基于滾動(dòng)輸出模式的高速雷達(dá)視頻顯示處理方法

邢永昌，朱向云，薛宜童

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

基于滾動(dòng)輸出模式的高速雷達(dá)視頻顯示處理方法

邢永昌，朱向云，薛宜童

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

隨著雷達(dá)重頻和顯示器顯示分辨率的提高，當(dāng)前VRAM的速度已經(jīng)不能滿足雷達(dá)視頻的實(shí)時(shí)刷新要求。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出一種采用滾動(dòng)輸出模式的視頻輸出處理方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法在保證高數(shù)據(jù)率和高分辨率的前提下實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)視頻畫(huà)面流暢刷新。

雷達(dá)重頻；VRAM；FIFO存儲(chǔ)器；SRAM

0 引 言

隨著雷達(dá)重頻的提高和高分辨率顯示器普及應(yīng)用，對(duì)雷達(dá)視頻顯示處理速度提出了更高的要求，尤其是高速雷達(dá)視頻的存取方面。在雷達(dá)重頻小于2 kHz、顯示分辨率小于1000×1000時(shí)可以采用VRAM(視頻處理RAM)完成雷達(dá)視頻的處理[1]，但當(dāng)雷達(dá)重頻超過(guò)2 kHz甚至達(dá)到10 kHz以上時(shí)VRAM的存取速度就無(wú)法滿足需求。

最新的一篇相關(guān)論文[2]中提出采用視頻分割及寫(xiě)FIFO緩存控制模塊實(shí)現(xiàn)降低輸出頻率的方法。該方法是通過(guò)分割視頻方式和雙FIFO方法降低電視視頻數(shù)據(jù)輸出的頻率，分割后每個(gè)顯示區(qū)域均需要一個(gè)顯示器顯示。如果雷達(dá)重頻提高或單個(gè)顯示器顯示分辨率提高，則雷達(dá)視頻畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)斷行現(xiàn)象。本文通過(guò)每個(gè)視口采用兩個(gè)FIFO，針對(duì)不同顯示的需要在顯示區(qū)域內(nèi)任意位置開(kāi)辟任意大小(不大于1200×1200)的多個(gè)視口，最終把多個(gè)視口的雷達(dá)視頻對(duì)接融合并與二次視頻疊加，通過(guò)一個(gè)顯示器或兩個(gè)顯示器輸出。

本文提出以SRAM和FIFO存儲(chǔ)器為硬件平臺(tái)，采用滾動(dòng)輸出模式的高速雷達(dá)視頻顯示處理方法，實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率、大分辨率雷達(dá)視頻穩(wěn)定顯示效果。該技術(shù)使高重頻率雷達(dá)的大分辨率流暢顯示成為現(xiàn)實(shí)。

1 基本原理

由于SRAM與視頻輸出流的FIFO處于不同的時(shí)序，且顯示器需要以行為單位定時(shí)輸入視頻數(shù)據(jù)[2]，而SRAM中的視頻數(shù)據(jù)是由FPGA實(shí)時(shí)處理的結(jié)果，需要按照本模塊的處理時(shí)鐘確定讀取時(shí)間片[3]。高重頻雷達(dá)高分辨率顯示雷達(dá)視頻時(shí)，在SRAM中可用于數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間片很少，且數(shù)據(jù)率高，無(wú)法與顯示器的行輸出速率同步。如果采用現(xiàn)有的技術(shù)，會(huì)出現(xiàn)雷達(dá)視頻斷行顯示，不能實(shí)現(xiàn)視頻畫(huà)面流暢顯示。為了保證既能滿足以根據(jù)FPGA處理周期控制SRAM的讀寫(xiě)周期，又能滿足顯示器以行掃描頻率為節(jié)奏的串行數(shù)據(jù)輸入的要求，本文采用滾動(dòng)輸出法處理雷達(dá)視頻。該方法不僅能滿足雷達(dá)視頻畫(huà)面的流暢、清晰，而且可以保證畫(huà)面變化的實(shí)時(shí)顯示。

實(shí)現(xiàn)本技術(shù)的原理為：針對(duì)每個(gè)雷達(dá)視頻顯示窗口設(shè)計(jì)兩個(gè)FIFO存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器容量至少可以存儲(chǔ)1行視頻數(shù)據(jù)的容量；輸入時(shí)按照重頻脈沖和掃描轉(zhuǎn)換處理的時(shí)序選擇空閑時(shí)間片，把雷達(dá)視頻以字段為單位從SRAM中讀出，滾動(dòng)輸入到兩個(gè)FIFO存儲(chǔ)器中；輸出時(shí)按照行掃速率從兩個(gè)FIFO存儲(chǔ)器中讀出(如果同一行視頻與多個(gè)雷達(dá)視頻顯示窗口相關(guān)，需要讀取多對(duì)FIFO存儲(chǔ)器并按行對(duì)接)，然后與二次視頻疊加，最后以行為單位串行輸出到顯示器。

2 實(shí)現(xiàn)方法

下面通過(guò)VRAM直接輸出法和滾動(dòng)輸出法比較解釋本文算法。

2.1 VRAM直接輸出法

當(dāng)前的雷達(dá)視頻輸出方法是采用VRAM而不是SRAM作為雷達(dá)視頻處理存儲(chǔ)器。雷達(dá)視頻處理完成后由VRAM自帶的雷達(dá)輸出功能按照行掃描速率輸出雷達(dá)視頻。采用VRAM的雷達(dá)視頻顯示區(qū)刷新工作原理圖如圖1所示。

圖1 基于VRAM的雷達(dá)視頻顯示區(qū)刷新工作原理圖

由于該方法是通過(guò)雷達(dá)視頻處理與行視頻輸出同步的方法直接輸出，所以采用這種方法雷達(dá)視頻處理的速度受顯示器數(shù)據(jù)輸入率的限制，當(dāng)雷達(dá)重頻大于2 kHz時(shí)雷達(dá)視頻的輸入與輸出就無(wú)法同步，會(huì)出現(xiàn)斷行顯示現(xiàn)象。

2.2 滾動(dòng)輸出算法的實(shí)現(xiàn)

本文通過(guò)采用滾動(dòng)輸出的方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻的輸出。在雷達(dá)視頻讀取頻率和時(shí)刻與向顯示器輸入視頻數(shù)據(jù)頻率不一致的情況下，該方法可以保證雷達(dá)視頻的流暢實(shí)時(shí)顯示。在其實(shí)現(xiàn)步驟中，寫(xiě)入FIFO存儲(chǔ)器是根據(jù)雷達(dá)的重頻脈沖、掃描轉(zhuǎn)換和多通道雷達(dá)視頻疊加處理的時(shí)序，選擇空余時(shí)間片從SRAM中讀取雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)并滾動(dòng)輸出到對(duì)應(yīng)的FIFO存儲(chǔ)器中。SRAM中處理后的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)是針對(duì)不同的雷達(dá)視頻顯示窗口(PPI顯示、AR顯示和B顯且，每種顯示都可以有多個(gè)窗口)分別存儲(chǔ)于不同的存儲(chǔ)空間，通過(guò)每個(gè)雷達(dá)視頻窗口設(shè)計(jì)一對(duì)FIFO存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流暢輸出[4]。

從FIFO存儲(chǔ)器串行輸出視頻數(shù)據(jù)是按照行掃描速率輸出。根據(jù)每個(gè)雷達(dá)視頻窗口的屏幕坐標(biāo)，從相關(guān)雷達(dá)視頻窗口的FIFO存儲(chǔ)器中讀取雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)組合成一個(gè)雷達(dá)視頻行，然后把該行視頻數(shù)據(jù)與二次視頻對(duì)應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)疊加后輸出到顯示器。由于根據(jù)雷達(dá)視頻窗口坐標(biāo)尋找FIFO存儲(chǔ)器任務(wù)和一次視頻與二次視頻疊加處理任務(wù)占用的時(shí)間資源少且穩(wěn)定，故按照行掃描速率讀取FIFO存儲(chǔ)器后與二次視頻疊加輸出可以保證雷達(dá)視頻的流暢顯示。

FIFO存儲(chǔ)器輸入輸出時(shí)序示意圖如圖2所示。滾動(dòng)輸出法工作原理圖如圖3所示，圖中“滾動(dòng)輸入”是以重頻和視頻處理時(shí)序滾動(dòng)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的FIFO，“滾動(dòng)輸出”是以顯示器行掃描速率滾動(dòng)讀出雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)，組成以顯示器掃描行為單位的雷達(dá)視頻行。雷達(dá)視口視頻行在顯示器中顯示位置示意圖如圖4所示。

圖2 FIFO存儲(chǔ)器輸入輸出時(shí)序示意圖

圖3 滾動(dòng)輸出法工作原理圖

圖4 雷達(dá)視口視頻行在顯示器中顯示位置示意圖(一個(gè)顯示器)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境與結(jié)果

該技術(shù)已經(jīng)在某型裝備的顯控分機(jī)中實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)環(huán)境為：雷達(dá)重頻為15 kHz；2個(gè)PPI顯示區(qū)，分辨率均為1200×1200；2個(gè)A顯顯示區(qū)，分辨率均為390×380；4個(gè)B顯顯示區(qū)，分辨率均為390×380。由4個(gè)通道的雷達(dá)視頻組成原始的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)；疊加方式分別采用1個(gè)通道、2個(gè)通道、3個(gè)通道和4個(gè)通道疊加顯示。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以實(shí)現(xiàn)高重頻、多通道、雙屏和高分辨率雷達(dá)視頻與二次視頻穩(wěn)定疊加顯示，顯示畫(huà)面清晰流暢。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間拷機(jī)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3.2 試驗(yàn)分析

從現(xiàn)象上看，采用VRAM直接輸出法時(shí)，雷達(dá)重頻提高或雷達(dá)顯示分辨率提高均會(huì)引起雷達(dá)視頻斷行，且不能實(shí)時(shí)更新畫(huà)面。其原因是雷達(dá)視頻需要處理的任務(wù)增加，引起VRAM沒(méi)有足夠的時(shí)間實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻的輸出。

采用滾動(dòng)輸出法后，針對(duì)每個(gè)雷達(dá)視頻顯示窗口設(shè)計(jì)兩個(gè)FIFO存儲(chǔ)器；按照重頻脈沖和掃描轉(zhuǎn)換處理的時(shí)序選擇空閑時(shí)間片，把雷達(dá)視頻以字段為單位從SRAM中讀出，滾動(dòng)輸出到兩個(gè)FIFO存儲(chǔ)器；然后按照行掃速率從兩個(gè)FIFO存儲(chǔ)器中讀出(如果同一行視頻與多個(gè)雷達(dá)視頻顯示窗口相關(guān)需要讀取多對(duì)FIFO存儲(chǔ)器，并按行對(duì)接)，然后與二次視頻疊加，最后以行為單位串行輸出到顯示器顯示。這樣不僅能保證FPGA處理芯片根據(jù)雷達(dá)重頻等特征的實(shí)時(shí)處理視頻和輸出視頻，而且可以保證顯示器以行掃描頻率為節(jié)奏的串行數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)的要求,從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)視頻與二次視頻疊加后流暢清晰顯示的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用滾動(dòng)輸出模式的高速雷達(dá)視頻顯示處理方法可以實(shí)現(xiàn)高重頻雷達(dá)視頻的流暢顯示與實(shí)時(shí)刷新。它不僅可以按照FPGA處理周期控制SRAM的讀寫(xiě)周期流暢讀出處理后的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)，而且可以滿足以行為單位、以行掃描頻率為節(jié)奏的顯示器串行輸入數(shù)據(jù)的要求。該方法具有實(shí)時(shí)性好、成本低廉、效果明顯的特點(diǎn)，它的提出及其工程實(shí)現(xiàn)在雷達(dá)、聲納視頻顯示技術(shù)方面具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] Merrill I.Skolnik Levoy.雷達(dá)手冊(cè)[M].3版.南京電子技術(shù)研究所譯,2010.7：192-202.

[2] 霍偉.基于FPGA的高清視頻分割技術(shù)的研究[D].南京大學(xué),2012.5：32-33.

[3] 李秩博.基于FPGA視頻圖像處理的研究[D].電子科技大學(xué),2010.4.

[4] 丁璐飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.6.

A high-speed radar video display and processing method based on rolling output mode

XING Yong-chang, ZHU Xiang-yun，XUE Yi-tong

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

With the improvement of radar repetition frequency and the display resolution, the speed of the current VRAM cannot satisfy the requirements of the real-time refresh of radar videos. A video output processing method based on the rolling output mode is proposed to solve such problem. It is verified through the test that under the premise of high data rate and high resolution, radar video images can be refreshed smoothly via this method.

radar repetition frequency; VRAM. FIFO memory; SRAM

2014-0609；

2014-07-03

邢永昌(1977-),男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：顯控與數(shù)據(jù)融合；朱向云(1980-)，女，工程師，研究方向：雷達(dá)顯控；薛宜童(1979-)，男，工程師，研究方向：大氣與海洋類雷達(dá)系統(tǒng)。。

TN957.52

A

1009-0401(2014)04-0066-03