微型SAR實時信號處理和控制系統(tǒng)一體化設(shè)計

竺紅偉，雍延梅

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088)

0 引言

無人駕駛偵察飛機由于以其高效能、高機動、低成本、零傷亡等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于軍事、民用多個領(lǐng)域。機載傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器的應(yīng)用已很成熟，但存在受氣象條件與光照條件的制約，合成孔徑雷達(SAR，synthetic aperture radar)可以在能見度極差的氣象條件下，獲得類似于光學(xué)照相的高分辨率地面目標圖像，可全天時、全天候工作，已經(jīng)成為一種得到普遍重視的傳感器［1］。近年來，無人機載SAR由于在戰(zhàn)場監(jiān)視、敵情偵察和精確打擊等方面表現(xiàn)出色，已成為世界各國發(fā)展無人機偵察裝備的重要方向［2］。而體積小、重量輕、對系統(tǒng)要求低的微小型SAR系統(tǒng)，可裝載于微型無人機上，用于邊境突防偵察、智能偵察，甚至可批量裝備與導(dǎo)彈上，具有廣闊的應(yīng)用前景。

實時處理系統(tǒng)可以在飛機飛行的過程中，利用硬件設(shè)備和成像算法對原始回波進行處理，連續(xù)實時成像，得到SAR圖像，并利用圖像壓縮技術(shù)進行壓縮，并通過無線鏈路下傳到地面情報處理系統(tǒng)，可以達到實時監(jiān)測、及時了解無人機飛行狀況并尋找感興趣目標(區(qū)域)進行相應(yīng)處理。

1 系統(tǒng)組成

1.1 處理芯片選擇

在成像實時處理硬件設(shè)計中，處理芯片的選擇是其中的關(guān)鍵。由于合成孔徑雷達的數(shù)據(jù)率高，數(shù)據(jù)量大，存儲時間長，這就要求有很大的存儲容量和很高的運算速度，尤其是大點數(shù)的FFT計算占了相當大比例。在現(xiàn)代工程實際中，DSP和FPGA為信號處理主要器件，其中采用DSP技術(shù)具有靈活性強、開發(fā)周期短，以及系統(tǒng)維護修改方便的特點，而大規(guī)模FPGA實現(xiàn)技術(shù)具有處理速度快、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，但是靈活性相對較差。一般來說，用FPGA的實現(xiàn)方法對簡單和規(guī)則的運算來說有很高效率，特別時對于高密度的FFT運算有很高的效率。DSP在任務(wù)控制，處理復(fù)雜算法上有著巨大的優(yōu)勢，這得益于DSP在一開始設(shè)計時就在指令執(zhí)行、尋址方式、指令流控制、外設(shè)接口等方面都針對數(shù)字信號處理作了優(yōu)化。但由于內(nèi)部乘法器的限制，在處理像高密度的FFT運算時候效率相對FPGA較低。表1為ADI公司的TS101、TS201和FPGA做FFT運算時間對比［3］。

表1 DSP和FPGA FFT計算時間對比

綜合考慮FPGA和DSP的特點，微型SAR實時信號處理采用FPGA和DSP混合處理的方式，DSP作為主處理器，主要實現(xiàn)整個程序的流程控制和運算一些算法相對復(fù)雜但是運算量不大的計算，比如Fdc估計、Fdr估計等，而FPGA主要實現(xiàn)距離向、方位向的大量FFT和IFFT運算，這樣使得整個系統(tǒng)的處理效率大大提高。

目前信號處理主流的DSP芯片有ADI公司Tiger SHARC系列的 ADSP-TS101、ADSP-TS201芯片和TI公司的C6x系列DSP，相比于C6x系列DSP，ADSP-TS101和ADSP-TS201在浮點處理更具優(yōu)勢，更適用于雷達信號處理。ADSP-TS201相比ADSPTS101的具有更強的處理能力，但是其功耗較大，約為ADSP-TS101的2倍。在SAR信號處理中，DSP外部存儲器和內(nèi)部緩存有大量的數(shù)據(jù)吞吐，通信帶寬往往是制約整體性能的主要因素，而ADSP-TS101具有更佳帶寬性能比。且微型SAR系統(tǒng)對功耗、重量有很大的限制，故系統(tǒng)設(shè)計采用ADSP-TS101芯片。在FPGA芯片的選擇中，目前Altera公司的EP3S系列的芯片很大的片內(nèi)存儲資源和相對多的DSP Block，其中我們已經(jīng)應(yīng)用過的EP3S110有9300多K的內(nèi)存和多達896個18×18的DSP Block，非常適合做高密度的FFT運算。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的實時處理系統(tǒng)中，利用多塊板卡并行處理實現(xiàn)連續(xù)實時成像，單塊板卡上利用多個DSP實現(xiàn)對子孔徑數(shù)據(jù)的并行處理以提高性能，而無人機載微型SAR系統(tǒng)對體積、功耗、重量有很大的限制，不允許做傳統(tǒng)的多板卡并行處理。從表1可見，F(xiàn)PGA相對于DSP在FFT運算中很大的優(yōu)勢，以FPGA工作在200 MHZ主頻為例，其處理能力可達ADSPTS201的4～5倍;而在SAR實時處理中FFT運算占整個處理時間的80%以上，采用FPGA實現(xiàn)FFT運算能夠很大程度上減少處理芯片的數(shù)量和規(guī)模;并利用FPGA和ADSP-TS101混合處理方式，充分發(fā)揮了各自處理優(yōu)勢。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，往往利用CPU或者單片機實現(xiàn)一定的計算功能，利用CPLD或者FPGA實現(xiàn)接口控制和時序設(shè)計。而在本系統(tǒng)中，利用FPGA內(nèi)嵌的NIOS實現(xiàn)了計算功能，單片F(xiàn)PGA實現(xiàn)了整個系統(tǒng)控制功能，實現(xiàn)了實時信號處理和控制系統(tǒng)一體化設(shè)計，減小了系統(tǒng)體積、重量和功耗，而且處理和控制系統(tǒng)的這種無縫設(shè)計，降低了接口的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性;相比于SRAM和SDRAM，采用DDRII存儲方案大大提高了數(shù)據(jù)通信帶寬，減小了數(shù)據(jù)吞吐延時。整個系統(tǒng)設(shè)計大大提高了處理性能，有效的降低了體積、重量和功耗，很好的滿足微型SAR系統(tǒng)要求。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)的控制功能主要由FPGA1(EP3SE110F1152)實現(xiàn)，內(nèi)部接口種類和數(shù)量多，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計異常復(fù)雜。a)產(chǎn)生整機時序，包括導(dǎo)前、DDS觸發(fā)、波形控制碼、工作模式碼、AGC增益控制等，并根據(jù)系統(tǒng)工作命令動態(tài)更新。b)接收并解譯顯控系統(tǒng)通過232串口發(fā)送工作命令和系統(tǒng)參數(shù)，對信號處理、伺服、接收等分系統(tǒng)進行控制，同時將其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)反饋到顯控;c)接收AD采集系統(tǒng)通過LVDS接口發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，接收并解譯載機的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議對原始回波、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)工作參數(shù)進行打包處理，同時發(fā)給信號處理系統(tǒng)進行處理;d)通過232串口發(fā)送命令協(xié)議對記錄儀進行工作起始、停止控制，將打包后的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到記錄儀進行存儲;e)實現(xiàn)整機的BITE設(shè)計，采用看門狗的方式對信號處理的ADSP-TS101和FPGA主要功能模塊進行狀態(tài)監(jiān)測，利用TTL電平信號對接收、伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，并將各個分系統(tǒng)的狀態(tài)上報到顯控系統(tǒng)進行顯示。

在脈沖重復(fù)周期內(nèi)，F(xiàn)PGA1完成距離脈壓，并根據(jù)場景寬度進行數(shù)據(jù)截取，有效地降低了數(shù)據(jù)率，并將處理結(jié)果通過LVDS接口傳給FPGA2，后續(xù)的處理功能主要有兩片 ADSP-TS101和FPGA2(EP3SE110F1152)共同實現(xiàn)。信號處理板上有兩片ADSP-TS101實現(xiàn)乒乓處理，主頻為300 MHZ，外圍32位地址總線和64位總線和FPGA2相連，總線時鐘75 MHz，每片通信帶寬為600 MBps。每片的4個鏈路口和FPGA相連，通信帶寬為600 MBps，實現(xiàn)和FPGA的數(shù)據(jù)交互。TS101實現(xiàn)了整個處理流程的控制，實現(xiàn)了Fdc、Fdr估計等運算，并對圖像進行壓縮，將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)通過鏈路口轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA1，傳到載機無線傳輸鏈路，最終下傳到地面情報系統(tǒng)。FPGA2內(nèi)部有兩個處理核，主要實現(xiàn)大點數(shù)的FFT以及IFFT處理，F(xiàn)PGA2外掛兩組32位寬度的DDRII存儲器，每簇容量為256 MB，用于處理過程的數(shù)據(jù)緩沖，通過自帶的IP核實現(xiàn)對DDRII的訪問，時鐘頻率為533 MHz，峰值數(shù)據(jù)率可達2.1 GBPS，滿足了處理過程中大帶寬數(shù)據(jù)吞吐的要求。FPGA2的程序處理進程由TS101來觸發(fā)，協(xié)同ADSPTS101共同完成整個實時處理流程 。系統(tǒng)的硬件實物，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件實物圖

2 算法選擇

在所有的成像算法中，RD算法是相對比較成熟的一種。與CS算法相比，它具有較小的運算量還可以在收數(shù)的同時完成實時距離脈壓處理并進行數(shù)據(jù)截取，這就大大減小了數(shù)據(jù)量，縮短了處理時間［4］。在實際情況中，無人機載SAR由于氣流不穩(wěn)定的影響，運動的不穩(wěn)定性較大，如果不采取運動補償，則所錄取的數(shù)據(jù)受到不穩(wěn)定因素的影響會有較大的失真，從而使成像質(zhì)量下降，因此需要在成像算法中嵌入運動補償部分。首先利用無人機提供的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對運動誤差進行了初補償，消除了大部分的運動誤差;在后續(xù)的處理中，又利用回波數(shù)據(jù)進行運動誤差估計與補償，進一步消除了運動誤差。這種利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)計算運動誤差與回波數(shù)據(jù)估計運動誤差相結(jié)合的算法，充分發(fā)揮了兩種方法的優(yōu)點，增加了系統(tǒng)的可靠性［2］。基于以上分析，采用了一種改進型的RD算法，且整個算法結(jié)構(gòu)非常適合實時處理流程。

機載SAR側(cè)視成像幾何關(guān)系，如圖3所示。

圖3 機載側(cè)視SAR成像幾何關(guān)系圖

其中Ls為子孔徑長度，v為載機飛行速度，r(t)為地面點目標P到雷達的實時斜距，r0為P點到子孔徑中心點的距離，rc為P點到載機航跡的垂直距離，斜視角θ為P點到子孔徑中心O的連線與載機航線夾角的余角，θi為雷達入射波束中心線與地面法線方向的夾角，γ為波束中心線掃描平面與載機航跡所在垂直平面的夾角，h為載機高度。

點目標P的回波特性取決于實時斜距r(t)。由余弦定理

由此引起的多普勒頻率為

可見，由于雷達運動，地面單個點目標的回波信號所產(chǎn)生的多普勒頻移近似具有線性調(diào)頻特性。多普勒中心頻率

方位調(diào)頻率

輸出信號的時域表達式為

從上式第一項可以看出t和τ的耦合，同一距離不同方位上的點目標距離遷移軌跡相互重疊，無法在時域?qū)Ω鼽c的距離遷移得到統(tǒng)一校正。

sinc函數(shù)中t的一次項代表距離走動，必須對其進行校正。若令的傅里葉變換為 Sr1(f)，則對應(yīng)的傅里葉變換為

為校正距離走動，可將距離向頻譜乘以一個補償因子Φ1

多普勒中心頻率fdc必須從實測數(shù)據(jù)進行估計，sinc函數(shù)中的t2項代表距離彎曲。在本試驗中，由于測繪帶較小，子孔徑長度也不大，成像區(qū)域內(nèi)散射點的最大距離彎曲不會超過一個距離分辨單元，距離彎曲的影響可以忽略。方位向處理時也必須對fdc進行補償，否則可能使方位多普勒頻率產(chǎn)生模糊，導(dǎo)致最終的SAR圖像出現(xiàn)折疊。方位多普勒中心頻率補償因子為

方位向處理首先采用補償因子Φ3在時域進行去斜(Dechirp)

fdr也是從實測數(shù)據(jù)進行估計的。最后方位向完成脈壓就能得到復(fù)圖像輸出。

算法的詳細流程如圖4所示。

4 試驗結(jié)果

基于上述硬件平臺和成像算法，微型SAR實時信號處理系統(tǒng)隨雷達整機在2011年下半年進行了飛行試驗，利用中國電子科技集團公司第27所的“天鷹-I”無人機平臺在河南鄭州上街機場進行了掛載飛行試驗，在多個架次的飛行試驗中，微型SAR信號處理系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了連續(xù)實時成像處理和雷達整機的控制功能，很好的適應(yīng)了微型SAR系統(tǒng)的需求。所得的實時圖像如圖5和圖6所示。

［1］保錚，刑孟道，王彤.雷達成像技術(shù)［M］北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］郝慧軍，唐月生.SAR實時成像處理系統(tǒng)設(shè)計［C］//第十二屆雷達年會論文集，2012:1 323-1 327.

［3］Analog Device Inc.ADSP-TS101 TigerSHARC Processor Hardware Reference［Z］.2003.

［4］方志紅，張長耀，鄧海濤，等.直升機載SAR實時處理的實現(xiàn)［C］//2003年中國合成孔徑雷達會議論文集，2003:256-256.