CN109239689B - 一种基于fpga的雷达成像处理自动截位系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，涉及空间微波遥感技术领域；包括AD采集模块、数字下变频模块、多普勒预补偿模块、傅里叶变换模块、脉冲压缩徙动矫正模块、逆傅里叶变换模块、数据缓存模块、相位补偿模块和频谱分析模块；对第一幅以及后续图像的截位处理方法，细分了应用情况，仅第一幅图像通过默认值截位，后续图像均采用统计出的截位值，实现了自动截位控制，克服现有方法自适应性差、通用性差的缺点；本发明通用性强，利于工程实现，软件移植性强，为雷达成像处理的工程实现打下了关键基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间微波遥感技术领域，特别是一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统。
背景技术
当前主流FPGA集成了大量运算单元和可实现一定功能的IP核，在复数乘法、傅里叶变换等数字信号处理步骤中具有很大优势，并且可以并行处理多路数据，已成为雷达信号处理器的核心处理芯片。雷达成像处理需要对预处理后的数据进行脉冲压缩、徙动矫正、相位补偿、频谱分析等处理流程，FPGA属于定点处理器，因此在运算中需要考虑数据位宽，通过适当的截位来尽可能保留有效数据，且避免位宽扩大带来的资源消耗。
FPGA中最常用的截位方法是固定截位，在测试过程中通过仿真数据预估每一步的有效数据位，来确定一个固定截位值控制数据位宽，但这已不能满足当前雷达成像处理的需求，特别是在常用的傅里叶变换和逆傅里叶变换处理后，数据动态范围大，固定截位容易造成数据溢出或者有效位数不够，从而影响成像和目标检测性能。为了避免这一问题，在雷达成像处理中也可以通过参数上注的方式，根据下传数据调整上注的截位值，但这一方法具有一定的滞后性，且需要地面同步处理原始数据来找到最佳截位值，在实际应用中灵活性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，通用性强，利于工程实现，软件移植性强，为雷达成像处理的工程实现打下了关键基础。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，包括AD采集模块、数字下变频模块、多普勒预补偿模块、傅里叶变换模块、脉冲压缩徙动矫正模块、逆傅里叶变换模块、数据缓存模块、相位补偿模块和频谱分析模块；
AD采集模块：接收外部空间传来的回波信号，对回波信号进行模数转换处理，生成回波数字信号，并将回波数字信号传输至数字下变频模块；
数字下变频模块：接收AD采集模块传来的回波数字信号，对回波数字信号做数字下变频处理，生成零中频信号，并将零中频信号发送至多普勒预补偿模块；
多普勒预补偿模块：接收数字下变频模块传来的零中频信号，对零中频信号的相位做预补偿处理，生成多普勒预补偿信号，并将多普勒预补偿信号发送至傅里叶变换模块；
傅里叶变换模块：接收多普勒预补偿模块传来的多普勒预补偿信号，对多普勒预补偿信号进行傅里叶变换处理，生成频域信号；并将频域信号发送至脉冲压缩徙动矫正模块；
傅里叶变换模块：接收多普勒预补偿模块传来的多普勒预补偿信号，对多普勒预补偿信号进行傅里叶变换处理，生成频域信号；并将频域信号发送至脉冲压缩徙动矫正模块；
脉冲压缩徙动矫正模块：接收傅里叶变换模块传来的频域信号，对频域信号依次进行脉冲压缩处理和徙动矫正处理，生成频域脉压信号；对频域脉压信号按照预先设定的第一截位点进行第一次截位，生成当前图像截位后频域脉压信号，并将当前图像第一次截位后频域脉压信号发送至逆傅里叶变换模块；依次接收傅里叶变换模块传来的当前图像的其它频域信号，依次对频域信号进行脉冲压缩处理和徙动矫正处理；按照上述截位方法截位，直至对当前图像所有频域脉压信号完成第一次截位；同时对频域脉压信号进行数据统计，得到下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点；
逆傅里叶变换模块：接收脉冲压缩模块传来的当前图像第一次截位后频域脉压信号，对当前图像的第一次截位后频域脉压信号进行逆傅里叶变换处理，生成时域脉压信号；时域脉压信号按照预先设定的第二截位点进行第二次截位，生成截位后的时域脉压信号；并将截位后的时域脉压信号发送至数据缓存模块；依次接收脉冲压缩模块传来的当前图像的其它频域脉压信号；并将其它频域脉压信号进行逆傅里叶变换处理，按照上述方法截位，直至完成当前图像所有频域脉压信号的第二次截位；同时对域脉压信号进行数据统计，得到下一幅图像中频域脉压信号的第二次截位点；
数据缓存模块：接收逆傅里叶变换模块传来的截位后的时域脉压信号，对截位后的时域脉压信号进行缓存，当缓存完当前图像的所有截位后的时域脉压信号后，生成当前图像的二维图像，二维图像包括截位后的时域脉压信号和方位向数据；将方位向数据发送至相位补偿模块；
相位补偿模块：接收数据缓存模块传来的方位向数据，对方位向数据的多普勒调制相位进行逐脉冲的相位补偿，生成相位补偿信号；对相位补偿信号按照预先设定的第三截位点进行第三次截位；生成当前图像截位后的相位补偿信号，并将当前图像截位后的相位补偿信号发送至频谱分析模块；依次接收数据缓存模块传来的当前图像的其它方位向数据，对其它方位向数据的多普勒调制相位进行相位补偿处理；按照上述截位方法截位，直至完成当前图像所有相位补偿信号的第三次截位；同时，对当前图像的相位补偿信号进行统计，得到下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点；
频谱分析模块：接收相位补偿模块传来的当前图像截位后的相位补偿信号，对当前图像截位后的相位补偿信号做方位多普勒频谱分析，得到聚焦的SAR图像，并将该信号发送至外部DSP。
在上述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，所述脉冲压缩徙动矫正模块进行第一次截位的方法为：
频域脉压信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M1；M1为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M1-1)位到0位；设定需从(M1-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P1位；P1为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第一截位点设为A1点，A1为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A1位到第(A1-P1+1)位。
在上述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，所述脉冲压缩徙动矫正模块得到下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点的方法为：
对当前图像的频域脉压信号进行统计，找到当前幅图像的频域脉压信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点。
在上述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，所述逆傅里叶变换模块对时域脉压信号进行第二次截位的方法为：
时域脉压信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M2；M2为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M2-1)位到0位；设定需从(M2-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P2位；P2为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第二截位点设为A2点，A2为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A2位到第(A2-P2+1)位。
在上述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，所述逆傅里叶变换模块得到下幅图像中频域脉压信号的第二次截位点的方法为：
对当前图像的时域脉压信号进行统计，找到当前图像的时域脉压信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中时域脉压信号的第二次截位点。
在上述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，所述数据缓存模块生成的二维图像表现为：二维图像的各行为截位后的时域脉压信号；各列为方位向数据；将二维图像发送至相位补偿模块时，将二维图像中的方位向数据依次发送至相位补偿模块。
在上述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，所述相位补偿模块对相位补偿信号进行第三次截位的方法为：
相位补偿信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M3；M3为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M3-1)位到0位；设定需从(M3-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P3位；P3为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第二截位点设为A3点，A3为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A3位到第(A3-P3+1)位。
在上述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，所述相位补偿模块得到下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点的方法为：
对当前图像的相位补偿信号进行统计，找到当前图像的相位补偿信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明灵活地根据工程需要确定截位点，利于工程开展，解决了现有处理方法通用性差，不能满足各种应用场景的缺点；
(2)本发明所述的对第一幅以及后续图像的截位处理方法，细分了应用情况，仅第一幅图像通过默认值截位，后续图像均采用统计出的截位值，实现了自动截位控制，克服现有方法自适应性差、通用性差的缺点；
(3)本发明通用的数据统计模块满足了自动截位的需求，且便于代码移植。
附图说明
图1为本发明自动截位系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，通用性强，利于工程实现，软件移植性强，为雷达成像处理的工程实现打下了关键基础。
如图1所示为自动截位系统示意图，由图可知，一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，包括AD采集模块、数字下变频模块、多普勒预补偿模块、傅里叶变换模块、脉冲压缩徙动矫正模块、逆傅里叶变换模块、数据缓存模块、相位补偿模块和频谱分析模块；
AD采集模块：接收外部空间传来的回波信号，对回波信号进行模数转换处理，生成回波数字信号，并将回波数字信号传输至数字下变频模块；
数字下变频模块：接收AD采集模块传来的回波数字信号，对回波数字信号做数字下变频处理，生成零中频信号，并将零中频信号发送至多普勒预补偿模块；
多普勒预补偿模块：接收数字下变频模块传来的零中频信号，对零中频信号的相位做预补偿处理，生成多普勒预补偿信号，并将多普勒预补偿信号发送至傅里叶变换模块；
傅里叶变换模块：接收多普勒预补偿模块传来的多普勒预补偿信号，对多普勒预补偿信号进行傅里叶变换处理，生成频域信号；并将频域信号发送至脉冲压缩徙动矫正模块；
脉冲压缩徙动矫正模块：接收傅里叶变换模块传来的频域信号，对频域信号依次进行脉冲压缩处理和徙动矫正处理，生成频域脉压信号；对频域脉压信号按照预先设定的第一截位点进行第一次截位，生成当前图像截位后频域脉压信号，并将当前图像第一次截位后频域脉压信号发送至逆傅里叶变换模块；
脉冲压缩徙动矫正模块进行第一次截位的方法为：
频域脉压信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M1；M1为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M1-1)位到0位；设定需从(M1-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P1位；P1为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第一截位点设为A1点，A1为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A1位到第(A1-P1+1)位。
依次接收傅里叶变换模块传来的当前图像的其它频域信号，依次对频域信号进行脉冲压缩处理和徙动矫正处理；按照上述截位方法截位，直至对当前图像所有频域脉压信号完成第一次截位；同时对频域脉压信号进行数据统计，得到下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点；
所述脉冲压缩徙动矫正模块得到下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点的方法为：
对当前图像的频域脉压信号进行统计，找到当前幅图像的频域脉压信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点。
逆傅里叶变换模块：接收脉冲压缩模块传来的当前图像第一次截位后频域脉压信号，对当前图像的第一次截位后频域脉压信号进行逆傅里叶变换处理，生成时域脉压信号；时域脉压信号按照预先设定的第二截位点进行第二次截位，生成截位后的时域脉压信号；并将截位后的时域脉压信号发送至数据缓存模块；
逆傅里叶变换模块对时域脉压信号进行第二次截位的方法为：
时域脉压信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M2；M2为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M2-1)位到0位；设定需从(M2-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P2位；P2为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第二截位点设为A2点，A2为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A2位到第(A2-P2+1)位。
依次接收脉冲压缩模块传来的当前图像的其它频域脉压信号；并将其它频域脉压信号进行逆傅里叶变换处理，按照上述方法截位，直至完成当前图像所有频域脉压信号的第二次截位；同时对域脉压信号进行数据统计，得到下一幅图像中频域脉压信号的第二次截位点；逆傅里叶变换模块得到下幅图像中频域脉压信号的第二次截位点的方法为：
对当前图像的时域脉压信号进行统计，找到当前图像的时域脉压信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中时域脉压信号的第二次截位点。
数据缓存模块：接收逆傅里叶变换模块传来的截位后的时域脉压信号，对截位后的时域脉压信号进行缓存，当缓存完当前图像的所有截位后的时域脉压信号后，生成当前图像的二维图像，数据缓存模块生成的二维图像表现为：二维图像的各行为截位后的时域脉压信号；各列为方位向数据；将二维图像发送至相位补偿模块时，将二维图像中的方位向数据依次发送至相位补偿模块；将方位向数据发送至相位补偿模块；
相位补偿模块：接收数据缓存模块传来的方位向数据，对方位向数据的多普勒调制相位进行逐脉冲的相位补偿，生成相位补偿信号；对相位补偿信号按照预先设定的第三截位点进行第三次截位；生成当前图像截位后的相位补偿信号，并将当前图像截位后的相位补偿信号发送至频谱分析模块；
相位补偿模块对相位补偿信号进行第三次截位的方法为：
相位补偿信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M3；M3为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M3-1)位到0位；设定需从(M3-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P3位；P3为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第二截位点设为A3点，A3为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A3位到第(A3-P3+1)位。
依次接收数据缓存模块传来的当前图像的其它方位向数据，对其它方位向数据的多普勒调制相位进行相位补偿处理；按照上述截位方法截位，直至完成当前图像所有相位补偿信号的第三次截位；同时，对当前图像的相位补偿信号进行统计，得到下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点；相位补偿模块得到下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点的方法为：
对当前图像的相位补偿信号进行统计，找到当前图像的相位补偿信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点。
频谱分析模块：接收相位补偿模块传来的当前图像截位后的相位补偿信号，对当前图像截位后的相位补偿信号做方位多普勒频谱分析，得到聚焦的SAR图像，并将该信号发送至外部DSP。
上述所述的截位点不局限于第一截位点、第二截位点、第三截位点，可以根据实际工程需要，在傅里叶变换模块后增加第四截位点，或在频谱分析模块后增加第五截位点，并且进行截位的方法与上述第一截位点、第二截位点、第三截位点相同。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：包括AD采集模块、数字下变频模块、多普勒预补偿模块、傅里叶变换模块、脉冲压缩徙动矫正模块、逆傅里叶变换模块、数据缓存模块、相位补偿模块和频谱分析模块；
AD采集模块：接收外部空间传来的回波信号，对回波信号进行模数转换处理，生成回波数字信号，并将回波数字信号传输至数字下变频模块；
数字下变频模块：接收AD采集模块传来的回波数字信号，对回波数字信号做数字下变频处理，生成零中频信号，并将零中频信号发送至多普勒预补偿模块；
多普勒预补偿模块：接收数字下变频模块传来的零中频信号，对零中频信号的相位做预补偿处理，生成多普勒预补偿信号，并将多普勒预补偿信号发送至傅里叶变换模块；
傅里叶变换模块：接收多普勒预补偿模块传来的多普勒预补偿信号，对多普勒预补偿信号进行傅里叶变换处理，生成频域信号；并将频域信号发送至脉冲压缩徙动矫正模块；
脉冲压缩徙动矫正模块：接收傅里叶变换模块传来的频域信号，对频域信号依次进行脉冲压缩处理和徙动矫正处理，生成频域脉压信号；对频域脉压信号按照预先设定的第一截位点进行第一次截位，生成当前图像截位后频域脉压信号，并将当前图像第一次截位后频域脉压信号发送至逆傅里叶变换模块；依次接收傅里叶变换模块传来的当前图像的其它频域信号，依次对频域信号进行脉冲压缩处理和徙动矫正处理；按照上述截位方法截位，直至对当前图像所有频域脉压信号完成第一次截位；同时对频域脉压信号进行数据统计，得到下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点；
逆傅里叶变换模块：接收脉冲压缩徙动矫正模块传来的当前图像第一次截位后频域脉压信号，对当前图像的第一次截位后频域脉压信号进行逆傅里叶变换处理，生成时域脉压信号；时域脉压信号按照预先设定的第二截位点进行第二次截位，生成截位后的时域脉压信号；并将截位后的时域脉压信号发送至数据缓存模块；依次接收脉冲压缩徙动矫正模块传来的当前图像的其它频域脉压信号；并将其它频域脉压信号进行逆傅里叶变换处理，按照上述方法截位，直至完成当前图像所有频域脉压信号的第二次截位；同时对频域脉压信号进行数据统计，得到下一幅图像中频域脉压信号的第二次截位点；
数据缓存模块：接收逆傅里叶变换模块传来的截位后的时域脉压信号，对截位后的时域脉压信号进行缓存，当缓存完当前图像的所有截位后的时域脉压信号后，生成当前图像的二维图像，二维图像包括截位后的时域脉压信号和方位向数据；将方位向数据发送至相位补偿模块；
相位补偿模块：接收数据缓存模块传来的方位向数据，对方位向数据的多普勒调制相位进行逐脉冲的相位补偿，生成相位补偿信号；对相位补偿信号按照预先设定的第三截位点进行第三次截位；生成当前图像截位后的相位补偿信号，并将当前图像截位后的相位补偿信号发送至频谱分析模块；依次接收数据缓存模块传来的当前图像的其它方位向数据，对其它方位向数据的多普勒调制相位进行相位补偿处理；按照上述截位方法截位，直至完成当前图像所有相位补偿信号的第三次截位；同时，对当前图像的相位补偿信号进行统计，得到下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点；
频谱分析模块：接收相位补偿模块传来的当前图像截位后的相位补偿信号，对当前图像截位后的相位补偿信号做方位多普勒频谱分析，得到聚焦的SAR图像，并将该信号发送至外部DSP。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：所述脉冲压缩徙动矫正模块进行第一次截位的方法为：
频域脉压信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M1；M1为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M1-1)位到0位；设定需从(M1-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P1位；P1为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第一截位点设为A1点，A1为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A1位到第(A1-P1+1)位。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：所述脉冲压缩徙动矫正模块得到下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点的方法为：
对当前图像的频域脉压信号进行统计，找到当前幅图像的频域脉压信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中频域脉压信号的第一次截位点。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：所述逆傅里叶变换模块对时域脉压信号进行第二次截位的方法为：
时域脉压信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M2；M2为大于等于1的正整数；则二进制数据时域脉压信号的位宽范围为(M2-1)位到0位；设定需从(M2-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P2位；P2为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第二截位点设为A2点，A2为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A2位到第(A2-P2+1)位。
5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：所述逆傅里叶变换模块得到下幅图像中频域脉压信号的第二次截位点的方法为：
对当前图像的频域脉压信号进行统计，找到当前图像的频域脉压信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中频域脉压信号的第二次截位点。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：所述数据缓存模块生成的二维图像表现为：二维图像的各行为截位后的时域脉压信号；各列为方位向数据；将二维图像发送至相位补偿模块时，将二维图像中的方位向数据依次发送至相位补偿模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：所述相位补偿模块对相位补偿信号进行第三次截位的方法为：
相位补偿信号为一组二进制数据，且二进制数据的位数为M3；M3为大于等于1的正整数；则二进制数据频域脉压信号的位宽范围为(M3-1)位到0位；设定需从(M3-1)位到0位的位宽范围内截取连续的P3位；P3为大于等于1的正整数；对于当前幅图像，第三截位点设为A3点，A3为大于等于1的正整数；因此每个二进制数据截取的位数为第A3位到第(A3-P3+1)位。
8.根据权利要求7所述的一种基于FPGA的雷达成像处理自动截位系统，其特征在于：所述相位补偿模块得到下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点的方法为：
对当前图像的相位补偿信号进行统计，找到当前图像的相位补偿信号中绝对值最大的数据；绝对值最大的数据的最高有效位即为下一幅图像中相位补偿信号的第三次截位点。
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