基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统及其研制方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统，其包括物理实体、虚拟模型、以及连接物理体和虚拟模型的数据层，其中，所述物理实体包括多FPGA、数据缓存介质、以及运行于多FPGA中的算法软件系统，所述数据缓存介质，用于对雷达信号处理过程中的中间结果进行缓存；所述虚拟模型，以物理实体为基础，结合雷达信号处理需求和算法，模拟物理实体的组成，完全模拟物理实体实际工作的虚拟模型；所述虚拟模型包括信号处理器件物理模型、信号处理行为模拟模型和信号处理映射吻合度判定模型；本发明专利技术还公开上述基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统的研制方法。本发明专利技术能够快速实现信号处理算法，缩短系统研发周期，降低开发难度和技术风险。开发难度和技术风险。开发难度和技术风险。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统及其研制方法


[0001]本专利技术属于雷达后端信号处理
，尤其是涉及一种基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统及其研制方法。

技术介绍

[0002]雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。雷达已广泛应用于战场侦察、防空预警、目标探测等军事方面，以及气象预报、资源探测、环境监测等民用领域。
[0003]雷达实时信号处理技术使目标特征、图像等信息被用户实时获取，能够有效提雷达应用能力，因而实时信号技术是雷达研究的热点，已得到了越来越多的关注。信号处理机常安装在雷达上，以减小对数据链路的带宽要求。目前随着雷达技术的发展，雷达性能不断提升，分辨率、作用距离等技术要求越来越高，对信号处理的算力提出了极高要求。为了满足日益提高的技术需求，需要持续开发雷达信号处理机系统。
[0004]目前，在开发模式中，电源设计、处理器器件选型、多处理器架构、总线带宽、数据缓存介质选型和架构、布局走线、时钟设计等都会影响信号处理机系统的性能。另外，以集成电路芯片为代表的处理器和存储器性能提升速度快，也推动雷达信号处理机系统的发展。上述各个因素对信号处理机开发者提出了极高要求。传统方式的雷达信号处理机系统存在研制要求高、技术风险大、开发周期长的缺点。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统及其研制方法。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统，其包括物理实体、虚拟模型、以及连接物理体和虚拟模型的数据层，其中，所述物理实体，包括多FPGA、数据缓存介质、以及运行于多FPGA中的算法软件系统，其中，所述多FPGA包括第一级FPGA处理器、由FPGA1～FPGAn组成的第二级多FPGA处理器，所述第一级FPGA处理器，用于进行雷达回波数据预处理，实现原始回波、传感器数据和参数状态数据的预处理和整合，为第二级多FPGA处理器进行前期数据准备，并控制信号处理机系统工作；所述第二级多FPGA处理器，用于按照信号处理算法并行工作实现雷达的信号处理；所述数据缓存介质，用于对雷达信号处理过程中的中间结果进行缓存；所述虚拟模型，以物理实体为基础，结合雷达信号处理需求和算法，模拟物理实体的组成，完全模拟物理实体实际工作的虚拟模型；所述虚拟模型包括信号处理器件物理模
型、信号处理行为模拟模型和信号处理映射吻合度判定模型，其中，所述信号处理器件物理模型，用于构建模拟信号处理机物理实体模型，对物理实体硬件系统的虚拟模拟，实现物理实体与虚拟模型之间器件的一一对应，即物体实体中的信号处理硬件系统中的所有器件在所述虚拟模型中都有相应的模拟虚拟体与之对应；所述信号处理行为模拟模型，用于模拟物理实体实现信号处理的模型，对物理实体算法软件系统的模拟，包括硬件系统中的各个处理器和数据缓存介质的行为模拟与整体联动模拟；所述信号处理映射吻合度判定模型，作为物理实体和虚拟模型之间相互完全映射模拟的判定准则模块，判定虚拟模型是否能够真实模拟实际信号处理机的工作；所述数据层，包括虚拟模型产生的仿真数据、物理实体的实测数据，用于连接虚拟模型和物理实体，实现两者的映射。
[0007]进一步地，上述的物理实体的算法软件系统，包括设置在第一级FPGA处理器中的数据接收模块、信号预处理模块、传感器信号接收与处理模块、系统控制模块、数据整合模块、数据传输分发模块，以及设置在第二级多FPGA处理器的各个FPGA处理器中的整合数据接收发送模块、信号处理模块、数据缓存模块，其中，所述数据接收模块，与信号预处理模块相连，用于接收外部设备的雷达原始回波，再通过差分数据转换或者高速接口协议将回波信号转化成供FPGA处理的数据形式，将转化后的数据发送给信号预处理模块；所述信号预处理模块，与数据接收模块、数据整合模块相连，用于对接收的来自数据接收模块的数据进行预先处理，将得到的结果发送给数据整合模块；所述信号接收与处理模块，与数据整合模块相连，用于接收雷达上各类运动传感器、温度传感器、导航传感器发送的数据，进行数据格式转换处理，将结果发送给数据整合模块；所述系统控制模块，与数据整合模块相连，用于对信号处理机进行控制，将控制信息发送给数据整合模块；所述数据整合模块，与信号预处理模块、传感器信号接收与处理模块、系统控制模块、数据传输分发模块相连，用于将接收的来自信号预处理模块、传感器信号接收与处理模块、系统控制模块的各类数据进行整合，使之成为信号处理易于算法实现的格式，发送给数据传输分发模块；所述数据传输分发模块，与数据整合模块、第二级多FPGA处理器相连，用于根据第二级多FPGA处理器的总线架构将接收的来自数据整合模块的数据分时发送给第二级多FPGA处理器的各个FPGA；所述整合数据接收发送模块，与第一级FPGA处理器、信号处理模块相连，用于根据第二级多FPGA处理器的总线架构，接收来自第一级FPGA处理器上的数据传输分发模块发送的整合数据；所述信号处理模块，与整合数据接收发送模块、数据缓存模块相连，用于接收来自整合数据接收发送模块的数据，根据信号处理算法原理，利用多个FPGA配合进行实现，中间结果与数据缓存模块进行数据交互；所述数据缓存模块，与信号处理模块相连，用于与信号处理模块进行数据交互，实
现数据缓存介质的数据读写。
[0008]进一步地，上述的数据层，其包括仿真数据和实测数据，其中，所述仿真数据，是仿真产生信号处理机系统运行的各类数据，包括但不限于雷达回波模拟信号、传感器模拟信号、控制模拟信号、成像算法、处理器算力模拟信号、总线带宽和架构模拟信号之类的数据；仿真数据输入至物理实体，以辅助实际信号处理机系统的技术开发；所述实测数据，是物理实体硬件和算法软件系统产生的各类实测数据，包括但不限于信号处理机设计图数据、FPGA和缓存介质数据、实测回波数据、实测传感器数据、实测时钟信号、实测算力数据、实测功耗数据、实测总线带宽数据、实测数据缓存速率；实测数据需要先进行清洗、分类，然后输入至虚拟模型，实时修正虚拟模型。
[0009]一种基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统的研制方法，其包括以下步骤：S1、根据雷达数据信号处理机系统的任务和需求，进行三种数据仿真，第一种是雷达回波模拟信号的仿真，主要依据雷达的工作平台、距离向和方位向分辨率、作用距离、飞行高度仿真产生回波；第二种是模型仿真，主要是对拟采用的多FPGA算力、并行运行架构、总线带宽进行仿真；第三种是算法仿真，对雷达的信号处理算法进行仿真，估计算法运行效率和时间；S2、根据数据层的仿真信号，初步建立雷达多FPGA信号处理机系统中的虚拟模型，结合步骤S1中的模型仿真信号初步确定多FPGA为核心的信号处理器件物理模型，结合算法仿真和回波模拟仿真初步确定信号处理行为模拟模型，并设定映射吻合度判定初始模型；S3、根据虚拟模型的建立或更新状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统，包括物理实体、虚拟模型、以及连接物理体和虚拟模型的数据层，其特征是：所述物理实体，包括多FPGA、数据缓存介质、以及运行于多FPGA中的算法软件系统，其中，所述多FPGA包括第一级FPGA处理器、由FPGA1～FPGAn组成的第二级多FPGA处理器，所述第一级FPGA处理器，用于进行雷达回波数据预处理，实现原始回波、传感器数据和参数状态数据的预处理和整合，为第二级多FPGA处理器进行前期数据准备，并控制信号处理机系统工作；所述第二级多FPGA处理器，用于按照信号处理算法并行工作实现雷达的信号处理；所述数据缓存介质，用于对雷达信号处理过程中的中间结果进行缓存；所述虚拟模型，以物理实体为基础，结合雷达信号处理需求和算法，模拟物理实体的组成，完全模拟物理实体实际工作的虚拟模型；所述虚拟模型包括信号处理器件物理模型、信号处理行为模拟模型和信号处理映射吻合度判定模型，其中，所述信号处理器件物理模型，用于构建模拟信号处理机物理实体模型，对物理实体硬件系统的虚拟模拟，实现物理实体与虚拟模型之间器件的一一对应，即物体实体中的信号处理硬件系统中的所有器件在所述虚拟模型中都有相应的模拟虚拟体与之对应；所述信号处理行为模拟模型，用于模拟物理实体实现信号处理的模型，对物理实体算法软件系统的模拟，包括硬件系统中的各个处理器和数据缓存介质的行为模拟与整体联动模拟；所述信号处理映射吻合度判定模型，作为物理实体和虚拟模型之间相互完全映射模拟的判定准则模块，判定虚拟模型是否能够真实模拟实际信号处理机的工作；所述数据层，包括虚拟模型产生的仿真数据、物理实体的实测数据，用于连接虚拟模型和物理实体，实现两者的映射。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的雷达多FPGA信号处理机系统，其特征是：其物理实体的算法软件系统包括设置在第一级FPGA处理器中的数据接收模块、信号预处理模块、传感器信号接收与处理模块、系统控制模块、数据整合模块、数据传输分发模块，以及设置在第二级多FPGA处理器的各个FPGA处理器中的整合数据接收发送模块、信号处理模块、数据缓存模块；其中，所述数据接收模块，与信号预处理模块相连，用于接收外部设备的雷达原始回波，再通过差分数据转换或者高速接口协议将回波信号转化成供FPGA处理的数据形式，将转化后的数据发送给信号预处理模块；所述信号预处理模块，与数据接收模块、数据整合模块相连，用于对接收的来自数据接收模块的数据进行预先处理，将得到的结果发送给数据整合模块；所述信号接收与处理模块，与数据整合模块相连，用于接收雷达上各类运动传感器、温度传感器、导航传感器发送的数据，进行数据格式转换处理，将结果发送给数据整合模块；所述系统控制模块，与数据整合模块相连，用于对信号处理机进行控制，将控制信息发送给数据整合模块；所述数据整合模块，与信号预处理模块、传感器信号接收与处理模块、系统控制模块、数据传输分发模块相连，用于将接收的来自信号预处理模块、传感器信号接收与处理模块、系统控制模块的各类数据进行整合，使之成为信号处理易于算法实现的格式，发送给数据
传输分发模块；所述数据传输分发模块，与数据整合模块、第二级多FPGA处理器相连，用于根据第二级多FPGA处理器的总线架构将接收的来自数据整合模块的数据分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张静克，戚宗锋，汪亚，王华兵，汪连栋，曾勇虎，梁雪娇，龚帅阁，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三八九二部队，
类型：发明
国别省市：