雷达数据处理软件系统（精选10篇）
雷达数据处理软件系统 篇1
0 引 言
大型软件系统通常采用软件工程模块化的思想进行开发。这种开发方式需要多人合作,经常涉及到不同的开发工具,或需要应用不同类型工具开发的现成模块,因而对系统集成造成了较大困难,混合编程通常应用COM技术解决集成问题[1,2,3]。
雷达数据处理软件系统是一个复杂的系统,功能庞杂,已有学者应用软件工程方法研究了系统的设计[4,5]。本文提出了基于COM技术的模块化系统设计框架,充分考虑到系统的易维护、易升级等特性,尽量使模块具有独立性,且采用了不同的开发工具,应用COM技术来完成各模块之间的交互与集成。
1 COM技术原理
组件对象模型COM(Component Object Model)是一种以组件为发布单元的对象模型。它可作为一种跨平台的客户服务器系统开发技术,具有开放的体系结构。COM可以看作一种二进制代码的操作规范。只要遵循COM规范,应用程序和组件对象之间就可以实现二进制代码级别上的重用,从而解决了对编译语言和环境的依赖,可提高软件开发效率和做到代码重用。COM一方面提供了有效的途径将软件分块,每块软件提供各自的服务,开发者能够使用面向对象的方法去设计和开发程序,简化了复杂系统。另一方面又提供了访问软件服务的一致性,不管要访问的服务存在于动态链接库还是另一个进程或系统软件中,均可将它们当成COM对象,使用同一种方法去访问。此外,COM是独立于编程语言的,它定义了一个对象必须支持的二进制界面,可以使用不同的编程语言来编写支持该界面的COM对象和调用该对象的客户。
组件对象模型COM内容复杂,主要包括:接口、COM对象、类工厂(ClassFactory)、类型库(TypeLibrary)、Automation服务器扩展、COM服务器[6]。简单来说,提供COM接口的一方为服务器端,调用COM接口的一方为客户端。雷达数据处理软件系统的子模块设计为COM服务器,而集成软件设计为COM客户端。
2 雷达数据处理软件系统
雷达数据处理软件系统是雷达监控系统的组成部分之一,与雷达系统整机的关系如图1所示。雷达数据处理软件系统主要完成雷达一次数据融合,雷达目标轨迹跟踪及显示等任务。数据处理模块采用.NET开发,而上层软件采用VC 6集成。
数据处理模块完成与雷达数据相关的任务,如:数据通信,航迹处理,目标识别,一、二次显示,数据管理与回放,雷达操控,等等;上层软件完成系统集成。因为系统功能繁琐,需要按照软件工程模块化的思想进行开发。本文所讨论的雷达数据处理软件系统采用了两种开发工具:VS.net 2005和VC 6。其中数据处理模块中的各子模块采用.NET开发,生成动态链接库,上层软件采用VC 6开发。整个系统除了数据处理模块,还有电子地图、统计分析等模块,而部分模块已有前期开发基础,且采用了不同的开发工具。由于开发平台的差异,造成模块和上层软件之间无法直接交互,而COM技术正是用于实现混合编程的手段,将COM技术应用到系统开发中,将雷达数据处理软件模块设计为带界面的模块,为上层软件提供COM接口(函数接口、事件接口)。
如图2所示,按照模块化思想,根据功能将系统划分为核心算法相关模块、通信相关模块、数据访问模块、人机交互相关模块、公共模块、接口模块。各软件模块封装为动态链接库形式,对外提供COM接口,便于上层软件调用。
(1) 通信模块
提供与信号处理机的接口,接收上行数据以及下发下行命令。为其它模块提供原始报文和解析报文。
(2) 数据访问模块
提供对数据库的访问接口,能处理原始数据、格式化数据以及中间结果数据。
(3) 核心算法模块
在预处理中完成对原始数据的处理,可去杂波;航迹处理:完成点迹凝聚,航迹建立、跟踪、维持、删除等功能;识别模块:根据数据的个数、幅度、速度信息进行目标分类。
(4) 人机交互模块
应用程序离不开人的操作,在此提供GUI界面。完成一次数据显示(B显、PPI显),二次数据显示(航迹显示)。人工干预提供点迹数据录取,航迹合批(续断)、拆批等功能。重演模块通过数据访问模块获取点迹数据、航迹数据、目标数据,并进行历史数据的重演。配置模块提供与文本的接口,可记录及访问与程序相关的各项参数。
(5) 公共模块
定义全局数据类型及操作,各子模块继承后派生出自己的专有数据类型及操作。各模块接口类型采用公共模块定义的数据类型,可以保证各模块的独立性。
(6) 接口模块
实现雷达数据处理的逻辑业务流程,建立子模块连接关系,并为上层应用提供COM接口。
3 COM技术实现
3.1 在.NET中创建COM服务器
(1)COM接口定义及实现
要让COM能够访问属性、方法和事件,必须在类接口和事件接口中定义它们,使它们具有DispId属性,并在对应类中实现这些属性、方法和事件。这些成员定义时的顺序也就是它们在COM中顺序。要对外开放COM,接口必须是public性质,在类、接口名字之前,都需要一个GUID特性。实例如下:
(2) COM对象与可管理性应用程序交互
在创建COM对象前,我们必须向COM Interop注册该对象,将Register for COM Interop选项的值设置为true。为了使COM对象能够被外部对象调用,类库组合必须有一个强名字。创建强名字需要用到SN.EXE生成key,运行:
sn -k ComServerDll_COM_Key.snk
3.2 VC 6中调用COM接口
(1)
向VC工程中添加对ATL的支持
(2) 将组件库导入工程
#import"xxx.tlb"named_guids,no_namespace
(3) 实现事件接收对象
使用ATL中提供的IDispEventImpl模板来实现事件接收对象,并用SINK_ENTRY_EX宏在事件槽映射表中添加事件处理条目。
(4) 接口调用
4 结 论
本文针对复杂的雷达数据处理要求,提出了模块化的软件设计框架,并应用COM技术实现了对不同开发语言模块的交互与集成。基于该方法,我们已研制出应用于某边界侦察雷达的数据处理系统样机,在实际的开发工程中,本文的设计框架能应对软件需求的变化,也能较为方便地集成其它软件模块,因而该框架具有开放性和扩展性。对于混合语言编程,早期开发模块的利用,COM技术是一种有效的解决方案。
摘要：雷达数据处理软件系统是一个复杂的软件系统,应用软件工程方法,采用.NET和VC 6混合编程实现。提出模块化的软件系统设计框架,并应用COM技术无缝集成不同编程语言开发的模块。简要介绍COM原理,给出雷达数据处理软件系统的设计框架,讨论了.NET开放COM接口和VC 6中对COM接口调用的方法,给出了COM技术在软件编码中的应用实例。结果表明,采用基于COM技术的模块化混合编程,是实现雷达数据处理软件系统的一种有效方法。
关键词：雷达数据处理软件系统,模块化,混合编程,COM,接口
参考文献
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[4]方青.雷达数据处理软件的模块化设计[J].现代电子,2002(3):27-32.
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[6]Dale Rogerson.COM技术内幕[M].北京:清华大学出版社,1999.
雷达数据处理算法的仿真研究 篇2
关键词：雷达；数据处理；跟踪滤波；仿真
雷达数据处理包括了很广泛的内容，本文指雷达目标的数据处理，主要是对用雷达方法取得的目标位置及运动参数进行滤波，平滑，预测和微分等运算。相控阵雷达系统的数据处理完成的基本流程包括：建立目标航迹，并进行航迹管理；检测点迹与航迹的配对，即航迹关联；目标的跟踪滤波及预测[5]。本文重对航迹关联算法和跟踪滤波算法进行了研究，并给出了仿真结果。
1 相控阵雷达数据处理系统的工作模式和处理流程
相控阵雷达主要工作状态可分为搜索状态和跟踪状态。雷达处于搜索状态时测量精度较差，而测距精度相对来说较高，因此此时只在距离维上进行数据处理；而处于跟踪状态时，测距精度和测角精度都较高，因此可以从三维空间上进行更为复杂的航迹关联。本文仿真的情况为雷达已经工作在跟踪状态下，以跟踪状态的数据处理为重点。数据处理系统主要完成目标航迹的起始、终止、数据关联、跟踪滤波、下一点空间位置的预测等工作。
由于可能面临多个目标，所以新发现的点迹必须与已经跟踪上的航迹进行关联配对，当配对实现后，利用跟踪滤波更新航迹信息，以产生精确的目标位置和速度估计值，同时形成下一时刻目标位置的预测波门。如果存在没有与任何航迹关联上的点迹，则用这些点迹生成新的航迹；如果已有的目标航迹多次没有任何点迹与之关联，则此航迹终止[1]。
综合后的雷达事件数据处理流程如图1所示[3]。
2 数据处理的基本算法
数据处理的基本算法包括数据关联、航迹管理、目标跟踪算法等。本文重点讨论数据关联算法和跟踪滤波算法。
2.1 数据关联
数据关联主要是解决多目标跟踪中雷达预测数据（点迹）与目标（航迹）的配对问题，当配对实现之后，航迹信息可被更新，以产生精确的目标估计值。常采用的方法有最近邻域法、概率数据关联法和联合概率数据关联法，本文采用最近邻域法。
最近邻域法的实质就是检测点迹与航迹的空间统计距离，选择使“空间统计距离”最小的检测点迹作为目标航迹的配对点迹。所以，计算检测点迹与航迹之间的空间统计距离是最近邻域法的关键。下面讨论空间统计距离的算法。
雷达测量是在球坐标中进行的，目标的状态方程是在直角坐标系中建立的，在球坐标系中用r、θ和φ表示距离，方位角和俯仰角。则球坐标系和直角坐标系之间的变换关系为
r=■（1）
θ=arctan（■）（2）
φ=arctan（■）（3）
雷达观测矢量为Z（k）=[r（k）■（k）θ（k）φ（k）]，其中■（k）表示目标的径向速度。检测点迹为z（k），航迹i的预测值为■（k/k—1），则可得检测点迹的空间统计距离为
ρ=■（4）
按（4）式分别算出检测点迹与航迹的空间统计距离，其中空间统计距离最小的点迹与航迹配对，用该点迹的观测数据进行航迹的滤波处理。
在进行滤波前，首先确定一个波门，然后以航迹预测值为中心，寻找波门内的点迹集合，对点迹集合中的点迹进行数据关联。若波门内没有点迹，则将波门扩大3～5倍，重新进行数据关联，若仍然无点迹存在，则使用预测值代替这一时刻估计值，并对下一时刻进行滤波处理。若外推5点后，波门内仍无点迹，则认为该航迹消失。
2.2 跟踪滤波算法
目标跟踪滤波算法采用计算量较小的α—β滤波。由于雷达距离和方位角测量误差的不相关性，故滤波可在极坐标系的两个坐标轴上独立进行[4]。
α—β滤波的目标运动模型为
s（k+1）=s（k）+[■（k）+w（k）]T（5）
■（k+1）=■（k）+w（k）T（6）
其中，s（k）可以表示r（k）、θ（k）或者φ（k），分别为k时刻目标的距离、俯仰角和方位角，相应的，■（k）可以表示■（k）、■（k）和■（k），分别为目标的径向速度、方位角速度和俯仰角速度。w（k）是目标速度的扰动噪声，取均值为零的高斯白噪声，T表示一个雷达扫描周期或者相关处理间隔。
雷达观测方程为
z（k）=s（k）+ns（k）（7）
其中，ns（k）可以表示nr（k）、nθ（k）或者nφ（k），分别表示雷达距离、方位角和俯仰角的测量噪声，取均值为零、均方差分别为σr、σθ和σφ的高斯白噪声。
滤波算法启动方式分为两点启动和三点启动，本文建立的模型是匀速（CV）模型，故采用两点启动。设前两个点的观测数据为z（k）=[r（k）θ（k）φ（k）]T，其中k=1，2，则航迹启动前两个时刻的距离估计值分别为r（1）、r（2），方位角估计值分别为θ（1）、θ（2），俯仰角估计值分别为φ（1）、φ（2）；航迹起始状态径向速度、方位角速度和俯仰角速度的估计值分别为
■ （k/k）=■（8）
■（k/k）=■（9）
■（k/k）=■（10）
下面给出滤波方程，其中■（k/k）、■（k/k）表示当前位置的滤波估计值，■（k+1/k）、■（k+1/k）表示下一时刻的预测值，■（k+1/k+1）、■（k+1/k+1）表示下一时刻的滤波估计值。
■（k+1/k）=■（k/k）+■（k/k）T（11）
■（k+1/k）=■（k/k）（12）
■（k+1/k+1）=■（k+1/k）+？琢（k+1）■（k+1）（13）
■（k+1/k+1）=■（k+1/k）+？茁（k+1）■（k+1）（14）
其中，■（k+1）为新息
■（k+1）=z（k+1）—■（k+1/k）
？琢（k+1）可以表示径向距离增益或径向速度增益，？茁（k+1）可以表示角度位置增益或角速度增益，他们之间的关系为：
nlc202309010105
？琢（k+1）=
■■
（16）
？茁（k+1）=■2[2—α（k+1）]—4■
（17）
其中q（k+1）为信噪比，此参数定义为
q（k+1）=■■（18）
其中σs可以表示σr、σθ或者σφ，分别为距离测量均方差、方位角测量均方差和俯仰角测量均方差。■（k+1）表示新息，反映了测量误差，设新息有N个抽样值，其方差为σz2（k+1），本文仿真中，取N=3。根据抽样统计知识
σz2（k+1）=■■■■（k+1—i），N=3（19）
式子（15）～（19）为α和β提供了自适应获取方法。
3 仿真结果分析
设定一个简单的场景，用几何关系算出目标的径向距离、方位角和俯仰角理论值，再用上述跟踪滤波算法算出各时刻预测值，从而求出理论值和预测值的差值，误差的大小用以检测滤波器内部算法的正确性。
本文仿真场景和参数为：在直角坐标系中，目标以500 m/s的速度做匀速直线运动，在10 s时开始机动，机动方式为向上爬升，机动时水平速度降为200 m/s，向上爬升的速度为100 m/s。雷达位于目标正后方，即方位角始终为0，且雷达扫描周期T=0.01 s，距离测量均方差σr=10m，俯仰角测量均方差σφ=0.0578°，由于本文设置的场景下方位角始终为零，故只考虑俯仰角。
由图2和图3可以看出，滤波启动后有一个暂态过程，距离误差和角度误差很大，稳定后，误差逐渐减小直至趋近于零。10 s时，由于目标开始机动，此时误差再次变大，稳定后又误差又减小，趋近于零。所以，本文建立的滤波器模型对目标具有良好的跟踪性能，能准确预测目标下一时刻的径向距离和俯仰角，从而精确的预测目标在空域中的坐标。
4 结束语
本文基于雷达数据处理仿真的要求，建立了数据处理系统的模型，并对其中的关键算法进行了研究，给出的结果证实了此模型可以有效的跟踪目标，稳态时距离预测误差不超过2m，角度预测误差不超过0.05°，达到了准确预测目标空间位置的目的。
参考文献
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雷达数据处理软件系统 篇3
0 引言
某气象雷达是我军炮兵列装的新型气象探测装备, 价格昂贵, 对训练操作场地和环境要求高, 特别是用于设备控制与监控、数据采集与处理的数据处理系统, 操作复杂, 涉及设备多[1]。通过部队调研, 普遍存在不会动、不敢动、不能动的问题, 制约了该装备的效能发挥。部队和院校急需开发适应训练和教学的气象雷达数据处理模拟训练系统, 以解决部队训练和院校训练的需要。
气象雷达数据处理模拟训练系统逻辑复杂, 功能繁多, 研发难度大。因此, 根据功能需求运用模块化设计思想, 将软件划分为若干功能独立的模块;并采用基于模型的软件开发方法, 简化逻辑, 降低软件的开发难度, 提高软件的可维护性[2,3]。
1 训练模拟系统总体设计
1.1 功能需求分析
根据数据处理的功能和部队训练要求, 训练模拟系统应具备以下功能:
(1) 操作模拟功能:训练模拟系统具有与实装数据处理系统一致的交互界面, 能够按照操作流程进行探测设备的控制、监控、数据采集与处理等模拟操作。
(2) 操作判断功能:能够对用户操作进行逻辑判断, 给出提示并记录。
(3) 数据处理功能模拟:能够模拟数据处理工作过程, 动态生成模拟气象数据, 实时显示气象数据、曲线和设备状态等。
(4) 数据管理功能:应能够对数据库进行增加、修改和删除等管理。
1.2 训练模拟系统组成
根据功能需要和数据处理实际, 采用模块化设计思想, 将训练模拟系统划分为人机交互界面模块、数据处理模块和数据库模块[4], 具体如图1所示。
其中人机界面模块包括主界面窗口、数据处理界面、系统管理界面和操作使用说明界面等。主窗口为软件启动后的主界面, 主要为用户提供登录/注册和功能选择;数据处理界面包括实装数据处理系统的所有界面, 并与实装界面一致;系统管理界面主要用于设置软件参数、维护数据库等。
数据处理模块包括工作过程仿真模块、操作逻辑判断模块、图形运动仿真模块、时间推进管理模块和数据访问模块。工作过程仿真模块能够模拟探空过程中数据处理过程;操作逻辑判断模块能够实时基于规则数据库对操作进行判断并记录;图形运动仿真模块根据数据处理和图形运动仿真模型仿真图形控件的状态;仿真时间管理模块主要用于管理训练模拟系统的仿真时间;数据访问模块根据训练模拟要求访问数据库, 并实时读写相关数据。
数据库模块主要用于存储模拟数据、操作规则、训练记录和设备状态等。
2 仿真模型建立
针对气象雷达数据处理模拟训练系统逻辑复杂、功能繁多的特点, 建立了工作过程仿真模型、操作约束模型和图形运动仿真模型等, 以理清并描述系统工作过程、操作逻辑和图形显示规律, 为系统开发奠定基础[3]。
2.1 工作过程仿真模型
气球探测过程中, 气象雷达数据处理系统接收并处理天线状态信息和来自气球的探空数据, 并实时动态存储和显示。为了逼真的模拟对探空数据和天线状态数据的接收、处理与显示的工作过程, 建立了工作过程仿真模型, 如图2所示。
数据库中预存了探空数据、球坐标、气象要素和设备状态等数据, 来模拟天线状态和探空数据。用户“开始放球”操作后, 训练模拟系统启动循环1开始探空计时, 在循环1中调用自定义数据读、写函数, 根据探空时间将原始数据表中的数据存储到临时数据表中, 不断更新临时数据表数据, 并将设备状态信息通过自定义的显示函数实时发送给显示界面。当用户操作相关数据的显示按钮时, 训练模拟系统启动循环2, 通过调用自定义数据读、写函数实时动态读取临时数据表中的数据, 并通过自定义的显示函数发送给数据显示界面。
2.2 操作约束模型
为了使训练模拟系统操作过程的控制逻辑与实装数据处理系统一致, 需建立能够描述与数据处理系统操作一致的操作约束模型。通过分析气象雷达数据处理系统, 其操作约束方式主要包括一对一、一对多、多对一和多对多四种类型, 如图3所示。
2.3 图形运动仿真模型
通过分析数据处理系统, 训练模拟系统需要进行图像运动控制仿真的主要有雷达天线俯仰与回转以及增益指针和频差指针运动。
(1) 天线俯仰运动模型
雷达天线俯仰绕中心点进行旋转, 图形上的所有点旋转角度相同, 为此建立雷达天线俯仰转动关系如图4所示。
设中心点为O (x0, y0) , 雷达天线图形上某一点起始点P (x, y) , 与X轴夹角为Φ, 旋转单位角度θ后的点为P′ (x′, y′) , 与X轴夹角为θ+Φ, r为该点与中心点的距离。则有
其中点P的原始坐标为
则有
(2) 天线回转运动模型
雷达天线的方位通过圆点图形的圆周运动显示。为此建立天线方位图形运动模型如下:
式 (4) 中, x、y为圆点图形位置, x0、y0为圆点图形的圆周运动中心, R1为圆周半径, θ为雷达方位角, r为圆形直径。由于x0、y0、R和r均已知量, 因此运用式 (4) 可以根据方位角计算圆点图形位置。
(3) 指针运动模型
增益指针和频差指针以下端点为圆心摆动, 指针转动关系如图5所示。
P1 (X1, Y1) 为上端点坐标, P0 (X0, Y0) 为下端点坐标, R2为指针长度, θ为P点围绕P0偏离Y轴的角度 (即增益值或频差) , 向右为正, 向左为负。
根据以上条件可得指针上端点P绕下端点P0的运动模型:
3 系统实现
3.1 界面设计
(1) 界面分类及设计
通过分析实装数据处理的人机交互界面, 按照功能要求, 对训练模拟系统界面功能特点和仿真实现形式进行了分类和设计, 见表1。
(2) 控件分类与设计
通过分析数据处理系统, 其控件可分为按钮、文本、列表、图形、图片和时间等类型。按照功能要求, 对训练模拟系统各类控件设计见表2。
3.2 主程序设计
根据训练规程, 设计了训练模拟系统主程序流程, 具体如图6所示。
3.3 主要功能实现
3.3.1 操作约束实现
(1) 操作代码的产生
为了实现对操作逻辑判断, 设计了操作代码的产生机制。首先定义全局字符串型操作代码变量Operation Index;然后在各操作控件的CLICK事件中给Operation Index赋值。
(2) 规则库的建立
基于操作约束模型创建规则库, 对用户操作进行逻辑判断[5]。首先创建操作规则表结构, 包括操作代码 (主键, ) 、操作步骤描述、上一步代码、是否操作和扣分标准等字段。然后根据创建的操作约束模型填写操作规则表。
在规则库中主要通过设置“上一步代码”字段来实现操作约束。不同的约束模型, 其设置不同。
一对一:第n+1步操作的“上一步代码”字段值为n;一对多, 第n+1到n+k步操作的“上一步代码”字段值均为n;多对一:第n+k+1步操作的“上一步代码”字段值为多个步骤代码, 分别为n到n+k;多对多:第n+k+1到n+k+j步操作的“上一步代码”字段值为多个步骤代码, 分别为n到n+k。
(3) 操作的判断与记录
操作逻辑判断模块根据变量Operation Index访问数据库操作规则表, 查询上一步操作是否已经完成。如果上一步骤已经完成, 则反馈“对”信息给操作控件, 并更新规则表当前操作步骤行“是否操作”字段数据为“1”;否则反馈“错”信息给操作控件, 获取操作步骤信息和扣分标准记录并记录于操作评估表。
3.3.2 数据动态显示实现
训练模拟系统需要动态显示的数据类型包括数值、文本、图形和图片等。采用Timer控件循环实时访问数据库并读取数据, 界面根据读取的数据实时显示数据、图片或进行图形仿真运动。
对于数值和文本采用Text Box或列表控件实时显示。对于雷达天线状态、频差指针等图形控件, 根据图形运动仿真模型和模拟数据实时控制图形运动。在俯仰角姿态显示框中, 天线部分使用创建图形的方法实现。当天线俯仰角变化后, 仰角控制框将以现有的天线图形为基础, 经式 (3) 运算后绘制新图形, 同时旧图形通过Cls方法清屏, 最终实现天线俯仰转动的视觉效果;在回转角姿态显示框中, 天线状态采用圆点图形显示, 当天线回转角变化后, 经式 (4) 计算图形新的位置, 并付给圆点图形, 实现图形的运动效果。对于探空曲线等动态显示的图片, 训练模拟系统根据探空时间实时加载相应阶段的图片实现。
3.3.3 仿真时间管理实现
实装操作时间较长, 如果按照真实时间模拟探空过程, 存在训练时间长, 训练效率低的问题。因此训练模拟系统在探空过程中采取独立的仿真时间机制, 用户可以根据需要通过管理界面设置时间步长。采用改变所有Timer控件Interval属性值的方法实现对训练模拟系统仿真时间的设置。根据需要设置了1:1~1:20十个时间步长选项。
4 运行结果与分析
开发的数据处理训练模拟系统, 运行稳定, 响应速度符合要求, 模拟效果符合实际;人机交互性良好, 数据更改与参数设置简捷方便。运行效果如图7所示。经教学与训练应用, 效果较好, 实现了气象探测模拟训练, 节约了训练成本, 提高了训练效率, 有效解决部队训练与院校教学的难题。
5 结论
针对气象雷达探测训练过程中存在问题, 根据功能需求, 运用模块化设计思想将软件划分为若干功能独立的模块, 采用基于模型的软件开发方法开发了数据处理训练模拟系统, 实现了气象探测模拟训练。本系统基于软件模式, 与传统的软硬件相结合的模拟训练系统相比[6], 教学训练操作方便, 针对性强, 维护简单, 成本低廉, 适合大量推广应用。
参考文献
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雷达数据处理软件系统 篇4
关键词：故障；故障诊断；处理办法
一、故障
1、人工线电压显示故障。2006年5月22日，在日常巡检查看时发现人工线电压显示仅为600V，远低于人工线电压正常电压值4000V以上，但雷达运行正常，发生功率，脉宽等参数正常。
2、速调管老化，更换速调管。2007年6月3日，RDA信息栏里出现“发射机峰值功率低”报警，且雷达扫描图上无回波。用功率计测机外峰值功率只有40KW。
3、“天线动态错”故障分析报告。雷达体扫过程中会停在某一仰角不动，俯仰不变化。雷达出现“天线动态错误”报警，导致雷达停机。停机后，RDASC程序自动退出。影响雷达正常运行。
4、报天线座初始化错误，天线座无法初始化。2006年7月3日，天线伺服系统报“天线座初始化错误”“天线座无法初始化”，雷达无法启动。
5、发射机机柜顶部轴流风机停转。2006年7月3日，在日常巡检查看时发现发射机机柜顶部轴流风机停转。
二、故障诊断
1、考虑到只是人工线电压显示值发生变化，雷达相关参数未发生明显变化，判断其一即是发射机显示集成单元有问题。对该单元进行除尘，清洗电路板插口。重新装上后重启雷达，发射机预热后仍显示600V。测试变压器前XS6接口调制器波形，无充电波形、充电电平。查看调试器内部有无打火痕迹，最终发现调制器后部取样测量板有烧焦现象。由此可确定为取样测量板损坏，导致人工线电压显示不准。
2、用Testplatform测试软件，变换脉冲重复频率测发射机峰值功率，都较250KW有很大差距。速调管累计运行时间达13556小时，远超出厂家5000小时的额定时间。用IQ法测系统相位稳定度（相干性）也大于0.3°，暂考虑速调管老化。结合速调管寿命终了判据，调节人工线电压，使较正常值升高100V（人工线电压不超4400V），上述症状可缓解。
3、故障出现后，用RDASOT无法控制天线。天线不受控原因可能为：3.1伺服系统本身问题，包括控制单元、传输线路、伦茨控制器等；3.2结构部分硬件传动链出问题，包括齿轮、减速箱；3.3数据处理（RDASC）出问题，指令无法正确发出。重启伺服工控机后，重新利用RDASOT使天线PARK。利用RDASC也可以运行雷达，故可排除3.2、3.3项。因此主要分析伺服系统本身问题，机务人员重点对伺服系统进行维护。维护内容包括：（1）清洗汇流环；（2）检查碳刷触点压力并进行适当调整；（3）对俯仰、方位电机插头重新插拔，释放接头静电；（4）对伺服系统各电路板，串口线进行了重新插拔，除尘；（5）更换操作系统、RDASC软件。维护后，开机运行雷达，雷达仍出现动态错报警。因此，诊断故障原因还应从伺服系统本身硬件查找。故障出现时，查看工控机显示状态，显示无异常。再次用RDASOT控制雷达，观察伦茨控制系统工作状态指示灯出现报警闪烁。故确定为伦茨控制系统有问题，需请厂家到站进行技术支持。
4、考虑天线座初始化错误，无法初始化原因由于一是雷达 RDA与信号处理器接触有关系，可能接触不稳定；二是DRA信号未到达伺服工控机，导致伦茨控制系统无法加电，天线无法启动；三是天线控制精度的信号未达天线信号处理系统。
5、考虑到轴流风机是雷达设备辅助设备一个组成部分，其停转有两点原因。一是本身使用寿命已到，设备无法使用。二是检查风机供电线路有无异常，解决供电线路问题。若线路有问题，则无法判断风机是否已坏掉，故先查看风机线路。风机线路中有风机保险管，先查看保险管是否烧坏。旋出保险管，看的分机3A的保险管被烧坏。
三、故障处理办法
1、由于雷达还处于验收前试运行阶段，故台站暂无此备件。5月25日，更换备件，故障修复。
2、更换速调管。步骤：1关闭空气压缩机；2松开速调管输出端软波导螺钉和底盘固定螺钉；3松开速调管阴极、灯丝高压线和钛泵电源线、射频输入接头；4换上新速调管，接上以上相关连线；5调整灯丝组件的输出灯丝电至速调管的标称值；6观察钛泵电流，并对钛泵和灯丝进行24小时老练；7调整发射机功率大于250KW。
3、厂家技术人员到站后，用伦茨控制单元监控软件GDC监控伦茨系统，再次出现天线动态错报警后，显示俯仰控制单元出现报警信息。对伦茨控制单元进行本地化参数配置，更换控制单元。由于我站雷达属于敏视达C波段第一批天气雷达，相关部件较为落后，厂家技术人员建议更换汇流环。此后，又将碳刷式汇流环更换为金属针式汇流环，故障修复。
4、基于故障诊断分析，对天线系统各控制线进行了检查，重新插拔。发现天线座组合中的天线转接板的XS1端至汇流环XS3端的S3- 1线缆缠到入到天线基座转链，导致该线缆缴断。重新焊接S3- 1线缆损坏部分。
5、更换3A保险管，手动选转轴流风机，无阻尼感，风机可能正常。給发射机加电开高压，恢复正常。
四、思考与建议
1加强职业道德教育，更好地保障雷达运行。良好的职业道德是保证事业发展的前提条件。加强机务保障人员的思想道德素质教育，使其珍惜送出培训、学习、“以工代培”等各类形式的培养机会，强化责任意识、大局意识、能力意识，使其始终自觉的站在气象事业发展的前沿，爱岗敬业，为气象事业的发展做出应有的贡献。
2建立长效的培训机制。机务维护保障工作是天气雷达业务的重要组成部分，应加大对维修保障的培训力度，加强对机务保障人员的培训。
3建立更高层面的保障实验平台。以更高层面雷达保障实验平台作为桥梁，让技术保障人员以轮训形式实习，使实习人员做到边学、边动，边思考，进而增强保障人员整体的实际操作动手能力。同时，这种通过实验平台轮训的形式还可以加强各台站技术经验交流，对维修难点问题共同研究、共同探讨、出谋划策，发挥集体的智慧来解决问题。
“万丈高樓平地起”，围绕气象事业发展，只有加强新一代天气雷达装备保障人才队伍建设，不断提高保障人员能力和水平做好雷达保障工作，才能确保雷达设备正常可靠的运行，充分发挥天气雷达监测、预警灾害性天气作用，为地方防灾减灾，社会经济建设做出应有的贡献。
多声呐雷达数据融合系统实现 篇5
1 融合系统的总体设计
整个系统由以下4部分组成: 数据存储与转发中心、显示与控制中心、数据融合中心、目标识别中心。系统的构成如图1所示。
1. 1 数据存储与转发中心
数据收集与管理分系统的主要功能是接收来自不同声呐站获得的数据以及来自雷达的海面目标信息, 分系统对上述数据进行收集、处理、存储、管理与分发。来自声呐站的数据又包含两类: 目标数据和听音数据。
1. 2 显示与控制中心
显示与控制分系统是软件的重要组成部分, 集操作, 监视与平台参数设置于一体, 同时也是各个分系统的信息显示与处理中心。系统的界面清晰友好, 操作便捷。显示控制中心界面由4部分组成, 如图2所示。
1. 3 数据融合中心
数据融合中心对接收到的数据进行融合, 分为两种不同类型的目标融合, 第一种融合为雷达与声呐的数据融合, 第二种为声呐的阵间融合。在经过融合后, 数据融合中心将融合后的目标发送给显示控制中心, 显示控制中心在接收到数据后对相应的目标进行显示。
1. 4 目标识别中心
目标识别中心负责识别目标的工作, 当显示与控制中心接收到识别指令的后会对数据收集与管理中心发出数据请求, 数据收集与管理中心会将相应目标的听音数据发送给显示控制中心, 显示控制中心再将目标的信息以及听音数据打包发送给目标识别中心, 当完成识别后目标识别中心将识别信息返回给目标显示与控制中心, 目标的识别信息将显示在目标的摘要信息栏中。
2 数据融合方法
2. 1 数据时间配准
由于各个传感器传送的数据周期不同, 精度不同, 所以在数据融合中心接收到数据后会对数据进行时间配准, 并将数据统一[1]。本融合系统采用内插外推法, 即将高精度的观测数据推算到低精度的时间位置上[2]。具体方法如下: 在一段测量时间段内, 将传感器的测量数据按测量精度进行递增排序, 接着用高精度的观测数据向低精度的时间点进行内插、外推, 形成等间隔的数据。本系统采用了拉格朗日插值法[3]。
假设t1, t2, t3时刻测量到的数据为α1, α2, α3, 由于海面目标在采样间隔移动距离不大, 可以将问题转换为等间隔方式处理。假设要计算ts时刻的值, 设t2< ts= t2+ Δt < t3, 由拉格朗日插值法可以得到ts时刻的值为
2. 2 数据空间配准
在进行多传感器数据融合的时候, 各个传感器所测量的数据都是基于各自的坐标的[4]。例如声呐将根据自身为基准, 给出目标的方位角, 雷达将根据自身为基准, 给出对应的直角坐标。为了将数据更好的进行融合需要将不同类型的传感器所测量的数据转换到公共坐标上, 也就是进行空间配准。空间配准的准确程度, 极大的影响了融合系统的目标融合准确度, 以及工作效率[5]。
本融合系统采用了UT变换[6], UT变换有特点: 1不需要知道具体的非线性函数细节, 可以当做数据处理模块处理, 通用性强; 2经过处理后的数据可以达到2阶矩以上的精度; 3计算复杂度低, 不需要大量的时间开销和硬件开销。其一般的方法是: 将测量到的数据产生Sigma点集, 然后将这些点通过非线性函数产生另一组Sigma点集。最后通过转换后的点集进行加权综合, 得到变换后的均值和方差[7]。系统采用对称采样法, 假设测量量β的均值和自协方差分别为, 可以得到Sigma点集如式 ( 2) 。
其中{ yi} 表示经UT变换后Sigma点集。式 ( 1) 中, 相应的加权值为
其中。在得到对应的权之后, 可以计算我们想要得到的数据的均值以及方差值。
在计算后数据统一到雷达直角坐标系中, 然后再对目标进行融合, 在误差允许的范围内对同一目标进行合并。
本文介绍了一套基于多传感器的数据融合系统, 系统通过数据搜集与管理中心, 数据融合中心, 识别中心等的相互配合, 将处理后的结果显示在显示控制中心上。融合系统在进行时间配准时采用了拉格朗日插值法, 解决了各个传感器采样频率不统一的问题。在进行数据空间配准时采用了UT变换, 解决了传感器直接坐标不统一的问题。从而系统出色的完成了数据融合与信息显示的任务。
参考文献
[1]田兆春, 应甫成, 肖俊岭, 李可心.雷达组网数据融合中的数据预处理技术研究[M].in Proceedings of the 2nd Asia-Pacific Conference on Information Network and Digital Content Security (2011APCID) , 2011.
[2]彭焱, 徐敏毓, 金宏斌.多传感器数据融合系统中时间配准算法分析[J].雷达与对抗, 2005, 2 (2) :16-19
[3]林秀梅.浅析拉格朗日插值法的原理及其应用[J].吉林财贸学院学报, 1990, 3 (3) :49-53
[4]贺席兵, 敬忠良.多传感器数据融合中的数据配准研究[J].航空电子技术, 2001, 32 (2) :24-29
[5]陈非, 敬忠良, 姚晓东.空基多平台多传感器时间空间数据配准与目标跟踪[J].2001, 增刊 (1) :808-811
[6]杨争斌, 郭福成, 周一宇.基于UT变换的机动辐射源单站被动跟踪IMM算法[J].系统工程与电子技术, 2007, 29 (1) :5-8
雷达数据处理软件系统 篇6
雷达是航天测控系统中必不可少的设备, 是测量定轨航天飞行器的重要设备之一。然而由于各种外界干扰、设备稳定性、传输误差等因素, 雷达采集到的原始数据必然与期望的值有一定的差异, 其中必然含有一些不合理甚至错误的数据信息。这些不合理或者是错误的数据信息显然不能作为正常数据使用。应用合理的数学方法[1]分析计算, 依据雷达采集的原始数据中正常的数据可以将其中不合理的数据进行校正。同时, 通过分析处理雷达数据, 可以获取航天飞行器的距离、方位、高度、飞行速度等信息, 为测控工作提供必要的数据信息。因此对雷达采集到的外测原始数据进行处理分析是航天测控工作的必要环节之一, 主要的处理分析有数据实时处理和事后数据质量分析两大部分。实时处理包括数据合理性检验和数据平滑压缩[2], 事后数据质量分析包括跳点检查和精度估计等。确定好合理、有效的数据处理与分析数学模型, 是开发符合要求的软件的关键步骤。
1外测数据实时处理基本原理及数学模型
1.1基本原理
根据统计原理, 首先利用三阶差分和线性外推[3]对外测数据进行合理性检验, 剔除野值;其次对每秒20点的数据进行中心平滑, 得到每秒一点的位置和速度数据, 既可消除随机误差, 又可在保证一定精度的条件下压缩测量数据量。
1.2数学模型
1.2.1 数据和理性检验
将测量数据中很大的跳点——“野值”进行剔除, 并进行补值, 这就是合理性检验的主要内容, 其方法是先用三阶差分检验, 找出四点初始值, 然后由此四点进行线性外推第五点, 检验第五点的合理性, 若为野值, 则剔除之并用外推值补上, 并重新寻找四点初始值, 具体做法如下:
设被检验的数据为:X1, X2, …, Xn
(1) 三阶差分检验
设最初四点数据为:X (i-4) , X (i-3) , X (i-2) , X (i-1) , 做三阶差分:
Δ3X (i-1) =X (i-4) -3X (i-3) +3X (i-2) -X (i-1)
当
当
(2) 线性外推检验
用 (1) 中得到的四点初始值X (i-4) , X (i-3) , X (i-2) , X (i-1) 线性外推第五点数据:
X (ie) =X (i-1) + (X (i-2) -X (i-4) ) /2
与实测第五点数据X (i) 比较:
当|X (i) -X (ie) |≤λ时, X (i) 被接受 (合理) 。
当|X (i) -X (ie) |>λ时, 用X (ie) 代替X (i) (野值) 。
其中
(3) 设本次20点采样数据为:
t X0, X1, X2, …, X19
其中t为整秒采样时刻, Xi (i=0, 1, 2, …, 19) 为自t开始的采样数据, 而上次20点采样数据的时间及最后四点原始数据为:
t’ X16’, X17’, X18’, X19’
当|t’+1s-t|<0.05 (s) 时, 则认为上述24点数据是连续采样数据, 否则, 只认为t时刻起的20点数据才是连续采样数据, 利用 (1) 和 (2) 所述的方法, 对连续24点或20点采样数据进行合理性检验。
以上我们称之为正向检验, 下面再对20点数据进行一次反向检验。从正向检验的法则可以看出, 当某点Xi (i=0, 1, 2, …, 15) 为丢失点, 其后四点X (i+1) , X (i+2) , X (i+3) , X (i+4) 为合理点, 这四点是通过三阶差分检验了的, 为此可用线性外推公式:
X (ie) =X (i+1) + (X (i+2) -X (i+4) ) /2
代替Xi。
至此, 若本次20点采样数据没有一个丢失, 则认为此20点数据通过合理性检验, 否则认为没有通过合理性检验。
1.2.2 39点中心平滑
将通过合理性检验的t时刻开始采样的两秒后39点数据:
R1A1E1, …, R20A20E20, …, R39A39E39
记为:
R (-19) A (-19) E (-19) , …, R (0) A (0) E (0) , …, R (19) A (19) E (19)
利用位置平滑公式:
求出
利用速度平滑公式:
求出
若测量数据中测速数据fd有效且通过了合理性检验, 则
1.2.3 大气折射误差修正
ΔEn=Ns×Ctg (E) -Ns× (R+R0×Sin (E) ) ×Cos (E) ×
(1-exp (-2×10000×c) / (c×R×R0×Sin (E) )
ΔRn=Ns×Csc (E) × (1-exp (-2×10000×c) ) /c
其中:
Ns —— 地面折射率 Ns =3xx.x×10-6;
c —— 折射率随高度的分布指数, 单位:1/米, c=0.1xxx×10-3 (1/m) (当地1000米处) ;
R0 —— 当地地球半径, 单位:米;
ΔEn的单位为弧度, ΔRn的单位为米。
大气折射误差修正公式为:
E’=E-ΔEn
R’=R-ΔRn
2事后数据处理质量分析及数学模型
2.1基本原理
利用测量数据变化规律的单调性, 以及各种测量数据都有一个可能变化的最大范围的特点, 挑出数据“跳点”。对于测量数据随机误差的估计, 提出变量差分法, 即对测量数据求高阶差分, 使其多项式的各项均等于零, 剩下的只是包含随机误差的项, 再利用这些项求出方差。
2.2数学模型
2.2.1 测量数据跳点的挑出
由于种种原因在测量数据中可能有不少不正常的数据, 我们称为“跳点”。把这些跳点找出来, 对于分析设备的故障、提高设备测量数据质量有很大的帮助。
我们知道, 对于除地球同步卫星以外的卫星的外测数据, 其变化规律有一个很大的特点, 就是其单调性 (R、E过顶点除外) , 同时测量数据都有一个可能变化的最大范围, 例如每秒一点的差分值:
ΔR 对于1000Km以内的卫星, 一般小于5Km/s;
Δfd 对于近地卫星, 一般小于800Hz/s (对fs=480MHz而言) ;
ΔE 对于近地卫星, 一般小于3.5°/s;
ΔA 除过北线外, 近地卫星一般小于3.5°/s。
我们利用这些特点对测量数据的一阶差分进行检查, 找出跳点, 具体做法是:
设时刻t (i) 的测量数据为X (i) (分别代表fdi、Ri、Ai、Ei) , 计算ΔX (i) =X (i) -X (i-1) , 当ΔX (i+1) 与ΔX (i) 异号或者|ΔX (i) |>ΔX (ΔX为X (i) 可能变化的最大范围) 时, 则认为X (i+1) 为跳点, 打印:
t (i) X (i)
t (i+1) X (i+1)
以便对这些跳点进行分析。
2.2.2 事后精度估计
事后对测量数据利用变量差分法计算随机误差。将测量数据及系统误差假设为小于m阶的多项式, 对其求m阶差分后, 多项式的各项均为0, 剩下的是包含随机误差的项, 所以根据一组m阶差分的值可以算出随机误差的估计量, 即:
其中, ΔmXi=Xi-C
一般情况下, 计算的随机误差δ可能非常小, 甚至由于浮点数表示精度范围而表示成0, 为此, 可以给结果δ再乘以适当系数使其放大, 比如10甚至100, 以方便结果表示、人工阅读, 但阅读者 (使用数据δ方) 必须清楚所乘的系数 (放大倍数) 。
3结论
对卫星测控任务的软件必须保证万无一失, 不能出现任何差错。依据本数学模型开发的有关卫星测控软件雷达外测数据处理与分析部分, 经过了西安卫星测控中心某测控站多次使用, 处理速度快、分析精度高, 结果完全正确, 没有发现任何问题, 为参试人员处理分析雷达外测数据提供了保障, 对分析雷达设备故障、改进雷达的设计也提供了相应的帮助, 为我国的航天测控工作作出了一定的贡献。
摘要：由于雷达设备采集到的原始数据与期望的值可能会有一定的差异, 其中必然含有一些不合理甚至错误的数据信息。另外, 还要对雷达采集的原始数据按照要求进行相应的处理。说明了利用高阶差分和线性外推方法对雷达外测数据进行实时合理性检验、39点中心平滑、大气折射误差修正及事后数据质量分析软件设计的数学模型。经过航天测控系统某测控站参试任务软件验证了其正确性及分析处理精度等, 为开发雷达外测数据处理与分析方面的相关软件奠定了基础, 提供了数学方法。
关键词：外测数据,高阶差分,处理分析,数学模型
参考文献
[1]施吉林.计算机数值方法.北京:高等教育出版社, 1999.
[2]贾兴泉.连续波雷达数据处理.长沙:国防工业出版社, 2005.
雷达数据处理软件系统 篇7
系统采用的开窗采集是在目标检测成功完成的前提下进行的。它利用目标检测的结果,得到目标方位和距离信息,然后在下一次雷达扫描中,在该方位和距离上形成脉宽为1μs的采集波门,利用这一采集波门控制采样电路模块,完成一次高采样频率、高精度的采集。
1 数据采集系统的硬件设计
图1中,I路和Q路雷达信号首先分别进入衰减选择,接着进入直流电平调整,然后进入AD转换,在36 MHz采样频率下完成12位分辨率的AD转换,实现I路和Q路的数据采集。这里使用的AD芯片型号为AD9226-ARS,其主要性能指标:转换速度65 MS/s,精度为12位。具体的应用电路见图2。
该电路使用单端输入,输入电压必须在0.5~1.5 V之间,这可以通过一个运算放大器实现,本系统使用AD8056运放,实现直流电平调整,同时也起到缓冲的作用。具体电路图见图3。
为了尽可能提高AD转换后数据的分辨率,对电源、接地、电路布局进行了一些处理。所选用的运算放大器、电阻、电容等器件具有稳定的性能,电阻电容温漂小、漏电小。模拟输入的引线尽可能地短、粗。这些措施对实现分辨率指标有一定的帮助,保证了数据来源的可靠性。
2 FPGA完成的工作
(1)采集波门的产生
如图1所示,进入FPGA芯片后的数据在保存到RAM中之前必须加入数据头,以便主机得到这些精细采集数据时能方便地区别各次采集,该数据头没有包括当前的方位信息,这是因为此时的方位和距离信息是已知的。
波门的形成过程见图4,是精细采集模块中数据形成流程图。首先,主机通过USB接口模块地输入端点2得到FIFO中的检测结果,然后取出感兴趣的检测结果,将其方位和距离信息通过输出端口2发送到XCS30内部的方位和距离寄存器中。在下一次雷达扫描过程中,不断比较当前方位,如果当前方位和方位寄存器中的值相等,再进行距离的比较。在方位相同的前提下记录当前距离,如果记录的当前距离与距离寄存器中的值相等,则开始一个波门。在波门有效期间,对I路、Q路进行36 MHz、12位的数据采集,采集结果通过XCS30保存到RAM中。当波门的有效时间持续有效一段时间后(这段时间决定采集波门的宽度),波门信号变为无效,至此完成一次开窗采集过程。
(2)从主机发送方位信息和距离信息到FPGA内部的方位寄存器和距离寄存器
方位寄存器为12位,距离寄存器为17位,考虑到USB接口芯片数据线为8位,同时根据USB协议主机发送字节数的约束,最后决定距离寄存器采用20位,20位中的高三位数据没有参与距离的比较。
写方位信息和距离信息到XCS30中的过程是通过接口芯片的块输出端点完成的。8051的数据线为8位,为了发送12位的方位信息或20位的距离信息,必须通过多次传输才能完成。
(3)记录当前方位和当前距离
对于当前方位使用一个12位的计数器进行方位脉冲的下降沿的计数,这个计数器的清零信号使用正北信号的下降沿。对于当前距离的记录,使用一个17位的计数器对36 MHz采集时钟进行计数,清零信号使用同步脉冲的下降沿。
(4)波门的产生和终止
在采样时钟的上升沿时,如果当前的方位和距离都是设定的方位和距离时,产生一个波门的开始信号,经过64个距离单元时间后,波门结束。这里的64个距离单元对应的时间为1.78μs,也就是说,这时开的采集波门宽度为1.78μs。
(5)在每帧数据开始时添加标志位(即数据帧加头)
检测时在数据进入双口RAM前有一个数据帧加头的过程,加入的数据头包括帧起始标志、当前方位信息。在精细采集过程中,由于每一帧数据都是在主机指定的方位和距离的前提下进行,所以没有必要再添加方位和距离信息。这里的数据头将只包括每一帧的起始标志。
(6)精细采集数据的存储
在波门有效期间,AD转换后的两路数据将保存到RAM中,在进入RAM中时,必须先加上数据头标志,然后再写入一次采集所得的数据。实现原理见图5。
在加数据头时,锁存器OE端由FPGA置为无效,此时的锁存器输出为高阻状态。FPGA将锁存器置为高阻的同时,将内部的“FFFFFF”放到数据总线上;在不进行加数据头时,锁存器OE端由FPGA置为有效,数据总线上的数据为锁存后输出的12位数据。这样通过对锁存器使能端的控制,实现了数据在保存到RAM之前完成添加数据帧标志的工作。
图5中,锁存器的锁存时钟CLK与AD转换芯片的采集时钟CLK反相,这样在晶振时钟的上升沿实现AD的转换,在晶振时钟的下降沿实现锁存器的一次锁存。通过这样的设计错开了AD采样和锁存采样的取样时刻,保证了数据的正确性。
(7)数据传输
对于cy7c68013C而言,其内部的8051有16位的地址线,但是考虑到外部存储器的容量为256 kB,8051的地址线仅能寻址64 kB,最后决定采用对读脉冲进行计数产生地址信息的方法实现对存储器的访问。除了对8051发出的读脉冲的异步处理外,在传输过程中还需要解决24位数据转换为8位数据、2路数据的分离等问题。可以通过图6来理解。图中RAM的读脉冲经过抽取8051(包含在cy7c68013C内的处理器)的读脉冲,每4个抽1个。在存储器接口方面,抽取的脉冲给RAM的RD端,完成存储器读脉冲的实现,每4次8051的RD脉冲读取一个RAM地址内的数据。与8051接口方面,先将8051的读脉冲延迟3个时钟,形成一个延迟的8051读脉冲信号,利用这个信号,完成把读入FPGA内的一个RAM地址的数据传送给8051,这个信号的第一个读脉冲的下降沿是第一时刻,第二个读脉冲的下降沿是第二时刻。在第一时刻读入数据为1010+regin[2320],第二时刻读入数据为regin[19:12],这两个时刻读入的数据方为一个完整的采集结果数据,通过在主机的应用程序中组合两次读入的数据,最后得到的数据格式为“A+12位采集结果数据”,这一种格式表示是I路的12位数据。同理,第三时刻和第四时刻读入的数据为Q路的12位。传输精细采集数据时FPGA内部各个读脉冲之间的时序见图6所示。
以上是存储器读脉冲的实现过程,存储器地址则是通过对8051发出读脉冲计数而得到。
下面再从整体上看保存的精细采集数据是如何发送给USB接口模块的。基本原理可以通过图7来说明。传输过程为:当主机发送一个IN令牌给AN2131QC的管道2时,AN2131QC执行对应的管道中断程序。在中断程序中,AN2131QC发出连续的64个读脉冲,这64个读脉冲通过4抽1,得到16个读脉冲。这16个读脉冲送给存储器的RD引脚,同时计数器对16个读脉冲进行计数,得到存储器的地址送给存储器的地址线。在第一个读脉冲的下降沿时存储器送出对应第一个地址的24位数据到XCS30内的24位寄存器regin。同时在XCS30内部,把这24位作为4组数据一次保存。AN2131QC发出的64个读脉冲延迟3个时钟后控制XCS30内部的数据线。第一个延时的读脉冲到来时,将图7对应的第一时刻内的数据送到8位寄存器,这时AN2131QC读入8位寄存器的内容;第二个延时的读脉冲到来时,将图7对应的第二时刻内的数据送到8位寄存器,AN2131QC读入该寄存器内容;第三个延时的读脉冲到来时,将第三时刻内的数据送到8位寄存器,AN2131QC读入该寄存器内容;第四个延时的读脉冲到来时,将第四时刻内的数据送到8位寄存器,AN2131QC读入该寄存器内容。通过四个延时的读脉冲,完成对应的存储器的第一个地址内24位数据的传输。主机发送一个IN令牌将引起AN2131QC发送64个读脉冲,完成存储器16个地址的数据的传输。
经过这样的处理,完成了24位到8位的转换,同时由于在XCS内部处理数据时,加入了“1010”和“1011”的通路标志,在主机接收到的数据中可以通过对此识别,分离开I路和Q路的数据。此外,由于在数据的保存过程中,每一帧开始写入的数据为FFFFFF,所以在主机的数据中,如果出现“AFFF BFFF”的标志时可以识别这一段数据为一个新的数据帧的开始。
参考文献
雷达数据处理软件系统 篇8
在突防作战研究中,详细的导引头状态和回波数据是开展研究的前提和基础。但作为作战装备,导引头没有全面的数据采集功能,仅提供简单的状态指示,无法全面反映自身的工作状态和战场的电磁环境。
为解决这一问题,本文设计了单脉冲雷达并行高速数据采集系统,可以实现发射机、接收机和天线系统数据的实时、同步采集,全面反映导引头的工作状态和回波波形。该系统具有如下特点:
(1)实时采集并同步存储发射信号、和、差通道回波信号、航向控制电压等导引头相关数据;
(2)实现连续长时的精采(连续采集每个PRI的回波);
(3)数据回放,包括波形图和全景视图(PPI);
(4)分布式处理结构,实现采集、处理、显示、存储模块的独立工作,减轻处理器负担,保证数据采集完整、实时显示流畅。
系统的总体框图如图1。
系统在功能上可分为信号转换组件、并行采集组件、同步控制模块和分布式处理模块。雷达工作过程中,发射信号、接收机中频信号等高速信号和天线航控电压(指示天线的朝向)等低速信号经信号转换组件的放大、滤波和去直流偏置后馈送到并行采集组件,后者对以上信号进行采样和预处理,将高、低速信号数据打包后经PCI总线传递到分布式处理模块进行显示、存储和实时处理;同步控制模块负责采集系统与雷达系统协调工作,按照用户需求完成采集和雷达系统的同步控制。
1 信号转换与适配
信号转换组件实现导引头信号的适配与变换。由于不同型号的导引头在工作体制和系统结构上有较大差别,导致中频信号的特征参数,视频信号的幅度、极性,天线方向信号的输出形式等参数都不尽相同。考虑到系统的通用性,信号转换组件采用了模块化设计思路,即将组件的功能进行分块和打包,将联系紧密的功能封装成可更换(调谐)的模块,以满足不同应用场合的需要。
导引头大多采用磁控管产生发射信号,由于器件自身结构和信号产生模式无法对信号进行精确控制,磁控管发射机输出的探测信号在波形和稳定性上都不理想,后期信号处理需要采集发射信号进行比对。发射信号采集的关键问题是功率适配和采样时序。大多数导引头提供发射信号检测接口,一般是通过定向耦合器引出。由于不同雷达的耦合输出功率不一样,因此信号转换组件采用了大功率容量的可变增益结构,并增加了限幅环节保护后级电路。在同步控制组件的协调和导引头同步信号的触发下,组件打开采样波门,采集发射信号。
导引头的天线方向信号一般没有数字形式的输出,而是以航控电压这种模拟信号表示。天线组合输出的航控电压是一个双极性大动态范围的电压信号,并且叠加了较强的纹波,如果直接采样将无法获得准确、稳定的数据。为保证采样质量,在航控电压的引出端采用具有宽电压范围的低噪声放大器ADA4084-2构建二阶有源滤波网络[1]。
该网络完成信号的低通滤波,其截止频率为100 kHz。滤波后的信号经过分压后馈送到AD7663完成信号采集。AD7663是16 bit的双极性ADC,对低速信号有很高的采样精度,并能最大限度地降低纹波的影响[2]。
2 并行采集与预处理
并行采集组件对和、差通道的中频IQ信号、视频检波脉冲和天线航控电压共6路信号进行同步采样,其中航控电压通道为低速采样,其余为高速采样。由于通道多、数据量大,并且采样速率不一致,要满足持续精采的设计要求,必须整体考虑采样频率、存储器容量和PCI端口速率之间的配合关系,并设计高效的FPGA逻辑实现数据的实时预处理。
2.1 采样频率选择
导引头中频频率较高,如果采用常规的奈奎斯特采样,则采样频率接近100 MHz。在这一速率下,5通道同步采集每秒可产生800 MB的数据。大量的数据对系统的缓冲存储能力(RAM容量)和数据传输速度(PCI传输速率)都有较高要求。解决这一问题有两种方案:
(1)缩短采样时长。
这种方案采用传统的奈奎斯特采样,同时缩短采样时长,从而将生成的数据量降低到PCI接口可以承受的水平。这种方案的优势是可以完整采集中频的所有频率成分,最大限度地保留信号特征;缺点是将导致时域探测能力下降:由于采样时域波门变窄,可观测的时域信息少;并且为了采集到敏感数据,需要额外设计波门同步逻辑,根据导引头输出的距离信息自动设置采样波门,增加了系统的复杂度和研制工作量。这一方案实际上是以牺牲时域信息为代价降低数据量。
(2)降低采样频率。
将采样频率降低到奈奎斯特频率以下,从而在保持采样时域波门宽度的同时减小数据量[3]。这一方案的的优点是保证了回波信号时域信息的完整性;不足是信号频谱有重叠,无法保留所有的频率成分,实际上是以牺牲频域信息为代价降低数据量。
由于导引头内部有自动频率跟踪机构,接收机输出的中频信号是一固定频点的窄带信号,因此无需保留(采集)完整的频谱;对脉冲导引头而言,时域波形包含了目标的距离、功率等重要信号,较宽的时域采样波门可以获得更多的战场环境信息(如干扰信号、地物杂波等),有利于后续分析。基于这一考虑,并行采集系统利用带通采样原理,降低采样频率。在中频信号为fc、带宽为B时,采样频率fs可由带通采样公式确定[4]:
带入导引头参数得出带通采样频率范围为(26.6—36)MHz,综合考虑系统数据处理能力和事后分析对波形分辨力的要求,确定采样频率为36 MHz。
2.2 异步数据传输
系统中数据的采集和传输在不同的时钟域进行:数据采样由FPGA内部时钟驱动,而数据的传输则由PCI读时钟驱动;这两个时钟频率不同,并且没有必然的联系,因此FPGA与PCI接口的数据交换是异步方式。协调好数据异步传输中的时序,尽量避免亚稳态造成的传输错误是采样逻辑的难点和重点[5]。
鉴于系统内FPGA提供了足够的存储空间,我们采用FIFO解决异步时钟域的数据传输问题。对于异步FIFO而言,其读信号和写信号处于不同的时钟域,因此如何准确判断FIFO的空和满状态成为逻辑设计的关键[6]。
数据读写过程中,如果FIFO处于空状态,但读取方错误地判断为非空而继续读操作,则将导致下溢出(underflow),读取方将读入一个无效数据,并破坏读写指针的同步;同样,如果FIFO处于满状态,但写入方错误地判断为非满而继续写操作,则将导致上溢出(overflow),写入方将覆盖一个尚未被读取的有用数据,并破坏读写指针的同步。由于空、满标志的产生依赖于读指针和写指针,而这两个指针产生于不同的数据域,极可能由于亚稳态的影响而导致地址的传递发生错误,从而影响读、写状态的正确判断,最终导致数据读写出错。
目前解决读、写地址同步中的亚稳态问题有两种主要技术,即采用格雷码指针和采用握手机制。
格雷码是一种特殊的编码,其相邻的码字之间只有一位发生变化。格雷码相对于普通二进制码的优势是显而易见的:二进制码相邻的码字之间可能有多位发生变化,如由01111111变到10000000意味着所有8位数据均发生了变化,这在亚稳态的异步数据传输中非常容易出错;而格雷码相邻码字之间仅有一位发生变化,极大地降低了数据出错的风险。但值得注意的是,格雷码只能降低数据出错的风险,并不能将之完全消除。这一方式适用于FIFO较小的场合,实现了最大的RAM利用率和传输速度。
握手机制可以完全消除亚稳态造成的传输错误。虽然在空满判断时会消耗更多的时钟周期,但对于采用大容量FIFO的系统而言,这一时延是可以接受的[7]。由于采集系统采用了32768Byte的大容量RAM,故逻辑设计选择了握手机制解决亚稳态传输问题。
如图3,FIFO以双口RAM为中心,采用独立的模块产生读写地址,同步模块则负责按照握手机制实现地址在不同时钟域间的传递。FIFO逻辑的设计难点在于利用握手机制实现地址的无差错传送,实现空、满状态的正确判断,这一逻辑的实现可简要描述如下:
对于空标志的判断,写入方将写指针存放到写地址寄存器,同时向读取方的同步模块发送就绪信号(Wr_ready);读取方收到Wr_ready后从写地址寄存器读取写指针;成功读取后,读取方将写地址传递到空标志产生逻辑进行比较判断,同时向写入方发送完成信号(Wr_ack);写入方收到Wr_ack后用当前的写地址更新写地址寄存器。在写入方收到Wr_ack前,写地址寄存器的内容保持不变,保证了数据传输的正确性。满标志的判断逻辑与空标志相同。
下面分析握手过程对FIFO的读写产生的影响:
握手导致的延迟会降低RAM的空间利用率,但同时保证了数据传输的正确性:当RAM为空时,用于比较的写指针是读取方通过握手机制从写时钟域读取的,由于握手需要消耗多个时钟周期,故写地址已经发生了变化(写入方已经向RAM写入了数据),用于比较的写指针已经不是当前的写地址了,而RAM此时已经为非空;因此读取方将判定RAM为空(即判断错误)而停止读取,同时RAM中也已经有数据,故不会导致下溢出(underflow)。同样,判断RAM是否为满的逻辑也不会导致上溢出(overflow)。握手机制带来的延时可能会导致RAM在还有一定空间时停止写数据,或在还有少量数据时停止读取,这降低了RAM空间的利用率,但保证了传递的数据真实有效。实测显示,系统中RAM容量的平均利用率约为99.973%,其读写速度满足设计要求。
3 分布式系统结构
系统以36 MHz的速率进行并行采样,其数据生成速率接近PCI总线的传输速率极限。实际应用中发现,主机必须持续读取PCI接口才能保证数据的完整传输,而这一方式将导致主机无法完成显示、存储和数据处理等其他任务。为了在保持高速率采集的同时实现数据的实时显示、存储和数据处理,我们采用了广播内存网络。
广播内存网络是一种高性能集线器配置网络,适用于高数据传输负荷的实时网络系统[8]。广播内存技术使得网络内的所有节点共享网络内存,节点写入自身RAM的数据也同时广播到网络的其他节点,各节点间接收数据的延迟不大于10 μs。系统的拓扑结构如图:
如图5所示,系统采用星型拓扑结构,所有节点均直接连接到中心Hub上。采集节点不断地通过PCI接口读取数据并存储到网络内存,由中心Hub负责将数据广播到所有节点。由于写内存的速率极高,因此采集节点有足够的时间读取PCI端口,保证数据读取速度;广播内存的底层软件则保证了其他节点能够同时、准确地收到广播数据,实现所有功能节点的同步工作。
4 测试结果
图6和图7是在采集过程中实时显示的导引头数据,图8是回放数据。从PPI视图可以看出,系统完整地采集了导引头的数据,没有出现丢帧的情况;从波形图可以看出,采集系统36 MHz的采样率可以精细刻画波形细节,满足后续处理要求;系统采用分布式结构同时实现了采集、显示、存储等多项功能,满足设计要求。目前,该系统已应用于部队训练中,取得了良好效果。
参考文献
[1] Analog Devices,Inc.ADA4084-2 Data Sheet Rev A2,012—2
[2] Analog Devices,Inc.AD7663 Data Sheet Rev B,2003—5
[3] Hill G.The benefits of undersampling.Electronic Design,1994
[4] Vaughan R,Scott N,White D.The theory of abndpass sampling.IEEE Trans.on Signal Processing1,991;9:1973—1984
[5]张毅,周成英.高速同步FIFO存储器在数字信号源中的应用.电子技术,2003;(11):48
[6]常胜,黄启俊.基于异步FIFO实现不同时钟域间数据传递的设计.电子设计应用2,004;(8):57—59
[7]黄隶凡,郑学仁.FPGA设计中的亚稳态研究.微电子学,2011;41(2):266—267
雷达系统中的实时通信网络 篇9
【关键词】 雷达系统 实时通信网络 特点 PON技术 组网
雷达系统，在新时期，各种尖端科技出现的背景下，对雷达的要求更高，现今雷达通信一体化是各国研究的重点方向，随着现阶段电子干扰、信息化战争这些概念的逐步深入，研究雷达系统中的实时通信具有强大的现实意义。
一、雷达系统中的实时通信网络现状分析
随着科技的不断发展尤其是电子信息技术的发展，实现雷达系统的实时通信，已是较为成熟的技术，主要问题在于信息的软件化处理。在通用微型计算机硬件上的大发展背景下，实现雷达系统信息的软件化处理已经具备可行。在雷达系统中主要包括发射、接收、天线、数据处理、操作系统控制台等多个部分，各个分站间传输的数据量大，对通信的要求高，同时在信息的处理上主要依靠硬件实现，而这给雷达系统的实时通信网络的组建带来了基础，雷达主机的处理器通过个分系统开放的端口实现雷达系统部分的通信。这种方式十分的繁琐，而且可靠性也不高。在计算机硬件尤其是多线程CPU以及显示核心GPU的发展中，通过计算机网络协议将雷达系统中各分系统链接起来，简化各分系统的通信过程，实现雷达系统的实时通信网络的组建以及软件化信息处理。
以火控雷达的通信来看，由于需要高精度、高实时性以及高可靠性，对通信的要求就很高，而常用的通信方式有多种，如STD并行总线，CAN现场总线以及以太网等等。这些通信方式需要的端口是不一样的，因此维护难度大，在实时性方面也各自存在一些缺点。
二、雷达系统中的时通信网络设计
2.1设计方案
以目前的光纤传输技术的发展看，基于PON技术实现雷达系统的实时通信是可行的。因此，本文使用PON技术接入通信网络，建立树形拓扑，数据上行方式为时分多址，下行的方式为广播。该方案，以点对多点的形式进行数据传输，相对来说比较复杂，但组网成本较低。
2.2实现方案
在数据上行方面，采用1.310μm光信号传输的突发模式，下行采用1.55μm光信号传送的连续模式，整个系统一单独光纤进行双向WDM传输。在PON技术中，数据上行通过ONU即光网络单元，下行通过OLT即光网络终端。
在PON技术中数据上行一般是ONU至OLT的传输的方向，而下行正好相反。上行以TDM模式接入网络，下行以广播形式传输。具体来说就是在数据上行过程中，以时分多址的方式实现，也就是将信道划分成多个时间间隙，并且依次安排ONU发送一组数据。要注意为了避免在ONU发送数据时出现数据碰撞，时间间隙需要严格控制，也就是要对每一个ONU进行定时发送。在PON技术中，由于环境以及距离的不同，ONU至OLT之间会出现不同程度的信号衰减。因此，要进行严格的测距，同时在OLT端以突发模式进行光接收。要注意，快速比特同步技术必须在OLT端利用起来，实现信号的快速同步，ASIC是目前较为常用的快速比特同步。
2.3帧结构以及帧同步
在该通信系统中，需要对帧结构以及帧同步做专门的设计，以便符合雷达通信的特点。因此要实现这一方案，一方面，在下行数据中，帧结构需要达到每一个雷达的信号周期内需要发送一帧，这一帧包含248个时间间隙，每个时间间隙长度100bytes，长度固定，这时数据就被划分成了固定的连续比特流，至少可达到155.52Mb/s。另一方面，上行数据的帧结构，同下行帧结构相同，但是在某一个信号接受站中，时间间隙会被动态分配给ONU，进而发送到OLT。能够达到的速率为155.52Mb/s。
帧同步在一个组网方案中是一个难点，具体参照图1所示，以图示的原理实现帧同步。
三、结束语
由于雷达系统的特殊通信特性，以如今的技术实现基于PON技术的计算机网络雷达系统的实时通信组网，是十分可行的。总体上来说就是将光纤传输的信号进行转换后实现实时的显示以及处理，从而实现即时通信。以PON技术的点对多点的传输方式，在通信系统中以高性能光收发模块，以及优化后的线路结构，可实现高可靠性、高性能以及较高的实时性，具有极高的现实意义。
参 考 文 献
[1]黄鹤.雷达-通信一体化系统设计[J].雷达科学与技术，2014，05：460-464.
雷达数据处理软件系统 篇10
一、高性能雷达信号处理系统
在设计中采用VPX的结构模式主要是考虑环境与散热的需要，其总线是VME技术的自然进化，采用高速串行总线替代了原有的总线模式，以此获得最佳的处理性能。与VITA组织结构以及其他总线模式相比，VPX的特征突出：从结构上看其密度高且灵活。VPX总线是按照IEEE1101的3U和6U标准来设计的，可以在兼容上做到最大范围的兼容，保证系统的相对稳定。其次，带宽被增强，使用高速串行的插件可以增加总线的宽带性能。同时系统与各种高速串行协议都可以进行兼容。第三，电源设计有所增强，VPX规范通过增加背板的电量供应，和更加完善的散热系统可以支持多种处理器的运行需求，保证了系统的功耗适应范围。第四，采用较为先进的硅晶片结构制成的高速差分连接器具有连接紧密，超如损耗小且误码率较低的特征，每个差分都对支持的宽带数据都可达到极限10G，且硅晶片设计带有ESD接地层和接触层，可以有效的防止意外放电的干扰。
二、工程应用
在VPX出现前，雷达系统面临2个最基本的性能方面的艰制为总线信号引脚可支持的最大数据带宽和每个板槽所提共的最大功率。VPX通过高速连接器和支持高级互联结构有效地解决了上述2个问题。
本文以VPX为总线主体结构，解决了以往的DBF处理系统不能适应高速连接的问题，该系统利用光纤以太网接入板，3块FFPGA处理板、1块MPC8641 D处理板、以及5插槽VPX背板构成了处理系统，系统中所有的插板都按照VPX的需要进行定制。该系统在实际应用中构建模式为：系统前端的由32条光纤构成传输线路，其中每个光纤都可携带8个阵元的采样数据，总计可以实现2G的传输效率。改DBF工程应用方案如下：光纤以太网接入板利用8个QSFP模块接收到32路光纤信号并进行转换成为32路64GBPS的电子信号。利用背板的电路传输给FPGA进行高速处理;每块FPGA处理器都分别接受16路32Gb/S信号进行调整，两块板之间实现数据交换;整形后的半波束形成结果并传输至相应的FPGA前置处理板，进行最终的计算;完成波束的权系数计算是利用芯片MPC8641 D完成，其中分别将其结果传递到FPGA上。
三、系统性能测试
完成设计后，利用模拟对其计算能力与通信能力进行了测试，一方面，计算能力是信号处理的关键性指标，系统性能测试必须要求计算性能过关。在测试中利用1024点精度浮点复数基2FFT算法，测试不同处理器的计算性能。完成测试后数据表明，选择的MPC8641D的计算能力为最强，高于DSP TS101计算能力的2.7倍;是DSP TS201计算能力的1.3倍。
通信能力的测定也是信号处理系统优劣的重要指标，其直接影响信号处理系统的基本性能。在本文的设计中，利用两个板内与板外的FPGA进行别的例化测试了协议的内核，在保障链路误码率达到标准的同时测试链路中所能够达到的最大速率，在测试中表明，不同的协议条件下，通信能力也有较大的差异，在与标准的SDP TS201的系统相比较，采用FPGA核心技术的系统可以提高传输速率4-8倍。
四、结语
综合上述的分析，本文所提出的高性能宽带相控阵雷达的信号处理系统，主要是利用VPX为核心技术，实现传输方式的改变，并利用FPGA和高性能CPU作为系统的处理单元，使其具有高速处理数据的性能，具有了宽带相控雷达所需要的处理能力。并且利用系统兼容性特征可以保证多种宽带条件下的顺利工作。测试结果表明，系统支持超大宽带与超大功率的运行工况，处理恶劣环境下的处理能力也维持在较高水平。
参考文献
[1]温丹昊, 马敏, 刘志高.相控阵雷达波束调度中的三维坐标转换方法.黑龙江科技信息.2012 (12)
[2]吴琼之, 阎敬业, 南方, 闫州杰.VHF有源相控阵雷达数字收发单元设计实现.遥感技术与应用.2012 (02)