深入了解掃描陣列雷達信號處理

　　從信號到目標

　　脈沖壓縮是這一抽象過程的開始。在時間域或者頻域，脈沖壓縮器一般通過自相關找到有可能含有發送啁啾的波形。然后，它采用脈沖目標來表示這些波形 —— 含有到達時間、頻率和相位以及其他相關數據的數據包。從這里開始，接收鏈會處理這一數據包而不是接收到的信號。

　　下 一步一般是多普勒處理。首先，脈沖被送入方格陣列中( 圖 3 ) 。在陣列中，每一列含有從某一發射器啁啾返回的脈沖。陣列中會有很多列，這取決于系統能夠承受多大的延時。陣列中的行表示返回切換時間：距離陣列的 x 軸越遠，發射器啁啾和接收脈沖到達時間之間的延時就越大。這樣，延時方格也代表了與某一脈沖反射的目標的距離。

　　圖 3 .多普勒處理方格。

　　把一系列啁啾脈沖置入到正確的方格中后 ， 多普勒處理程序水平移動數據 —— 觀察從一個目標返回的脈沖隨時間的變化 ， 提取出相對速度和目標頭部信息。這一處理方法需要很大的環形緩沖，無論某一多普勒算法一次能夠處理多少方格，緩沖都能夠容納所有的方格。

　　先進系統在陣列中增加了另一個維度。通過把天線劃分成子陣列，系統可以同時發送多個波束，然后，使用相同的多旁瓣天線方向圖設置接收器進行監聽。或者，系統 通過聚束或者使用合成孔徑方法來掃描波束。現在，當裝入壓縮后的脈沖時，系統建立一個三維方格陣列：一個軸上是發送脈沖，第二個是返回延時，第三個是波束 方位( 圖 4 ) 。現在，對于每一路脈沖，我們有兩維或者三維方格陣列，同時表示距離和方向 —— 表示物理空間。這種存儲器的排列是空時自適應處理 (STAP) 的起點。

　　圖 4 .多維方格為STAP建立矩陣。

　　這一術語可以解釋為 ：“ 空時” ， 數據組在 3D 空間統一了目標的位置 ， 含有與目標相關的啁啾時間。之所以是“自適應”，是因為算法從數據中獲得自適應濾波。

　　概 念上，實際情況也是如此，構成自適應濾波器是一個矩陣求逆過程：這一數據要與哪一矩陣相乘，得到噪聲中隱藏的結果 ? 據Altera資深技術營銷經理Michael Parker，推測的隱藏方向圖信息可能來自多普勒處理過程發現的種子，從其他傳感器采集的數據，或者來自智能數據。運行在 CPU 下游的算法把假設的方向圖插入到矩陣方程中，解出能夠產生預期數據的濾波函數。

　　很顯然，在這一點，計算負載非常大。反變換算法需要的動 態范圍要求進行浮點計算。對于戰斗環境中一個實際的中等規模系統，必須實時進行處理，Parker估算了STAP負載會達到幾個 TFLOPS 。在采用了低分辨率、窄動態范圍的系統中，實時性要求并不高，例如，簡單的汽車輔助駕駛系統或者合成孔徑映射系統等，這一負載會顯著減小。

　　從 STAP ，信息進入到通用CPU中，復雜但是數字計算量小，軟件嘗試對目標進行分類，構建環境模型，估算威脅所在，或者告訴操作員，或者直接采取緊急措施。在這一點，我們不但在信號處理域處理信號，而且還進入了人工智能領域。

　　兩種體系結構

　　從一名經驗豐富的雷達系統設計師的角度看，我們還只是膚淺的了解了 AESA 戰斗雷達。這一參考方法把網絡看成是相對靜態的 DSP 鏈，都連接至STA 模塊，其本身是軟件受控的矩陣算術單元。除此之外，從 DSP 專家的角度看，是一組 CPU 內核。

　　作為對比，汽車或者機器人系統設計人員會從完全不同的角度看系統。從嵌入式設計人員的角度看，系統只是一大段軟件，有一些非常專用的 I/O 器件，以及需要進行加速的某些任務。有經驗的雷達信號工程師考慮到信號處理和通用硬件的相對規模，可能會對這一方法不屑一顧。很顯然，機載多功能雷達的數 據速率、靈活性和動態范圍要求采用專用 DSP 流水線以及大量的本地緩沖才能完成實時處理。但是對于有幾個天線單元的不同應用，簡單的環境、更短的距離和較低的分辨率，以 CPU 為中心的觀點帶來了一些有意思的問題。

　　萊斯大學的 Gene Frantz 教授提出的第一個問題是，定義真實環境的 I/O 。第二個問題是選擇 CPU 。 Frantz 注意到，“很少只有一個 CPU 。更常見的是異構多處理系統。” Frantz 建議這一方法不從 MATLAB 中的 DSP 函數開始，而是從 C 語言中描述的完整系統開始。然后，以 CPU 為中心的設計人員不是定義設計中 DSP 和 CPU 域之間的硬件邊界，而是“不斷優化并加速 C 代碼。”

　　實際結果可能與以 DSP 為中心的方法完全不同。例如，以 CPU 為中心的方法一開始假設在一片通用 CPU 上執行所有工作。如果速度不夠快，這一方法轉向多片 CPU ，共享一個分層的連續存儲器。只有當多核不足以完成任務時，這一方法才轉向優化的硬件加速器。

　　相似的，以 CPU 為中心的設計從假設一個統一的存儲器開始。它為每一個處理器分配連續高速緩存，為加速器分配本地工作存儲器。它開始時并不假設任何硬件流水線，也不把任務混合映射到硬件資源上。