基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法及系统，属于雷达成像与数字信号处理领域，主要解决常规一维自聚焦相位误差估计精度不高、成像分辨率低、多子孔径自聚焦算法电路结构设计复杂以及算法处理速度慢的问题，主要包括对散焦时域数据进行两维快速傅里叶逆变换，对散焦时域数据进行方位相位误差估计，采用Sinc插值算法对方位相位误差插值映射成两维相位误差，将两维相位误差与逆变结果复乘以实现两维补偿。本发明专利技术电路结构简单，算法处理速度快，能够有效补偿残留的距离徙动，使两维散焦情况得到较大的改善，并且还适用于条带、聚束、扫描等多种模式的合成孔径雷达，无需根据成像模式改变硬件成像电路结构。

Fast autofocus processing method and system of multimodal SAR Based on FPGA

The invention discloses a fast autofocus processing method and system of multi-mode SAR Based on FPGA, belonging to the field of radar imaging and digital signal processing, which mainly solves the problems of low accuracy of conventional one-dimensional autofocus phase error estimation, low imaging resolution, complex design of multi subaperture autofocus algorithm electric circuit structure and slow processing speed of algorithm, mainly including data processing of defocus time domain The two-dimensional fast Fourier inverse transform is used to estimate the azimuth phase error of defocused time-domain data. The sinc interpolation algorithm is used to map the azimuth phase error to two-dimensional phase error. The two-dimensional phase error and the inverse result are multiplied to realize two-dimensional compensation. The circuit structure of the invention is simple, the algorithm processing speed is fast, the residual range migration can be effectively compensated, the two-dimensional defocusing situation can be greatly improved, and the invention is also suitable for the synthetic aperture radar of various modes such as stripe, spotlight, scanning, etc., without changing the hardware imaging circuit structure according to the imaging mode.

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法及系统
本专利技术涉及雷达成像与数字信号处理
，特别是涉及一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法及系统。
技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)是通过信号处理技术对地面景物进行成像的一种新体制雷达。作为主动式微波传感器，合成孔径雷达可以透过地表或植被获取其掩盖的信息，为环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事领域等应用提供了更为独特的优势。由于合成孔径雷达载体的飞行航机不规则，传播介质不均匀，会造成图像散焦，必须使用惯导进行天线运动补偿。当惯导精度无法满足要求时，从散焦数据中提取并补偿相位误差，即自聚焦处理。相位梯度(PhaseGradientAutofocus，PGA)自聚焦是一种传统的典型成像自聚焦算法，基于图像中某些特显点的散焦情况进行自聚焦处理，从而使整个图像的散焦情况得到改善。但是，这些特显点的质量会影响相位误差的准确性。自聚焦能够有效补偿电子仪器难以检测到的快速扰动误差，是对运动补偿模块的一个重要补充单元。现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)是一种程序驱动逻辑器件，类似于一个微处理器，其控制程序存储在内存中，上电后，程序自动装载到芯片执行。随着技术的进步，基于现场可编程门阵列的系统设计，其硬件功能的描述可以在软件上实现，通过不断调试软件就可以随时进行硬件功能的改进，这种全新的软硬件设计理念使设计的系统具有强大的灵活性和适应性。基于其自身的可编程特性，以及随着工艺水平的提高，现场可编程门阵列芯片的集成度不断提高，对于合成孔径雷达成像处理算法处理的数据吞吐量大，算法复杂度高，现场可编程门阵列能高效的进行数据存储与数据处理，满足合成孔径雷达成像处理系统的要求。现有技术依然存在一维自聚焦相位误差估计精度不高，成像分辨率低的问题，以及存在现有子孔径自聚焦算法电路复杂的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法及系统，实现了自聚焦算法的硬件实时处理，电路结构简单，算法处理速度快，能够有效补偿残留的距离徙动，使两维散焦情况得到较大的改善。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法，包括：获取SAR原始回波数据，并对所述SAR原始回波数据进行PFA成像处理以获取散焦时域数据；所述散焦时域数据以m行n列形式存储；其中，n列表示n个距离向脉冲数据，m行表示m个方位向脉冲数据；所述方位向脉冲数据为距离门数据；利用上位机和千兆以太网接口将所述散焦时域数据写入DDR3内存条中，对所述散焦时域数据依次进行方位向快速傅里叶逆变换和距离向快速傅里叶逆变换以获取频域数据，并将所述频域数据存储到所述DDR3内存条中；其中，FPGA芯片内置所述DDR3内存条和FIFOIP核；所述DDR3内存条内存储有散焦时域数据和频域数据；利用相位梯度自聚焦算法，对所述散焦时域数据进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；采用Sinc插值算法，将所述一维方位相位误差插成两维相位误差，并将所述两维相位误差缓存在深度为方位向采样点数的FIFOIP核中；从所述DDR3内存条中读取频域数据，将所述频域数据与所述FIFOIP核中的两维相位误差做复乘运算，并将复乘结果写入所述DDR3内存条中；利用上位机和千兆以太网接口将存储在所述DDR3内存条内的复乘结果读取到PC机中，并画图显示。可选的，所述获取SAR原始回波数据，并对所述SAR原始回波数据进行PFA成像处理以获取散焦时域数据，具体包括：获取SAR原始回波数据；采用PFA算法对所述SAR原始回波数据进行处理以获取散焦时域数据。可选的，所述利用上位机和千兆以太网接口将所述散焦时域数据写入DDR3内存条中，对所述散焦时域数据依次进行方位向快速傅里叶逆变换和距离向快速傅里叶逆变换以获取频域数据，并将所述频域数据存储到所述DDR3内存条中，具体包括：利用上位机和千兆以太网接口将所述散焦时域数据写入到V7-690T板卡上的DDR3内存条中；从所述DDR3内存条中顺序读取PFA成像处理后的方位向脉冲数据，对方位向脉冲数据进行方位向快速傅里叶逆变换，并将方位向变换后的数据转置写回所述DDR3内存条中；从所述DDR3内存条转置读取方位向变换后的数据，以距离向脉冲数据形式逐条进行距离向快速傅里叶逆变换，并将距离向变换后的数据转置写回所述DDR3内存条中；其中，所述频域数据为距离向变换后的数据。可选的，所述利用相位梯度自聚焦算法，对所述散焦时域数据进行相位误差估计，得到一维方位相位误差，具体包括：确定所述散焦时域数据中每个距离门数据中的最大值；以每个距离门数据的最大值为基准降序排列距离门数据，并选择前M个距离门数据组成相位误差预处理时域数据；所述相位误差预处理时域数据以M行n列形式存储，n列表示n个方位，M行表示M个距离门数据，M<m；确定总迭代次数和数据处理所需的方位；计算所述方位对应的所述相位误差预处理时域数据中每个所述距离门数据的相位梯度并求和；对相位梯度和进行归一化处理；利用CORDICIP核对归一化处理后的相位梯度和进行积分运算并累乘，得到累乘结果；对应的所述相位误差预处理时域数据中的所述距离门数据进行方位向快速傅里叶逆变换，得到逆变换后的数据；将所述累乘结果和所述逆变换后的数据做复乘运算，得到当前迭代次数对应的一维方位相位误差；更改数据处理所需的方位，当前迭代次数加1，返回计算所述方位对应的所述相位误差预处理时域数据中每个所述距离门数据的相位梯度并求和步骤，直到当前迭代次数到达总迭代次数后停止迭代操作；对每次迭代操作后的一维方位相位误差进行求和后平均处理，得到最终的一维方位相位误差。可选的，所述采用Sinc插值算法，将所述一维方位相位误差插成两维相位误差，并将所述两维相位误差缓存在深度为方位向采样点数的FIFOIP核中，具体包括：计算插点坐标并将所述插点坐标转换成定点型插点坐标数据；所述定点型插点坐标数据包括整数部分和小数部分；确定所述小数部分对应的Sinc系数，并将所述Sinc系数与所述一维方位相位误差相乘求和得到插值后的相位误差相角；将所述插值后的相位误差相角乘以第一系数后再转化成复数形式，得到两维相位误差，并将所述两维相位误差缓存在深度为方位向采样点数的FIFOIP核中；其中，所述第一系数为(fr+fc)/fc，其中，fr表示距离向插值频率轴，fc表示发射信号的载频。一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理系统，包括：SAR原始回波数据获取模块，用于获取SAR原始回波数据；PFA成像处理模块，与所述SAR原始回波数据获取模块相连；所述PFA成像处理模块还通过上位机和千兆以太网接口与FPGA芯片内的DDR3内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法，其特征在于，所述多模式SAR自聚焦快速处理方法，包括：/n获取SAR原始回波数据，并对所述SAR原始回波数据进行PFA成像处理以获取散焦时域数据；所述散焦时域数据以m行n列形式存储；其中，n列表示n个距离向脉冲数据，m行表示m个方位向脉冲数据；所述方位向脉冲数据为距离门数据；/n利用上位机和千兆以太网接口将所述散焦时域数据写入DDR3内存条中，对所述散焦时域数据依次进行方位向快速傅里叶逆变换和距离向快速傅里叶逆变换以获取频域数据，并将所述频域数据存储到所述DDR3内存条中；其中，FPGA芯片内置所述DDR3内存条和FIFO IP核；所述DDR3内存条内存储有散焦时域数据和频域数据；/n利用相位梯度自聚焦算法，对所述散焦时域数据进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；/n采用Sinc插值算法，将所述一维方位相位误差插成两维相位误差，并将所述两维相位误差缓存在深度为方位向采样点数的FIFO IP核中；/n从所述DDR3内存条中读取频域数据，将所述频域数据与所述FIFO IP核中的两维相位误差做复乘运算，并将复乘结果写入所述DDR3内存条中；/n利用上位机和千兆以太网接口将存储在所述DDR3内存条内的复乘结果读取到PC机中，并画图显示。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法，其特征在于，所述多模式SAR自聚焦快速处理方法，包括：
获取SAR原始回波数据，并对所述SAR原始回波数据进行PFA成像处理以获取散焦时域数据；所述散焦时域数据以m行n列形式存储；其中，n列表示n个距离向脉冲数据，m行表示m个方位向脉冲数据；所述方位向脉冲数据为距离门数据；
利用上位机和千兆以太网接口将所述散焦时域数据写入DDR3内存条中，对所述散焦时域数据依次进行方位向快速傅里叶逆变换和距离向快速傅里叶逆变换以获取频域数据，并将所述频域数据存储到所述DDR3内存条中；其中，FPGA芯片内置所述DDR3内存条和FIFOIP核；所述DDR3内存条内存储有散焦时域数据和频域数据；
利用相位梯度自聚焦算法，对所述散焦时域数据进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；
采用Sinc插值算法，将所述一维方位相位误差插成两维相位误差，并将所述两维相位误差缓存在深度为方位向采样点数的FIFOIP核中；
从所述DDR3内存条中读取频域数据，将所述频域数据与所述FIFOIP核中的两维相位误差做复乘运算，并将复乘结果写入所述DDR3内存条中；
利用上位机和千兆以太网接口将存储在所述DDR3内存条内的复乘结果读取到PC机中，并画图显示。


2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法，其特征在于，所述获取SAR原始回波数据，并对所述SAR原始回波数据进行PFA成像处理以获取散焦时域数据，具体包括：
获取SAR原始回波数据；
采用PFA算法对所述SAR原始回波数据进行处理以获取散焦时域数据。


3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法，其特征在于，所述利用上位机和千兆以太网接口将所述散焦时域数据写入DDR3内存条中，对所述散焦时域数据依次进行方位向快速傅里叶逆变换和距离向快速傅里叶逆变换以获取频域数据，并将所述频域数据存储到所述DDR3内存条中，具体包括：
利用上位机和千兆以太网接口将所述散焦时域数据写入到V7-690T板卡上的DDR3内存条中；
从所述DDR3内存条中顺序读取PFA成像处理后的方位向脉冲数据，对方位向脉冲数据进行方位向快速傅里叶逆变换，并将方位向变换后的数据转置写回所述DDR3内存条中；
从所述DDR3内存条转置读取方位向变换后的数据，以距离向脉冲数据形式逐条进行距离向快速傅里叶逆变换，并将距离向变换后的数据转置写回所述DDR3内存条中；其中，所述频域数据为距离向变换后的数据。


4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法，其特征在于，所述利用相位梯度自聚焦算法，对所述散焦时域数据进行相位误差估计，得到一维方位相位误差，具体包括：
确定所述散焦时域数据中每个距离门数据中的最大值；
以每个距离门数据的最大值为基准降序排列距离门数据，并选择前M个距离门数据组成相位误差预处理时域数据；所述相位误差预处理时域数据以M行n列形式存储，n列表示n个方位，M行表示M个距离门数据，M<m；
确定总迭代次数和数据处理所需的方位；
计算所述方位对应的所述相位误差预处理时域数据中每个所述距离门数据的相位梯度并求和；
对相位梯度和进行归一化处理；
利用CORDICIP核对归一化处理后的相位梯度和进行积分运算并累乘，得到累乘结果；
对应的所述相位误差预处理时域数据中的所述距离门数据进行方位向快速傅里叶逆变换，得到逆变换后的数据；
将所述累乘结果和所述逆变换后的数据做复乘运算，得到当前迭代次数对应的一维方位相位误差；
更改数据处理所需的方位，当前迭代次数加1，返回计算所述方位对应的所述相位误差预处理时域数据中每个所述距离门数据的相位梯度并求和步骤，直到当前迭代次数到达总迭代次数后停止迭代操作；
对每次迭代操作后的一维方位相位误差进行求和后平均处理，得到最终的一维方位相位误差。


5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理方法，其特征在于，所述采用Sinc插值算法，将所述一维方位相位误差插成两维相位误差，并将所述两维相位误差缓存在深度为方位向采样点数的FIFOIP核中，具体包括：
计算插点坐标并将所述插点坐标转换成定点型插点坐标数据；所述定点型插点坐标数据包括整数部分和小数部分；
确定所述小数部分对应的Sinc系数，并将所述Sinc系数与所述一维方位相位误差相乘求和得到插值后的相位误差相角；
将所述插值后的相位误差相角乘以第一系数后再转化成复数形式，得到两维相位误差，并将所述两维相位误差缓存在深度为方位向采样点数的FIFOIP核中；其中，所述第一系数为(fr+fc)/fc，其中，fr表示距离向插值频率轴，fc表示发射信号的载频。


6.一种基于FPGA的多模式SAR自聚焦快速处理系统，其特征在于，所述多模式SAR自聚焦快速处理系统，包括：
SAR原始回波数据获取模块，用于获取SAR原始回波数据；
PFA成像处理模块，与所述SAR原始回波数据获取模块相连；所述PFA成像处理模块还通过上位机和千兆以太网接口与FPGA芯片内的DDR3内存条进行信息传输；所述PFA成像处理模块用于对所述SAR原始回波数据进行PFA成像处理以获取散焦时域数据，并将所述散焦时域数据写入所述DDR3内存条中；所述散焦时域数据以m行n列形式存储；其中，n列表示n个距离向脉冲数据，m行表示m个方位向脉冲数据；所述方位向脉冲数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱岱寅，王蝶，刘芮，杜婉婉，
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