一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法技术

本发明专利技术公开了一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法，属于雷达成像与数字信号处理的技术领域。该方法搭建包含上位机、以太网数据通信模块、算法处理模块、DDR3 SDRAM及其控制模块、数据选择模块、复位模块、时钟管理模块的硬件架构，算法处理模块配置有基于Chirp Scaling原理的去斜率信号的极坐标格式成像算法以及两维自聚焦算法，解决了微型SAR系统高分辨率成像的难题，实现了对SAR回波信号的超高分辨成像处理。

【技术实现步骤摘要】
一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法
本专利技术公开了一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法，利用FPGA实现基于ChirpScaling原理的PFA算法和PGA算法的成像处理，属于雷达成像与数字信号处理的

技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)是一种高分辨成像雷达，能够穿透云层和雾霾对地面进行成像，具有传统光学成像与红外遥感所不具备的全天候、全天时工作的特点。相对于传统雷达单纯探测目标的位置，它具有获得目标图像的能力，从而能够获得更多的信息进行目标识别，在敌军侦察、环境监测、应急救援等领域具有重要的作用。SAR系统主要搭载在卫星与较大型的飞机上，不但结构复杂、成本高，而且重量与体积都较大。随着国内外轻小型飞机、无人飞行器的快速发展，在这些小型平台上搭载微型SAR系统逐渐受到广泛关注。微型SAR成像处理系统能够解决体积、重量、功耗、分辨率、实时处理、成本等问题，同时可以广泛搭载于各种轻小型旋翼和固定翼飞行平台。微型SAR系统能够突破空间和时间的局限性，是遥感探测及区域分析的重要手段，适用于紧急情况的快速应用。聚束SAR成像模式通过调整波束指向长时间照射固定区域获得高分辨的图像，目前实时聚束SAR成像中应用最多的是极坐标格式算法(PolarFormatAlgorithm,PFA)，PFA通过两维插值和两维快速傅里叶变换(IFFT)实现，处理过程较为简单，但是插值过程导致计算量过大且精度不高的问题。基于ChirpScaling原理(PCS)的极坐标格式算法能以两次FFT的代价实现距离向插值，同时在正侧视情况下，方位向也能用PCS来代替插值，大大减小了计算量。由于整个算法由FFT和向量乘法运算构成，进一步提高了运算效率，更加有利于硬件实现。自聚焦的基本思想是载机飞行偏差造成的影响必然会体现在回波数据中，能够有效补偿电子仪器(惯导系统(INS)、惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS))难以检测到的快速扰动误差，是对运动补偿单元的重要一环，能够降低对电子设备精度的要求，从而降低SAR系统的成本。数字信号处理的实现手段主要有数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)和大规模可编程器件(FieldProgrammableGateArray,FPGA)。在SAR系统发展初期，DSP获得了广泛的应用。然而，随着SAR成像系统在性能、功耗以及可靠性等方面要求的不断提高，DSP已经越来越不能满足实时性的要求。而FPGA可以利用大规模的逻辑单元和片内存储器以及高速总线、流水处理等特有的硬件结构，快速完成FFT、复数乘法加法、CORDIC算法等数字信号处理基本运算。正是由于基于FPGA的信号处理系统具有极强的运算能力、丰富的可扩展性以及系统可重构等优点，因此特别适合数据率高、运算量极大的雷达成像信号处理系统。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法，实现了对SAR回波信号的超高分辨成像处理，解决了微型SAR系统高分辨率成像的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法，搭建包含上位机、以太网数据通信模块、算法处理模块、DDR3SDRAM及其控制模块、数据选择模块、复位模块、时钟管理模块的硬件架构，上位机采集雷达回波数据，以太网数据通信模块传输雷达回波数据至DDR3SDRAM，配置算法处理模块运行基于ChirpScaling原理的去斜率信号的极坐标格式成像算法以及两维自聚焦算法，数据选择模块为以太网数据通信模块以及算法处理模块选择传输雷达回波数据的通道，复位模块为算法处理模块以及DDR3SDRAM控制模块提供复位信号，时钟管理模块为以太网数据通信模块以及DDR3SDRAM控制模块提供时钟信号。作为所述SAR信号处理算法的FPGA实现方法的进一步优化方案，配置算法处理模块运行基于ChirpScaling原理的去斜率信号的极坐标格式成像算法，具体方法为构建：补偿处理模块，用于结合雷达参数对雷达回波数据进行参考距离补偿，距离向处理模块，用于结合雷达参数对经参考距离补偿后的雷达回波数据进行距离向的数据重采样，将采样点数据转置后存储到DDR3SDRAM，及，方位向处理模块，用于结合雷达参数并行处理采样点数据以实现雷达回波数据方位向的SINC插值，输出初步的SAR图像至DDR3SDRAM。再进一步的，SAR信号处理算法的FPGA实现方法中，雷达参数由雷达参数计算模块采用64位双精度计算模式得到，补偿处理模块、距离向处理模块、方位向处理模块分别将雷达参数计算模块得到的64位双精度数据转换为32为单精度数据后用于后续计算。再进一步的，SAR信号处理算法的FPGA实现方法中，结合雷达参数对经参考距离补偿后的回波雷达数据进行距离向的数据重采样，具体实现方法为：距离向处理模块时分复用地调用FFT计算模块求得经参考距离补偿后的雷达回波数据与二次相位函数以及匹配滤波函数的乘积。再进一步的，SAR信号处理算法的FPGA实现方法中，结合雷达参数并行处理采样点数据以实现雷达回波数据方位向的SINC插值，具体实现方法为：对采样点数据坐标进行浮点转定点的处理得到整数部分和小数部分，根据整数部分确定采样点数据在RAM组中的存储地址，并将采样点数据及其对应的小数部分存储到相应地址的子块RAM中，根据待插点数据坐标需找满足SINC插值条件的采样点数据在RAM组中的存储地址，读取满足SINC插值条件的采样点数据对应的整数部分和小数部分，再将读取的小数部分对应的SINC系数与该小数部分对应的采样点数据相乘得到待插点的插值结果。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)本专利技术结合SAR实时成像A/D数据采集和FPGA并行实现的特点，采用PCS原理实现距离向处理与SINC插值实现方位向数据重采样相结合的方式实现极坐标格式算法，并采用两维自聚焦算法对去斜率信号的极坐标格式成像算法得到的初步SAR图像进行自聚焦处理，得到的图像分辨率为0.1m，解决了微型SAR系统高分辨率成像的难题，实现了对SAR回波信号的超高分辨成像处理，为微型SAR系统在线实时成像处理奠定了技术基础。(2)本专利技术使用基于FPGA的信号处理系统，具有运算能力强、可扩展性好、功耗低以及系统可重构等优点，它在降低了信号处理系统的功耗的同时实现了对回波数据的高速并行处理。附图说明图1为聚束SAR的几何关系模型。图2为算法模块的FPGA实现框架。图3为上位机界面图。图4为实现SAR信号处理算法的FPGA架构。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。极坐标格式算法(PolarFormatAlgorithm,PFA)是传统的SAR成像算法，它通过对距离向和方位向数据进行重采样实现对场景的成像，该成像算法假设雷达平台做理想匀速直线飞行，但是受气流扰动、电子设备精度等各种因素的影响，载机难以保持理想匀速直线运动，载机位置发生微小偏差都会引入较大的回波相位误差，不加以补偿将导致成像质量恶化，因此在使用PFA进行成像后仍需要对处理结果进行自聚焦处理，能够有效的补偿快速扰动误差，是对运动补偿单元的重要补充，它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法，其特征在于，搭建包含上位机、以太网数据通信模块、算法处理模块、DDR3SDRAM及其控制模块、数据选择模块、复位模块、时钟管理模块的硬件架构，上位机采集雷达回波数据，以太网数据通信模块传输雷达回波数据至DDR3SDRAM，配置算法处理模块运行基于Chirp Scaling原理的去斜率信号的极坐标格式成像算法以及两维自聚焦算法，数据选择模块为以太网数据通信模块以及算法处理模块选择传输雷达回波数据的通道，复位模块为算法处理模块以及DDR3SDRAM控制模块提供复位信号，时钟管理模块为以太网数据通信模块以及DDR3SDRAM控制模块提供时钟信号。

【技术特征摘要】
1.一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法，其特征在于，搭建包含上位机、以太网数据通信模块、算法处理模块、DDR3SDRAM及其控制模块、数据选择模块、复位模块、时钟管理模块的硬件架构，上位机采集雷达回波数据，以太网数据通信模块传输雷达回波数据至DDR3SDRAM，配置算法处理模块运行基于ChirpScaling原理的去斜率信号的极坐标格式成像算法以及两维自聚焦算法，数据选择模块为以太网数据通信模块以及算法处理模块选择传输雷达回波数据的通道，复位模块为算法处理模块以及DDR3SDRAM控制模块提供复位信号，时钟管理模块为以太网数据通信模块以及DDR3SDRAM控制模块提供时钟信号。2.根据权利要求1所述一种SAR信号处理算法的FPGA实现方法，其特征在于，配置算法处理模块运行基于ChirpScaling原理的去斜率信号的极坐标格式成像算法，具体方法为构建：补偿处理模块，用于结合雷达参数对雷达回波数据进行参考距离补偿，距离向处理模块，用于结合雷达参数对经参考距离补偿后的雷达回波数据进行距离向的数据重采样，将采样点数据转置后存储到DDR3SDRAM，及，方位向处理模块，用于结合雷达参数并行处理采样点数据以实现雷达回波数据方位向的SINC插值，输出初步的SAR图像至DDR3SDRAM...

【专利技术属性】
技术研发人员：李威，崔爱欣，朱岱寅，胡晓琛，张营，许至威，段化军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32