FPGA的微型SAR成像信號(hào)處理技術(shù)研究

徐慧

摘 要：通過(guò)FPGA的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了合成孔徑雷達(dá)（SAR）的成像處理技術(shù)，它是雷達(dá)技術(shù)中一個(gè)重要的應(yīng)用成分，它是以無(wú)人機(jī)作為載體進(jìn)行工作的，而這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)目前已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)，跟傳統(tǒng)的雷達(dá)相比，無(wú)人機(jī)上面的MiniSAR成像技術(shù)對(duì)于雷達(dá)自身?xiàng)l件具有嚴(yán)格的要求，包括雷達(dá)的體重、功能消耗等。

關(guān)鍵詞：微型合成孔徑雷達(dá)（MiniSAR）：模塊設(shè)計(jì)：成像信號(hào)處理

引言：合成孔徑雷達(dá)（SAR）可以對(duì)全部天氣情況和時(shí)間進(jìn)行高分辨率的成像，大多廣泛應(yīng)用在軍事方面和檢測(cè)環(huán)境以及救援的領(lǐng)域，是雷達(dá)技術(shù)中長(zhǎng)期研究的重點(diǎn)。合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像系統(tǒng)因?yàn)樽陨淼捏w積和重量有點(diǎn)，已經(jīng)成為了搜救技術(shù)中的重要發(fā)展方向。在實(shí)時(shí)成像中對(duì)于數(shù)據(jù)的預(yù)先處理是實(shí)時(shí)成像必不可少的組成部分，能夠?qū)⒅蓄l采集的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)下頻的技術(shù)直接轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，然后進(jìn)行濾波抽取，這項(xiàng)技術(shù)能夠有效保證信息的可用性和資源的節(jié)省。

1.成像信號(hào)處理算法

我們針對(duì)合成孔徑雷達(dá)SAR 成像制作了相關(guān)的幾何模型，以0位坐標(biāo)點(diǎn)的與原點(diǎn)，航行軌跡相似平行于軸Oχ ，Rc是航行軌跡是到整個(gè)場(chǎng)景最短的距離。 而作為載體的平臺(tái)其速度為υ，天線相對(duì)應(yīng)的中心的瞬時(shí)方位角，俯角為θ仰角為φ，在這個(gè)場(chǎng)景中，點(diǎn)的坐標(biāo)是（χp，yp，0）。

而雷達(dá)在發(fā)射線性頻率調(diào)節(jié)裝置LFM的形式為：

在公式中，t是對(duì)于快的時(shí)間記錄，Tr是形容雷達(dá)的脈沖寬度，k為Frequency modulation slope。當(dāng)回波信號(hào)在點(diǎn)目標(biāo)的斜率處理后，可以表示為：

在公式中，c表示光速， c是載波頻率的表示，t是對(duì)方位慢時(shí)間的表示，R1是在目標(biāo)到和天線的中心點(diǎn)兩個(gè)之間的距離數(shù)值，合成孔徑雷達(dá)條帶模式的參考距離為Rref= Rc，R△ = Rt —Rc。

因?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)SAR 成像系統(tǒng)中的雷達(dá)回波的數(shù)據(jù)信息是根據(jù)雷達(dá)條帶模式進(jìn)行收集的，并且在處理時(shí)轉(zhuǎn)換成聚束模式，使用的參考數(shù)據(jù)也不是Rc，而是APC和原點(diǎn)O的距離Ra，因?yàn)楦S飛機(jī)的位置不停地變化，在這時(shí)，R△=Rt—Ra。距離由參考距離補(bǔ)償，相當(dāng)于乘以一個(gè)參考相位：

然后在參考距離補(bǔ)償后，用距離向和方位向的處理方式來(lái)處理數(shù)據(jù)。利用過(guò)程控制系統(tǒng)將距離轉(zhuǎn)發(fā)到回波信號(hào)好的，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后的2次方計(jì)算：

在公式中&r是距離比例因子：

利用FFT的算法對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，再x匹配的濾波函數(shù)：

在公式中，對(duì)算出的結(jié)果進(jìn)行IFFT的算法進(jìn)行計(jì)算，再乘以2次方得出最后的結(jié)果：

距離方向處理后，軸承方向使用梯形的變換，來(lái)完成重新采樣，相當(dāng)于于執(zhí)行以下操作！

就像我們平常使用的插值算法有線性插值和多重插值、三次插值、Sinc插值等。線性插值是有著操作簡(jiǎn)單使用方便的功能，但是它的精度不高，效果不是很好；多重插值和三次插值構(gòu)造涉及到劃分和迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它的構(gòu)建及其復(fù)雜。使用 FPGA的技術(shù)了已完成程序復(fù)雜的情況，Sinc的插值對(duì)目標(biāo)進(jìn)行聚焦的效果很好，并且Sinc插值的本身構(gòu)造非常適合FPGA技術(shù)的使用。通過(guò)各方面綜合的考慮，本次系統(tǒng)選擇了Sinc插值來(lái)完成PFA成像，其公式如下：

在公式中，gd （i）是已經(jīng)掌握的采樣數(shù)據(jù)，Sinc是Convolution kernels。

2.硬件實(shí)現(xiàn)方案

本系統(tǒng)的整體構(gòu)架處理體系有三個(gè)核心子模塊；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列板與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸是利用以太網(wǎng)來(lái)完成，通過(guò)算法對(duì)二維子模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮成像。DDR3 SDRAM讀寫子模塊，完成對(duì)于二維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)置和對(duì)連續(xù)地址的高速讀寫。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)的主機(jī)和板卡之間的聯(lián)系是通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)完成的，UDP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的選擇是在傳輸和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層次之間的協(xié)議制度下進(jìn)行的，在 FPGA中想要完成UDP / IP 的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，而且對(duì)于資源的利用也很少。在處理工作進(jìn)行前，雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和回波的信號(hào)在上位機(jī)上經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)對(duì)可編程門陣列板的處理模塊進(jìn)行傳輸，并且在 DDR3 SDRAM里面記錄回波的數(shù)據(jù)，在得到結(jié)果后再返回上位機(jī)里進(jìn)行展示。

2.2 算法處理模塊

算法模塊可以分為很多種，其中主要包括：參數(shù)計(jì)算模塊、由距離PCS模塊、FFT模塊、方位插補(bǔ)模塊和PGA模塊組成。

觀察圖（3）我們能夠發(fā)現(xiàn)，最初是將雷達(dá)中的回波數(shù)據(jù)記錄到DDR內(nèi)存中去，并且同時(shí)對(duì)參數(shù)計(jì)算模塊記錄收集到的雷達(dá)參數(shù)。通過(guò)64位的高精度沸點(diǎn)，能夠計(jì)算距離向和方位向及自聚焦他們需求的詳細(xì)參變量，并且把回波信號(hào)轉(zhuǎn)移到DDR中編寫并進(jìn)行距離向 PCS的處理。其中所有脈沖都會(huì)得到參考補(bǔ)償，所以可以節(jié)約距離向和重采樣的時(shí)間，將兩者同時(shí)進(jìn)行，以此來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力。并且對(duì)距離門的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行全部的Sine插值重采。然后得到MiniSAR聚焦過(guò)后的圖像。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)經(jīng)過(guò)賽靈思公司的平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，并且形成了一塊Virtex7- 電抗7乙基毒氣690的FPGA顆粒、8G的DDR3、三態(tài)以太網(wǎng)的物理層和一百兆赫之間的差分時(shí)鐘。根據(jù)上述 合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提出進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的參考距離補(bǔ)償、距離向過(guò)程控制系統(tǒng)、 方位向正弦差值和 PGA的處理，然后用上位機(jī)來(lái)顯示結(jié)果。

結(jié)論：合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了FPGA的多個(gè)微型SAR成像的信息處理，并且使用Virtex7- 電抗7乙基毒氣6907 FPGA的芯片做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)。正片論文通過(guò)介紹PFA在改進(jìn)以后對(duì)于成像算法的完成，詳細(xì)論述了整個(gè)設(shè)計(jì)的完成過(guò)程，然后闡述了硬件的資源在使用上怎樣最大利益化。合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)具有補(bǔ)償誤差的功能，在極大程度上對(duì)MiniSAR的成像效果進(jìn)行完善，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程完整具有科學(xué)依據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在各方面都能達(dá)到實(shí)時(shí)成像的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡曉琛，李威，朱岱寅，崔愛(ài)欣.基于FPGA的微型SAR成像信號(hào)處理技術(shù)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2018，16（02）：145-150.

[2]楊文濤. 微型SAR實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2018.

[3]丁勇. 機(jī)載SAR高分辨率成像算法的FPGA處理技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016.

[4]李艷紅. FMCW微型SAR成像信號(hào)處理技術(shù)研究與硬件實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2013.