微型合成孔徑雷達成像信號處理技術(shù)

范文娜

摘? 要：我國科學技術(shù)手段在不斷的更新和優(yōu)化的過程中，并且已經(jīng)處于發(fā)展較為成熟的階段，電子技術(shù)和信號處理技術(shù)也逐漸隨之發(fā)展起來，微型合成孔徑雷達的應用也越來越廣泛，其性能和技術(shù)質(zhì)量也在不斷的實踐和運用中得到提高。目前SAR系統(tǒng)已經(jīng)超越時空的限制，應用更加靈活方便，且資源消耗較少，是圖像處理領(lǐng)域的重點技術(shù)。為此本文也提出微型合成孔徑雷達成像信號處理技術(shù)，對成像信號處理技術(shù)進行深入分析和研究，得出的結(jié)論以供參考。

1 合成孔徑雷達的原理

合成孔徑雷達（SAR）是依靠平臺的運動才能實現(xiàn)距離測量以及二維成像的。二維坐標信息指的是垂直方向的距離和方位信息。方位分辨率隨著波束寬度變大而變大，隨著天線尺寸變大而變小。與光學透鏡成因相似，雷達也是需要較大的天線和孔徑才能確保設備在低頻的狀態(tài)下形成較為清晰的圖像。但是在實際的運用中由于飛機航跡不標準，變化較大，則形成的圖像就會變得焦散。

SAR能夠通過小天線根據(jù)長線陣的運動軌跡進行移動，在整個移動的過程中，SAR系統(tǒng)就會發(fā)出一定頻率的輻射，進而形成信號，然后通過相干處理對不同位置的回波進行相應的處理，形成高分辨率的雷達圖像。SAR系統(tǒng)成像受到脈沖寬度和持續(xù)時間有正比關(guān)系。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 PFA粗聚焦成像技術(shù)

MiniSAR成像算法屬于微型SAR對信號處理的技術(shù)，該算法在高分辨率圖像中能夠顯示出高精度的成像水平，并且在無人機載體中，這個算法能夠自動為平臺提供非共面運動的技術(shù)支撐。此外該算法還包含海量的回波數(shù)據(jù)量，算法簡單，實現(xiàn)起來非常簡單。與傳統(tǒng)的算法相比，無論是效率還是精度方面，都有很大的提高，還能更好地滿足高分辨率成像需求。為了使得MiniSAR成像系統(tǒng)的效率、質(zhì)量和精度得到進一步的替身，采用粗聚焦的方式處理成像信號時，還可以通過PFA算法優(yōu)化和補償成像信號，這樣就能使得平臺軌跡更符合成像的要求，并且也能彰顯該算法的優(yōu)勢。同時基于PFA算法的MiniSAR成像處理技術(shù)還能根據(jù)極坐標轉(zhuǎn)換的二維尺度特性優(yōu)化和更新自身的成像效率及精度，避免出現(xiàn)相位差的問題。為了對動目標成像產(chǎn)生的模糊現(xiàn)象影響MiniSAR成像，可以采用SAR信號處理技術(shù)進行處理。

1.2 ROI動目標重聚焦技術(shù)

MiniSAR的飛行軌跡較為復雜，對于地面運動的目標進行捕獲圖像時就會加大技術(shù)難度，為了緩解這一問題，技術(shù)人員要通過ISAR距離對準算法對動態(tài)目標數(shù)據(jù)進行重新聚焦，并且對成像進行處理。這樣的操作才能滿足全局準則，經(jīng)過迭代和優(yōu)化的性能指標，會有效緩解運動目標成像過程中的突然跳動以及漂移的問題。此外為了能夠充分彰顯MiniSAR重新聚焦的優(yōu)勢，還需要對平均距離像熵值進行計算，經(jīng)過大量實驗和實踐運用總結(jié)得出全局最小熵的算法，這樣才能確保MiniSAR的對準精度及聚焦質(zhì)量。

1.3 PGA-MD精聚焦

在高分辨率的條件下，MiniSAR運動測量單元獲取的位置信息其精讀較差，無法滿足相干性的要求，并且由于傳播介質(zhì)的分布問題也會造成回波延遲性誤差的問題發(fā)生。微型運動平還會受到空氣流速的影響使得軌跡更加偏遠，進而影響聚焦智聯(lián)。故MiniSAR精聚焦及時可以利用多子孔徑PGA-MD進行自主聚焦，緩解聚焦過程中的問題。不同距離單元之間的多普勒頻率可以通過PGA進行消除，這個過程還需要引入未知線性相位。對于MiniSAR高分辨率的圖像精處理而言，算法可以通過相鄰子圖像估計相位誤差，具體優(yōu)勢為：

（1）MiniSAR相鄰子孔徑信號之間的相關(guān)性最佳，并且估計精度最高;

（2）子圖像的減少有利于減低維數(shù)和計算量，這樣就能有效提升相位補償效率。

通過上述分析，MiniSAR成像信號處理能夠總結(jié)出一個流程，其中包含了PFA粗聚焦、ROI動目標重聚焦和PGA-MD精聚焦。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于FPGA架構(gòu)的MiniSAR成像系統(tǒng)如下圖所示，具體分為數(shù)據(jù)傳輸子模塊、成像處理算法模塊幾大模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在FPGA開發(fā)板和上位機之間的信息傳遞，還能對相應的數(shù)據(jù)成像進行校正處理，轉(zhuǎn)置二維數(shù)據(jù)，高速讀寫連續(xù)地址。具體設計和功能如下：

2.1數(shù)據(jù)傳輸模塊

這一模塊具體是通過以太網(wǎng)實現(xiàn)信息傳遞的通信技術(shù)，利用UDP/IP協(xié)議對網(wǎng)絡層和協(xié)議稱進行控制和管理。在處理實測數(shù)據(jù)時，上位機不會直接采用以太網(wǎng)傳輸MiniSAR參數(shù)和回波數(shù)據(jù)，而是將這些有價值的數(shù)據(jù)讀寫入DDR3SDRAM，這樣才能使得最終處理結(jié)果完全顯示出來。

2.2成像處理算法模塊

該模塊分為三個部分，每一個部分都有很多子模塊。在實際運用的過程中不同模塊的功能和實現(xiàn)方式也有一定的差異。PFA粗聚焦模塊功能的實現(xiàn)是通過在DDR3中寫入回波數(shù)據(jù)，然后將基本參數(shù)上傳至參數(shù)計算模塊中，利用高精度浮點精確計算位置信息和具體參數(shù)，采用PCS處理及時對數(shù)據(jù)進行科學正確處理，最終將其轉(zhuǎn)置，讀寫如DDR中。

為了能夠使得整個系統(tǒng)的運算速度得到提升，節(jié)約資源消耗，可以通過時分復用相同的FFT模塊，對FFT模塊的ip核例化。同時對樣本邊界判斷時，可以采用標識信號實現(xiàn)，盡量使得處理統(tǒng)一化，這樣才能提升功能和價值。自聚焦模塊的功能就是利用PFA極坐標格式將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)置，在DDR3中將轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)存儲好，利用PGA-MD估計全孔徑相位差。采用降分辨率的方式對這些經(jīng)過轉(zhuǎn)置的數(shù)據(jù)進行處理，最后設置各個模塊的聚焦參數(shù)，重啟模塊。這樣就能高效實現(xiàn)對這條脈沖的幾何失真校正。

結(jié)語：

在的MiniSAR成像系統(tǒng)的運用過程中要想提升技術(shù)水平，實現(xiàn)高效精準地圖像處理，不單單需要設計處理方案、合理規(guī)劃算法和技術(shù)等，還需要以FPGA架構(gòu)為基礎，對數(shù)據(jù)傳輸過程中的各個模塊進行合理布置和設計，這樣才能有效提升成像處理技術(shù)的質(zhì)量，滿足實際情況，達到標準化要求。

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