CN108508426B - 基于多核dsp的sar回波信号生成方法及回波模拟器 - Google Patents

基于多核dsp的sar回波信号生成方法及回波模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多核DSP的SAR回波信号生成方法及回波模拟器，属于电子技术领域。其首先基于SAR雷达几何特征与SAR空间几何关系，使用了哈希查找表方法、动态/静态计算分离方法降低了计算复杂度，并通过模拟区域的几何模型在调制函数计算模块离线计算查找表与键值计算式中的非实时计算子式，并将计算结果储存在多核DSP的共享内存之中，再通过优化了代码抵消与缓存命中率的线性汇编程序在调制函数计算模块中进行实时的软件流水计算，然后通过宽带数字射频存储器实现实时SAR回波信号的生成，确保计算效率，保证回波信号产生的实时性，且本发明的方法应用实现方式简便，应用范围广泛，模拟器的实时性高，应用成本低廉。

Description

基于多核DSP的SAR回波信号生成方法及回波模拟器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及雷达信号处理技术领域，具体是指一种基于多核DSP的SAR回波信号生成方法及回波模拟器。
背景技术
现有技术中主要采用的合成孔径雷达(SAR)回波生成算法中，二维频域快速傅里叶变换法(2DFFT)通过计算场景单元的冲击响应与目标散射特性的二维卷积生成回波信号在很大程度上减少了计算量，但该方法对系统内存需求较高，且需要对已有的场景谱进行插值，由此会引入误差。传统的距离时域脉冲相干法(RTPC)精度较高，内存消耗少。但是对于大场景RTPC算法，计算量将急剧增加影响了系统的实时性。距离频域脉冲相干法(RFPC)完全从理论公式出发，需要较少的近似可以得更为真实的数据，但该方法计算量较大信号实时产生困难。
多核数字信号处理器(DSP)因其强大的数字信号处理能力，以及低功耗，低成本，拓展性好的优势而得到广泛应用。传统的工程实现中，SAR回波模拟器的模拟能力受限于回波信号的产生速率，以美国长曲棍球卫星所搭载的SAR作为分析对象，使用传统SAR回波信号生成算法对其进行1000×1000点的虚假场景模拟需要近100GFLOPS的浮点计算能力，远高于普通DSP的计算能力。然而，传统算法中存在大量重复计算，也没有根据DSP芯片的特性进行优化。基于此，如何利用多核DSP，在现有的硬件条件下保证SAR回波信号产生的实时性是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供提出一种基于哈希表与动态/静态计算分离，并针对DSP核心的硬件架构优化的SAR回波信号生成方法及回波模拟器。
为了实现上述的目的，本发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法包括以下步骤：
(1)基于SAR原理、SAR参数及模拟场景信息构造查找表；
(2)多核DSP更改SAR回波信号计算软件的计算逻辑，产生高并发度软件流水循环；
(3)多核DSP以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，基于所述的查找表产生SAR回波信号。
该基于多核DSP的SAR回波信号生成方法中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)将雷达与场景点之间的距离作为所述查找表的键，将对应的查找点的回波信息作为所述查找表的值；
(12)计算所述查找表的键值的取值范围与取值间隔，并将该查找表的每个键对应的值与计算雷达与场景点距离的计算式分解为需要实时计算的子式与不需要实时计算的子式；
(13)利用所述的多核DSP离线计算所述的不需要实时计算的子式，获得离线计算结果；
(14)将所述的离线计算结果储存于所述的多核DSP的共享内存中。
该基于多核DSP的SAR回波信号生成方法中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)多核DSP将原软件流水循环中一个高维向量通过线性计算转换为一个低维向量改写为一个高位向量转换为多个低维向量；
(22)多核DSP利用线性汇编语言降低原软件流水循环中代码抵消的影响，产生高并发度软件流水循环。
该基于多核DSP的SAR回波信号生成方法中，所述的步骤(3)具体为，
多核DSP以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，并将已确定范围的查找表中的双精度浮点数进行编码，提高地址流的局部性及缓存命中率，产生SAR回波信号。
本发明还提供一种基于多核DSP的SAR回波信号模拟器，其包括调制函数计算模块和宽带数字射频存储器，所述的调制函数计算模块包括多个所述的多核DSP及FPGA，其中，所述的调制函数计算模块用以基于SAR原理、SAR参数及模拟场景信息构造查找表；通过更改星载SAR回波信号计算软件的计算逻辑，产生高并发度软件流水循环；所述的调制函数计算模块及所述的宽带数字射频存储器，用于以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，基于所述的查找表产生SAR回波信号。
该基于多核DSP的SAR回波信号模拟器中，所述的调制函数计算模块还用以利用所述的多核DSP的网口从上位机获取所述的SAR参数及模拟场景信息。
该基于多核DSP的SAR回波信号模拟器中，所述的调制函数计算模块还用以实现雷达信号的频域变换、相乘以及所述SAR回波信号的转发。
采用了该发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法及回波模拟器，其首先基于SAR雷达几何特征与SAR空间几何关系，使用了哈希查找表方法、动态/静态计算分离方法降低了计算复杂度，并通过模拟区域的几何模型在调制函数计算模块离线计算查找表与键值计算式中的非实时计算子式，并将计算结果储存在多核DSP的共享内存之中，再通过优化了代码抵消与缓存命中率的线性汇编程序在调制函数计算模块中进行实时的软件流水计算，然后通过宽带数字射频存储器实现实时SAR回波信号的生成，确保计算效率，保证回波信号产生的实时性，且本发明的方法应用实现方式简便，应用范围广泛，模拟器的实时性高，应用成本低廉。
附图说明
图1为本发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法的步骤流程图。
图2为理想状态下的软件流水与下受代码抵消影响并法度降低的软件流水的对比流程图。
图3为本发明中通过更改计算形式而优化代码抵消提升了并发程度的软件流水流程图。
图4为不采用软件流水、采用软件流水、优化了代码抵消的计算耗时与计算复杂度之间的关系示意图。
图5为计算耗时与运算资源消耗的最大值、代码抵消和cache命中率间的关系示意图。
图6为验证本发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法的仿真实验中飞行平台轨迹示意图。
图7为验证本发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法的仿真实验中场景图示意图。
图8为验证本发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法的仿真实验中点阵目标的成像结果示意图。
图9为验证本发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法的仿真实验中场景目标的成像结果示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法的步骤流程图。
在一种实施方式中，该基于多核DSP的SAR回波信号生成方法，包括以下步骤：
(1)基于SAR原理、SAR参数及模拟场景信息构造查找表；
(2)多核DSP更改SAR回波信号计算软件的计算逻辑，产生高并发度软件流水循环；
(3)多核DSP以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，基于所述的查找表产生星载SAR回波信号。
在较优选的实施方式中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(11)将雷达与场景点之间的距离作为所述查找表的键，将对应的查找点的回波信息作为所述查找表的值；
(12)计算所述查找表的键值的取值范围与取值间隔，并将该查找表的每个键对应的值与计算雷达与场景点距离的计算式分解为需要实时计算的子式与不需要实时计算的子式；
(13)利用所述的多核DSP离线计算所述的不需要实时计算的子式，获得离线计算结果；
(14)将所述的离线计算结果储存于所述的多核DSP的共享内存中。
在进一步优选的实施方式中，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)多核DSP将原软件流水循环中一个高维向量通过线性计算转换为一个低维向量改写为一个高位向量转换为多个低维向量；
(22)多核DSP利用线性汇编语言降低原软件流水循环中代码抵消的影响，产生高并发度软件流水循环。
在更优选的实施方式中，所述的步骤(3)具体为，
多核DSP以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，并将已确定范围的查找表中的双精度浮点数进行编码，提高地址流的局部性及缓存命中率，产生SAR回波信号。
本发明还提供一种基于多核DSP的SAR回波信号模拟器，用以实现上述的回波信号生成方法。
在一种实施方式中，该基于多核DSP的SAR回波信号模拟器包括调制函数计算模块和宽带数字射频存储器，所述的调制函数计算模块包括多个所述的多核DSP及FPGA，
其中，所述的调制函数计算模块用以基于SAR原理、SAR参数及模拟场景信息构造查找表；通过更改SAR回波信号计算软件的计算逻辑，产生高并发度软件流水循环；
所述的调制函数计算模块及所述的宽带数字射频存储器，用于以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，基于所述的查找表产生SAR回波信号。
在优选的实施方式中，所述的调制函数计算模块还用以利用所述的多核DSP的网口从上位机获取所述的SAR参数及模拟场景信息。
在更优选的实施方式中，所述的调制函数计算模块还用以实现雷达信号的频域变换、相乘以及所述星载SAR回波信号的转发。
在实际应用中，本发明的方法基于以下步骤：
将如下表所示的SAR模拟场景信息及其他的SAR相关参数通过多核DSP处理器TMS320C6678网口从上位机传递给模拟器。
参数名 数值
载波频/GHz 9.5000
天线中心视角/° 45
天线斜视角/° 0
天线长度/m 0.5550
信号采样率/GHz 2.4000
脉冲重复频率/Hz 10000
表1参数表
将雷达与场景点之间的距离作为查找表的键(key)，将对应的查找点的回波信息作为查找表的值(value)构造查找表。
计算查找表的键值的取值范围与取值间隔，并将查找表的键值的计算式分解为需要实时计算的子式与不需要实时计算的子式。
将查找表每个键对应的值与计算雷达与场景点距离(即键值)算式中不需要实时计算的子式通过DSP离线计算出来。
将上述离线计算结果储存在DSP共享内存当中，此时模拟器已做好实时产生回波信号的全部准备。
如图2所示，上半部分为理想状态下的软件流水流程图，下半部分为因受代码抵消影响并法度降低的软件流水流程图。高维向量通过线性计算转换为低维向量在逻辑上会出现代码抵消而影响软件流水效率的问题。结合线性汇编语言使用如图3所示的更改计算逻辑的方式降低了代码抵消的范围提升了软件流水的并发程度。图4为不采用软件流水、采用软件流水、优化了代码抵消的计算耗时与计算复杂度之间的关系示意图。可将计算SAR回波信号算法以如图4所示曲线进行优化。
对于使用查找表而导致内存随机访问使得缓存命中率低，CPU浪费大量时间等待数据总线周期的情况，可采用将已确定范围的查找表中的双精度浮点数进行编码的方式，提高地址流的局部性，进而提高缓存命中率。图5为计算耗时与运算资源消耗的最大值、代码抵消和cache命中率间的关系示意图。可将计算SAR回波信号算法以图5所示曲线进行优化。
本发明实际应用中的雷达模拟器包括两个主要模块，分别为是调制函数计算板和宽带数字射频存储器DRFM板。其中调制函数计算板是由4片TI公司的多核DSP处理器TMS320C6678及一片FPGA组成。宽带DRFM板由高速的ADC、DAC及FPGA组成。本发明中的雷达信号的频域变换与相乘和回波信号的转发也是通过其硬件实现的。
采用本发明的方法进行仿真的效果如下：
1)仿真采用的星载SAR参数如上表1所示，SAR平台飞行轨迹如图6所示，期望生成的虚假场景则如图7所示。
2)仿真的单点计算时钟周期如图4与图5所示，多次优化后已优化至图5曲线末端。
3)仿真4×4点阵的成像结果如图8所示。
4)仿真虚假场景的成像结果如图9所示。
采用了该发明的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法及回波模拟器，其首先基于SAR雷达几何特征与SAR空间几何关系，使用了哈希查找表方法、动态/静态计算分离方法降低了计算复杂度，并通过模拟区域的几何模型在调制函数计算模块离线计算查找表与键值计算式中的非实时计算子式，并将计算结果储存在多核DSP的共享内存之中，再通过优化了代码抵消与缓存命中率的线性汇编程序在调制函数计算模块中进行实时的软件流水计算，然后通过宽带数字射频存储器实现实时星载SAR回波信号的生成，确保计算效率，保证回波信号产生的实时性，且本发明的方法应用实现方式简便，应用范围广泛，模拟器的实时性高，应用成本低廉。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种基于多核DSP的SAR回波信号生成方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
（1）基于SAR原理、SAR参数及模拟场景信息构造查找表，具体包括以下步骤：
（11）将雷达与场景点之间的距离作为所述查找表的键，将对应的查找点的回波信息作为所述查找表的值；
（12）计算所述查找表的键值的取值范围与取值间隔，并将该查找表的每个键对应的值与计算雷达与场景点距离的计算式分解为需要实时计算的子式与不需要实时计算的子式；
（13）利用所述的多核DSP离线计算所述的不需要实时计算的子式，获得离线计算结果；
（14）将所述的离线计算结果储存于所述的多核DSP的共享内存中；
（2）多核DSP更改SAR回波信号计算软件的计算逻辑，产生高并发度软件流水循环，具体包括以下步骤：
（21）多核DSP将原软件流水循环中一个高维向量通过线性计算转换为一个低维向量改写为一个高位向量转换为多个低维向量；
（22）多核DSP利用线性汇编语言降低原软件流水循环中代码抵消的影响，产生高并发度软件流水循环；
（3）多核DSP以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，基于所述的查找表产生SAR回波信号。
2.根据权利要求1所述的基于多核DSP的SAR回波信号生成方法，其特征在于，所述的步骤（3）具体为，
多核DSP以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，并将已确定范围的查找表中的双精度浮点数进行编码，提高地址流的局部性及缓存命中率，产生星载SAR回波信号。
3.一种基于多核DSP的SAR回波信号模拟器，其特征在于，包括：调制函数计算模块和宽带数字射频存储器，所述的调制函数计算模块包括多个所述的多核DSP及FPGA，
其中，所述的调制函数计算模块用以基于SAR原理、SAR参数及模拟场景信息构造查找表，具体包括：
（11）将雷达与场景点之间的距离作为所述查找表的键，将对应的查找点的回波信息作为所述查找表的值；
（12）计算所述查找表的键值的取值范围与取值间隔，并将该查找表的每个键对应的值与计算雷达与场景点距离的计算式分解为需要实时计算的子式与不需要实时计算的子式；
（13）利用所述的多核DSP离线计算所述的不需要实时计算的子式，获得离线计算结果；
（14）将所述的离线计算结果储存于所述的多核DSP的共享内存中；
所述的调制函数计算模块还用以通过更改SAR回波信号计算软件的计算逻辑，产生高并发度软件流水循环，具体包括：
（21）多核DSP将原软件流水循环中一个高维向量通过线性计算转换为一个低维向量改写为一个高位向量转换为多个低维向量；
（22）多核DSP利用线性汇编语言降低原软件流水循环中代码抵消的影响，产生高并发度软件流水循环；
所述的调制函数计算模块及所述的宽带数字射频存储器，用于以所述的高并发度软件流水循环运行所述的SAR回波信号计算软件，基于所述的查找表产生SAR回波信号。
4.根据权利要求3所述的基于多核DSP的SAR回波信号模拟器，其特征在于，所述的调制函数计算模块还用以利用所述的多核DSP的网口从上位机获取所述的SAR参数及模拟场景信息。
5.根据权利要求3所述的基于多核DSP的SAR回波信号模拟器，其特征在于，所述的调制函数计算模块还用以实现雷达信号的频域变换、相乘以及所述SAR回波信号的转发。
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