雷達(dá)圖像處理與傳輸系統(tǒng)的研究

雷達(dá)圖像處理與傳輸系統(tǒng)的研究

0基于現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列的雷達(dá)視頻信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案隨著半導(dǎo)器件的不斷更新和嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，雷達(dá)信號(hào)的顯示技術(shù)也發(fā)生了很大變化。傳統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)顯示大多數(shù)采用單片機(jī)控制,主要依靠硬件電路實(shí)現(xiàn),技術(shù)成熟,靈活性好,但設(shè)備體積大,可移植性和通用性差。近年來,雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)向數(shù)字化、信息化、智能化不斷發(fā)展,越來越多的預(yù)警探測(cè)裝備接入情報(bào)網(wǎng)絡(luò)傳輸分發(fā)系統(tǒng),這就對(duì)雷達(dá)信號(hào)的顯示終端提出了新的要求。本文針對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量大、對(duì)處理速度要求高的特點(diǎn),介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的雷達(dá)視頻信號(hào)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,并在工程中得到了很好的應(yīng)用。FPGA豐富的內(nèi)部資源可以充分滿足高速視頻采集處理系統(tǒng)的要求。FPGA的硬件可編程性和可重構(gòu)方面的應(yīng)用也使得系統(tǒng)集成度更高,工作模式切換更簡(jiǎn)單。1fpga系統(tǒng)模塊本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)視頻信號(hào)采集處理系統(tǒng)從功能上主要分為隔離與驅(qū)動(dòng)模塊、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA采集控制模塊、圖像顯示模塊等。其中,FPGA是該系統(tǒng)的核心器件,主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制,與計(jì)算機(jī)之間保持通信。系統(tǒng)的總體架構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),首先將雷達(dá)模擬視頻信號(hào)輸入到隔離與驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行緩沖放大及同步處理,FPGA通過I2雷達(dá)模擬視頻的處理隔離與驅(qū)動(dòng)模塊是雷達(dá)模擬視頻信號(hào)前期必不可少的預(yù)處理過程,主要功能是將輸入的雷達(dá)模擬視頻信號(hào)經(jīng)過隔離和驅(qū)動(dòng),送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)變換,主要分為緩沖放大電路、同步觸發(fā)電路和同步分離電路。2.1抗高、負(fù)載能力和輸出級(jí)緩沖放大電路主要是由射極跟隨器和多級(jí)放大器構(gòu)成的。射極跟隨器的輸入阻抗高,對(duì)前級(jí)電路影響小,可以作為多級(jí)放大器的第一級(jí)。同時(shí)它的輸出阻抗低,帶負(fù)載能力強(qiáng),可作為多級(jí)放大器的輸出級(jí)。因此射極跟隨器在多級(jí)放大器中應(yīng)用非常廣泛,通常用作緩沖級(jí),調(diào)整直流偏置。2.2同步觸發(fā)電路視頻同步觸發(fā)電路主要是對(duì)放大后的雷達(dá)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行濾波,濾除毛刺、尖峰等,并且識(shí)別出脈寬信號(hào),找到雷達(dá)視頻信號(hào)的起始點(diǎn)。2.3復(fù)合同步信號(hào)南通道同步信號(hào)分離電路要保證正確地重現(xiàn)雷達(dá)發(fā)送終端的視頻圖像,主要是從雷達(dá)模擬視頻信號(hào)中提取出復(fù)合同步信號(hào)(SYNC),可以用微積分電路計(jì)算出微分時(shí)間常數(shù),與觸發(fā)器組合實(shí)現(xiàn)。復(fù)合同步分離電路主要由運(yùn)算放大器、二極管、低通濾波器、比較器組成。本系統(tǒng)采用的視頻同步分離芯片是LM1881,可提取出復(fù)合同步、行場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)識(shí)別等信號(hào)。3視頻解碼及編解碼模塊數(shù)字視頻信號(hào)相對(duì)于模擬視頻信號(hào)來說,可以進(jìn)行無數(shù)次復(fù)制且復(fù)制過程無失真,長(zhǎng)時(shí)間存放后視頻質(zhì)量不會(huì)降低,并且能夠進(jìn)行非線性編輯。因此,模擬視頻信號(hào)通常都要轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳輸。現(xiàn)今模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)都非常成熟,相關(guān)芯片設(shè)備等應(yīng)用也十分方便,常用的有AD公司和TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等。本系統(tǒng)選用飛利浦公司生產(chǎn)的視頻解碼芯片SAA7113及視頻編碼芯片SAA7121,它們內(nèi)置了多標(biāo)準(zhǔn)編解碼器,能夠?qū)崿F(xiàn)PAL、NTSC、SECAM復(fù)合視頻的數(shù)字編解碼,使用9位A/D轉(zhuǎn)換器,可以接收復(fù)合視頻和Y/C分量視頻,具有很好的圖像效果解碼芯片SAA7113將隔離與驅(qū)動(dòng)模塊送來的模擬視頻信號(hào)作為輸入,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)后送入FPGA進(jìn)行后續(xù)處理。編碼芯片SAA7121將FPGA處理完成的數(shù)字視頻信號(hào)作為輸入,經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后送入圖像顯示模塊進(jìn)行視頻顯示。編解碼芯片的控制信號(hào)由FPGA產(chǎn)生,通過Xilinx公司的ISE集成開發(fā)軟件,運(yùn)用超高級(jí)定義語言(VHDL)編寫控制程序,具體程序如下:使用ISE軟件對(duì)程序進(jìn)行綜合,得到的RTL級(jí)綜合圖如圖2所示。使用Modelsim仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。4出等功能FPGA是整個(gè)視頻處理系統(tǒng)的時(shí)序邏輯控制的核心,主要實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的采集、分析、處理、存儲(chǔ)、輸出等功能。FPGA的規(guī)模比較大,適合于時(shí)序、組合等邏輯電路的應(yīng)用。它具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定以及實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)按照系統(tǒng)的功能特點(diǎn),可將FPGA的內(nèi)部邏輯資源分為4個(gè)部分,即FPGA圖像處理單元、FPGA接口邏輯控制單元、I4.1網(wǎng)絡(luò)濾波技術(shù)及h.264視頻標(biāo)準(zhǔn)該單元主要接收其他單元送來的數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行處理,經(jīng)過運(yùn)算產(chǎn)生A/D控制信號(hào),通過I邊緣檢測(cè)是圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺中的基本前提,主要是對(duì)數(shù)字圖像中亮度明顯變化的點(diǎn)做出標(biāo)記。邊緣檢測(cè)去除了視頻信號(hào)中許多不相關(guān)、可有可無的信息,將展示圖像結(jié)構(gòu)屬性所必需的重要的信息保留下來,顯著減少了視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量?？沼?yàn)V波是一種視頻信號(hào)的去噪平滑技術(shù),它首先采用均值濾波方法,確定每一像素點(diǎn)附近4個(gè)點(diǎn)的像素值的中值,去除脈沖噪聲(采點(diǎn)位置如圖5所示);然后通過低通濾波器減小高斯噪聲、電子熱噪聲等;最后利用圖像銳化濾波對(duì)圖像的邊緣信息進(jìn)行增強(qiáng),補(bǔ)償壓縮引起的視頻信息衰減。H.264視頻標(biāo)準(zhǔn)也稱為高等視頻編碼(AVC)標(biāo)準(zhǔn),是一種面向塊的基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幗獯a器標(biāo)準(zhǔn)。H.264采用了幀內(nèi)空間預(yù)測(cè)、整數(shù)變換與量化、環(huán)路濾波、熵編碼、幀間編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)等新技術(shù),能夠在更低的帶寬下提供優(yōu)質(zhì)的視頻。它是以計(jì)算復(fù)雜度的增加為代價(jià),換取編碼效率的提高。在同一重建圖像質(zhì)量下,它的編碼效率比H.263和MPEG-4提高了1.5～2倍4.2fpga接口邏輯控制單元本系統(tǒng)不僅要完成視頻信號(hào)的采集處理,還要進(jìn)行時(shí)序邏輯控制,各個(gè)模塊間要協(xié)同工作,保持同步及通信暢通。因此在FPGA中設(shè)計(jì)此接口邏輯控制單元與PC/104計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制,通過地址總線和數(shù)據(jù)總線與其進(jìn)行通信。4.3芯片用戶儲(chǔ)存A/D轉(zhuǎn)換模塊中的解碼芯片SAA7113及編碼芯片SAA7121可以兼容全球各種視頻標(biāo)準(zhǔn),在不同的國(guó)家應(yīng)用時(shí)必須按照其使用的視頻標(biāo)準(zhǔn)對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置,否則就不能相應(yīng)地輸出符合要求的信號(hào)。這個(gè)過程也稱為初始化過程,需通過I用VHDL編寫程序,燒寫在FPGA中,可控制SAA7113及SAA7121的工作狀態(tài),準(zhǔn)確調(diào)控各信號(hào)時(shí)序,可移植性好,能適應(yīng)高速信號(hào)控制的需要。4.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元斷電后數(shù)據(jù)丟失,每次工作時(shí)都需要在加電的情況下將程序重新下載到數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)過5基于系統(tǒng)特