软件化和网络化的基于Linux的雷达终端系统

现有的雷达终端系统采用了大量的高速专用芯片实现。而芯片的更新换代很快，许多芯片已面临淘汰，即使还没有完全消失，价格也已经很昂贵，给系统的维护和升级换代带来极大不便。随着计算机、软件和网络技术的不断发展，使得新一代的雷达终端系统的软件化和网络化实现成为可能。本文基于此技术背景展开研究，并给出系统的具体实现。

1 整体实现方案

1.1 基于Linux *** 作系统

传统的雷达显示系统是基于Windows的。但是Windows面临许多问题，譬如封闭源码、易被病毒和黑客入侵等。而Linux是免费的、开源的、网络化的 *** 作系统。其内核是独立和高度可配置的。Linux的网络功能和安全性要优于Windows。所以基于Linux的系统方案是比较合适的。

1.2 系统实现方案

系统由预处理机、主显机和网显机组成，如图1所示。

预处理机的主要功能是：雷达视频的采集、压缩和传输，接收二次信息和 *** 控信息并存储所有信息。主显机功能：压缩视频的接收、解压、显示，接收二次信息并显示，人机 *** 控 *** 作，将二次信息和 *** 控信息发送到网络上。网显机类似于主显机，但没有 *** 控功能。为简单起见，本文不讨论网显机的实现。

2 预处理机系统的实现

预处理机完成数据的采集、压缩和传输，下面针对这三个方面进行介绍。

2.1 基于PCI总线的雷达视频采集卡

这是系统中惟一的硬件实现部分，也是必不可少的，它将采集的数据传给计算机。这部分的具体实现可参考文献[1]。

2.2 小波压缩技术

当雷达采样率很高时，网络传输前不进行压缩处理，带宽是不够的。

基于帧的压缩技术，不适合对雷达视频具有实时要求的场合，因为会引入一个固定延时。而一维小波压缩可以做到高效压缩和实时要求的折衷。

小波压缩的思想是将一维数字序列分为粗糙尺度和细节两部分，各占一半存储空间，这个过程可以一直递归下去；因为回波信号比较平滑，细节部分主要是噪声，所以只保留粗糙尺度部分，如图2所示。

不同尺度系数的分解与合成如图3所示。

　　
其中h(k)、g(k)是一组由两尺度方程推导出的共轭镜像滤波器。aki是第i层的(粗)尺度系数。第i层按递归分解成i+1层的更大尺度部分ak(i+1)和细节部分dk(i+1)。

分解过程相当于输入序列和滤波器卷积后，进行亚采样，只保留偶数点；合成过程相当于先对序列进行插值(添加0)后，再与滤波器卷积、相加。

图4是一个用db1小波递归3次压缩一段雷达回波的例子，压缩接近原来的1/8。

系统中采用 (9,7)双正交小波快速提升算法，根据实际需要进行1～4层尺度分解。小波压缩实现细节可参考文献[2]。

2.3 网络传输

常用的网络协议是UDP和TCP。UDP是面向无连接的协议；TCP是面向有连接的协议。另外，TCP协议在接收方还要进行包的次序调整，因为不同的包可能按不同的路由到达。然而，可靠是要付出代价的，TCP占用CPU资源要比UDP高，网络利用率也不如UDP。如果网络状况良好，需要持续进行大批量的数据传输，可以考虑UDP。一般情况下，通讯方式都是点对点的，也就是所谓的单播方式。采用这种方式，多个客户机必须与同一个服务器分别建立连接,这导致了网络负载成倍增加。

在特殊情形下可以使用广播方式。其目前只被UDP协议支持。广播的实现非常容易，只需要将目的IP地址设置为该段子网的地址即可。这种一对多的方式会影响不需要接收的主机，子网上所有未参加广播接收的主机也必须完成对数据报的协议处理，直至UDP层才将它丢弃，甚至还会引起广播风暴。

单播和广播是两种极端。多播提供了一种折衷的方案。多播数据报仅由对该数据报感兴趣的主机接收(该主机加入多播组)，不会影响子网上其它主机。目前UDP提供对多播的支持。

系统中，一次视频采用多播方式；主显示机与预处理机之间的 *** 控命令连接通道由于需要可靠的连接且通信量相对较少，所以采用了面向连接的TCP协议。

3 主显机系统的实现

主显机主要由各种显示模块和网络模块组成。显示模块包括PPI和AR模块。其中以PPI显示技术最为复杂,显示模块和网络模块如何整合是系统效率高低的关键。

3.1雷达视频PPI显示

3.1.1坐标变换和死地址

显示过程中一个很重要的步骤是进行坐标的转换。数据采集卡得到的雷达视频数据以距离方位为坐标，但通用显卡的内存则以行列为坐标，故极坐标要转化为x-y直角坐标，极坐标与自然直角坐标转换为：
　　
如果实时计算，目前的计算机硬件条件无法达到实时要求。可事先计算好，转换时采用查表法，以空间换取时间。转化表可以只计算第一象限，其它象限根据方位码对称性确定。

所谓死地址，是指PPI显示中远离显示中心的地方会有部分区域始终访问不到，从而产生类似于衍射花纹的现象。半径愈大时，这种花纹愈明显。如图5所示。

需要把这些不能被访问到的点“补”上。将原有的一些有重复(即多个(ρ-θ)点映射到同一个(x-y)坐标)的点分开，以最近为原则将其中的重复点强行改为“死地址”点。例如，极坐标下的两个点M1(ρ1,θ1)和M2(ρ2,θ2),转换为直角坐标后对应的点都是M3(x1,y1)，而点M4(x2,y2)是“死地址”且M3和M4相隔很近，这时强行规定M1＝＞M3而M2＝＞M4。

系统中，不偏心时，扫描半径是512像素，一周4096根扫描线。实践证明可以将所有的死地址与相邻的方位距离码关联起来，消除花纹图案。可以想象：扫描半径越大，远离圆心的死区面积越大，其附近通常找不到能够利用的重复点，必须改进方案。

考虑最极端的情形，偏心在圆周上，此时最大扫描半径为1024。将半径1024的圆分为半径512的同心圆和剩下的外圆环。内部的小圆可以用前面的方案。512～1023部分将方位分辨率提高一倍，即一周8192根，再进行补点。具体算法如下：

(1) 得到外圆环的所有x-y坐标点的集合。
(2) 将外圆环内所有的ρ-θ点按转换公式四舍五入到最近的x-y坐标点。有些x-y会关联多个ρ-θ点，有些则没有ρ-θ点与之关联。
(3) 遍历那些没有ρ-θ关联的x-y。对于每个这样的x-y点，查找以自己为中心、边长为4的正方形内所有的x-y点，如果发现某一个x-y点关联ρ-θ多于一个，就将其中的一个ρ-θ给这个没有ρ-θ关联的x-y。同时，给出ρ-θ的x-y点，在其ρ-θ关联链表中去掉给出的ρ-θ。
(4) 按ρ从512～1023、θ从0～8191的顺序将对应的x-y写入磁盘文件中。
编程计算结果表明这种算法可以很快地补全所有死地址。
相应地，原来的坐标转换表应该由补过死地址的两张表(一张是半径512以内，另一张是512～1023)代替。

3.1.2 余晖模拟

传统雷达系统中利用长余辉管作为PPI显示器。其优点是：目标亮度强、衰减慢；噪声在显示器上亮度弱、衰减快。这使目标很突出。如果是运动目标，会产生拖尾效应，使运动目标更形象、更容易被发现。使用普通显示器，必须提供一种软件实现机制模拟余辉。一种方法是：对PPI扫描区域的点进行循环伪随机访问，读出后进行衰减再写入。其原理是：按伪随机序列进行遍历的点可以近似认为是分布均匀的，而当前扫描区域只是占整个PPI区域的极少部分，所以落入当前扫描区域的伪随机序列的点数也很少，而远离当前区域的随机序列的点数很多，所以平稳后能产生离当前扫描线越远越暗的余晖效果。

对于半径512像素点的PPI扫描区域，其外切矩形为1024&TImes;1024。用20bit的伪随机序列的前10bit对应矩形区域的X坐标点，后10bit对应Y坐标点，再去掉圆外面、矩形以内的像素。PPI每扫描一根半径线，就循环读出一段随机点，衰减后再写入。每次衰减的点数和幅度可根据需要设置。X和Y坐标的随机表可以事先生成好，以数据文件的形式存储在硬盘中，程序初始化时一次读入。

3.1.3 二次信息的分层显示

广义的二次信息包括航迹、状态监控等所有非一次视频的信息。在软件方案中，采用了Overlay功能实现。目前通用显卡都支持此功能。

Overlay如同显示器前一块透明的切片，如图6所示。当需要显示Overlay时，可同时看到Overlay部分和Primary Surface没有被Overlay遮挡的地方。当不需要显示Overlay时，移除Overlay，原来的Primary Surface内容不变，也就是说Primary Surface与Overlay的内容物理上是分开的。而是否显示Overlay，由Primary Surface上像素的颜色来决定。当Primary Surface上某些区域的像素设为一种特殊的颜色时，这些区域显示的就是Overlay上的内容。这种起过滤作用的颜色称为Color Key。这种显示机制完全由显卡的CPU完成，所以当使用Overlay功能时，程序不会有明显的性能损失。不同的显卡，Color Key可能不一样。

Overlay有多种模式，最常用的是YV12_OVERLAY，Y:U:V＝4:2:2。本系统采用了这种模式。
YUV Overlay的一个特点是：适当地固定U、V，可以近似地固定颜色种类，改变Y就相当于改变亮度。测试还表明，在Overlay上显示视频比在Primary Surface上显示要少占用CPU资源。相比Primary Surface 上的RGB显示方式，这些特性很适合于PPI显示一次视频。

一次和二次分层显示的实现方法是：首先将Primary Surface上位于PPI扫描区域内的所有像素都填上特殊的Color Key，这样保证在与Primary Surface关联的Overlay上的一次视频可见；需要显示二次信息的地方用不同于Color Key的其它颜色填在Primary Surface层上；当不需要显示二次信息时，只需在Primary Surface上将原来的二次信息用Color Key颜色再写一遍即可。

3.2 网络化的显示应用程序框架结构

由于接收网络组播的视频帧包是一种阻塞 *** 作，而GUI程序的主线程不能有阻塞 *** 作，所以网络接收部分应该放在子线程或子进程中。

系统首先选择了子线程方式，试验表明在这种方式下显示部分不均匀。这是因为CPU调度的对象是进程，进程内的线程同时竞争CPU分给该进程的时间片，于是就会出现在某段时间内主线程一直占用CPU，另一段时间网络部分的子线程占用CPU。网络接收虽然不会丢包，但是接收速度的不均匀引起了显示的不均匀。系统又试验了子进程方式，发现显示效果有所改观，但是改进不大。

设想一下，如果有两个CPU，并行运行父进程和子进程，那么整体运行效率就会有很大程度的提高。因为，CPU几乎不需要在不同的进程之间反复切换了。

系统中选用具有超线程功能的Intel PenTIum 4处理器，如果 *** 作系统能够支持SMP(Symmetric MulTIple Processing)，那么一个CPU相当于两个CPU，两个进程就可以并行处理。实际上，Linux2.4版本的内核就支持SMP了。系统选择的内核版本是2.6.8，手工编译内核，选用SMP功能。用新的内核运行同样的程序，显示很平滑，最快显示速度达到一圈2s以内，性能得到了明显提高。Linux内核的灵活定制特性在系统中起关键作用。

图7是主显机上网络化显示程序的框架。

兼顾平等，父子进程尽量平均分担负载。Linux有许多实现进程间通信的机制：管道、消息队列、共享内存等。系统中选择共享内存方式，因为这是进程间通信最快捷的方式。框架中，二次信息通过I/O口进入主显机，由于其数据率比较低，所以系统采用定时的方法进行访问更新。

本文论证了基于Linux的软件化、网络化雷达终端系统的实现可行性，并提出了一套切实可行的实现方案，对方案中的关键技术做了必要的阐述。这套方案的推广对目前国内雷达终端系统具有革命性的意义。