雷达目标分类及宽带测角方案设计实现

本文参考仅供学习使用基于飞腾M6678的雷达目标 分类和宽带测角研究与实现硬件计算平台介绍1. 飞腾M6678芯片核心参数与优势飞腾M6678是国防科技大学自主研发的国产多核DSP专为数字信号处理设计核心特性为硬件资源单片集成8个DSP内核每个核配置32KB一级指令缓存、32KB一级数据缓存、512KB二级缓存共享存储MSMC大小4MB片外DDR最大寻址空间8GB集成FFT硬件加速器支持多达219个外设中断事件支持多类设备自举通过高速CrossNet网络实现核间无阻塞通信整体工作频率最高可达10GHz支持定点、浮点运算和TI C6678的核心差异与优势对比项飞腾M6678TI C6678RapidIO交换端口2个1个FFT硬件加速器集成1个支持不同规模、数据格式FFT支持矩阵转置无工作温度范围-55℃ ~ 125℃-40℃ ~ 100℃抗辐射能力总剂量不超过150krad(Si)可正常工作实测115.2krad(Si)仍稳定运行无抗辐射设计飞腾M6678更适合复杂雷达信号处理场景双RapidIO端口支持复杂片间级联自带FFT加速器提升运算效率宽温域抗辐射适配军工极端环境任务所用计算平台采用上海柏飞制造的飞腾M6678计算刀片单块刀片集成8片飞腾M6678核心参数每片DSP外挂2GB DDR3 1333MT/s内存具备4路SRIO x4电口支持锐华Reworks操作系统功耗≤90W启动时间15s具有扩展性强、低功耗、处理能力强、存储容量大的特点适合雷达大批量数据处理2. 集成开发环境由于飞腾M6678和TI C6678指令集兼容可直接使用TI的CCS集成开发环境本文使用CCSv5.5版本该版本支持多核调试具备代码编辑、编译、调试、图形化显示、GEL工具扩展等完整功能同时配套使用中国电科32所推出的国产锐华DSP操作系统该系统和CCS完全兼容可支撑算法开发、调试与批量生产实现雷达信号处理平台全流程国产化软硬件三、DSP数据传输与通信1. DSP数据传输分为核间传输和片间传输两类核间传输最常用EDMA3传输方案不需要CPU参与支持不连续存储块传输飞腾M6678的EDMA3包含3个通道控制器、10个传输控制器支持三维传输采用AB同步传输模式效率更高适合核间大批量数据传输片间传输采用RapidIO协议不需要CPU参与传输带宽高飞腾M6678的RapidIO接口最大支持5Gbps每差分对有效带宽最高可达4Gbps传输完成后通过发送门铃消息通知对端传输结束2. DSP核间通信常用三类核间同步通信方案核间中断通过中断产生寄存器、中断应答寄存器实现可携带28bit中断信息通过中断ID区分中断来源硬件信号量用于多核对共享资源的访问保护飞腾M6678支持64个独立硬件信号量分为直接请求直接获取无中断返回结果直接、间接请求请求排队获取到信号量后发中断通知两种模式使用完成后需及时释放信号量共享变量法所有核都可访问共享存储区的变量核修改共享变量后需要刷新缓存保证缓存和共享内存的数据一致性四、系统总体方案设计1. 资源划分任务所用计算刀片共8片飞腾M6678其中4片被其他模块占用剩余4片可用划分为1片数据DSP、3片信号处理DSP数据DSP负责数据接收、存储、转发利用DDR3开辟缓存池暂存前端数据维持数据流稳定信号处理DSP负责算法处理处理完成后通过SRIO输出结果2. 信号处理DSP分配方案选型初始提出两种方案最终采用混合方案方案一每个信号处理DSP仅存储一种算法处理固定类型数据优点是功能间数据耦合小、流向清晰、调试方便缺点是资源利用率低小数据量任务DSP空闲大数据量任务容易出现数据堆积方案二所有信号处理DSP都存储全量算法数据DSP轮询将数据分给空闲DSP优点是资源利用率高、稳健性强任意DSP故障都可由其他DSP顶替缺点是编程复杂度高、数据耦合强、开发维护难度大最终混合方案用1片DSP专门处理窄带回波的雷达目标分类任务剩余2片宽带DSP轮询处理瞬时宽带回波、步进频回波的宽带测角任务既减少了窄带和宽带模块的数据耦合又给数据量更大的宽带测角任务留出了足够算力避免数据堆积3. 具体存储与转发设计存储设计数据DSP需要缓存10个相参处理周期CPI的回波按最大数据量瞬时宽带信号单CPI共9512KB开辟固定大小空间给出了明确的连续地址分配方案方便索引窄带、宽带信号处理DSP仅需要存储1个CPI的解包数据不需要额外开辟大容量缓存转发设计数据DSP从第一个CPI的起始地址开始索引根据包内信号类型将数据转发给对应信号处理DSP传输完第10个CPI后自动切回第一个CPI循环索引五、雷达目标分类功能实现与并行方案对比雷达目标分类功能按照理论流程完成工程化实现整体处理流程为窄带回波预处理→微多普勒特征提取→SVM 分类判决输出分类结果。针对该任务共设计了两种多核并行方案对比验证结果如下方案 1 主从多核并行方案主核完成回波预处理将特征提取任务分块分配给多个从核并行处理最终由主核汇总结果完成分类。该方案任务划分清晰但每次任务分配都需要核间同步等待整体同步开销较大。方案 2 多核轮询并行方案主核仅负责查询所有从核的空闲状态将整帧回波任务全量分配给空闲从核每个空闲从核独立完成从预处理到分类判决的全流程处理仅在任务完成后更新自身空闲状态核间同步仅需要查询状态开销极小。性能测试采用 288×512 点的典型窄带回波数据对比结果显示主从并行方案平均总处理时间为 212.6ms 多核轮询方案平均单从核处理时间仅 178.4ms 性能提升约 16%满足雷达实时处理指标要求最终确定选用多核轮询方案实现雷达目标分类功能。六、瞬时宽带信号测角功能实现与验证基于瞬时宽带信号的测角整体处理流程为回波接收→脉冲压缩→运动校正→高分辨距离像生成→目标径向尺寸估计→宽带单脉冲测角。 根据任务各环节运算量特性设计主从多核并行方案运算量较大的脉冲压缩、目标尺寸估计由主核完成运算量较小的各距离单元单脉冲测角交由从核处理两个环节可流水线并行执行最大化算力利用率。 性能测试采用 16×24000×3 点的瞬时宽带回波数据测试结果显示算法平均总运算时间为 995.98ms 飞腾 M6678 平台的处理结果与 MATLAB 离线仿真结果一致测角误差、尺寸估计误差的相对误差在10−4量级完全满足工程精度指标要求。七、步进频合成宽带信号测角功能实现与验证基于步进频合成宽带信号的测角整体处理流程为子脉冲接收→子脉冲脉冲压缩→速度补偿→距离维合成得到高分辨距离像→目标尺寸估计→单脉冲测角。 该类信号总数据量小于瞬时宽带信号并行方案沿用主从并行架构主核完成子脉冲处理、高分辨距离合成与尺寸估计从核完成单脉冲测角并行处理。得益于飞腾 M6678 集成的 FFT 硬件加速器距离合成的运算效率得到明显提升。 性能测试采用 128×256×3 点的步进频回波数据测试结果显示平均总处理时间仅 121.3ms 处理结果与离线仿真一致精度、实时性均满足指标要求相同任务下比无 FFT 加速器的 TI C6678 处理速度快约 18%体现了国产芯片的架构优势。八、并行方案整体验证结论通过对不同任务特性匹配对应并行方案相比统一采用同一种并行架构整体系统处理性能提升 15% ~ 20%所有功能的实时性、精度均满足任务指标要求验证了飞腾 M6678 国产平台实现雷达目标分类与宽带测角的可行性飞腾 M6678 的 FFT 硬件加速器、双 RapidIO 端口、宽温抗辐射设计更适配军工雷达的应用需求整体性能优于同规格进口 TI C6678 芯片。