AESA雷達信號處理及體系結(jié)構(gòu)

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數(shù)據(jù)——觀察從一個目標返回的脈沖隨時間的變化，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。

先進系統(tǒng)在陣列中增加了另一個維度。通過把天線劃分成子陣列，系統(tǒng)可以同時發(fā)送多個波束，然后，使用相同的多旁瓣天線方向圖設置接收器進行監(jiān)聽?；蛘?，系統(tǒng)通過聚束或者使用合成孔徑方法來掃描波束?，F(xiàn)在，當裝入壓縮后的脈沖時，系統(tǒng)建立一個三維方格陣列：一個軸上是發(fā)送脈沖，第二個是返回延時，第三個是波束方位（圖4 ）?，F(xiàn)在，對于每一路脈沖，我們有兩維或者三維方格陣列，同時表示距離和方向——表示物理空間。這種存儲器的排列是空時自適應處理（STAP）的起點。


圖4 .多維方格為STAP建立矩陣。

這一術語可以解釋為：“空時”，數(shù)據(jù)組在3D空間統(tǒng)一了目標的位置，含有與目標相關的啁啾時間。之所以是“自適應”，是因為算法從數(shù)據(jù)中獲得自適應濾波。

概念上，實際情況也是如此，構(gòu)成自適應濾波器是一個矩陣求逆過程：這一數(shù)據(jù)要與哪一矩陣相乘，得到噪聲中隱藏的結(jié)果？據(jù)Altera資深技術營銷經(jīng)理Michael Parker，推測的隱藏方向圖信息可能來自多普勒處理過程發(fā)現(xiàn)的種子，從其他傳感器采集的數(shù)據(jù)，或者來自智能數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)的濾波函數(shù)。

很顯然，在這一點，計算負載非常大。反變換算法需要的動態(tài)范圍要求進行浮點計算。對于戰(zhàn)斗環(huán)境中一個實際的中等規(guī)模系統(tǒng)，必須實時進行處理，Parker估算了STAP負載會達到幾個TFLOPS.在采用了低分辨率、窄動態(tài)范圍的系統(tǒng)中，實時性要求并不高，例如，簡單的汽車輔助駕駛系統(tǒng)或者合成孔徑映射系統(tǒng)等，這一負載會顯著減小。

從STAP，信息進入到通用CPU中，復雜但是數(shù)字計算量小，軟件嘗試對目標進行分類，構(gòu)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，我們不但在信號處理域處理信號，而且還進入了人工智能領域。

兩種體系結(jié)構(gòu)

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

作為對比，汽車或者機器人系統(tǒng)設計人員會從完全不同的角度看系統(tǒng)。從嵌入式設計人員的角度看，系統(tǒng)只是一大段軟件，有一些非常專用的I/O器件，以及需要進行加速的某些任務。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(guī)模，可能會對這一方法不屑一顧。很顯然，機載多功能雷達的數(shù)據(jù)速率、靈活性和動態(tài)范圍要求采用專用DSP流水線以及大量的本地緩沖才能完成實時處理。但是對于有幾個天線單元的不同應用，簡單的環(huán)境、更短的距離和較低的分辨率，以CPU為中心的觀點帶來了一些有意思的問題。

萊斯大學的Gene Frantz教授提出的第一個問題是，定義真實環(huán)境的I/O.第二個問題是選擇CPU.Frantz注意到，“很少只有一個CPU.更常見的是異構(gòu)多處理系統(tǒng)。”Frantz建議這一方法不從MATLAB中的DSP函數(shù)開始，而是從C語言中描述的完整系統(tǒng)開始。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。”

實際結(jié)果可能與以DSP為中心的方法完全不同。例如，以CPU為中心的方法一開始假設在一片通用CPU上執(zhí)行所有工作。如果速度不夠快，這一方法轉(zhuǎn)向多片CPU，共享一個分層的連續(xù)存儲器。只有當多核不足以完成任務時，這一方法才轉(zhuǎn)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統(tǒng)一的存儲器開始。它為每一個處理器分配連續(xù)高速緩存，為加速器分配本地工作存儲器。它開始時并不假設任何硬件流水線，也不把任務混合映射到硬件資源上。

在要求最嚴格的應用中，同一個系統(tǒng)設計可能會同時采用兩種體系結(jié)構(gòu)方法。幾乎每一任務嚴格的帶寬和計算需求都導致采用專用硬件流水線和存儲器例化。要求大幅度降低功耗可能會迫使做出采用高精度數(shù)字方法的決定，這使得在任務之間共享硬件變得越來越復雜。

精度是Frantz強調(diào)的一點。他指出，“把有效位數(shù)減少一半使您能夠?qū)⑿阅芴岣咭粋€量級。”為降低功耗，您可以對以上這些做出犧牲或者部分犧牲。

Frantz指出了關于模擬/數(shù)字邊界的問題。他說：“我們需要重新考慮模擬信號處理。三十年以前，我們開始告訴系統(tǒng)設計人員只要做好數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就行，我們采用數(shù)字方法完成其他所有工作。但是實際上，在8位分辨率，模擬和數(shù)字方法大概是相同的。模擬是不是更好一些？這取決于在您的系統(tǒng)中，‘更好的含義是什么。”

地球物理測繪或者自動陸地車輛系統(tǒng)使用的合成孔徑雷達等窄帶系統(tǒng)會采用與戰(zhàn)斗雷達完全不同的體系結(jié)構(gòu)。它可以使用模擬濾波器、上變頻器/下變頻器以及聚束功能來完成一個寬帶存儲器系統(tǒng)的所有后續(xù)處理工作，還使用具有浮點加速器和動態(tài)負載均衡功能的多個異構(gòu)處理器（圖5 ）。


圖5.一個理想的低性能AESA系統(tǒng)。