無(wú)人機(jī)載SAR實(shí)時(shí)信號(hào)處理設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

郝慧軍

【摘 要】本文介紹了無(wú)人機(jī)載SAR實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)信號(hào)處理算法流程。該信號(hào)處理系統(tǒng)以TS201為硬件處理核心，通過(guò)改進(jìn)型的RD算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像。在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上成功穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)實(shí)時(shí)成像，證明信號(hào)處理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)信號(hào)處理算法可行。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)載SAR；實(shí)時(shí)處理；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

0 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)載SAR由于在戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)發(fā)展無(wú)人機(jī)偵察裝備的重要方向[1]。由于無(wú)人機(jī)偵察遙測(cè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)前沿侵入式偵察，在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)無(wú)人員損傷、連續(xù)作戰(zhàn)性強(qiáng)，且無(wú)人機(jī)具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)偵察遙測(cè)系統(tǒng)作為軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力倍增器的作用與地位及潛在的軍事價(jià)值取得了共識(shí)，從而為其迅速發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。無(wú)人機(jī)載SAR因其全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離高分辨成像的特點(diǎn)，必將成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)“零傷亡”偵察的重要手段[2]。

SAR實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)可在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，采用并行處理算法和多片DSP同時(shí)對(duì)SAR原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而在無(wú)人機(jī)上完成圖像處理，利用大壓縮比的遙感圖像壓縮技術(shù)，減輕數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)的壓力；另一方面，連續(xù)實(shí)時(shí)成像，得到即時(shí)的SAR圖像，可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)了解無(wú)人機(jī)飛行狀況并尋找感興趣目標(biāo)（區(qū)域）進(jìn)行相應(yīng)處理。

本文從無(wú)人機(jī)載SAR實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)硬件和實(shí)時(shí)成像算法軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，給出了設(shè)計(jì)方案及飛行試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

1 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)組成

由于SAR信號(hào)處理數(shù)據(jù)量大，同時(shí)為了降低無(wú)人機(jī)受氣流的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性，在實(shí)時(shí)處理中必須采取比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。這就要求實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)具有強(qiáng)大的運(yùn)算性能。采用多片高速DSP芯片，配合優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以從根本上解決運(yùn)算量巨大這個(gè)問(wèn)題[3]。

因?yàn)镾AR原始數(shù)據(jù)處理是按照每條距離線和方位線進(jìn)行處理的，每條“線處理”具有相對(duì)獨(dú)立性，這樣N個(gè)DSP可以并行處理L/N條屬于自己的方位線和距離線（L是處理的距離向或方位向長(zhǎng)度）[4]。針對(duì)SAR信號(hào)處理的這一特點(diǎn)，同時(shí)考慮到無(wú)人機(jī)對(duì)空間結(jié)構(gòu)、重量的限制要求，我們所構(gòu)建的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)由一塊標(biāo)準(zhǔn)3U的ADC采集接口板和兩塊標(biāo)準(zhǔn)6U的信號(hào)處理板組成，每塊信號(hào)處理板分成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)包括兩片TS201，1片F(xiàn)PGA， 2GB的SDRAM以及一片CPLD，并共享總線。單個(gè)節(jié)點(diǎn)完成一幅SAR原始數(shù)據(jù)的成像處理任務(wù)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的兩個(gè)DSP并行“線處理”，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ADC采集接口板實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集，通過(guò)RS422串口接收外部控制命令及慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，并上報(bào)當(dāng)前狀態(tài)信息；通過(guò)LVDS接口發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

信號(hào)處理板選用的DSP芯片是ADI公司的TS201，單片處理能力3.6GFLOPs，內(nèi)核時(shí)鐘頻率600MHz，片內(nèi)內(nèi)存24Mbit，125MHz/64bit片外總線，具有1GB的SDRAM訪問(wèn)能力，還有4個(gè)Link口，每個(gè)Link口收發(fā)獨(dú)立，最高帶寬1.2GB/s[5]。因此，系統(tǒng)總處理能力為：8×3.6=28.8GFLOPs，可以滿足實(shí)時(shí)成像處理的運(yùn)算要求。

ADC采集接口板對(duì)模擬信號(hào)采集，F(xiàn)PGA把回波數(shù)據(jù)一方面通過(guò)2個(gè)LVDS接口直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到記錄儀，另一方面把回波數(shù)據(jù)通過(guò)2個(gè)Link發(fā)送到TS201處理板0和1的Link Switch，分別由其轉(zhuǎn)發(fā)到處理節(jié)點(diǎn)0的DSP0和DSP1，然后再由DSP0和DSP1分別通過(guò)板內(nèi)直連Link轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)1的DSP0和DSP1，以實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)向各個(gè)DSP的傳輸。

利用ADC采集接口板和TS201信號(hào)處理板共享的FPDP總線分別自定義了FIFO總線、DPRAM總線、維護(hù)總線。FIFO總線用于每個(gè)信號(hào)處理板把處理圖像發(fā)送到ADC采集接口板，DPRAM總線用于ADC采集接口板把通過(guò)RS422串口收發(fā)的各類輔助數(shù)據(jù)與2個(gè)信號(hào)處理板之間通信，維護(hù)總線用于ADC采集接口板對(duì)信號(hào)處理板的BIT監(jiān)測(cè)、維護(hù)等操作。

每個(gè)TS201信號(hào)處理板的各個(gè)DSP的處理圖像數(shù)據(jù)通過(guò)板內(nèi)直連Link匯總到DSP0，由其通過(guò)Link發(fā)送到Link Switch，Link Switch再通過(guò)FIFO總線匯總到綜合IO板的FPGA，由FPGA通過(guò)LVDS接口轉(zhuǎn)發(fā)到記錄儀。

ADC采集接口板的FPGA把通過(guò)RS422串口獲取的輔助數(shù)據(jù)通過(guò)DPRAM總線發(fā)送到每個(gè)TS201處理板的Link Switch，由其轉(zhuǎn)發(fā)到DSP2，再由DSP2通過(guò)板內(nèi)直連Link轉(zhuǎn)發(fā)到其他DSP。

ADC采集接口板的FPGA通過(guò)維護(hù)總線與每個(gè)TS201信號(hào)處理板的Link Switch相連，Link Switch又與FPGA0和FPGA1相連。在TS201信號(hào)處理板內(nèi)，Link Switch通過(guò)對(duì)FPGA0和FPGA1的操作可實(shí)現(xiàn)對(duì)板卡DSP加載、FPGA加載和DSP工作狀態(tài)的監(jiān)控，以及把DSP加載文件寫(xiě)到FLASH的操作。因此，通過(guò)維護(hù)總線，可實(shí)現(xiàn)把系統(tǒng)內(nèi)各種BIT信息通過(guò)ADC采集接口板的RS422串口上報(bào)，也可實(shí)現(xiàn)外部監(jiān)控通過(guò)RS422串口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行燒寫(xiě)程序、發(fā)送命令等操作。

2 實(shí)時(shí)成像算法

SAR成像主要是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行距離、方位維的聚焦處理，同時(shí)還要進(jìn)行距離徙動(dòng)校正。在實(shí)際情況中，無(wú)人機(jī)載SAR由于氣流不穩(wěn)定的影響，運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性較大，如果不采取運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，則所錄取的數(shù)據(jù)受到不穩(wěn)定因素的影響會(huì)有較大的失真，從而使成像質(zhì)量下降，甚至不能成像。因此，需要在成像算法中嵌入運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償部分。

機(jī)載SAR的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要有基于儀表測(cè)量和基于信號(hào)處理?；趦x表測(cè)量的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要依靠載機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和全球定位系統(tǒng)（GPS），用以測(cè)定載機(jī)的精確位置。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法簡(jiǎn)單，但實(shí)際情況下，通常的儀表測(cè)量精度以及數(shù)據(jù)率難以滿足高分辨率成像的要求。信號(hào)處理里的自聚焦技術(shù)能將儀器難以檢測(cè)的快速擾動(dòng)的影響加以補(bǔ)償，因此通過(guò)信號(hào)處理作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是另一種方式，但該補(bǔ)償算法比較復(fù)雜，同時(shí)易受場(chǎng)景地物信息的影響，具有一定的不穩(wěn)定性。在本實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)中，我們首先利用無(wú)人機(jī)提供的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行了初補(bǔ)償，消除了大部分的運(yùn)動(dòng)誤差；在后續(xù)的處理中，又利用回波數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)與補(bǔ)償，進(jìn)一步消除了運(yùn)動(dòng)誤差。這種慣導(dǎo)計(jì)算運(yùn)動(dòng)誤差與回波數(shù)據(jù)估計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差相結(jié)合的算法，充分發(fā)揮了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，增加了系統(tǒng)的可靠性。

SAR實(shí)時(shí)處理要求能夠?qū)崟r(shí)地輸出大面積連續(xù)圖像，因而要求在不降低成像質(zhì)量的前提下，盡量使算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，穩(wěn)健性高?；谝陨戏治?，我們采用了一種改進(jìn)型的RD算法，該算法可以充分利用收集回波脈沖期間的時(shí)間，通過(guò)初次距離脈壓截取大大減少了運(yùn)算量。同時(shí)該算法能較好的進(jìn)行距離彎曲校正，并實(shí)現(xiàn)高分辨力的SAR成像處理，且整個(gè)算法結(jié)構(gòu)非常適合實(shí)時(shí)處理流程。圖2給出了結(jié)合慣導(dǎo)和回波數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型的RD成像算法的詳細(xì)流程圖。

4 實(shí)時(shí)處理成像結(jié)果

采用上述的處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)和成像算法，2011年下半年，在陜西某地進(jìn)行了實(shí)際飛行試驗(yàn)。在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上成功穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)實(shí)時(shí)成像。雷達(dá)參數(shù)以及成像結(jié)果如下所示。

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[責(zé)任編輯：曹明明]