機口hpi，擴展總線xb，自舉控制邏輯、多通道緩沖串口、定時、中斷選擇子、power－down邏輯。軟件設(shè)計可采用c語言，匯編語言和線性匯編語言等。

4.2 基于tms320c6201的實現(xiàn)

由于模擬雷達(dá)回波信號有實時性的要求，因此在實現(xiàn)過程中，采用了c語言與匯編語言混合編程的方法，框架程序使用c語言編寫，對運行速度要求高的子程序采用匯編語言編寫，因此這就涉及到c語言與匯編語言混合編程的接口約定，現(xiàn)將部分接口約定總結(jié)如下：

（1）c函數(shù)調(diào)用匯編程序時，主調(diào)c程序會自動保存a0－a9，b0－b9寄存器的值，其余寄存器的值如有必要需人工保存，返回時a0－a9，b0－b9寄存器的值會自動恢復(fù)，其余則需人工恢復(fù)；

（2）主調(diào)c程序進(jìn)行匯編函數(shù)調(diào)用時，函數(shù)的參數(shù)傳遞遵循以下規(guī)則：8/16b參數(shù)依次存入a4，b4、a6、b6、a8、b8、a10、b10、a12、b12；如果傳遞的是長型，雙精度等32/64b參數(shù)，則將參數(shù)存入一對奇偶寄存器對中，如a5：a4，b5：b4，a8：a7等。當(dāng)需要傳遞的參數(shù)個數(shù)多于10個時，則多出的參數(shù)置于stack中。

（3）如果c調(diào)用函數(shù)中做了正確的函數(shù)返回聲明，則被調(diào)用的匯編函數(shù)可以返回有效值。如果返回值是整型或32位的浮點型，則放在寄存器a4中返回，如果返回值是雙精度或是長雙精度型，則放在a5：a4中返回，如果返回值是一個結(jié)構(gòu)類型，則將結(jié)構(gòu)地址放在a3中返回。

（4）任何一個在匯編語言中聲明的對象都要使其在c中是可訪問的，那么在匯編語言中必須用.def或.global進(jìn)其聲明為外部變量。同樣在匯編語言中要引用c函數(shù)或?qū)ο髸r，必須用.ref或.global將c對象聲明，將這產(chǎn)生一個在匯編語言函數(shù)中沒有定義的由鏈接器辨識的外部引用。

圖3即為用tms320c6201實現(xiàn)的目標(biāo)軌跡之一，將整個系統(tǒng)放在硬件平臺上進(jìn)行調(diào)試，可以得到與其要求的目標(biāo)軌、目標(biāo)的多普勒頻移和天線調(diào)制后的目標(biāo)回波信號振幅。

5 目標(biāo)通道實現(xiàn)

計算機通過pci接口卡和模擬器實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口。目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲器采用了高速大容量同步動態(tài)存儲器（sdram），sdram映射在tms320c6201的外部存儲器的空間的ce2和ce3空間，eprom映射在ce1空間，而輸入輸出雙口ram都映射在ce0空間。

整個工作流程如下：

（1）在主機中根據(jù)雷達(dá)調(diào)試要求設(shè)置載機高度、載機速度、雷達(dá)載頻以及目標(biāo)的各項參量，預(yù)先計算目標(biāo)數(shù)據(jù)。

（2）主機通過pci接口把事先計算好的目標(biāo)數(shù)據(jù)送往輸入雙口ram，再通過tms320c6201把輸入雙口ram中的數(shù)據(jù)存入目標(biāo)sdram中。

（3）在主機和tms320c6201將目標(biāo)數(shù)據(jù)送入存儲器后，tms320c6201根據(jù)下一幀的prf值，計算目標(biāo)數(shù)據(jù)的存放地址，從該地址取出一幀目標(biāo)數(shù)據(jù)送往目標(biāo)幅度輸出雙口存儲器，再由輸出雙口存儲器輸出到后級電路，tms320c6201還要根據(jù)當(dāng)前的波束指向輸出衰減器控制數(shù)據(jù)，對目標(biāo)信號進(jìn)行天線方向圖調(diào)制，形成目標(biāo)和差信號。

（4）數(shù)字、視頻輸出

信號合成與輸出電路將目標(biāo)、雜波、噪聲數(shù)據(jù)合成得到數(shù)字雷達(dá)回波信號后直接輸出σ，δα，δβ數(shù)字信號，視頻輸出由σ，δα，δβ數(shù)字信號經(jīng)過d/a變換后得到。

6 結(jié)語

本文簡要介紹了雷達(dá)視頻模擬的理論，并介紹了c語言和匯編程序混合編程的一些約定，對目標(biāo)軌跡的模擬進(jìn)行了分析，基于簡單的基本軌跡實現(xiàn)各種復(fù)合軌跡，較逼真地復(fù)現(xiàn)實際環(huán)境中目標(biāo)的運動。