CN108802697B - 一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法 - Google Patents

一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，实现的具体步骤是：(1)初始化多核CPU的处理线程；(2)在多核CPU端开辟雷达信号处理所需的内存空间；(3)雷达系统采集并存储数据(4)数据解析；(5)处理多通道数据(6)多通道数据混合并行处理同步。本发明可以在多核CPU端实现脉冲多普勒雷达信号的实时处理，缩短了雷达系统的升级周期，提高了雷达系统的可扩展性。

Description

一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法
技术领域
本发明属于电通信技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域中的一种混合并行的脉冲多普勒雷达信号处理方法。本发明可以实现对脉冲多普勒雷达信号的实时处理。
背景技术
脉冲多普勒雷达是一种利用信号频域特性分辨和检测目标的脉冲雷达，当发射机以一特定频率发射高频能量脉冲时，在同一距离单元内接收的不同径向速度目标回波有不同的多普勒频移。因此，脉冲多普勒雷达具有精确测速和速度分辨能力。脉冲多普勒雷达通过脉冲压缩、动目标检测模块对信号进行滤波处理，通过目标检测，解模糊模块对滤波后的信号进行目标识别与速度检测。
北京航空航天大学在其申请的专利文献“一种基于FPGA+多核DSP的PD雷达信号处理系统及其并行实现方法”(申请日：2015年07月14日，专利申请号：201510411844.X，申请公开号：CN105045763A)中公布了一种基于FPGA+DSP的并行PD雷达信号处理方法。该方法主要是通过FPGA核心芯片接收数据采集芯片采集到的雷达直波和回波信号，下变频处理后存在内存中，接收数据之后通过FPGA核心芯片与DSP芯片之间的SRIO接口，将数据传输到DSP芯片中的DDR3，然后在多核DSP芯片上，通过任务并行来进行脉冲压缩、相参积累和恒虚警率检测，得到目标点的信息，最后通过网络接口将数据传到上位机。该方法存在的不足之处是，由于采用了基于FPGA+DSP设计的并行处理方法，当雷达系统需要改变或增加功能，甚至是对某些雷达参数进行调整时，需要重新进行设计，在一定程度上影响了雷达系统的升级周期和可靠性。同时，这种基于FPGA+DSP的并行方法，接口都是针对特定雷达，使得现有雷达系统不能在其他雷达系统中复用，给雷达装备的研制和维护带来了很大的困难。
廉志玲在其发表的论文“一种PD雷达信号处理系统的并行实现”(电子科技,2015,28(7):5-7)中提出了一种基于多片DSP的PD雷达信号并行处理方法。该方法主要是通过将同一波位的数据按照距离分成4段，每片DSP处理一段数据。当距离单元总数不能被4整除时，距离段余数合并到DSP4中进行处理。在每一片DSP上进行脉冲压缩、杂波补偿、多普勒滤波、CFAR，当所有DSP完成当前节点的数据处理时，系统进行同步处理，否则后续处理从SDRAM取数时，数据是不完整的。系统之间的同步主要是通过广播实现，同步完成后进行数据拼接，然后各片按照量程范围完成数据的分段解距离速度模糊。该方法存在的不足之处是，通过数据并行的策略，将数据分配到不同的DSP片上进行处理，带来了较大的通信开销，雷达系统可扩展性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，能在多核中央处理器CPU上对脉冲多普勒雷达信号进行实时处理，提高了雷达系统的扩展性，缩短了雷达系统的升级周期。
实现本发明目的的具体思路是：在多核中央处理器CPU端实现脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，利用多核中央处理器CPU的通用性，提高了雷达系统的可靠性，缩短了雷达系统的升级周期，利用数据并行与流水并行混合并行的模型对多通道数据进行处理，提高了雷达系统的可扩展性。
本发明利用多核中央处理器CPU硬件平台，并行实现脉冲多普勒雷达信号的处理，具体包括步骤如下：
(1)初始化多核中央处理器CPU线程：
设定任务执行线程入口，并开辟用于调用多核中央处理器CPU硬件线程的任务执行线程；
(2)开辟内存空间：
在初始化后的多核中央处理器CPU中，开辟雷达信号处理所需的内存空间；
(3)采集并存储雷达信号：
将脉冲多普勒雷达采集的包括控制码和多通道数据两部分的雷达信号，按照时序分段依次存储到所开辟的内存空间中；
(4)解析数据：
在任务执行线程的输入线程中，根据当前时序雷达信号控制码中表示多通道数据规模的参数值，读取当前帧雷达信号的多通道数据；
(5)处理多通道数据：
将多通道数据中每一个通道的数据分配到一个流水线上，在流水线内部，利用流水并行方法，对每一个通道的雷达信号数据进行反异步、脉冲压缩、动目标检测、求模、恒虚警检测处理，得到处理后的雷达信号数据；
(6)合并多通道数据：
在任务执行线程的输出线程中，计算每一个通道数据当前距离单元信号幅度与周围环境的比值，比较多个通道数据的当前距离单元信号幅度与周围环境的比值，将比值较大通道的恒虚警检测结果通过网络发送至显示界面。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明处理多通道数据时利用多核中央处理器CPU线程，并行实现脉冲多普勒雷达信号的处理，克服了现有技术的接口只能针对特定雷达，不能在其他雷达系统中复用的缺点，使得本发明具有能够在其他雷达系统中复用的优点。
第二，由于本发明处理多通道数据时利用多核中央处理器CPU线程，并行实现脉冲多普勒雷达信号的处理，克服了现有技术对某些雷达参数进行调整时，需要重新进行设计，影响了雷达系统的升级周期和可靠性的缺点，使得本发明具有升级周期短和可靠性高的优点。
第三，由于本发明处理多通道数据时在通道数据内部采用流水并行的方法，克服了现有技术雷达系统可扩展性较差的缺点，使得本发明具有扩展性强的优点。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明处理多通道数据并行方法示意图；
图3是本发明合并多通道数据方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明利用多核中央处理器CPU硬件平台，采用混合并行模型实现脉冲多普勒雷达信号的处理。
参照图1对本发明的实施步骤作进一步的描述。
步骤1，初始化多核中央处理器CPU线程。
设定任务执行线程入口，并开辟用于调用多核中央处理器CPU硬件线程的任务执行线程。
所述的任务执行线程包括主线程、输入线程、输出线程、多组流水线线程；其中每组流水线包含3个子线程。
步骤2，在多核中央处理器CPU端开辟雷达信号处理所需的内存空间。
步骤3，雷达系统采集并存储数据。
将脉冲多普勒雷达采集的包括控制码和多通道数据两部分的雷达信号，按照时序分段依次存储到所开辟的内存空间中。
步骤4，解析数据。
在任务执行线程的输入线程中，根据当前时序雷达信号控制码中表示多通道数据规模的参数值，读取当前帧雷达信号的多通道数据。
所述当前帧雷达信号数据是指，当前帧雷达信号数据是一个雷达信号数据矩阵，矩阵的每一个元素的数值为复数。
步骤5，处理多通道数据。
参照图2处理多通道数据并行方法示意图，对本步骤的处理多通道数据做进一步描述，将多通道数据中每一个通道的数据分配到一个流水线上，流水线1处理通道1的雷达信号数据，流水线2处理通道2的雷达信号数据，在流水线内部，利用流水并行方法，对每一个通道的雷达信号数据进行反异步、脉冲压缩、动目标检测、求模、恒虚警检测处理，得到处理后的雷达信号数据。
在图2的流水线1中，线程1接收由输入线程拷贝的通道1的雷达信号数据，对雷达信号数据依次进行反异步、脉冲压缩处理，将处理完的雷达信号数据传递给线程2；线程2接收由线程1传递的雷达信号数据，对雷达信号数据依次进行动目标检测、求模处理，将处理完的雷达信号数据传递给线程3；线程3接收由线程2传递的雷达信号数据，对雷达信号数据进行恒虚警检测处理。
在图2的流水线2中，线程1接收由输入线程拷贝的通道2的雷达信号数据，对雷达信号数据依次进行反异步、脉冲压缩处理，将处理完的雷达信号数据传递给线程2；线程2接收由线程1传递的雷达信号数据，对雷达信号数据依次进行动目标检测、求模处理，将处理完的雷达信号数据传递给线程3；线程3接收由线程2传递的雷达信号数据，对雷达信号数据进行恒虚警检测处理。
所述流水并行方法的具体步骤如下：
第1步，在任务执行线程中流水线线程的第一级子线程中，提取内存空间中当前帧雷达信号的数据，对当前帧雷达信号数据依次进行反异步、脉冲压缩处理，将脉冲压缩处理完的当前帧雷达信号传递给流水线的第二级子线程；
第2步，在任务执行线程中流水线线程的第二级子线程中，对第一级子线程传递的脉冲压缩后的当前帧雷达信号数据依次进行动目标检测、求模处理，将求模处理完的当前帧雷达信号数据传递给流水线的第三级子线程；
第3步，在任务执行线程中流水线线程的第三级子线程中，对第二级子线程求模处理完的当前帧雷达信号数据进行恒虚警检测处理，将恒虚警检测处理完的当前帧雷达信号数据传递给任务执行线程中的输出线程。
所述反异步处理的具体步骤如下：
第1步，判断当前处理的距离单元信号幅度是否大于雷达系统自身的激活门限值，若是，则执行第3步，否则，执行第4步；
第2步，判断当前处理的距离单元信号幅度是否大于雷达信号矩阵上一行相同位置的信号幅度与雷达系统自身的检测门限值的乘积，若是，则执行第3步，否则，执行第4步；
第2步，用雷达信号矩阵上一行相同距离单元的信号幅度替换当前距离单元的信号幅度；
第4步，当前处理的距离单元信号幅度不变；
第5步，将反异步处理完成的雷达信号矩阵传递给脉冲压缩处理模块。
所述脉冲压缩处理的具体步骤如下：
第1步，对反异步处理完的当前帧雷达信号做快速傅里叶变换处理；
第2步，将快速傅里叶变换处理后的雷达信号矩阵与雷达系统给定的脉冲压缩系数矩阵做点乘；
第3步，对点乘的结果做快速傅里叶逆变换，得到脉冲压缩处理后的当前帧雷达信号。
所述动目标检测处理的具体步骤如下：
第1步，将脉冲压缩处理后的当前帧雷达信号与雷达系统给定的滤波器系数相乘；
第2步，得到动目标检测结果，并将结果传递给求模模块进行处理。
所述求模处理是按照下述公式进行的：
Figure GDA0002336064610000061
其中，Ai表示第i个距离单元的幅度值，
Figure GDA0002336064610000062
表示第i个距离单元实部数据的平方，
Figure GDA0002336064610000063
表示第i个距离单元虚部数据的平方。
所述恒虚警检测处理的具体步骤如下：
第1步，提取第二级线程传递的雷达信号矩阵中当前处理距离单元的左右参考单元信号幅度，计算参考单元信号幅度的平均值；
第2步，选择左右参考单元平均值中的较大值与雷达系统自身的恒虚警参数值相乘，将相乘结果作为当前距离单元的周围环境；
第3步，判断当前距离单元的周围环境是否大于当前距离单元的信号幅度，若是，执行第4步，否则，执行第5步；
第4步，将当前处理的距离单元的恒虚警检测结果标记为0；
第5步，将当前处理的距离单元的恒虚警检测结果标记为1；
第6步，得到恒虚警检测的结果。
步骤6，合并多通道数据。
参照图3合并多通道数据方法示意图，对本步骤合并多通道数据做进一步描述，在任务执行线程的输出线程中，等待流水线1和流水线2处理完成，当两组流水线处理完成后，通过计算每一个通道数据当前距离单元信号幅度与周围环境的比值，比较多个通道数据的当前距离单元信号幅度与周围环境的比值对多通道数据进行合并，将比值较大通道的恒虚警检测结果通过网络发送至显示界面。
下面结合仿真实验对本发明效果做进一步的描述。
1.仿真条件：
本发明的仿真实验的软件环境为红帽企业Linux服务器版本v6.2操作系统。使用的硬件设备为12核、16GB内存的Intel E5-2692 v2 CPU，编译器为Intel公司的2015版ICPC编译器，所用开发环境为Eclipse。
本发明的仿真实验所使用的多通道数据为某脉冲多普勒雷达实测多通道数据。
本发明的仿真实验所使用的并行编程模型为Pthread，线程之间的通信方式是信号量。
2.仿真内容与结果分析：
本发明的仿真实验采用本发明并行方法与现有技术的串行方法，对雷达系统采集的多通道数据进行处理，将两种方法的运行时间进行对比分析。
表1是采用本发明方法在多核CPU上对脉冲多普勒雷达多通道数据进行处理的运行时间和现有技术的串行方法运行时间的统计表。
表1本发明方法与串行方法时间对比表
Figure GDA0002336064610000071
从表1中看出，本发明方法在多核CPU上相比于现有技术的串行方法，取得了5.9倍的加速比，实现了对多通道雷达信号的实时处理。

Claims (10)

1.一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，该方法利用多核中央处理器CPU硬件平台，采用混合并行模型实现脉冲多普勒雷达信号的处理，具体包括步骤如下：
(1)初始化多核中央处理器CPU线程：
设定任务执行线程入口，并开辟用于调用多核中央处理器CPU硬件线程的任务执行线程；
(2)开辟内存空间：
在初始化后的多核中央处理器CPU中，开辟雷达信号处理所需的内存空间；
(3)采集并存储雷达信号：
将脉冲多普勒雷达采集的包括控制码和多通道数据两部分的雷达信号，按照时序分段依次存储到所开辟的内存空间中；
(4)解析数据：
在任务执行线程的输入线程中，根据当前时序雷达信号控制码中表示多通道数据规模的参数值，读取当前帧雷达信号的多通道数据；
(5)处理多通道数据：
将多通道数据中每一个通道的分配到一个流水线上进行处理，多个流水线同时进行处理，在流水线内部，利用流水并行方法，对每一个通道的雷达信号数据进行反异步、脉冲压缩、动目标检测、求模、恒虚警检测处理，得到处理后的雷达信号数据；
(6)合并多通道数据：
在任务执行线程的输出线程中，计算每一个通道数据当前距离单元信号幅度与周围环境的比值，比较多个通道数据的当前距离单元信号幅度与周围环境的比值，将比值较大通道的恒虚警检测结果通过网络发送至显示界面。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的任务执行线程包括主线程、输入线程、输出线程、多组流水线线程；其中每组流水线包含3个子线程。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(3)中所述多通道数据是指，由脉冲多普勒雷达在每一个不同角度采集一帧数据所组成的数据序列。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(4)中所述当前帧雷达信号数据是指，当前帧雷达信号数据是一个雷达信号数据矩阵，矩阵中每一个元素的下标为[i,j]，其中i为元素所在的行，j为所在的列，将j称为距离单元；每一个元素的数值为复数，在恒虚警检测中，根据雷达给定参数m的值，将当前处理的距离单元左右的m个距离单元作为参考单元。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(5)所述流水并行具体步骤如下：
第一步，在任务执行线程中流水线线程的第一级子线程中，提取内存空间中当前帧雷达信号的数据，对当前帧雷达信号数据依次进行反异步、脉冲压缩处理，将脉冲压缩处理完的当前帧雷达信号传递给流水线的第二级子线程；
第二步，在任务执行线程中流水线线程的第二级子线程中，对第一级子线程传递的脉冲压缩后的当前帧雷达信号数据依次进行动目标检测、求模处理，将求模处理完的当前帧雷达信号数据传递给流水线的第三级子线程；
第三步，在任务执行线程中流水线线程的第三级子线程中，对第二级子线程求模处理完的当前帧雷达信号数据进行恒虚警检测处理，将恒虚警检测处理完的当前帧雷达信号数据传递给任务执行线程中的输出线程。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(5)中所述反异步处理的具体步骤如下：
第一步，判断当前处理的距离单元信号幅度是否大于雷达的激活门限值，若是，则执行第三步，否则，执行第四步；
第二步，判断当前处理的距离单元信号幅度是否大于雷达信号矩阵上一行相同位置的信号幅度与雷达检测门限值的乘积，若是，则执行第三步，否则，执行第四步；
第三步，用雷达信号矩阵上一行相同距离单元的信号幅度替换当前距离单元的信号幅度；
第四步，当前处理的距离单元信号幅度不变。
第五步，将反异步处理完成的雷达信号矩阵传递给脉冲压缩处理模块；
7.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(5)中所述脉冲压缩处理的具体步骤如下：
第一步，对反异步处理完的当前帧雷达信号数据做快速傅里叶变换处理；
第二步，将快速傅里叶变换处理后的雷达信号矩阵与雷达的脉冲压缩系数矩阵做点乘；
第三步，对点乘的结果做快速傅里叶逆变换，得到脉冲压缩处理后的当前帧雷达信号。
8.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(5)中所述动目标检测的具体步骤如下：
第一步，将脉冲压缩处理后的当前帧雷达信号数据与雷达的滤波器系数相乘；
第二步，得到动目标检测结果，并将动目标检测结果传递给求模模块进行处理。
9.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，其特征在于，步骤(5)中所述求模所用公式如下：
Figure FDA0002336064600000031
其中，i表示第i个距离单元，Ai表示第i个距离单元的幅度值，
Figure FDA0002336064600000033
表示第i个距离单元实部数据的平方，
Figure FDA0002336064600000032
表示第i个距离单元虚部数据的平方。
10.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达信号的混合并行处理方法，,其特征在于，步骤(5)中所述恒虚警检测处理的具体步骤如下：
第一步，提取第二级子线程传递的雷达信号数据矩阵中当前处理距离单元的左右参考单元信号幅度，计算参考单元信号幅度的平均值；
第二步，选择左右参考单元平均值中的较大值与雷达系统自身的恒虚警参数值相乘，将相乘结果作为当前距离单元的周围环境；
第三步，判断当前距离单元的周围环境是否大于当前距离单元的信号幅度，若是，执行第四步，否则，执行第五步；
第四步，将当前处理的距离单元的恒虚警检测结果标记为0；
第五步，将当前处理的距离单元的恒虚警检测结果标记为1；
第六步，得到恒虚警检测的结果。
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