（信号与信息处理专业论文）雷达光栅扫描显示技术研究.pdf

摘要 摘要 雷达光栅扫描显示技术在雷达应用领域占有重要的地位，随着高分辨率、多 彩色、高综合能力要求的不断提高，现代应用对雷达光栅扫描显示技术提出了新 的要求。 在深入研究和分析这一领域的发展现状和技术难点的基础上，提出了一个基 于p c i 总线和高速可编程逻辑器件的雷达光栅扫描综合显示系统方案。为了解决 传统的雷达光栅扫描显示系统中广泛使用图形处理器造成系统灵活性和通用性降 低的问题，提出了利用计算机操作系统的图形处理能力进行二次信息的加工及处 理，并通过p c i 总线完成二次图像的信息传输。对一次信息的处理实现了基于 f p g a 的光栅扫描坐标变换和视频处理。此外，还完成了基于f p g a 的显示控制器 的设计和d d rs d r a m 的显示存储器的应用，并详细给出了设计要点。 在以上研究的基础上给出了系统关键技术的设计方案，提出了新的设计思想 和实现方法，重点设计了p c i 总线控制器接口电路、显示控制器及显示存储器控 制器，并对扫描坐标变换与视频处理部分作了研究和仿真。 关键词：坐标变换视频处理视频叠加p c i 总线f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t r a d a rr a s t e rs c a n d i s p l a yt e c h n i q u ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h ef i e l do fr a d a r a p p l i c a t i o n w i t ht h ei m p r o v i n gr e q u i r e m e n t so fh i g hr e s o l u t i o n ，m u l t ic o l o lh i g h p e r f o r m a n c eo fs y n t h e s i z i n g ，p r e s e n ta p p l i c a t i o nh a sg i v e nr a d a rr a s t e rs c a nd i s p l a y t e c h n i q u em a n yn e wr e q u i r e m e n t s o nt h eb a s i so ft h et h o r o u g hr e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h es i t u a t i o na n dt e c h n i c a l d i f f i c u l t i e si nt h ef i e l d ，a no v e r a l ls o l u t i o nb a s e do np c ib u sa n dh i 曲s p e e d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ei sg i v e n b e c a u s et h et r a d i t i o n a lg r a p h i c sp r o c e s s o rg r e a t l y o b s t r u c t st h es t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo ft h er a d a rr a s t e rs c a nd i s p l a ys y s t e m ，ad e w s o l u t i o nu s i n gt h eg r a p h i c sa b i l i t yo fc o m p u t e ro p e r a t i o ns y s t e ma n dt r a n s f o r m i n gt h e s e c o n di n f o r m a t i o nb yp c ib u si ss e tf o r t hi nt h i sp a p e r i nt h ep r o c e s s i n go ft h ef i r s t i n f o r m a t i o n ，a ni m p l e m e n t a t i o no fr a d a rr a s t e rs c a nc o o r d i n a t et r a n s f o r ma n dv i d e o p r o c e s s i n gi s r e a l i z e db a s e do df p g a f u r t h e r m o r e ，t h ed i s p l a yc o n t r o l l e rb a s e do n f p g a ，a n dt h es t o r a g ef o rd i s p l a yw i t hd d rs d r a ma r ea c c o m p l i s h e di n c l u d i n g t e c h n i c a ld e t a i l s t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g ns o l u t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g yb a s e do nt h es t u d y ， i n t r o d u c e ss o m ed e wd e s i g ni d e a sa n dr e a l i z i n gm e t h o d s t h ep c ib u sc o n t r o l l e r i n t e r f a c e c i r c u i t ，d i s p l a y c o n t r o l l e rm a dt h e d i s p l a ys t o r a g ec o n t r o l l e r a r ep l a c e d e m p h a s i so n ，s i m u l t a n e o u s l y ，t h es t u d ya n ds i m u l a t i o no fc o o r d i n a t et r a n s f o r ma n d v i d e op r o c e s s i n go fr a d a rr a s t e rs c a nd i s p l a ya r eg i v e n k e y w o r d c o o r d i n a t et r a n s f o r mv i d e op r o c e s s i n gv i d e oo v e r l a yp c ib u s f p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：啦丞日期圃上舀 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：虹 剔噬各，衍u 。辽 日期砬寥 日期越i 乞乙z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 无论是新型雷达的研制，还是现行雷达的改进，都需要品种更多、性能更加 完善的光栅扫描显示系统予以配套。因此，雷达光栅扫描显示系统仍是目前国内 外研究的一个热点。当今雷达发展的趋势使我们感觉到，单纯为了适应某个功能 而对现有雷达显示系统进行改进的思路已经远远不能满足用户对雷达显示技术的 要求。事实上，许多国外著名厂商都已经向着雷达显示技术与计算机技术相结合 的方向发展。 近年来，计算机技术与微电子技术不断的发展已经给我们的生活带来了日新 月异的变化。计算机更快的处理速度，更大的存储器容量，更大的总线带宽使我 们在各行各业中的高速应用成为可能；随着微电子技术的不断进步，高速可编程 逻辑器件的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性和灵活性，缩小了 设计的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。有这两项技术为坚实的基础，雷达 显示技术也随之有了新的发展亮点。 雷达显示处理的实时性对系统的硬件和软件有很高的要求，在高分辨率、多 彩色、高综合能力的雷达应用中这一问题尤其突出。充分利用现有丰富的计算机 资源和w i n d o w s 操作系统强大的图形处理能力，发挥高速可编程逻辑器件的高集 度和灵活性，可以很好的解决传统雷达显示系统中碰到的一些问题。例如在本文 中，我们用f p g a 来完成雷达光栅扫描显示系统中的极坐标与直角坐标转换问题， 用w i n d o w s 操作系统来实现丰富的图形处理功能，用p c i 总线来完成经计算机操 作系统处理过的二次信息的传输应用等【l j 。 通过雷达技术与计算机技术、微电子技术的结合，我们赋予了传统雷达显示 系统强大的通信以及多媒体处理能力，改变了其显示技术的固有结构，实现了比 传统雷达更加灵活、丰富的应用。 1 2 雷达光栅扫描显示器的发展概况 早期传统雷达采用的是随机扫描体制的p p i 显示器，是基于利用雷达视频信 号调节c r t 电子束强度的原理实现的。它采用长余辉管和亮度调制方式形成整个 空域的画面，并根据辉度的增强来发现目标，另外通过向偏转线圈加入不同的电 流，使光点扫描出字符与图形，如活动距离圈、方位刻度线等2 1 。由于体制的限制， 2 雷达光栅扫描显示技术研究 随机扫描显示器不易显示二次信息，且还存在着显示容量小、亮度低、显示分辨 率差、画面显示稳定性差等缺点，其整体显示、处理能力有限，因而无法适应目 前越来越高的雷达显示要求闭。 随着计算机技术、数字化技术、超大规模集成制造技术的日益发展，以及高 性能图形处理芯片的推出，高分辨率光栅扫描雷达显示系统因其容量大，显示亮 度高、丰富的二次信息显示能力等特点基本解决了传统随机扫描体制显示系统的 缺陷，现已成为雷达终端显示的主流【4 1 。 雷达光栅扫描显示器的发展大致经过了三个阶段。 第一阶段的雷达光栅扫描显示器，它采用了基于电视原理的光栅扫描方式。 由于当时没有图形显示与处理的芯片和大容量的存储器芯片，因而只能实现单色、 低分辨率显示。与随机扫描显示器相比，它在方位和距离的分辨率还不如传统的 显示方式，但雷达光栅扫描显示器的出现却给雷达显示技术带来了新的活力，因 而具有很强的生命力。它最突出的优点是： 1 很容易把雷达回波形成的原始视频图像与目标航迹以及岛屿、海岸线、地图、 文字符号等二次信息进行叠加显示，构成一幅综合的画面，增加显示的信息量。 2 与计算机技术、数字信号处理技术相结合，能比较理想的实现目标航迹相关 的航迹显示。 3 由于光栅扫描显示器的光栅是高亮度的，目标信息可直保持到雷达下次探 测到信息才刷新，不影响对目标的观察。而随机扫描显示器是靠低亮度显像管的 余辉来“维持”屏幕上回波的亮度。 4 由于大量采用工作于小电流状态的集成电路器件，提高了显示设备的可靠 性。 光栅扫描显示技术具有很高的实用价值，从而获得了快速的发展，出现了第 二阶段的光栅扫描显示器。它在性能上有了很大的提高，第一，其分辨率达到了 5 1 2 x 5 1 2 像素，使角度和距离分辨率接近传统的随机扫描显示器；第二，使用彩色 监视器，充分利用不同的颜色来区分不同的目标；第三，专用大规模集成电路芯 片的出现和应用，使显示控制器硬件的设计更为简单。 当然，第二阶段的光栅扫描显示器还存在一些不足，分辨率不是很高，屏幕 画面的像素较少，对于画面移动、放大、开窗及字符的全图形显示等功能大都采 用软件的方法实现，在高分辨率情况下，将会导致计算机负担过重，难以保证实 时性要求较高的图形显示。因此，受当时器件的限制，还不能达到理想的显示功 能和效果。 第三阶段就是目前国内外较先进的光栅扫描显示器，其方位和距离分辨率可 达1 2 8 0 x 1 0 2 4 像素，超过了传统的随机扫描显示器。超大规模集成电路专用芯片 视频控制器b t 4 5 8 的出现，给高分辨率光栅扫描显示器的设计和实现带来了 第一章绪论3 很大的方便。 1 3 论文内容的安排 论文主要分为五个章节。第一章为绪论，主要分析了研究的背景及意义，并 介绍了雷达光栅扫描显示器的发展概况：第二章在与传统雷达光栅扫描显示系统 比较的基础上提出了新的设计方案，研究了系统各组成部分的实现原理；第三章 具体绘出了系统的整体结构、关键器件的比较选择和主要单元电路的设计；第四 章研究了基于c o r d i c 算法的扫描坐标变换器的设计；第五章介绍了视频处理电 路的设计并给出了功能仿真的结果。 4雷达光栅扫描显示技术研究 第二章雷达光栅扫描显示系统的解决方案 2 1 雷达光栅扫描显示系统的结构 雷达光栅扫描显示系统，它的主要目的是为了实现雷达的光栅化，即完成雷 达扫描体制向光栅显示体制之间的转化。 我们知道，雷达扫描是以极坐标方式进行数据采集，以距离和方位( p ，护) 表示 目标，而光栅扫描显示系统采用的是屏幕坐标，以直角坐标( x ，y ) 表示目标位 置，坐标单位是像素。因此，要正常显示雷达信号，必须将雷达信号坐标( p ，护) 转换为直角坐标。即完成以下的变换： x2 p s i n 口 【y = p c o s o 同时，由于雷达的数据单位是物理地址，而屏幕坐标是以像素为单位，因此 还必须进行转换，将物理地址转换为屏幕像素。 因此，无论何种雷达光栅扫描显示系统都可以用如下结构框图表示： 图2 1 雷达光栅扫描显示系统基本结构框图 主控模块主要完成光栅扫描显示系统的控制任务，如操作控制，对一次、二 次信息模块的控制，产生标注信息并进行各种测量工作以及完成二次信息的加工 等。二次信息模块主要作用是产生显示器所需要的同步信号和二次信息的存储、 显示等。一次信息模块完成扫描变换，一次信息存储、显示。 2 2 本系统的组成与结构 本系统基本组成框图如图2 2 所示，主要由p c i 总线控制器：视频处理电路： 扫描坐标变换器( 包括轴角分解、坐标变换) ：显示控制器：存储器控制器；视频 第二章雷达光栅扫描显示系统的解决方案 复合、彩色形成电路等组成。 图2 2 雷达光栅扫描显示系统基本组成框图 雷达实时天线方位和空间距离，经过扫描坐标变换器，得出当前视频点迹的 直角坐标，并将其转换成一次视频存储器的对应地址，同时，视频处理电路在雷 达同步信号控制下，对一次视频信息进行选大、积累、补偿等处理，将处理后的 视频数据作为一次视频数据存入一次视频存储器。二次信息在计算机的加工处理 后，在p c i 总线控制器的控制下，通过p c i 总线存入二次视频存储器。最后，一 次和二次信息在显示控制器产生的视频同步信号的控制下经过数字视频复合和数， 模转换形成相应的彩色信号送至c r t 显示器显示，从而完成整个光栅扫描显示系 统的显示处理过程。下面几节我们分别会对扫描坐标变换器、视频处理电路、基 于p c i 总线的二次信息的获取、显示控制器、视频叠加及彩色形成电路的基本原 理作进一步的介绍。 2 2 1 雷达光栅扫描坐标变换器的基本工作原理 对应雷达的每一次扫描，雷达回波信号的坐标都是以极坐标( p ，口) 来表示的， 它不能和光栅扫描显示器匹配显示。为了把以极坐标表示的回波位置显示在光栅 扫描显示器上，就必须进行坐标变换，即把按极坐标扫描的每个回波点转换成符 合光栅扫描格式的直角坐标( x ，y ) 位置，并把对应的回波写到对应( x ，y ) 位 置的存储器中，从而完成坐标的变换，实现光栅显示。直角坐标( x ，y ) 与极坐 标( p ，曰) 的关系如下： 6雷达光栅扫描显示技术研究 x = p s i n o【2 一1 ) y = p c o s o( 2 - 2 ) 式中s i n p 和c o s p 在每个方位都有一确定的函数值，这也被称为轴角分解。常用的 轴角分解的方法有两中，一种是存储法，另一种是实时解算法，下面将会作具体 介绍。 存储法轴角分解 轴角分解中比较典型的是存储法。就是把每个口角度的s i n 0 和c o s 0 值都存储 在只读存储器中，在进行轴角分解时，根据角度口可直接从该存储器读得口的币弦 和余弦函数，这个存储器称为函数存储器。实际应用中，只需存储o - - 2 x 间的函数 值即可，再根据三角函数关系就可以得到其他角度的函数值。这种方法使用只读 存储器存储正弦、余弦函数值，使用方便，速度只受器件读取速度的限制。但同 时精度也受到存储器字长的限制。为了提高精度，就要用多片级联来完成，将会 占用大量的印制板面积和提高成本。 实时解算法轴角分解 近年来，由于大规模可编程逻辑器件( 包括f p g a 和c p l d ) 的广泛应用，已可 以用硬件来完成一些算法，这使得应用c o r d i c 算法进行实时解三角函数成为可 能。c o r d i c 是坐标旋转数字计算机( c o o r d i n a t er o t a t i o n sd i g i t a lc o m p u t e r ) 英文字 头缩写，由j v o l d e r 于1 9 5 9 年提出，并首先应用于导航系统，使得矢量的旋转和 定向运算不需要作查三角函数表、乘法、开方以及反三角函数等复杂运算【5 1 。该算 法的基本思想是通过一系列固定的、与运算基数相关的角度的不断偏摆以逼近所 需要的旋转角度。由于其基本运算只有移位和加减法，这就为该算法的v l s i 实现 打下了良好的基础，易于硬件的实现。用f p g a 或c p l d 通过流水线处理来实现 c o r d i c 算法，从而完成从( p ，p ) 到( x ，y ) 的坐标变换，这种算法只需要一片 f p g a 或c p l d 即可，大大的减小了p c b 的面积及电路的复杂程度，且变换速度 高于传统的雷达坐标变换方法。本文就是采用这种方法实现轴角分解的。 轴角分解作完后下一步任务就是坐标变换。坐标变换的性能直接影响光栅扫 描显示器的相关性能，它是光栅扫描显示器的关键技术。目前实现坐标变换的硬 件方式主要有高速乘法器法、存储器法及累加器法1 6 j 。 高速乘法器法坐标变换 图2 3 所示的是高速乘法器法坐标变换器的原理框图。方位码查表得到的函数 值与距离计数器代表的p 值在高速乘法器中按式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 计算，直接输出直角 坐标数据。图中的乘法器用4 x 4 或8 x 8 的快速乘法器扩展成4 m 4 n 或8 m x s n 的高 速乘法器。基本积出来后再求和即可得到结果。 第_ 二章雷达光栅扫描显示系统的解决方案 7 方位码雕离计取馨冲 图2 4 存储器法坐标变换原理框图 累加器法坐标变换 图2 5 是累加器法坐标转换器的原理框图。对于某一( p ，口) ，其对应的( x ，y ) 坐标值是s i n 0 、c o s 0 的自身n 次累加后的结果取整。采用累加法实现，相对于其 他两种方法来说需要硬件少，实现也简单。本设计就是采用此方法实现的。 图2 5 累加器法坐标变换原理框图 8 雷达光栅扫描显示技术研究 2 2 2 视频处理电路的基本工作原理 在随机扫描体制的图形显示系统中，显示扫描根据天线方位进行圆扫。由于 长余辉显像管( c r t ) 的余辉特性雷达一次视频信号在某一像素点的多次扫描，以 亮度实现积累，而不会造成信号的丢失。但是在光栅扫描显示系统中，由于使用 一地址对应像素的显示方式，采用了扫描坐标变换，在( p ，占) ( x ，y ) 的变 换过程中，造成了某些像素点的地址相互重叠而多次写入图像存储器的同一单元， 引起信号的丢失。因此，雷达一次视频信号在光栅显示前必须进行视频预处理。 视频处理主要包括编码选大、视频积累、盲区补偿和距离补偿等【”。图2 6 为 视频处理电路的主要流程图。 编 视言 距 视频输入 码 频区离 视频输出 选积 补补 大景 偿偿 图2 6 视频处理流程图 下面对各功能模块作简要介绍。 1 编码选大 雷达一次视频信号根据量程不同，由于显示分辨率有限，因此多个视频点迹 将落在同一像素点内。在光栅扫描显示时，存储器是以最后一次写入的内容为准 的。因此，就必须对对应同一像素点的多个视频点迹进行选大处理，选其最大值 写入存储器。这样处理可以尽可能地减少信号的损失。 2 视频积累 在光栅扫描图形显示系统中，为了充分利用目标回波的相关特性，可采用数 字式积累电路，按照雷达天线波束宽度进行相关积累，以提高信噪比和发现概率。 数字式视频积累是在检波后进行的，由于包络检波完成损失了相位信息，幅 度分层也带柬了信息的损失，所以积累效果不如相参积累，但积累后功率信噪比 比积累前功率信噪比要高是无疑的，而且视频积累容易实现，因而仍然被广泛采 用f 3 】。 实现视频积累的方法有很多。从时域上来说，积累是将连续的n 个重复周期 同一距离单元的视频回波信号叠加起来( 或加权叠加) 9 1 0 实现的方式可分为抽头 延迟线积累器和延迟线反馈积累器。 抽头延迟线积累器可以采用多抽头延迟线的方法来实现，延迟线总的延迟时 间等于全部积累时问，抽头时间间隔等于脉冲重复周期，每个抽头输出的信号经 第二章雷达光栅扫描显示系统的解决方案 9 过加权后加在一起形成n 个脉冲的和。这种积累器的优点是可以很方便的对每个 脉冲进行任意加权，只要在每个延迟线抽头输出时插入适当的增益控制即可：缺 点是当积累脉冲数n 值较大时，积累器所需总延迟时间很长，设备复杂。一个简 化的办法是用单根延迟时间等于脉冲重复周期的延迟线组成反馈积累器，每次新 的回波和积累器中过去各次扫掠回波的和值相加形成新的积累器。 常用的延迟线反馈积累器有单回路积累器和双回路积累器。 ( 1 ) 单回路积累器 图2 7 给出了个最简单的反馈积累器。该积累器由于结构简单，因此应用比 较多。它的工作过程是这样的：受天线波束调制的雷达回波的数字序列按时间顺 序加入积累器，积累器将当前的输入与前一周期同一距离单元输入乘以常数因子k 的存储值相加。其中一路输出，一路仍存储起来等下一周期使用。这一过程实际 上就是将不同周期同一距离单元的以前回波均乘上一个系数然后相加，这个系数 则是越早越小。 视赣输出 图2 7 单极点反馈积累器框图 该积累器延迟线的延迟时间等于脉冲重复周期。k 为反馈网络的增益，它和雷 达的参数相关，为了保持系统稳定，该值应小于1 。 由于该积累器没有零点，频率响应与信号的频谱不完全匹配，因此性能上稍 微差一些。在输入对称信号时，由于采样脉冲响应的影响，使输出呈现一个不对 称信号，对测角精度来说也是不高的。但由于它有设备简单的优点，仍被经常采 用。 在单回路积累器中，回路的增益k 值决定了加权函数的形状，应按照检波后 积累器输出的信噪比最大为准则，选择最佳的k 值。设输入视频脉冲串的包络函 数为高斯型的，写为： s ( t ) = s e 相7 ( 2 - 3 ) 其中& 代表最大信号振幅，a 为常数，它取决于天线波束宽度和扫描速度。 最佳k 值应满足下面的关系式1 9 ： 1 0 雷达光栅扫描显示技术研究 旦坐：- 0 ，6 3 8 3 ( 2 4 ) a t , 。 经过视频积累，可以提高信噪比，增加在平面显示器上的可识别度。该电路 由于容易实现，因此得到了广泛的应用。它能满足显示系统的要求。 ( 2 ) 双回路积累器 我们知道，通常窄的天线方向图在峰值附近的形状可用高斯函数来近似。天 线扫描的结果，滤波器输出端的脉冲串，其中频信号噪声比也是时间的商斯函数。 为了得到最佳性能的积累器，在视频相加前应进行高斯加权，或者既，积累器的 加权函数应该是高斯型的，但回路积累器的加权函数为指数型的，与高斯型相差 甚远，要设法改进。 采用双回路积累器是改进的途径之一【l o l 。双回路积累器可以得到很接近高斯 型的加权函数。我们先讨论两个单回路串联组成的双回路积累器。见图2 8 ，其回 路增益为口。 图2 8 串联型双回路积累器框图 双级积累器串联时，频率特性为两个网络频率特性的乘积，而其脉冲响应为 两级脉冲响应的卷积，脉冲晌应在t = o ，r ，2 r , 的输出分别可表示为 l ，2 ，3 2 等，其包络形状由决定，比较接近于高斯函数。其加权函数为脉 ；币响应的时间倒置( 镜象) 。 在双回路积累器中，回路增益卢决定了加权函数的形状，应按照检波后积累 器输出的信噪比最大为准则，选择最佳的p 值。设输入视频脉冲串的包络函数为 高斯型的，写为： s ( t ) = s e 咖。( 2 5 ) 其中瓯代表最大信号振幅，a 为常数，它的值取决于天线波束宽度和扫描速 度。最佳值应满足下面的关系式 9 1 ： 第二章雷达光栅扫描显示系统的解决方案 辈：“4 8 2 6 ( 2 - 6 ) a l ， 双回路积累器的性能要比单回路的好。此外在实用上很重要的一点是，双回路 积累器的最佳回路增益比单回路积累器的最佳增益值小，而回路增益小时，网络 容易稳定。另外，在双回路积累器中还有附加的灵活性，两个反馈回路可以用不 同的增益或者有不同的反馈支路以改变积累器的加权函数或频率特性，如图2 9 所 示。 图2 9 双回路积累器框图 该电路实现起来相对比较复杂，正确的选择回路增益届和屈的值。可以得到 接近最佳的应用特性。 3 盲区补偿 为了保证方位的连续性，使得位于p p i 画面最外圈附近的目标回波亮弧连续 而不分裂，扫描线必须连续，这样多个重复周期的视频点将有可能落在同一像素 单元内，且距离越近，重叠率越高，这称为扫描重叠。 扫描重叠的一个重要表现是，在p p i 显示器上观察雷达图像时，在近距离的 小目标，仅当天线波束指向该目标时闪亮下之后就消失了，这称为近程显示盲 区现象。显示盲区位置大约在量程的l ，3 处以内。盲区补偿就是针对这种情况进行 的。如不进行盲区补偿，会使视频信噪比降低，甚至丢失目标。 盲区补偿电路的基本工作原理：当光栅扫描天线方位发生变化时，坐标变换 单元产生当前视频点迹的坐标。把这个坐标值和扫描坐标存储器中保存的上一个 探测周期的坐标比较，产生扫描重叠标志。如果发生重叠，则首先读出该地址单 元内容，就是将要写入的地址单元的像素数据，把该数据和当前视频点迹比较， 选其大值重新写入一次视频存储器。若没发生重叠，则把当前视频点迹直接写入 一次视频存储器。 同时，采用坐标原点空心技术也能在一定程度上改善近程显示盲区现象。 4 距离补偿 在雷达光栅扫描显示器中，一个固有的问题是不同方位上显示扫描线所需要 的点数是不同的。在水平和垂直方向的扫描所用点数最多，而在4 5 。、1 3 5 0 、2 2 5 0 1 2 雷达光栅扫描显示技术研究 和3 1 5 0 方位的扫描所用的点数是最少的，约为水平或垂直方位点数的7 0 。但雷 达在任何一个方位上扫描时，其距离量化单元总是一致的，通常与水平或垂直方 位上的点数一致或成线性关系。这样在其他方位就有可能出现两个距离单元的信 息写入同一光栅像素点的情况，当然，有可能出现在这两个距离单元中前一个有 目标回波，而后一个则没有目标的情况，若不加处理的直接写入，则该像素内的 信息以最后写入的距离单元的信息为准，使前一个距离单元的目标丢失，为解决 这一问题，就需要进行距离补偿。 距离补偿电路的基本工作原理：当判断出两个距离单元的信息落在同一个像 素点即同一存储单元时，对当前距离单元视频点迹和上一距离单元寄存值比较并 选其大值输出，同时更新寄存值；如果情况相反，则用当前距离单元的视频点迹 更新寄存值。经过这样的处理，虽然不同方位目标亮弧的粗细稍有差异，但不会 因此而发生丢失目标的情况。 2 2 3 基于p c i 总线的二次信息的获取 本方案与传统光栅扫描显示系统最大的一个区别在于二次信息的来源不同。 传统的光栅扫描显示系统采用专用的图形处理器【1 1 1 ，例如1 1 公司的t m s 3 4 0 2 0 、 t m s 3 2 0 系列d s p ，它们不能提供与w i n d o w s 兼容的图形显示能力，不可能实现 w i n d o w s 兼容显示。这样，就不能充分发挥w i n d o w s 系统本身具有的强大的图形 处理能力。 计算机的w i n d o w s 操作系统提供了良好的多任务机制，优秀的性能，以及广 泛的设备支持，其图形操作是由大量的图形函数组成的，这些函数的功能相当复 杂。一个显示系统如果希望能够支持w i n d o w s 系统，必须能够实现所有的这些显 示操作，否则即使是某一项功能不完成，w i n d o w s 也不能正常进行显示。传统光 栅扫描显示系统使用专用的图形处理器由于兼容性问题限制了w i n d o w s 操作系统 在图形处理方面的发挥，本方案通过p c i 总线实现了w i n d o w s 系统图形处理能力 的充分利用。我们知道，基于软件的图形处理是依赖于高速的系统总线实现的， 因此，采用i s a 总线设计就不可能采取这种方案，由于在本方案中采用了p c i 总 线，使得我们的想法有了实现的硬件基础。 支持w i n d o w s 系统的关键是显示系统的显存结构必须符合w i n d o w sd i b 引擎 的要求，即屏幕中的像素字节构成一个连续的线性空间，像素的字节以小端优先 的原则排列，且在真彩色模式下，排列顺序为r 、g 、b 。由于显示系统在设计中 完全符合w i n d o w s 的设计规范，因此它能够作为w i n d o w s 系统的显示设备显示 w i n d o w s 界面，能够支持绝大多数通用的w i n d o w s 应用程序。 当它作为w i n d o w s 系统的主要显示设备时，系统的二次显示存储器直接映射 第_ 二章雷达光栅扫描显示系统的解决方案 到计算机的内存空间，由w i n d o w s 驱动程序直接完成各种图形操作。这些图形操 作转换为对内存的操作后，通过p c i 总线和p c i 接口芯片完成传输控制。由于p c i 总线的高达1 3 2 1 v l b y t e s 的带宽和当今c p u 强大的处理能力，可以产生高质量的图 形处理能力，完全不亚于专用的图形处理器。 2 2 4 显示控制器的基本工作原理 我们要将一次、二次视频数据送到c r t 显示器进行正确的显示，需要相应的 显示控制信号，即行、场同步信号和行、场消隐信引1 2 1 这些信号本来应该由专 门的图形处理器提供的。传统的光栅扫描显示器通过专用图形处理器提供丰富的 二次信息和显示控制信号，但在设计过程中，我们考虑到大多数图形处理器往往 存在着开发复杂，生命周期短的致命弱点，而且本方案中二次信息也是通过p c i 总线来自w i n d o w s 操作系统，因此我们提出了省去专用的图形处理器，改用高速 可编程逻辑器件产生所需要的显示控制时序的设想。经过研究，我们发现仅仅需 要不多的外部逻辑即可完成一个具有全部功能的图形图像显示控制模块【”】。这就 是显示控制器的工作。 2 2 5 视频叠加的实现以及彩色的形成 2 2 5 1 雷达视频的叠加显示 视频叠加模块作为图形显示的主要部分，负责完成一次图像信息与二次信息 的高速、实时叠加显示。 在雷达光栅扫描显示系统中，显示内容主要是由两个部分组成的，如图2 1 0 所示。其中位于屏幕中央的圆形区域以及下面的a r 窗口被称为雷达一次视频区 域。这罩的显示方式是用光栅显示系统来模拟传统的p p i 扫描的雷达的显示环境。 之所以称它为一次视频，是因为这罩的视频必须真实地反映雷达天线收到的目标 反射回波，从理论上说，不应该带有任何人为的修改。由于雷达视频信号的实时 性能要求很高，视频的采样率往往有1 0 m h z s - - - - - - 2 0 m h z s ，经过归并和处理后， 实际的屏幕写入速率也会达到1 m 5 m 像素，秒。 1 4 雷达光栅扫描显示技术研究 加：1 显示列袭 p p i 目i p i l la r 窗口 i 图2 1 0 雷达显示器回面 其次，环绕在屏幕周围的是二次视频区域。这个区域的存在正是光栅扫描雷达 与传统雷达最本质的区别。由于光栅显示能够将许多雷达操作员所需要的信息显 示在雷达屏幕上，如雷达的操作状态、量程、航速、跟踪的目标的情况等，这大 大改善了操作员的工作环境，也提高了雷达的能力。 从上面的分析可以看到，一次视频主要是视频信号的显示，而二次视频则以图 形的显示为主。然而，由于视频显示的复杂性，我们往往需要在一次视频的显示 区域内显示一些二次信息，比如距离圈、目标批次等。这时，二次信息就应该覆 盖该位置的一次信息；而当二次信息被删除时，相应的一次信息则应该自动显示 出来。如果我们在处理时直接将一次视频的数据与二次视频的数据存储在同一个 存储区域内，则会由于信息位置的重叠导致信息的丢失。因此我们必须将他们分 别存储，只是在显示时将他们进行叠加显示。像这样的应用在其他领域都可以见 到。如视频会议系统，为了能够实现双方甚至多方的面对面的会谈，在计算机的 图形显示界面上丌出几个用于视频显示的窗口，分别显示不同地点的图像。 2 2 5 2 视频开窗技术 如何完成上面的要求呢? 由于叠加显示的视频基本上都是连续的，因此我们 所要做的就是在屏幕上进行开窗操作。即在一个显示视频上挖出一个窗口来显示 另一个视频。目前，开窗一般采用两种方法： ( 1 ) 坐杯定位法： 由于计算机图像是数字化的图像，整个图像被空间量化为像素，从而形成了显 示坐标，因此可以采用坐标定位的方法。比如，如果要在屏幕中坐标 第二章雷达光栅扫描显示系统的解决方案 ( x = 5 0 ，y = 5 0 ，w = 1 0 0 ，h = 1 0 0 ) 的位置上显示另一幅图像，可以由硬件屏幕计数器对显示 位置进行计数，一旦屏幕扫描位置进入预定的区域则显示叠加图像。完成这种功 能的专用芯片被称为窗口控制器，因为它的功能就是能在屏幕上开出一个小窗口 这种方法实现起来比较简单，尤其是它可以直接对两路同步的模拟视频信号直接 进行切换。但是它的一个比较大的缺点，就是它只能实现矩形区域的开窗效果， 对于不规则的开窗则无能为力。因此，这种开窗技术在计算机图像显示中不多见， 取而代之的是基于色键的叠加显示方式。 ( 2 ) 色键技术 色键就是指一种颜色或一组颜色，当屏幕扫描显示进行时，对两幅图像的相应 像素进行实时运算，通过某种既定的原则即可决定当前的显示像素。例如，为了 在a 图像中显示一个b 图像，往往需要选择一种在a 图像中不使用的颜色c ，用 它填充a 图像中需要显示b 图像的区域。在显示扫描时，如在a 图像中遇到颜色 c ，则该点的实际显示像素用b 图像中的像素代替1 4 1 。 实现色键机制的关键是处理的流水化。由于在高分辨率显示系统中，屏幕的刷 新率以及显示分辨率都很高，因此，屏幕的点频往往会达到上百兆。如在 j 1 6 0 0 x 1 2 0 0 x 8 5 h z 下，屏幕点频高达2 5 0 m h z ，在这样的频率下要同时完成色键运 算然后进行切换几乎是不可能的。因此，必须采用流水机制和多像素并行处理。 e 如：当点频为2 2 0 m h z 时，采用4 个像素并行处理，则处理频率可以降至5 5 m h z ， ，而采用并行处理以及流水技术则需要大量的高速可编程逻辑，因此，这部分的工瓷 ，作一般由专用a s i c 完成。， 的确，当前的软件处理能力的不断提高使我们能用软件的方法解决很多问题 但是问题的关键是由于雷达显示的高分辨率和实时性要求。由于雷达显示往往用 于军用和民用关键领域，如警戒和船用导航，因此必须要求显示系统具有极高的 显示精度和可靠性。如雷达的显示分辨率都要求在1 2 8 0 x 1 0 2 4 以上，并且要求绝 对的准确和实时。对于这样的要求，依靠普通的p c 机和软件几乎是无法实现的， 必须采用专用的硬件系统来实现。 2 2 5 3 彩色形成 雷达工作时，要求显示画面稳定、清晰，能够准确地显示目标的位置。在随 机扫描显示器中，亮度是连续分布的，当一次信息的灰度差小于5 时，人眼就无 法分辨，从而影响操作员的观察、分析目标数的准确性。在光栅扫描显示器中， 不同的狄度可以用不同的颜色来显示，即为彩色化。由于人眼对彩色的分辨能力 远高于对反度差的分辨能力，因此可以识别灰度差较小的像素。经过彩色处理， 画面总的信息量保持不变，但人眼对画面的分辨能力得到了提高i l ”。目前，彩色 1 6 雷达光栅扫描显示技术研究 形成大多采用专用的集成芯片( r a m d a c ) 来完成【1 6 1 。 r a m d a c 内部含有数据锁存器、彩色查找表、视频d a 转换器等。彩色查找 表由快速双口随机存储器( s r a m ) 构成，彩色查找表r a m 中存放显示的彩色数值， 彩色查找表r a m 的大小决定在显示屏幕上能同时显示的彩色数量。从图像存储器 读出的视频数据作为彩色查找表r a m 的地址，读出像素r 、g 、b 三色值经视频 d a 形成视频信息。r a m d a c 除形成彩色外，还可以用于其他特殊功能如屏蔽、 闪烁、覆盖、甚至光标。 2 3 小结 本章首先介绍了雷达光栅扫描显示系统的总体结构，然后重点介绍了坐标变 换器、视频处理部分的基本工作原理，并在与传统光栅扫描显示系统比较的基础 上，提出了二次信息获得与传输、显示控制器的实现以及视频叠加的新构想。 第三章雷达光栅扫描显示系统的关键技术1 7 第三章雷达光栅扫描显示系统的关键技术 3 1 引言 目前，高分辨率光栅扫描雷达显示系统的应用越来越广泛。国内研制的这类 系统大多以图形处理器为核心，这种系统能够很好地利用图形处理器内部集成的 微处理器、限 m 接口和c r t 时序控制电路来完成雷达显示系统的二次信息处理， 显示雷达图像以及雷达状态的控制。由于它是以图形处理器为核心的，所以系统 的运算、处理能力均受到其内部处理器的限制，而且硬件的可扩充性较差，软件 开发没有通用的系统支持，要克服这些不足，最好的方法是采用以计算机总线技 术为基础的显示系统。以计算机总线为基础的雷达显示系统能方便地借助飞速发 展的计算机、多媒体技术，不仅使系统的运算、处理能力大大加强，软件开发又 有通用的工作平台，而且硬件也具备较强的可扩充性，因此是雷达显示系统的发 展方向。 3 2 显示系统的具体结构 显示系统的具体结构图如图3 i 所示。其中p c i 9 0 5 4 实现p c i 总线的连接控制， 为显示系统的设备和显存提供通过主机访问的地址数据通道。t v p 3 0 3 0 完成来自 一次、二次显存数据的复合、数字模拟转换。f p g a 则完成视频处理、扫描坐标 变换以及系统的整体逻辑控制功能用。 图3 1 显示系统结构图 对于来自雷达信号源的一次视频信息，经过视频处理后，在坐标变换器指引 下，由一次显示存储器控制器控制写入一次显示存储器。对于来自主机的二次视 1 8 雷达光栅扫描显示技术研究 频信息，通过p c i 总线，由二次显示存储器控制器产生相应的读写时序写入二次 显示存储器。同时，两个显示存储器控制器在显示控制器产生的显示控制信号控 制下，将显示数据从显示存储器读出并送入t v p 3 0 3 0 完成视频复合和数模转换， 最后通过v g a 接口送c r t 显示器显示。 3 3 雷达光栅扫描显示的系统指标 本设计中光栅扫描显示器的主要技术参数为：一次图像分辨率为 1 6 0 0 x 1 2 0 0 x s b i t ，二次图像分辨率为1 6 0 0 x 1 2 0 0 x 2 4 b i t ，同屏幕可以同时显示一次 和二次信息。屏幕分为p p i 窗口、a r 窗口和信息显示窗口。显示亮度1 6 级可控。 天线方位量化为1 2 位。可以实时显示天线方位扫描线。具有光标及其他数据显示、 状态显示等功能。 3 4 主要芯片的选择 3 4 1 显示控制器的选择 3 4 1 1 图形处理器( g s p ) 和可编程逻辑器件实现显示控制器的讨论 t v p 3 0 3 0 是一块视频d a c ，它的功能是完成视频数据的数字，模拟的转换，并 且通过标准的v g a 接口与显示器相连，由于其本身不具备显示控制时序产生的功 能，因此，必须有另外的芯片来完成显示控制信号的产生，即提供用于控制显示 的行、场消隐信号以及t v p 3 0 3 0 与显示存储器的同步控制，最后通过t v p 3 0 3 0 来 传递这些控制信号以达到控制显示器正常工作的目的。这个任务在传统的雷达光 栅扫描显示系统中是由专用的图形处理器完成的。 但是我们考虑到常用图形处理器( g s p ) 往往生命周期较短，硬件的灵活性和可 扩充性较差而且成本也比较高，经过研究，决定由高速可编程逻辑作为显示控制 器产生t v p 3 0 3 0 所需要的显示控制时序。 3 4 1 2 显示控制器的实现方式 为使c r t 显示器正常地显示图像，视频接口器件t v p 3 0 3 0 需要四个由显示控 制器产生的显示控制信号，它们分别是： 行同步信号( ；i ；磊) ：在一行显示完成后，显示器需要一个行同步信号，通知 第三章雷达光栅扫描显示系统的关键技术1 9 显示器一行结束，另起一行显示。 行消隐信号( h b l a n k ) ：一行显示完后，电子束需要从这一行的最后回到起点， 行消隐信号的作用是令扫描电子束截止，消除了显像管在行扫描逆程期间产生的 回扫线。 场同步信号( v s y n c ) ：在一帧显示完后，显示器需要一个场同步信号，通知 显示器一帧结束，清屏并重新开始显示新的一帧画面。 场消隐信号( v b l a n k ) ：一帧显示完后，电子束需要从这一帧的最后回到起点， 场消隐信号的作用是令扫描电子束截止，消除了显像管在场扫描逆程期间产生的