文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)11-0029-03
0 引言
LFMCW（線性調頻連續波）雷達是一種通過對連續波進行頻率調制來獲得距離與速度信息的雷達。因其具有發射功率低，距離分辨力高、不存在距離盲區等優點越來越多地應用于船舶導航中。顯示系統作為雷達直接面對操作者的部分，其成像的好壞直接影響到操作的判斷。同時對于集成度越來越高的綜合船舶電子系統，單一傳感器的數據內容往往要提供給多個顯示單元，以便利用冗余信息進行數據融合提高判斷的可靠性。為此，本文提出了一種三維優化查找表算法，很好地解決了雷達成像中的重點和漏點問題，同時利用組播機制完成了多屏顯示以及在綜合船橋系統中的拓展。
1 系統的網絡結構
本系統并沒有采用如SPI等傳統的總線傳輸作為雷達掃描單元和顯示單元之間的通信機制，而是利用了標準的以太網傳輸通信。考慮到相關的拓展，沒有選擇簡單的單播機制而選擇了組播。
1.1 組播
組播是一種一點到多點(或多點到多點)的通信方式，即多個接收者同時接受一個數據源發送的相同信息。組播通信中使用的是D類IP地址，其范圍在224.0.0.1~239.255.255.255 之間。由于傳輸層上的TCP協議不支持組播，所以下面設定的顯控報文都采用了UDP協議。
1.2 系統的結構及實現
顯示系統網絡結構如圖1所示，236.6.7.8、236.6.7.9、236.6.7.10等就是組播地址，它們可以看成雷達掃描單元和顯示單元之間的通道，每個組播組都有其專屬的功能[1]。系統一上電，各單元都會根據IGMPV3協議發出加入相應組播組的通知，其部分代碼如下：
#define MCAST_REC_ADDR"236.6.7.8"
#define MCAST_FD_ADDR"236.6.7.9"
struct ip_mreq mreq;
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_REC _ADDR);
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MCAST_FD _ADDR);
……
系統通過這些通道以UDP數據包作為載體傳遞信息。236.6.7.10為控制信息通道，傳遞開關、掃描速度、增益、雨雪雜波抑制等控制信息；236.6.7.9是反饋信息通道，主要是顯示單元接收確認信息；236.6.7.8是數據內容通道，傳輸大量的雷達圖像信息。
1.3 報文格式
系統自定義了相關報文格式，其內容如表1所示。
以海雜波為例，控制報文中C1是控制命令字，06是內部配置寄存器的編號，19 是狀態值(19在界面的顯示值是19/256×100)；考慮到單向通信機制的不可靠本文引入了反饋機制，控制報文發出時系統參數不會立刻改變，而是等待接收到反饋報文，C4 是反饋命令字，19是當前海雜波抑制值；數據報文中0100000000200002是數據的幀頭，其中20（32d）是含有掃描線的數量，例子里73 0B是掃描線的編號，1D07是掃描線的角度信息。
2 數據處理
從組播地址236.6.7.8接收到的雷達圖像數據是極坐標形式，由表1可以看到其表示的是掃描線上每個點的灰度值，角度值由1D07（1821d）/2 048×360算得，但是極坐標數據無法直接顯示還必須經過坐標轉換，這就是圖1中的中間件部分所完成的工作，也是整個顯示系統的關鍵組成部分。
2.1 基本坐標轉換方式比較
直接轉換方法如下：
式中，?茲為極坐標角度，r為半徑，x為直角坐標中的橫坐標，y為縱坐標。直接運用公式計算看似簡單但不可避免地帶來重點和漏點等問題，這是因為直角坐標和極坐標之間的映射不是一一對應的。由于極坐標在直角坐標系中呈放射狀分布，導致近端多個極坐標映射到一個直角坐標點的情況，這就是重點；而在圓心遠端的直角坐標點會出現沒有極坐標映射的情況，這是漏點[2]。重點會造成數據冗余，漏點會影響成像。
計數法是根據直角坐標都是整數，且相鄰點的變化量只有0、1，可以進行進位信息存儲，此法同樣只能減少存儲空間，無法解決漏點問題[3]。查找表法預先存儲了每一個極坐標對應的直角坐標，直接尋址操作，此法使轉換效率大大提升，但所需存儲空間大且不能避免漏點[4]。
2.2 三維優化查找表算法
比較了上述算法并綜合考慮了硬件資源開銷，提出一種以極坐標為地址，直角坐標為數據的三維優化查找表算法，既解決了坐標轉換開銷大，顯示卡頓問題，也對重點和漏點問題進行了有效解決，最后利用對稱性減少了預先存儲的數據量[5]。
根據查找表的定義，重點在表中的反映形式為不同的地址擁有同樣的內容。如有N個地址對應數據相同，為了消除重點可將其中N-1個地址的數據編輯為0，保留唯一的一個地址的數據。實際采用的消除方式是保留其中地址最小的內容，其余地址內容設為0。這樣就確保了表中所存直角坐標的唯一性。
補漏的思路是利用其鄰近非漏點的灰度值。采用三維查找表的目的也就是希望將轉換坐標點附近的漏點位置標記出來，利用已知的灰度值對其進行插值。而建立這種查找表的第一步就是找出漏點。由式(1)建立起一個所有轉換直角坐標的數組{(x，y)}，通過下面公式：
將結果數組與上面得到的結果數組相比較就得到了漏點數組{(x′，y′)}。
第二步是給這些漏點去找到其附近的非漏點，好進行補漏的過程。本系統在極坐標直接轉換得到的直角坐標數組{(xi，yi)}中任選一點再遍歷漏點數組{(x′，y′)}由式(3)：
得數組{(xij′，yij′)}，并用(xi，yi)橫坐標和縱坐標分別減去數組{(xij′，yij′)}中對應的元素得到差值(xi-xi1′，yi-yi1′)(xi-xi2′，yi-yi2′)…(xi-xij′，yi-yij′)，再用一個2j×k bit的數add的每k bit分別表示差值，遍歷直角坐標數組將所有得到的(x，y，add)i保存為查找表文件。考慮到角度量化值N為2 048，掃描半徑M為384，實際系統在數據之后另外加上2位的補漏標志位。00表示該坐標附近無漏點，01表示坐標(x，y+1)為漏點(當前坐標為(x，y))，10表示(x+1，y)為漏點，基本完成成像要求。
優化后的查找表算法解決了重點、漏點等問題但需耗費16 MB的存儲空間，而實際上通過對稱性優化只需在查找表中存儲0°～45°的數值就可以完成數據的轉換。系統在處理數據過程中進行兩次轉換，由表1知每根線都有各自的編號n，收到數據包時先提取出編號進行判斷，然后用下面公式進行轉換，將其區域的掃描數據映射到0°～45°區域：
當最終輸出到顯存時，還需要再次轉換成掃描線上
像素點對應屏幕上的真實坐標，其轉換公式如下：
系統的算法流程如圖2所示。
3 組播的優勢及系統擴展
隨著現代船只電子系統的集成化越來越高，多傳感器復合顯示的需求也越來越大，雷達數據往往也要提供給多個顯示單元。考慮到雷達掃描一周產生大約1 MB的數據量以及24 r/min或者36 r/min的掃描速度，系統如果自己先進行數據復制再傳輸顯然是困難的，而組播的特點剛好是加入同一組播組的成員都可以接收到發向這個組播地址的數據，例如多個顯示單元只要都加入了系統中236.6.7.8組播組都可以接收并顯示雷達圖像數據，輕松實現多屏顯示。
而對于最近興起的綜合船橋系統，其顯示系統結構如圖3所示，顯示單元可以分別作為ECDIS、Radar（有兩部S-Band 和 X-Band）以及Conning（船舶綜合數據顯示系統）進行工作，又可以切換S-Band雷達和X-Band雷達信息進行交換顯示，同時當單一顯示器出現故障時可以利用其他顯示單元備用顯示。其復合顯示的基礎就是組播機制，顯示系統通過加入的組播組實現相關的顯示，對于GPS、AIS通過標準串口輸出的數據也可以通過轉換器封裝成UDP報文發送到組播地址。所以，基于組播的雷達可以很好地融入綜合船橋系統中，實現擴展。
4 實驗與測試
系統利用QT完成了界面設計并接收坐標轉換后的雷達圖像數據繪制出來[6]，這里硬件采用了Xilinx公司推出的XC6SLX100T-2FG676C FPGA芯片以及TI公司的DAVINCI DM3730芯片,并外掛了DDR3芯片來存儲查找表，所用存儲空間為1.97 MB，其實驗效果如圖4所示。
圖4中，上兩幅圖分別是未對邊界進行設置，且沒有進行補點算法下漏點的顯示狀態以及加上邊界約束，注釋掉刻度層后的顯示效果圖，可以清楚地觀察到算法的效果；而下兩幅圖是兩臺顯示器和一個掃描單元同時連接到一臺路由器的LAN口，實現多屏顯示的效果圖，其中左下圖的顯示系統工作在Linux環境下，而右下圖的顯示系統工作在Windows環境下。
5 結論
系統基于組播機制實現了多屏顯示以及綜合船橋系統中的顯示切換，并優化了一種三維查找表算法，很好地解決了雷達成像過程中的重點和漏點問題。同時也解決了在進行大量數據轉換的過程中，由于硬件資源的限制而造成的卡頓現象。在硬件平臺上的實際測試效果良好。
參考文獻
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