軟件化和網(wǎng)絡(luò)化的基于Linux的雷達(dá)終端系統(tǒng)

現(xiàn)有的雷達(dá)終端系統(tǒng)采用了大量的高速專用芯片實(shí)現(xiàn)。而芯片的更新?lián)Q代很快，許多芯片已面臨淘汰，即使還沒有完全消失，價(jià)格也已經(jīng)很昂貴，給系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)換代帶來極大不便。隨著計(jì)算機(jī)、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得新一代的雷達(dá)終端系統(tǒng)的軟件化和網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)成為可能。本文基于此技術(shù)背景展開研究，并給出系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。

1 整體實(shí)現(xiàn)方案

1.1 基于Linux操作系統(tǒng)

傳統(tǒng)的雷達(dá)顯示系統(tǒng)是基于Windows的。但是Windows面臨許多問題，譬如封閉源碼、易被病毒和黑客入侵等。而Linux是免費(fèi)的、開源的、網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)。其內(nèi)核是獨(dú)立和高度可配置的。Linux的網(wǎng)絡(luò)功能和安全性要優(yōu)于Windows。所以基于Linux的系統(tǒng)方案是比較合適的。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)由預(yù)處理機(jī)、主顯機(jī)和網(wǎng)顯機(jī)組成，如圖1所示。

預(yù)處理機(jī)的主要功能是：雷達(dá)視頻的采集、壓縮和傳輸，接收二次信息和操控信息并存儲(chǔ)所有信息。主顯機(jī)功能：壓縮視頻的接收、解壓、顯示，接收二次信息并顯示，人機(jī)操控操作，將二次信息和操控信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)顯機(jī)類似于主顯機(jī)，但沒有操控功能。為簡(jiǎn)單起見，本文不討論網(wǎng)顯機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

2 預(yù)處理機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

預(yù)處理機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集、壓縮和傳輸，下面針對(duì)這三個(gè)方面進(jìn)行介紹。

2.1 基于PCI總線的雷達(dá)視頻采集卡

這是系統(tǒng)中惟一的硬件實(shí)現(xiàn)部分，也是必不可少的，它將采集的數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)。這部分的具體實(shí)現(xiàn)可參考文獻(xiàn)[1]。

2.2 小波壓縮技術(shù)

當(dāng)雷達(dá)采樣率很高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸前不進(jìn)行壓縮處理，帶寬是不夠的。

基于幀的壓縮技術(shù)，不適合對(duì)雷達(dá)視頻具有實(shí)時(shí)要求的場(chǎng)合，因?yàn)闀?huì)引入一個(gè)固定延時(shí)。而一維小波壓縮可以做到高效壓縮和實(shí)時(shí)要求的折衷。

小波壓縮的思想是將一維數(shù)字序列分為粗糙尺度和細(xì)節(jié)兩部分，各占一半存儲(chǔ)空間，這個(gè)過程可以一直遞歸下去；因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)比較平滑，細(xì)節(jié)部分主要是噪聲，所以只保留粗糙尺度部分，如圖2所示。

不同尺度系數(shù)的分解與合成如圖3所示。

　　
其中h(k)、g(k)是一組由兩尺度方程推導(dǎo)出的共軛鏡像濾波器。aki是第i層的(粗)尺度系數(shù)。第i層按遞歸分解成i+1層的更大尺度部分ak(i+1)和細(xì)節(jié)部分dk(i+1)。

分解過程相當(dāng)于輸入序列和濾波器卷積后，進(jìn)行亞采樣，只保留偶數(shù)點(diǎn)；合成過程相當(dāng)于先對(duì)序列進(jìn)行插值(添加0)后，再與濾波器卷積、相加。

圖4是一個(gè)用db1小波遞歸3次壓縮一段雷達(dá)回波的例子，壓縮接近原來的1/8。

系統(tǒng)中采用 (9,7)雙正交小波快速提升算法，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行1～4層尺度分解。小波壓縮實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[2]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸

常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是UDP和TCP。UDP是面向無連接的協(xié)議；TCP是面向有連接的協(xié)議。另外，TCP協(xié)議在接收方還要進(jìn)行包的次序調(diào)整，因?yàn)椴煌陌赡馨床煌穆酚傻竭_(dá)。然而，可靠是要付出代價(jià)的，TCP占用CPU資源要比UDP高，網(wǎng)絡(luò)利用率也不如UDP。如果網(wǎng)絡(luò)狀況良好，需要持續(xù)進(jìn)行大批量的數(shù)據(jù)傳輸，可以考慮UDP。一般情況下，通訊方式都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，也就是所謂的單播方式。采用這種方式，多個(gè)客戶機(jī)必須與同一個(gè)服務(wù)器分別建立連接,這導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載成倍增加。

在特殊情形下可以使用廣播方式。其目前只被UDP協(xié)議支持。廣播的實(shí)現(xiàn)非常容易，只需要將目的IP地址設(shè)置為該段子網(wǎng)的地址即可。這種一對(duì)多的方式會(huì)影響不需要接收的主機(jī)，子網(wǎng)上所有未參加廣播接收的主機(jī)也必須完成對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)的協(xié)議處理，直至UDP層才將它丟棄，甚至還會(huì)引起廣播風(fēng)暴。

單播和廣播是兩種極端。多播提供了一種折衷的方案。多播數(shù)據(jù)報(bào)僅由對(duì)該數(shù)據(jù)報(bào)感興趣的主機(jī)接收(該主機(jī)加入多播組)，不會(huì)影響子網(wǎng)上其它主機(jī)。目前UDP提供對(duì)多播的支持。

系統(tǒng)中，一次視頻采用多播方式；主顯示機(jī)與預(yù)處理機(jī)之間的操控命令連接通道由于需要可靠的連接且通信量相對(duì)較少，所以采用了面向連接的TCP協(xié)議。

3 主顯機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

主顯機(jī)主要由各種顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊組成。顯示模塊包括PPI和AR模塊。其中以PPI顯示技術(shù)最為復(fù)雜,顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊如何整合是系統(tǒng)效率高低的關(guān)鍵。

3.1雷達(dá)視頻PPI顯示

3.1.1坐標(biāo)變換和死地址

顯示過程中一個(gè)很重要的步驟是進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集卡得到的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)以距離方位為坐標(biāo)，但通用顯卡的內(nèi)存則以行列為坐標(biāo)，故極坐標(biāo)要轉(zhuǎn)化為x-y直角坐標(biāo)，極坐標(biāo)與自然直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為：
　　
如果實(shí)時(shí)計(jì)算，目前的計(jì)算機(jī)硬件條件無法達(dá)到實(shí)時(shí)要求?？墒孪扔?jì)算好，轉(zhuǎn)換時(shí)采用查表法，以空間換取時(shí)間。轉(zhuǎn)化表可以只計(jì)算第一象限，其它象限根據(jù)方位碼對(duì)稱性確定。

所謂死地址，是指PPI顯示中遠(yuǎn)離顯示中心的地方會(huì)有部分區(qū)域始終訪問不到，從而產(chǎn)生類似于衍射花紋的現(xiàn)象。半徑愈大時(shí)，這種花紋愈明顯。如圖5所示。

需要把這些不能被訪問到的點(diǎn)“補(bǔ)”上。將原有的一些有重復(fù)(即多個(gè)(ρ-θ)點(diǎn)映射到同一個(gè)(x-y)坐標(biāo))的點(diǎn)分開，以最近為原則將其中的重復(fù)點(diǎn)強(qiáng)行改為“死地址”點(diǎn)。例如，極坐標(biāo)下的兩個(gè)點(diǎn)M1(ρ1,θ1)和M2(ρ2,θ2),轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)后對(duì)應(yīng)的點(diǎn)都是M3(x1,y1)，而點(diǎn)M4(x2,y2)是“死地址”且M3和M4相隔很近，這時(shí)強(qiáng)行規(guī)定M1＝＞M3而M2＝＞M4。

系統(tǒng)中，不偏心時(shí)，掃描半徑是512像素，一周4096根掃描線。實(shí)踐證明可以將所有的死地址與相鄰的方位距離碼關(guān)聯(lián)起來，消除花紋圖案?？梢韵胂螅簰呙璋霃皆酱螅h(yuǎn)離圓心的死區(qū)面積越大，其附近通常找不到能夠利用的重復(fù)點(diǎn)，必須改進(jìn)方案。

考慮最極端的情形，偏心在圓周上，此時(shí)最大掃描半徑為1024。將半徑1024的圓分為半徑512的同心圓和剩下的外圓環(huán)。內(nèi)部的小圓可以用前面的方案。512～1023部分將方位分辨率提高一倍，即一周8192根，再進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)。具體算法如下：

(1) 得到外圓環(huán)的所有x-y坐標(biāo)點(diǎn)的集合。
(2) 將外圓環(huán)內(nèi)所有的ρ-θ點(diǎn)按轉(zhuǎn)換公式四舍五入到最近的x-y坐標(biāo)點(diǎn)。有些x-y會(huì)關(guān)聯(lián)多個(gè)ρ-θ點(diǎn)，有些則沒有ρ-θ點(diǎn)與之關(guān)聯(lián)。
(3) 遍歷那些沒有ρ-θ關(guān)聯(lián)的x-y。對(duì)于每個(gè)這樣的x-y點(diǎn)，查找以自己為中心、邊長(zhǎng)為4的正方形內(nèi)所有的x-y點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)某一個(gè)x-y點(diǎn)關(guān)聯(lián)ρ-θ多于一個(gè)，就將其中的一個(gè)ρ-θ給這個(gè)沒有ρ-θ關(guān)聯(lián)的x-y。同時(shí)，給出ρ-θ的x-y點(diǎn)，在其ρ-θ關(guān)聯(lián)鏈表中去掉給出的ρ-θ。
(4) 按ρ從512～1023、θ從0～8191的順序?qū)?duì)應(yīng)的x-y寫入磁盤文件中。
編程計(jì)算結(jié)果表明這種算法可以很快地補(bǔ)全所有死地址。
相應(yīng)地，原來的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換表應(yīng)該由補(bǔ)過死地址的兩張表(一張是半徑512以內(nèi)，另一張是512～1023)代替。

3.1.2 余暉模擬

傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)中利用長(zhǎng)余輝管作為PPI顯示器。其優(yōu)點(diǎn)是：目標(biāo)亮度強(qiáng)、衰減慢；噪聲在顯示器上亮度弱、衰減快。這使目標(biāo)很突出。如果是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，會(huì)產(chǎn)生拖尾效應(yīng)，使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)更形象、更容易被發(fā)現(xiàn)。使用普通顯示器，必須提供一種軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)制模擬余輝。一種方法是：對(duì)PPI掃描區(qū)域的點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)偽隨機(jī)訪問，讀出后進(jìn)行衰減再寫入。其原理是：按偽隨機(jī)序列進(jìn)行遍歷的點(diǎn)可以近似認(rèn)為是分布均勻的，而當(dāng)前掃描區(qū)域只是占整個(gè)PPI區(qū)域的極少部分，所以落入當(dāng)前掃描區(qū)域的偽隨機(jī)序列的點(diǎn)數(shù)也很少，而遠(yuǎn)離當(dāng)前區(qū)域的隨機(jī)序列的點(diǎn)數(shù)很多，所以平穩(wěn)后能產(chǎn)生離當(dāng)前掃描線越遠(yuǎn)越暗的余暉效果。

對(duì)于半徑512像素點(diǎn)的PPI掃描區(qū)域，其外切矩形為1024×1024。用20bit的偽隨機(jī)序列的前10bit對(duì)應(yīng)矩形區(qū)域的X坐標(biāo)點(diǎn)，后10bit對(duì)應(yīng)Y坐標(biāo)點(diǎn)，再去掉圓外面、矩形以內(nèi)的像素。PPI每掃描一根半徑線，就循環(huán)讀出一段隨機(jī)點(diǎn)，衰減后再寫入。每次衰減的點(diǎn)數(shù)和幅度可根據(jù)需要設(shè)置。X和Y坐標(biāo)的隨機(jī)表可以事先生成好，以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)在硬盤中，程序初始化時(shí)一次讀入。

3.1.3 二次信息的分層顯示

廣義的二次信息包括航跡、狀態(tài)監(jiān)控等所有非一次視頻的信息。在軟件方案中，采用了Overlay功能實(shí)現(xiàn)。目前通用顯卡都支持此功能。

Overlay如同顯示器前一塊透明的切片，如圖6所示。當(dāng)需要顯示Overlay時(shí)，可同時(shí)看到Overlay部分和Primary Surface沒有被Overlay遮擋的地方。當(dāng)不需要顯示Overlay時(shí)，移除Overlay，原來的Primary Surface內(nèi)容不變，也就是說Primary Surface與Overlay的內(nèi)容物理上是分開的。而是否顯示Overlay，由Primary Surface上像素的顏色來決定。當(dāng)Primary Surface上某些區(qū)域的像素設(shè)為一種特殊的顏色時(shí)，這些區(qū)域顯示的就是Overlay上的內(nèi)容。這種起過濾作用的顏色稱為Color Key。這種顯示機(jī)制完全由顯卡的CPU完成，所以當(dāng)使用Overlay功能時(shí)，程序不會(huì)有明顯的性能損失。不同的顯卡，Color Key可能不一樣。

Overlay有多種模式，最常用的是YV12_OVERLAY，Y:U:V＝4:2:2。本系統(tǒng)采用了這種模式。
YUV Overlay的一個(gè)特點(diǎn)是：適當(dāng)?shù)毓潭║、V，可以近似地固定顏色種類，改變Y就相當(dāng)于改變亮度。測(cè)試還表明，在Overlay上顯示視頻比在Primary Surface上顯示要少占用CPU資源。相比Primary Surface 上的RGB顯示方式，這些特性很適合于PPI顯示一次視頻。

一次和二次分層顯示的實(shí)現(xiàn)方法是：首先將Primary Surface上位于PPI掃描區(qū)域內(nèi)的所有像素都填上特殊的Color Key，這樣保證在與Primary Surface關(guān)聯(lián)的Overlay上的一次視頻可見；需要顯示二次信息的地方用不同于Color Key的其它顏色填在Primary Surface層上；當(dāng)不需要顯示二次信息時(shí)，只需在Primary Surface上將原來的二次信息用Color Key顏色再寫一遍即可。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化的顯示應(yīng)用程序框架結(jié)構(gòu)

由于接收網(wǎng)絡(luò)組播的視頻幀包是一種阻塞操作，而GUI程序的主線程不能有阻塞操作，所以網(wǎng)絡(luò)接收部分應(yīng)該放在子線程或子進(jìn)程中。

系統(tǒng)首先選擇了子線程方式，試驗(yàn)表明在這種方式下顯示部分不均勻。這是因?yàn)镃PU調(diào)度的對(duì)象是進(jìn)程，進(jìn)程內(nèi)的線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)CPU分給該進(jìn)程的時(shí)間片，于是就會(huì)出現(xiàn)在某段時(shí)間內(nèi)主線程一直占用CPU，另一段時(shí)間網(wǎng)絡(luò)部分的子線程占用CPU。網(wǎng)絡(luò)接收雖然不會(huì)丟包，但是接收速度的不均勻引起了顯示的不均勻。系統(tǒng)又試驗(yàn)了子進(jìn)程方式，發(fā)現(xiàn)顯示效果有所改觀，但是改進(jìn)不大。

設(shè)想一下，如果有兩個(gè)CPU，并行運(yùn)行父進(jìn)程和子進(jìn)程，那么整體運(yùn)行效率就會(huì)有很大程度的提高。因?yàn)?，CPU幾乎不需要在不同的進(jìn)程之間反復(fù)切換了。

系統(tǒng)中選用具有超線程功能的Intel Pentium 4處理器，如果操作系統(tǒng)能夠支持SMP(Symmetric Multiple Processing)，那么一個(gè)CPU相當(dāng)于兩個(gè)CPU，兩個(gè)進(jìn)程就可以并行處理。實(shí)際上，Linux2.4版本的內(nèi)核就支持SMP了。系統(tǒng)選擇的內(nèi)核版本是2.6.8，手工編譯內(nèi)核，選用SMP功能。用新的內(nèi)核運(yùn)行同樣的程序，顯示很平滑，最快顯示速度達(dá)到一圈2s以內(nèi)，性能得到了明顯提高。Linux內(nèi)核的靈活定制特性在系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。

圖7是主顯機(jī)上網(wǎng)絡(luò)化顯示程序的框架。

兼顧平等，父子進(jìn)程盡量平均分擔(dān)負(fù)載。Linux有許多實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的機(jī)制：管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存等。系統(tǒng)中選擇共享內(nèi)存方式，因?yàn)檫@是進(jìn)程間通信最快捷的方式?？蚣苤?，二次信息通過I/O口進(jìn)入主顯機(jī)，由于其數(shù)據(jù)率比較低，所以系統(tǒng)采用定時(shí)的方法進(jìn)行訪問更新。

本文論證了基于Linux的軟件化、網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)終端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可行性，并提出了一套切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)方案中的關(guān)鍵技術(shù)做了必要的闡述。這套方案的推廣對(duì)目前國(guó)內(nèi)雷達(dá)終端系統(tǒng)具有革命性的意義。