雷達(dá)視頻信息的壓縮與傳輸是雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié),，它將來(lái)自雷達(dá)接收機(jī)中的目標(biāo)信息回波視頻信號(hào)進(jìn)行采樣、壓縮與傳輸,，在顯控臺(tái)中進(jìn)行圖形圖像疊加,，實(shí)現(xiàn)多窗口畫(huà)面一次信息與二次信息的綜合顯示，獲取敵我態(tài)勢(shì),、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù),、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等大量信息，輔助指揮員做出判斷和決策[1],。

    針對(duì)雷達(dá)視頻數(shù)字化,、傳輸網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，本文基于最新大規(guī)模邏輯FPGA和高性能DSP芯片,，結(jié)合圖像處理理論,，對(duì)雷達(dá)視頻回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集、壓縮與網(wǎng)絡(luò)化傳輸,，并對(duì)適用雷達(dá)圖像的壓縮算法進(jìn)行了算法驗(yàn)證，為今后研究基于雷達(dá)視頻目標(biāo)回波信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè),、特征研究和模式識(shí)別等提供了依據(jù),，以適應(yīng)雷達(dá)視頻處理通用性和可擴(kuò)展性發(fā)展的要求。
1 平臺(tái)設(shè)計(jì)
1.1總體框架
    雷達(dá)視頻處理具有如下特點(diǎn)：
    (1)采樣速率高：雷達(dá)是靠天線按一定的方向特性做360°旋轉(zhuǎn),，每間隔一定的角度向空間發(fā)射電磁波,，電磁波在傳輸途中遇到目標(biāo)后產(chǎn)生二次輻射，其中一部分返回雷達(dá)處(稱為回波),，由此可以獲取目標(biāo)的空間坐標(biāo),、速度、特征等信息。由于電磁波按照光速傳播,，且目標(biāo)尺寸可變（最小幾米）,，因此要求視頻信號(hào)采樣足夠高，不能丟失目標(biāo),。
    (2)數(shù)據(jù)處理負(fù)荷任務(wù)重：按照每秒4 096個(gè)方位,，每個(gè)方位5 000個(gè)采樣點(diǎn)，256級(jí)量化(8 bit),，則需要處理數(shù)據(jù)為4 096×512×8=160 Mb/s,，數(shù)據(jù)量大且集中。為此,，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)組織等預(yù)處理工作,，合理設(shè)計(jì)軟件與硬件分工，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程,，便于傳輸[2],。
    (3)強(qiáng)實(shí)時(shí)性：由于軍用與民用雷達(dá)應(yīng)用實(shí)時(shí)性的要求，必須設(shè)計(jì)高速率的數(shù)據(jù)傳輸通道,，對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮,，減少傳輸數(shù)量，提高通信速度,，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)時(shí)顯示,、輔助決策。
    結(jié)合以上特點(diǎn),，基于高性能DSP和FPGA構(gòu)建了雷達(dá)視頻壓縮與傳輸平臺(tái),， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。

    每個(gè)平臺(tái)支持一部雷達(dá)視頻信號(hào),，每部雷達(dá)接口信號(hào)包括二路模擬視頻(對(duì)海,、對(duì)空等)與三路脈沖信號(hào)(正北、觸發(fā),、方位等),。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)高速A/D變換后，以數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA中,。FPGA對(duì)模擬視頻信號(hào)與脈沖信號(hào)進(jìn)行同步采樣,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,。DSP通過(guò)EMIF接口獲取每幀數(shù)據(jù)，緩存壓縮后,，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,。
1.2 數(shù)據(jù)采樣
    本平臺(tái)距離分辨率達(dá)到2 m，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率需要達(dá)到75 MHz,。平臺(tái)采用模擬器件公司的高速低功耗的芯片AD9215作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,1 Vp-p差分輸入信號(hào)幅度,線性數(shù)據(jù)編碼格式輸出,最高采樣頻率達(dá)到105 MHz,。AD9215采樣時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)提供，軟件控制時(shí)鐘采樣頻率。最高設(shè)定頻率75 MHz,基本量化距離為2 m,。
    平臺(tái)面向的并不是微弱小信號(hào),，因此3路雷達(dá)模擬信號(hào)經(jīng)無(wú)源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)衰減后,直接進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
1.3 FPGA數(shù)據(jù)處理
　　由于雷達(dá)視頻信號(hào)中含有大量的雜波,，并且具有較強(qiáng)的隨機(jī)特性,，如果不先對(duì)其進(jìn)行一定的處理，DSP高速并行處理能力將受到限制,，且直接影響雷達(dá)視頻處理的實(shí)時(shí)性,。為此，需要FPGA對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)進(jìn)行處理,。FPGA設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,。

    FPGA選用Altera公司的Stratix II系列EP2S30F672C4N芯片[3]，主要資源應(yīng)用如下：
    (1)時(shí)序控制與通信接口: 使用內(nèi)部33 KB邏輯單元(LE),；
    (2)片內(nèi)時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)并輸出A/D采樣時(shí)鐘：使用內(nèi)置增強(qiáng)型PLL鎖相環(huán)與快速PLL鎖相環(huán),；
    (3)雙端口RAM數(shù)據(jù)緩存：使用嵌入式內(nèi)存塊，器件內(nèi)存總量為1.3 MB,。
    雷達(dá)模擬視頻信號(hào)通過(guò)A/D變換為原始雷達(dá)數(shù)字視頻信號(hào),，與其他3路脈沖雷達(dá)信號(hào)一起送入FPGA。通過(guò)FPGA的可編程電路進(jìn)行時(shí)序控制和預(yù)處理,，同時(shí)產(chǎn)生地址和控制信號(hào),，從而將數(shù)字視頻信號(hào)送入雙口RAM的指定地址，便于DSP進(jìn)行讀取,。
    雙口RAM存儲(chǔ)器容量為16 KB,，使用時(shí)分為上下兩個(gè)體，各8 KB,，輪流寫(xiě)入采樣后的視頻,。為防止小目標(biāo)丟失，須設(shè)定采樣頻率75 MHz,，基本量化距離為2 m,；由于RAM存儲(chǔ)容量限制，如果直接把數(shù)據(jù)存入RAM中,，那么采樣距離只有8 km×2=16 km,。為此，在FPGA中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行10選1處理,。在連續(xù)采樣10點(diǎn)中統(tǒng)計(jì)最大值，存入RAM,。采樣距離為8 km×2×10=160 km,。如果需要提高采樣距離，則可以降低采樣頻率(15 MHz，10 m精度)或提高統(tǒng)計(jì)極值長(zhǎng)度(如20:1,，320 km),。
    FPGA按照乒乓模式緩存數(shù)據(jù)一幀,同步采樣模擬視頻信號(hào)與脈沖信號(hào)，數(shù)據(jù)重組,降低DSP工作負(fù)荷,，充分發(fā)揮其信號(hào)處理特長(zhǎng),，提高實(shí)時(shí)性。
1.4 數(shù)據(jù)壓縮與網(wǎng)絡(luò)發(fā)送
    (1)DSP數(shù)據(jù)處理硬件平臺(tái)
    DSP通過(guò)EMIF接口從FPGA讀取視頻數(shù)據(jù),并進(jìn)行緩存壓縮,，然后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送視頻數(shù)據(jù),。處理流程如下：    DSP芯片選用TI公司的TMS320C6455BZTZ，該芯片屬于高速定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片,。為提高實(shí)時(shí)性,，本設(shè)計(jì)中選用1.2 GHz最高運(yùn)行時(shí)鐘，內(nèi)置大容量一級(jí)緩存,、二級(jí)緩存與 ROM,，該芯片可以滿足視頻壓縮、解壓縮技術(shù)指標(biāo)的要求,。TMS320C6455BZTZ具有64位外部總線,，可外接引導(dǎo)用Flash，并可實(shí)現(xiàn)與FPGA芯片的數(shù)據(jù)傳輸,； 內(nèi)置DDR2內(nèi)存控制器(DDR2 533),總線16 bit/32 bit可選,，可用于連接DDR2內(nèi)存，緩存圖像數(shù)據(jù),；內(nèi)置10/100/1 000 Mb/s  以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制器(EMAC),，可以支持MII、RMII,、GMII和RGMII等多種網(wǎng)絡(luò)接口,，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，滿足設(shè)計(jì)需要[4],。DSP處理流程如圖3所示,。

    網(wǎng)絡(luò)芯片負(fù)責(zé)將壓縮視頻數(shù)據(jù)傳送到交換機(jī)或顯控臺(tái)，選擇Intel公司的PHY芯片LXT971ALE,支持10BASE-T/100BASE-TX網(wǎng)絡(luò)模式,，外接隔離變壓器,，可以滿足本設(shè)計(jì)中百兆以太網(wǎng)的要求。
    (2)雷達(dá)視頻實(shí)時(shí)壓縮算法
    雷達(dá)視頻回波信息中包含大量的冗余數(shù)據(jù)[2],，主要體現(xiàn)陸地,、島嶼等靜態(tài)物體的回波,通過(guò)雷達(dá)顯示圖像為各幀之間不變的像素;雷達(dá)數(shù)據(jù)中噪聲和雜波較多，占總數(shù)據(jù)量的80%以上,；運(yùn)動(dòng)物體的回波在相鄰幾次掃描中位移變化很小,，通常會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠种丿B,，在視頻圖像上各幀間圖像的變化很少,甚至只有幾個(gè)像素差別。
    利用雷達(dá)視頻信號(hào)的空間和時(shí)間相關(guān)性特點(diǎn),，對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)進(jìn)行二維壓縮,把N個(gè)相鄰的方位角數(shù)據(jù)組成一幅M×N的回波圖像進(jìn)行壓縮,，其中M為一個(gè)方位角上視頻回波信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)。壓縮算法采用小波變換,，具有多分辨分析能力,，與實(shí)際雷達(dá)多量程P顯、粗A顯示,、精A顯示等,，由全貌到細(xì)致、由粗到精的顯示方式相一致,。視頻網(wǎng)絡(luò)中的不同顯控終端可以以各自不同的分辨率來(lái)觀察其視頻圖像,。壓縮實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

    回波圖像經(jīng)過(guò)分解后,，頻帶被分為L(zhǎng)Ln,、LHn、HLn和HHn(n為分解級(jí)數(shù))4個(gè)子帶,。其中LL子帶反映了下一尺度的概貌,，其余3個(gè)子帶分別反映圖像在水平、垂直和對(duì)角線方向的高頻細(xì)節(jié)信息,。遞歸這一過(guò)程,對(duì)分解后的低頻子帶繼續(xù)分解,，直到滿足壓縮指標(biāo)或精度要求。
    (2)門(mén)限處理
    回波圖像經(jīng)過(guò)多尺度二維小波分解后能量幾乎總是集中在低頻的子圖像(LL)中,，并從低頻到高頻(LH,、HL、HH)遞減分布,。低頻部分反映雷達(dá)視頻回波圖像的主要特性,，高頻部分反映回波圖像的細(xì)節(jié)信息。由于高頻成分對(duì)顯示效果貢獻(xiàn)不明顯,，因此對(duì)高頻成分采用硬門(mén)限處理方法以提高后續(xù)編碼的效率,，同時(shí)保留原始信號(hào)的一些尖銳特性，防止小目標(biāo)丟失,。
    (3)編碼
    門(mén)限處理后,，圖像數(shù)據(jù)包含大量零數(shù)據(jù)（無(wú)效數(shù)據(jù)位與低于門(mén)限的圖像數(shù)據(jù)），因此本算法中采用游程編碼和Huffman編碼相結(jié)合的編碼方法,。首先進(jìn)行游程編碼,，統(tǒng)計(jì)零數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，然后進(jìn)行Huffman編碼形成壓縮碼流,，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,。
2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

    視頻處理平臺(tái)設(shè)計(jì)完成后,，對(duì)接雷達(dá)視頻，并實(shí)際驗(yàn)證平臺(tái)性能,。采用黑色背景、綠色目標(biāo),，在屏幕上可看出明暗及亮度變化,每次掃描能反映出雷達(dá)回波對(duì)目標(biāo)顯示的更新,。
    平臺(tái)主要性能指標(biāo)如下：
    (1)單路視頻碼率：≤10 Mb/s；
    (2)基本量化距離：2 m,；
    (3)視頻灰度等級(jí)：8 bit,；
    (4)實(shí)時(shí)性：視頻延時(shí)<40 ms。
    針對(duì)雷達(dá)視頻數(shù)字化,、傳輸網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì),，本文基于最新大規(guī)模邏輯FPGA和高性能DSP芯片，結(jié)合圖像處理理論,，將雷達(dá)視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集,、壓縮與網(wǎng)絡(luò)化傳輸，并對(duì)雷達(dá)圖像適用的壓縮算法進(jìn)行了算法研究,單路視頻碼率小于10 Mb/s,；最大視頻采樣數(shù)率為75 MHz,，視頻延時(shí)<40 ms。為今后研究基于雷達(dá)視頻目標(biāo)回波信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè),、特征研究和模式識(shí)別等提供了基礎(chǔ),，在指火控系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 李俠,董鵬曙,黃樹(shù)軍,，等.現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)[M].北京：兵器工業(yè)出版社,，2000.
[2] 索繼東，莫翠君.VTS雷達(dá)圖像的壓縮[C].大連海事大學(xué)校慶90周年論文集,，大連:大連海事大學(xué)出版社,，1999.
[3] Altera company. The Stratix II handbook [EB/OL].[2007-05-01].http://www.altera.com.cn/support/devices/stratix2/dev-stratix2.html .
[4] TI company. TMS320C6455 Fixed-paint digital signal processor databook[EB/OL].[2012-03-28].http://www.ti.com/product/tms320c6455.