CN103217664A - 基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，主要解决了现有技术传输系统开发费用高、周期长、大数据量实时传输困难以及数据采集卡与信号处理机系统不兼容的问题。其实现步骤是：组建由8圆阵天线、接收机、中间机、信号处理机以及终端显控平台构成的传输系统，通过8圆阵天线接收调频信号，并用接收机中的两块FPGA综合处理板对8个频点数据打包后实时传输到中间机；中间机通过千兆以太网将8个频点数据实时转发至信号处理机；信号处理机的数据以乒乓形式存放，信号处理机对数据进行实时处理。本发明具有开发成本低、周期短、硬件平台易于管理、数据可直接存于内存的优点，可用于外辐射源雷达数据的实时传输。

Description

基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法

本发明属于雷达技术领域，涉及外辐射源雷达信号处理系统中天线接收部分与信号处理部分之间的大数据量传输和接收方法，可在Winsock+Visual studio软件集成开发平台下，实现对外辐射源雷达信号数据的实时传输和接收。

技术背景

随着现代科技的不断发展，各种传统体制雷达面临着前所未有的挑战。如何克服日益增加的电子侦察与电子干扰、高速反辐射导弹、超低空飞机和巡航导弹以及隐身飞行器的威胁便成了雷达科技工作者们不得不考虑的问题。外辐射源雷达是双/多基地体制雷达的一种，这种雷达自身并不发射电磁波信号，它只接收被测目标自身所辐射的电磁波，或者接收第三方照射源发射后经过目标反射回来的电磁波获取目标信息。具有明显的抗干扰、反隐身、抗反辐射导弹、反低空突袭的“四抗”能力，近年年来一直受到业界的关注。

基于外辐射源雷达除了战场生命力强、反隐身外，还具有如下优点：①工作频点分布范围广，便于多发射站联合定位；②信号形式多样，可选择性强，不易被干扰；③系统生存能力强，可多站多频段协调工作，方便进行数据融合。然而由于外辐射源具有非协作的特性，外辐射源雷达的探测性能受到较大的限制，该种雷达接收到的目标信号十分微弱，要达到与常规雷达相同的性能，就需要更加精确的算法以及处理更大的数据量。

目前，外辐射源雷达系统的实时数据传输主要通过两种方式来实现：一是按照系统要求开发专用的数据传输处理板，但是其开发成本高、开发难度大、开发周期长、结构复杂而且这种专用的处理板只是针对特定的系统要求开发的，移植性和扩展性都很差。二是使用货架产品，即使用现有性能比较好的数据传输卡或数据采集卡，如反射内存卡、凌华系列数据采集卡等。但使用这些卡对系统又有特定的要求，如凌华7300A数据采集卡与windows7操作系统不兼容，使得数据采集卡无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，以降低开发难度和成本，缩短开发周期，简化外辐射源雷达系统结构，实现外辐射源雷达系统中数据采集卡与信号处理机的系统兼容和大数据量的实时性传输。

为实现上述目的，本发明方法包括如下步骤：

（1）传输系统组建步骤：

(1a)设置8圆阵天线、天线接收机、中间机、信号处理机及终端显控平台，在中间机中安装有数据采集卡及千兆以太网卡;

(1b)将8圆阵与天线接收机的输入端连接，将天线接收机的输出端与中间机中的数据采集卡连接，将中间机中的千兆以太网卡与信号处理机的输入端连接，将信号处理机的输出端与终端显控平台连接，在天线接收机与信号处理机之间设置数据传输通道；

（2）资源配置步骤：

（2a）用8圆阵天线的每一阵元同时接收8个调频广播信号，天线接收机将每一阵元天线接收的信号经过带通采样、A/D变换、数字下变频后得到8个频点的正交信号，并通过数字化信道处理将8个频点的正交信号分离开来，得到8×8=64路信号，传输至中间机；

(2b)在中间机中设置两块容量大于等于75MB的数据缓冲区M1、M2，这两个数据缓冲区对应的标志位分别为F1、F2；

(2c)在数据采集卡与M1和M2之间设置第一数据指针K1，在千兆以太网卡与M1和M2之间设置第二数据指针K2，通过置标志位F1、F2，控制K1、K2指向哪个数据缓冲区；

(2d)在信号处理机中设置两块容量大于等于75MB的数据缓冲区S1、S2，这两个数据缓冲区对应的标志位分别为G1、G2；

(2e)在信号处理机的输入端与S1和S2之间设置第三数据指针K3，在信号处理机的信号处理模块与S1和S2之间设置第四数据指针K4，通过置标志位G1、G2，控制K3、K4指向哪个数据缓冲区；

（3）数据转发步骤：

(3a)初始化数据采集卡，采集当前帧的外辐射源雷达频点数据；

(3b)将第一数据指针K1指向中间机的第一数据缓冲区M1上，数据采集卡将采集到的当前帧的外辐射源雷达频点数据存放在该缓冲区M1中；

(3c)将第一数据指针K1指向中间机的第二数据缓冲区M2上，数据采集卡将采集到的下一帧数据存放在该缓冲区M2中，同时将第二数据指针K2指向中间机的第一数据缓冲区M1上；

(3d)中间机通过套接字Socket将当前帧的外辐射源雷达数据实时转发至信号处理机的数据接收端；

（4）数据接收步骤；

（4a）信号处理机的数据接收端开启一个数据接收线程，用来对转发至信号处理机的外辐射源雷达数据进行接收；

（4b）将数据接收线程与CPU核绑定在一起；

（4c）数据接收线程将接收的外辐射源雷达数据以乒乓的形式存放在信号处理机开辟的数据缓冲区S1和S2中。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1）本发明所采用的中间机，解决了数据采集卡与信号处理机系统不兼容的问题，与开发专业的数据传输板卡相比，本发明所述的方法具有开发成本低、开发周期短、硬件平台易于搭建、管理的优点。

2）本发明可以将每帧外辐射源雷达数据一次性发送到信号处理机的数据接收端，和分批发送的数据传输方案相比，降低了数据传输过程的软件延时，提高了外辐射源雷达数据传输的实时性。

3）本发明的数据转发通过调用套接字Socket的函数完成，省去了网络底层的驱动开发工作，本发明所述的方法具有开发难度低、开发周期短的优点。

4）本发明在信号处理机中开辟两块数据缓冲区，避免了正在处理的数据被下一帧数据覆盖，提高了外辐射源雷达系统的实时性和稳定性。

附图说明

图1是本发明应用的系统示意图；

图2是本发明应用的系统框图；

图3是本发明的流程图；

图4是用本发明作为数据传输方案终端航迹显示PPI图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

参照图3，本发明的具体实现如下：

步骤1，组建传输系统。

本发明组建的系统如图1和图2所示。

参照图1，本发明组建的外辐射源雷达系统包括8阵元天线、天线接收机、中间机、信号处理机及终端显控平台，在中间机中安装有数据采集卡及千兆以太网卡。由于信号处理机和数据采集卡不兼容，如果把数据采集卡置于信号处理机中，会导致数据采集卡和信号处理机都无法正常工作，因此要在天线接收机和信号处理机之间添加一个中间机，并将数据采集卡安装在该中间机中，既可以解决系统兼容性的问题，又可以避免数据采集卡工作时，CPU资源占用对信号实时处理的影响。8阵元天线接收空间中指定的8个调频广播电台信号，接收的信号主要包括目标回波信号、直达波信号、地物杂波信号、多径杂波信号以及噪声信号。8圆阵天线接收的信号经过接收机处理后，通过中间机转发至信号处理机进行实时处理，并将处理的结果发送给终端显示平台，终端进行航迹显示处理。

参照图2，在本发明组建的外辐射源雷达系统的天线接收机中，8圆阵天线接收的信号经过功率放大、带通采样、A/D变换、下变频后，再通过数字化信道滤波器选出对应于8个频点f₁,f₂,…,f₈的64路信号，两块FPGA综合处理板将8个频点的外辐射源雷达数据封装综合后，通过数据采集线将8个频点的数据发送到中间机，中间机通过千兆以太网将外辐射源雷达数据转发至信号处理机，在信号处理机中，实时信号处理模块负责对数据进行数字波束形成DBF、杂波相消、距离-多普勒、恒虚警检测处理，消除回波信号中直达波、地物杂波、多径杂波以及噪声信号，提纯目标信号，并将处理的结果进行比幅测角、航迹关联、航迹显示，最终完成多频点外辐射源雷达信号的实时传输、实时处理、实时显示。

步骤2，配置资源。

（2a）用8圆阵天线的每一阵元同时接收8个调频广播信号，天线接收机将每一阵元天线接收的信号经过带通采样、24位A/D变换、数字下变频后得到8个频点的正交信号;

（2b）通过数字化信道处理将8个频点的正交信号分离开来：

(2b1)把20MHz带宽的调频广播信号划分为4组信号，每组信号带宽为5MHz；

(2b2)把每组5MHz带宽的信号划分为带宽大小为200KHz的单频信号，4组信号共得到100个单频信号；

(2b3)将8个混合在一起的调频广播信号与100个单频信号进行频率匹配，得到8个分离开来的频点信号；

(2c)将8个阵元天线得到的75MB的外辐射源雷达数据实时传输至中间机:

(2c1)8个阵元天线共得到8×8=64路正交信号，在每一个时刻，一路正交信号的数据容量为6字节Byte，64路信号总的数据率为200K×64×6Byte÷1024=75MB/秒，将64路信号以32路为一组，分别输给天线接收机中的两块FPGA综合处理板；

(2c2)两块FPGA综合处理板分别将32路信号的外辐射源雷达数据封装后再综合在一起，通过数据采集线以75MB/秒的速度实时传输至中间机；

(2d)在中间机中设置两块容量大于等于75MB的数据缓冲区M1、M2，这两个数据缓冲区对应的标志位分别为F1、F2；

(2e)在数据采集卡与M1和M2之间设置第一数据指针K1，在千兆以太网卡与M1和M2之间设置第二数据指针K2，通过置标志位F1、F2，控制K1、K2指向哪个数据缓冲区；

(2f)在信号处理机中设置两块容量大于等于75MB的数据缓冲区S1、S2，这两个数据缓冲区对应的标志位分别为G1、G2；

(2g)在信号处理机的输入端与S1和S2之间设置第三数据指针K3，在信号处理机的信号处理模块与S1和S2之间设置第四数据指针K4，通过置标志位G1、G2，控制K3、K4指向哪个数据缓冲区。

步骤3，数据转发。

(3a)通过初始化函数对数据采集卡进行初始化，初始化函数的选用是根据数据采集卡的型号来决定，数据采集卡初始化后开始采集当前帧的外辐射源雷达频点数据；

(3b)将第一数据指针K1指向中间机的第一数据缓冲区M1上，数据采集卡将采集到的当前帧的外辐射源雷达频点数据存放在该缓冲区M1中；

(3c)将第一数据指针K1指向中间机的第二数据缓冲区M2上，并将数据采集卡采集到的下一帧数据存放在该缓冲区M2中，同时将第二数据指针K2指向中间机的第一数据缓冲区M1上；

(3d)中间机通过套接字Socket将当前帧的外辐射源雷达数据实时转发至信号处理机的数据接收端，其转发步骤如下：

(3d1)中间机和信号处理机之间通过调用Windows Socket的socket()、bind()、listen()、accept()及conect()建立通信连接；

(3d2)中间机调用Windows Socket的send()函数，把所述数据缓冲区M1中当前帧的外辐射源雷达数据，通过传输控制协议TCP以大于等于75MB/秒的速度实时转发给信号处理机的数据接收端。

步骤4，数据接收。

（4a）信号处理机的数据接收端开启一个数据接收线程，用来对转发至信号处理机的外辐射源雷达数据进行接收；

（4b）通过调用Windows应用程序编程接口API的SetThreadAffinityMask()函数将数据接收线程与CPU核绑定在一起，避免CPU资源占用（造成的）对数据接收的影响；

（4c）数据接收线程将接收的外辐射源雷达数据以乒乓的形式存放在信号处理机开辟的数据缓冲区S1和S2中：

(4c1)将第三数据指针K3指向信号处理机的第一数据缓冲区S1上，数据接收线程调用套接字Socket的recv()函数开始接收当前帧外辐射源雷达数据，并把接收到的数据存放在所述的数据缓冲区S1中；

(4c2)将第三数据指针K3指向信号处理机的第二数据缓冲区S2上，同时将第四数据指针K4指向所述的数据缓冲区S1上；

(4c3)信号处理机的信号处理模块对所述数据缓冲区S1中的数据进行实时处理，与此同时，数据接收线程开始接收下一帧外辐射源雷达数据，并将其存放在所述的数据缓冲区S2中。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1）实验条件：

实验中软件平台为Visual Stdio2008+WinSock+CUDA，CUDA采用4.0版本，信号处理机选用AMAX工作站，操作系统为Win7系统，中间机选用Dell台式机，操作系统为Window XP，数据采集卡选用凌华7300A。

仿真实验采用两组数据，第一组为10帧数据，每帧数据量为100MB；第二组为8个调频台100帧的外辐射源雷达数据，每帧数据量为75MB，仿真数据中包含3个目标，已知目标1沿正北偏东38°直线飞行，目标2沿正南偏东20°直线飞行，目标3沿正北偏西63°直线飞行。

2）实验内容及结果：

2.1)仿真实验1

使用本发明的方法作为多频点外辐射源雷达的数据传输方案，数据采集卡采集速率最大为80MB/s，满足系统的数据采集要求，在外辐射源雷达系统中间机与信号处理机之间，以传输10帧数据为一组，观察在100次重复传输实验中，每帧数据的传输时间以及数据传输速度，其中第50次的实验结果如表1。

由表1可见，数据传输速度受到CPU资源占用的影响，偶有跳变，数据传输速度跳变范围为88MB/s-91MB/s，在100次实验中，数据传输速度下限为83MB/s，上限为93MB/s，因此采用本发明提出的方法，能满足多频点外辐射源雷达系统对数据实时传输的要求。

2.2)仿真实验2

使用本发明的方法作为多频点外辐射源雷达的数据传输方案，在外辐射源雷达系统中间机与信号处理机之间，传输100帧的外辐射源雷达数据，观察对每帧数据经过实时处理后的结果，实验结果如图4。

由图4可见，每帧的数据经过实时处理后，在终端显示平台上实时得到了3个目标的航迹，与已知3个目标的角度信息完全相同，本发明的数据传输方法成功进行了100帧的数据传输，实验结果说明了实时数据处理部分运行正常，同时也说明了本发明的数据传输方法正确和可行，本发明实现了多频点外辐射源雷达实时处理系统中的天线接收部分向雷达信号实时处理部分大数据量的实时传输，满足了多频点外辐射源雷达数据的实时传输和接收的要求。

Claims (7)

1.一种基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，其特征在于包括：

（1）传输系统组建步骤：

(1a)设置8圆阵天线、天线接收机、中间机、信号处理机及终端显控平台，在中间机中安装有数据采集卡及千兆以太网卡;

(1b)将8圆阵与天线接收机的输入端连接，将天线接收机的输出端与中间机中的数据采集卡连接，将中间机中的千兆以太网卡与信号处理机的输入端连接，将信号处理机的输出端与终端显控平台连接，在天线接收机与信号处理机之间设置数据传输通道；

（2）资源配置步骤：

（2a）用8圆阵天线的每一阵元同时接收8个调频广播信号，天线接收机将每一阵元天线接收的信号经过带通采样、A/D变换、数字下变频后得到8个频点的正交信号，并通过数字化信道处理将8个频点的正交信号分离开来，得到8×8=64路信号，传输至中间机；

(2b)在中间机中设置两块容量大于等于75MB的数据缓冲区M1、M2，这两个数据缓冲区对应的标志位分别为F1、F2；

(2c)在数据采集卡与M1和M2之间设置第一数据指针K1，在千兆以太网卡与M1和M2之间设置第二数据指针K2，通过置标志位F1、F2，控制K1、K2指向哪个数据缓冲区；

(2d)在信号处理机中设置两块容量大于等于75MB的数据缓冲区S1、S2，这两个数据缓冲区对应的标志位分别为G1、G2；

(2e)在信号处理机的输入端与S1和S2之间设置第三数据指针K3，在信号处理机的信号处理模块与S1和S2之间设置第四数据指针K4，通过置标志位G1、G2，控制K3、K4指向哪个数据缓冲区；

（3）数据转发步骤：

(3a)初始化数据采集卡，采集当前帧的外辐射源雷达频点数据；

(3b)将第一数据指针K1指向中间机的第一数据缓冲区M1上，数据采集卡将采集到的当前帧的外辐射源雷达频点数据存放在该缓冲区M1中；

(3c)将第一数据指针K1指向中间机的第二数据缓冲区M2上，数据采集卡将采集到的下一帧数据存放在该缓冲区M2中，同时将第二数据指针K2指向中间机的第一数据缓冲区M1上；

(3d)中间机通过套接字Socket将当前帧的外辐射源雷达数据实时转发至信号处理机的数据接收端；

（4）数据接收步骤；

（4a）信号处理机的数据接收端开启一个数据接收线程，用来对转发至信号处理机的外辐射源雷达数据进行接收；

（4b）将数据接收线程与CPU核绑定在一起；

（4c）数据接收线程将接收的外辐射源雷达数据以乒乓的形式存放在信号处理机开辟的数据缓冲区S1和S2中。

2.根据权利要求1所述的基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，其特征在于步骤(2a)所述的通过数字化信道处理将8个频点的正交信号分离开来，按如下步骤进行：

(2a1)把20MHz带宽的调频广播信号划分为4组信号，每组信号带宽为5MHz；

(2a2)把每组5MHz带宽的信号划分为带宽大小为200KHz的单频信号，4组信号共得到100个单频信号；

(2a3)将8个混合在一起的调频广播信号与100个单频信号进行频率匹配，得到8个分离开来的频点信号。

3.根据权利要求1所述的外辐射源雷达数据传输方法，其特征在于所述步骤（2a）中将64路信号传输至中间机，按如下步骤传输：

(2a4)将64路信号以32路为一组，分别输给天线接收机中的两块FPGA综合处理板；

(2a5)两块FPGA综合处理板分别将32路信号的外辐射源雷达数据封装后再综合在一起，通过数据采集线以75MB/秒的速度传输至中间机。

4.根据权利要求1所述的基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，其特征在于步骤（3a）所述的初始化数据采集卡，是通过初始化函数进行，初始化函数的选用是根据数据采集卡的型号来决定。

5.根据权利要求1所述的基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，其特征在于步骤（3d）所述的中间机通过套接字Socket将当前帧的外辐射源雷达数据实时转发至信号处理机的数据接收端，按如下步骤转发：

(3d1)中间机和信号处理机之间通过调用Windows Socket的socket()、bind()、listen()、accept()及conect()建立通信连接；

(3d2)中间机调用Windows Socket的send()函数，把所述数据缓冲区M1中当前帧的外辐射源雷达数据，通过传输控制协议TCP以大于等于75MB/秒的速度转发给信号处理机的数据接收端。

6.根据权利要求1所述的基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，其特征在于步骤（4b）所述的将数据接收线程与CPU核绑定在一起，是通过调用Windows应用程序编程接口API的SetThreadAffinityMask()函数进行。

7.根据权利要求1所述的基于中间机的外辐射源雷达数据实时传输方法，其特征在于步骤（4c）所述的数据接收线程将接收的外辐射源雷达数据以乒乓的形式存放在信号处理机开辟的数据缓冲区S1和S2中，按如下步骤进行：

(4c1)将第三数据指针K3指向信号处理机的第一数据缓冲区S1上，数据接收线程开始接收当前帧外辐射源雷达数据，并把接收到的数据存放在所述的数据缓冲区S1中；

(4c2)将第三数据指针K3指向信号处理机的第二数据缓冲区S2上，同时将第四数据指针K4指向所述的数据缓冲区S1上；

(4c3)信号处理机的信号处理模块对所述数据缓冲区S1中的数据进行实时处理，与此同时，数据接收线程开始接收下一帧外辐射源雷达数据，并将其存放在所述的数据缓冲区S2中。

Images