基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法及系统，通过外辐射源雷达系统接收外辐射源信号；对辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号；利用FPGA综合处理板将数字基带I/Q信号封装成帧数据，并将帧数据发送至光纤采集卡，光纤采集卡安装于主机内；在主机中分别设置均衡缓冲区、生产者线程和消费者线程，生产者线程将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区，消费者线程将均衡缓冲区中的帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件；终端显示平台利用目标帧数据文件显示目标航迹结果。本外辐射源雷达数据实时传输方法中的FPGA综合处理板具有优秀的移植性和扩展性，开发过程成本低，且对帧数据的实时传输效率较高。

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法及系统。

背景技术

外辐射源雷达是无源雷达，即其本身没有发射源，不发射电磁波信号，其基于双(多)基地的系统结构，通过接收环境中已经存在的电磁波信号实现对目标的探测。基于其本身的特点，外辐射源雷达有许多的优点，体现在反隐身特性、探测低空与超低空目标、抗干扰能力强、隐蔽性好和组网潜力大等。目前的外辐射源雷达的照射源有广播信号、手机信号和电视信号等，但外辐射源雷达所能接收到的目标的信号是非常微弱的，想要达到和有源雷达相同的性能，需要更加复杂的算法以及更加庞大的数据量。

因此，外辐射源雷达对于数据的实时传输要求比较高，目前外辐射源雷达系统的实时数据传输主要通过两种方法实现，一是针对系统开发相应的传输处理板，但是这种方式移植性和扩展性比较差，另一种是采用传输速度更快的传输卡，但是此种方式较为昂贵，而且一般都对系统其它方面有一些特定的要求，随着每一帧数据量的不断提升，原有的数据传输的方式已经不能满足现有外辐射源雷达信号实时处理系统。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法，包括：

通过外辐射源雷达系统接收外辐射源信号，所述外辐射源雷达系统为八阵元天线；

对所述辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号；

利用FPGA综合处理板将所述数字基带I/Q信号封装成帧数据，并将所述帧数据发送至光纤采集卡，所述光纤采集卡安装于主机内；

在所述主机中分别设置均衡缓冲区、生产者线程和消费者线程，所述生产者线程将所述光纤采集卡中的所述帧数据发送至所述均衡缓冲区，所述消费者线程将所述均衡缓冲区中的所述帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件；

终端显示平台利用所述目标帧数据文件显示目标航迹结果。

在本发明的一个实施例中，对所述辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号，包括：

利用低噪声放大器对所述辐射源信号进行带宽放大得到第一处理信号，并将所述第一处理信号发送至带通滤波器；

所述带通滤波器对所述第一处理信号进行采样得到第二处理信号，并将所述第二处理信号发送至A/D转换器；

所述A/D转换器对所述第二处理信号进行数字化变频处理得到所述数字基带I/Q信号。

在本发明的一个实施例中，所述均衡缓冲区的内存小于64G。

在本发明的一个实施例中，

所述主机中还设置有pBegin指针和pEnd指针，其中，

所述pBegin指针为所述生产者线程开始生产数据的位置，所述pEnd指针为所述消费者线程开始消费数据的位置。

在本发明的一个实施例中，所述生产者线程将所述光纤采集卡中的所述帧数据发送至所述均衡缓冲区，包括：

步骤4.1、判断所述均衡缓冲区是否为空状态，若所述均衡缓冲区为空状态，所述生产者线程将所述光纤采集卡中的所述帧数据发送至所述均衡缓冲区，若所述均衡缓冲区为非空状态，则进行步骤4.2；

步骤4.2、判断所述均衡缓冲区是否为充满状态，若所述均衡缓冲区为充满状态，所述生产者线程停止将所述光纤采集卡中的所述帧数据发送至所述均衡缓冲区，若所述均衡缓冲区为未充满状态，所述生产者线程继续将所述光纤采集卡中的所述帧数据发送至所述均衡缓冲区。

在本发明的一个实施例中，所述帧数据的帧数大于或者等于160帧。

在本发明的一个实施例中，终端显示平台利用所述目标帧数据文件显示目标航迹结果，包括：

利用后端GPU对所述目标帧数据文件进行外辐射源雷达信号处理得到目标点迹信息；

对所述目标点迹信息进行外辐射源雷达数据处理得到目标点迹帧数据；

将所述目标点迹帧数据发送至终端显示平台，所述终端显示平台利显示目标航迹结果。

一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输系统，包括：数据采集模块、数据采集信道化接收机、数据传输模块、信号处理模块和终端显控模块，其中，

所述数据采集模块，用于通过外辐射源雷达系统采集外辐射源信号；

所述数据采集信道化接收机，用于对所述外辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号，并将所述数字基带I/Q信号封装成帧数据；

所述数据传输模块，用于设置均衡缓冲区、生产者线程和消费者线程，所述生产者线程将所述帧数据发送至所述均衡缓冲区，所述消费者线程所述均衡缓冲区中的所述帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件；

所述信号处理模块，用于对所述目标帧数据文件进行外辐射源雷达信号处理得到目标点迹信息，并对所述目标点迹信息进行外辐射源雷达数据处理得到目标点迹帧数据；

所述终端显控模块，用于利用所述目标点迹帧数据显示目标航迹结果。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法及系统通过八阵元天线接收外辐射源信号，并对外辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号，FPGA综合处理板具有优秀的移植性和扩展性，可按照约定方式将数字基带I/Q信号封装成帧数据发送至主机内的光纤采集卡。

2、在主机中分别设置均衡缓冲区、生产者线程和消费者线程，此开发过程不依赖于硬件环境，开发成本低，代码结构简洁，思路清晰，可读性比较高。

3、在主机内，生产者线程将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区，消费者线程将均衡缓冲区中的所述帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件，生产者线程的生产速度远大于消费者线程的消费速度，扩充了缓冲区的大小，使均衡缓冲区对帧数据的传输具有实时性，能够完整的接收帧数据中的每一帧以供信号处理机来进行实时的信号处理。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输的系统示意图；

图3是本发明实施例提供的一种数据传输流程图；

图4是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输的系统模块图；

图5是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输的终端航迹示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1、图2和图3，图1是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法的流程图，图2是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输的系统示意图，图3是本发明实施例提供的一种数据传输流程图。

本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法，包括：

步骤1、通过外辐射源雷达系统接收外辐射源信号，外辐射源雷达系统为八阵元天线。

具体地，外辐射源雷达系统为八阵元天线，八阵元天线的天线阵面是由8根半波振子天线以相等方位排列组成，八阵元天线的天线阵面可以覆盖360°。

每个阵元天线接收到的外辐射源信号均包括直达波信号、目标信号、多径信号和杂波信号。

步骤2、对辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号。

具体地，数字基带I/Q信号还需要被分开为八个频点的信号。

进一步地，步骤2还包括：

步骤2.1、利用低噪声放大器对辐射源信号进行带宽放大得到第一处理信号，并将第一处理信号发送至带通滤波器。

具体地，低噪声放大器的型号例如可以为BZ-P0101200-251040-131616，最小频率为0.01MHz，最大频率为12000MHz，噪声系数为2.5dB。

步骤2.2、带通滤波器对第一处理信号进行采样得到第二处理信号，并将第二处理信号发送至A/D转换器。

具体地，带通滤波器的型号例如可以为VBF-2900+，其频率范围为2700～3100MHz。

步骤2.3、A/D转换器对第二处理信号进行数字化变频处理得到数字基带I/Q信号。

具体地，A/D转换器的型号例如可以为TLV1543IDB。

步骤3、利用FPGA综合处理板将数字基带I/Q信号封装成帧数据，并将帧数据发送至光纤采集卡，光纤采集卡安装于主机内。

进一步地，帧数据的帧数大于或者等于160帧，且帧数据的前512字节的数据为帧头部分。

FPGA综合处理板设置于数据采集信道化接收机，按照约定方式将数字基带I/Q信号转化为字节型的数据，即将数字基带I/Q信号封装成帧数据，并设置帧数据的格式和大小，帧数据的大小包括帧头和帧体的大小，在本实施例中，帧头的大小为2048字节，包含：缓冲区的头、目标帧的数据、音频信号频率码、视频信号频率码和该帧起始位置等信息。

光纤采集卡安装于主机(工作站)内，通过调用WinPcap库的目标函数来获得光纤采集卡的信息，然后打开光纤采集卡，使得光纤采集卡处于接收数据的状态，让光纤采集卡和发送数据相互关联起来，进行实时接收该帧数据。

数据采集信道化接收机和主机通过网线进行数据传输。

步骤4、在主机中分别设置均衡缓冲区、生产者线程和消费者线程，生产者线程将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区，消费者线程将均衡缓冲区中的帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件。

进一步地，均衡缓冲区的内存小于64G。

主机中还设置有pBegin指针和pEnd指针，pBegin指针为帧数据流出均衡缓冲区并写入目标文件的位置，pEnd指针为帧数据流入均衡缓冲区的位置。生产者线程通过pBegin指针控制生产开始的位置，消费者线程通过pEnd指针控制消费者线程开始的位置。

具体地，主机启动后，会在内存中开辟一个尽可能大的缓冲区，此缓冲区为均衡缓冲区，其内存小于64G，优选的，均衡缓冲区的内存为40G。

进一步地，生产者线程将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区，包括：

步骤4.1、判断均衡缓冲区是否为空状态，若均衡缓冲区为空状态，生产者线程将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区，若均衡缓冲区为非空状态，则进行步骤4.2；

步骤4.2、判断均衡缓冲区是否为充满状态，若均衡缓冲区为充满状态，生产者线程停止将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区，若均衡缓冲区为未充满状态，生产者线程继续将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区。

具体地，生产者线程和消费者线程分别独立的进行数据流入和流出均衡缓冲区的操作，这里的操作可以通过编程算法实现一个环形队列，具体如下：

本实施例采用的均衡缓冲区将队列的max_size设置为40G，然后消费者线程和生产者线程同时对环形队列进行操作，每进行一次生产数据操作或者消费数据操作就对环形队列内的总数据量进行一次更新，消费者线程会将均衡缓冲区的数据写入目标文件sig_zhenyuan_k.dat中。同时在实现环形队列时，为了保证程序的完整性，通过第一判断isEmpty()和第二判断isFull()来判断均衡缓冲区是否为空以及缓冲区是否已经充满。如果均衡缓冲区已经被生产者线程所生产的数据充满，生产者线程就停止生产数据，等待消费者线程将均衡缓冲区中的数据全部消耗完毕，程序即停止。两个线程是独立的，循环的进行流入缓冲区数据以及消耗缓冲区数据的操作，直至缓冲区被充满或者完成对所有帧数据的实时接收。

步骤5、终端显示平台利用目标帧数据文件显示目标航迹结果。

进一步地，步骤5还包括：

步骤5.1、利用后端GPU对目标帧数据文件进行外辐射源雷达信号处理得到目标点迹信息。

具体地，外辐射源雷达信号处理包括：数字波束形成、自适应杂波对消、距离多普勒处理、恒虚警处理和比幅测角处理。

后端GPU对目标帧数据文件依次进行数字波束形成、自适应杂波对消、距离多普勒处理、恒虚警处理和比幅测角处理。在进行外辐射源雷达信号处理的同时，生产者线程和消费者线程仍继续与均衡缓冲区进行数据传输。

步骤5.2、对目标点迹信息进行外辐射源雷达数据处理得到目标点迹帧数据。

具体地，外辐射源雷达数据处理包括：点迹凝聚和目标航迹处理。

后端GPU对目标点迹信息依次进行点迹凝聚和目标航迹处理得到目标点迹帧数据。

步骤5.3、将目标点迹帧数据发送至终端显示平台，终端显示平台显示目标航迹结果。

综上所述，本实施例公开了一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法，首先通过八阵元天线接收外辐射源信号，然后对外辐射源信号依次利用低噪声放大器进行带宽放大、利用带通滤波器进行采样和利用A/D转换器进行数字化变频处理得到数字基带I/Q信号，FPGA综合处理板将数字基带I/Q信号封装成帧数据并发送至主机的光纤采集卡，生产者线程将光纤采集卡中的帧数据发送至均衡缓冲区，消费者线程将均衡缓冲区中的帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件，终端显示平台利用目标帧数据文件显示目标航迹结果。本外辐射源雷达数据实时传输方法中的主机的缓冲区使用均衡缓冲区，与现有技术相比，生产者的生产速度远大于消费者的消费速度，等同于扩充了缓冲区的大小；与原有的乒乓缓存的数据传输方式相比，能够完整的接收每一帧数据以供信号处理机来进行实时的信号处理。

同时，本外辐射源雷达数据实时传输方法未使用互斥锁，避免了多次加锁和解锁做成的时间损失，提高了数据传输时间效率；不依赖于硬件环境，开发成本低，代码结构简洁，思路清晰，可读性比较高。

实施例二

请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输的系统模块图。本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输系统，包括：数据采集模块1、数据采集信道化接收机2、数据传输模块3、信号处理模块4和终端显控模块5，其中，

数据采集模块1，用于通过外辐射源雷达系统采集外辐射源信号；

数据采集信道化接收机2，用于对外辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号，并将数字基带I/Q信号封装成帧数据；

数据传输模块3，用于设置均衡缓冲区、生产者线程和消费者线程，所述生产者线程将所述帧数据发送至所述均衡缓冲区，所述消费者线程所述均衡缓冲区中的所述帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件。

信号处理模块4，用于对目标帧数据文件进行外辐射源雷达信号处理得到目标点迹信息，并对目标点迹信息进行外辐射源雷达数据处理得到目标点迹帧数据。

具体地，数据采集模块1通过外辐射源雷达系统采集外辐射源信号，外辐射源雷达系统为八阵元天线，八阵元天线的天线阵面是由8根半波振子天线以相等方位排列组成，八阵元天线的天线阵面可以覆盖360°。

数据采集信道化接收机2对外辐射源信号进行数字化技术处理得到数字基带I/Q信号，进而将数字基带I/Q信号封装成帧数据。

进一步地，数据采集信道化接收机2包括：低噪声放大器、带通滤波器、A/D转换器和FPGA综合处理板，其中，

低噪声放大器，用于对外辐射源信号进行带宽放大得到外辐射源放大信号；带通滤波器，用于对外辐射源放大信号进行采样得到外辐射源模拟中频信号；A/D转换器，用于对外辐射源模拟中频信号进行数字化处理得到外辐射源数字信号；FPGA综合处理板，用于对外辐射源数字信号进行数字下变频处理得到数字基带I/Q信号。

数据传输模块3，即为主机，用于利用均衡缓冲区、生产者线程和消费者线程将帧数据写入目标文件得到目标帧数据文件，并将目标帧数据文件传输至信号处理模块。

信号处理模块4，利用GPU对目标帧数据文件进行外辐射源雷达信号处理得到目标点迹信息，对目标点迹信息进行外辐射源雷达数据处理得到目标点迹帧数据，并将目标点迹帧数据发送至终端显控模块5。

终端显控模块5，为终端显示平台，用于利用目标点迹帧数据显示目标航迹结果。

具体地，信号处理模块4包括数字波束形成模块41、杂波对消模块42、距离多普勒处理模块43、恒虚警检测模块44和比幅测角模块45，目标帧数据文件依次经过数字波束形成模块41进行数字波束形成、杂波对消模块42进行自适应杂波对消、距离多普勒处理模块43进行距离多普勒处理、恒虚警检测模块44进行恒虚警处理和比幅测角模块45进行比幅测角处理操作得到目标点迹信息。

终端显控模块5包括控制子模块51和显示子模块52，控制子模块51用于进行外辐射源雷达数据处理，外辐射源雷达数据处理具体包括：依次对目标点迹信息进行点迹凝聚和目标航迹处理得到目标点迹帧数据；显示子模块52利用目标点迹帧数据显示目标航迹结果。

实施例三

请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输的终端航迹示意图，本发明的效果可以通过以下仿真进行验证。

仿真条件：

实验软件平台为cmake，操作系统内核为linux2.6.32，操作系统版本为CentOS6.5，数据采集卡一块。

仿真实验采用调频台的150帧外辐射源雷达数据，每帧数据量为500MB，仿真数据中包含两个目标，目标1沿北偏西7°直线飞行，目标2沿北偏西57°直线飞行。

仿真内容及结果：

使用本实施例提供的一种基于均衡缓冲区的外辐射源雷达数据实时传输方法的数据传输方案，传输150帧的外辐射源雷达数据，接收每帧数据之后进行相应的实时处理后的结果如图4。

帧数据长度为400000字节，即采样率为400KHz，每一帧的数据量为400000*320*4+2048字节，约为500MB，每秒钟有500MB的数据传输入主机中。

如图4所示，把每一帧的数据处理完毕之后，在终端显示平台上得到了两个目标的航迹，和已知两个目标的角度信息一致，按照本实施例的数据实时传输方法成功的对150帧的数据进行了传输，根据终端显示平台显示的结果也说明了外辐射源雷达信号处理模块正常运行，同时也说明了本发明的外辐射源雷达数据实时传输方法的正确性，本发明实现了外辐射源雷达数据实时传输，克服了原有的针对外辐射源雷达数据实时传输中存在数据丢失的问题，满足了外辐射源雷达数据实时传输的要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换都应当视为属于本发明的保护范围。