CN110488291A - 一种双基前视sar半实物仿真方法及装置 - Google Patents

一种双基前视sar半实物仿真方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及雷达技术领域，公开了一种双基前视SAR半实物仿真装置及方法。本发明的技术方案首先设计基于ZYNQ和数模转换器的回波及状态信号模拟器，为双基前视SAR成像系统提供回波和状态数据输入；其次，在ZYNQ内设计回波与状态数据同步接收与传输的逻辑模块，确保回波和状态数据能够一一对应的传输到成像系统中，简化成像系统的数据流程；再者，设计基于FPGA的回波及状态数据接收和组包模块；最后，基于FPGA设计数据循环发送模块，确保DSP能够进行流水线模式的信号处理。本方案完成了在实验室内对硬件的双基前视SAR成像系统进行挂飞等效验证的目的。本方案避免了规模庞大的外场挂飞实验开销；而且，在实验室内操作，也提高了双基前视SAR成像系统的调试效率。

Description

一种双基前视SAR半实物仿真方法及装置
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别是一种双基前视SAR半实物仿真方法及装置。
背景技术
双基前视合成孔径雷达(SAR)是有源成像雷达家族中的一员，与单基SAR相比，发射机和接收机分置的双基前视SAR具备获取目标区域非后向散射系数的功能，可以获取目标区域不同视角的图像，有利于后级图像处理时提高目标识别的性能。另外，双基前视SAR还可以采用远发近收这样的实际工作模式，和单基SAR的首发等距模式相比，同等能量的信号能够照射到更远的距离的目标，进而提高了双基前视SAR的作用距离。同时，雷达接收机不用发射能量强大的射频信号，硬件上也不包括发射机所必备的大功率器件，因此接收机的体积和功耗都可以做的比较小，造价较低，有很好的工程化批量生产前景。
当前，双基前视SAR成像系统和成像算法都还未成熟，大家都还在探索阶段。目前，能够工程化使用的双基前视SAR成像算法的复杂度都比较高，对应搭建的成像系统也相对复杂。双基前视SAR的实验都需要由两个飞机挂载上天进行实测，组织实验难度大，开销高。
在现有的技术报道中，成都电子科技大学的团队和航天某院的团队都进行过双基前视SAR相关的系统挂飞实验，实时记录了回波数据和系统状态数据，然后在地面的计算机上用matlab软件离线处理出图。但是，matlab软件计算速度缓慢，直接研制双基前视SAR成像系统进行挂飞实验实测的成本大，风险高，因此，有必要设计一种双基前视SAR半实物仿真方法及装置，降低探索双基前视SAR成像系统研制和成像算法工程化优化的成本和风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种双基前视SAR半实物仿真方法及装置，可以等效地为雷达成像系统提供回波信号和双基载机的状态参数信号。
本发明采用的技术方案如下：一种双基前视SAR半实物仿真方法，包括以下过程：
步骤S1，在计算机中，准备好用来成像出图的雷达回波数据及双基运动状态数据；
步骤S2，计算机以一定的脉冲重复时间等间隔地将回波数据通过以太网接口发送到ZYNQ芯片并进行缓存，并将与回波数据按周期一一对应的状态数据通过UART协议发送到ZYNQ芯片并进行缓存；
步骤S3，以状态数据的缓存结束标志作为触发信号，开始将缓存的状态数据输出状态信号，同时将缓存的回波数据发送到模数转换器并输出模拟回波信号；
步骤S4，成像系统的FPGA芯片在触发信号的控制下，完整的从模数转换器接收到回波信号并进行缓存；FPGA芯片同步获取ZYNQ芯片状态信号并进行缓存；
步骤S5，FPGA芯片将接收到的回波信号及状态信号一一对应的进行组包，再将组包后的数据发送到DSP处理器的内存空间中；
步骤S6，DSP处理器乒乓地从内存空间中取出数据进行成像处理，实时获取双基前视SAR图像。
进一步的，所述步骤1中回波数据及状态数据来源为：双基前视SAR挂飞实验的方式获取，或者以双基前视SAR实际运行构型为基础进行算法仿真。
进一步的，所述回波数据和状态数据的格式依次为：回波数据、时间戳1、发射机运动参数数据、时间戳2、接收机运动参数数据、时间戳3。
进一步的，所述步骤S2中，ZYNQ芯片包括PL部分和PS部分，计算机将回波数据通过以太网接口发送到PS部分，并将与回波数据按周期一一对应的接收机发射机运动参数数据通过422接口发送到PL部分；PL部分设置回波缓存FIFO和状态缓存寄存器，回波缓存FIFO用于存储PS部分接收到的回波数据，状态缓存寄存器用于存储接收到的运动参数数据。
进一步的，所述PL部分通过HP1接口将回波数据发送到回波缓存FIFO。
进一步的，所述步骤S5中，将组包后的数据发送到DSP处理器的内存空间中的过程：FPGA芯片发送数据时，从DSP的某地址开始，在N*L*4字节的内存空间内，循环写入组包好的回波信号及状态信号，N为双基前视SAR成像出图所需的回波行数，L为回波信号加状态信号的数据个数，4代表每个数据占4个字节的内存空间；每M个周期的数据给DSP处理器发送一个门铃信号，通知DSP处理器去取数据进行双基前视SAR回波成像处理。
本发明还公开了一种双基前视SAR半实物仿真装置，包括模拟器、成像系统；
所述模拟器包括计算机、ZYNQ芯片、模数转换器，所述ZYNQ芯片通过以太网和计算机相连用于获取回波数据，所述ZYNQ芯片通过UART协议和计算机互联用于获取状态数据，所述ZYNQ芯片与模数转换器，模数转换器输出回波信号给成像系统，所述ZYNQ芯片输出触发信号和状态信号给成像系统；
所述成像系统包括FPGA芯片和DSP处理器，所述触发信号用于将FPGA芯片接收的回波信号、状态信号进行同步，同步后的回波信号和状态信号实时发送到DSP处理器。
进一步的，所述ZYNQ芯片包括PL部分和PS部分，所述PL部分设置回波缓存FIFO和状态缓存寄存器，所述PL部分通过以太网接收回波数据，并将回波数据发送到回波缓存FIFO，所述PS部分通过422接口接收状态数据，并缓存到状态缓存寄存器。
进一步的，所述PL部分通过HP1接口连接到回波缓存FIFO。
进一步的，所述FPGA芯片包括回波缓存FIFO、回波-状态数据组包模块和状态缓存寄存器，在触发信号的控制下，FPGA芯片接收回波信号并缓存到回波缓存FIFO，接收状态信号并缓存到缓存寄存器，所述回波-状态数据组包模块将一一对应的回波信号和状态信号进行组包。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用本发明的技术方案基于ZYNQ和通用计算机设计回波及状态数据模拟器，为成像系统的室内测试提供了必要的模拟信源；基于FPGA和DSP设计双基前视SAR成像系统，为双基前视SAR成像算法的工程化移植提供硬件载体；以完成在实验室内对硬件的双基前视SAR成像系统进行挂飞等效验证的目的。本方案避免了规模庞大的外场挂飞实验开销；而且，在实验室内操作，也提高了双基前视SAR成像系统的调试效率。
附图说明
图1是本发明回波及状态数据模拟器结构图。
图2是本发明信号处理架构框图。
图3是本发明回波数据及状态数据格式示意图。
图4是本发明双基前视SAR半实物仿真方法的工作流程图。
图5是DSP处理器内存乒乓操作框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图4所示，本发明的双基前视SAR半实物仿真方法：
(1)在通用计算机中，准备好用以成像出图的雷达回波模拟数据及双基运动状态参数数据。
数据来源可以是双基前视SAR挂飞实验的方式，由双基载机挂载回波采集记录系统在空中测试时实时记录双基前视SAR雷达回波及状态数据。或者以双基前视SAR实际运行构型为基础进行算法仿真，模拟生成可用于双基前视SAR系统成像出图的雷达回波模拟数据。回波及状态数据格式如图3，依次为：回波数据、时间戳1、发射机运动参数数据、时间戳2、接收机运动参数数据、时间戳3；其中的各时间戳表示各数据的采集时间，方便成像系统进行数据对齐。
(2)计算机以一定的脉冲重复时间等间隔地将回波数据通过以太网接口发送到ZYNQ芯片并进行缓存，并将与回波数据按周期一一对应的状态数据通过UART协议发送到ZYNQ芯片并进行缓存；
实际操作中，ZYNQ芯片分为ZYNQ PS部分和ZYNQ PL部分；
通用计算机以一定的脉冲重复时间(Pulse-Recurrent-Time)等间隔地将回波数据通过以太网接口发送到ZYNQ PS，并将与回波数据按周期一一对应的接收机发射机运动参数数据通过422接口发送到ZYNQ PL。
ZYNQ PS从以太网接口获取到回波数据后，立即通过ZYNQ PS与ZYNQ PL之间的高性能通信接口HP1，将回波数据转发到ZYNQ PL的回波数据缓存FIFO(First input FirstOutput)中。另一边ZYNQ PL从422接口接收到状态数据后，缓存入状态缓存寄存器中。
(3)以状态数据的缓存结束标志作为触发信号，开始将状态寄存器中的数据通过422接口以UART协议将数据发出，同时将回波数据缓存FIFO中的数据通过LVCOMS接口发送到DAC(模数转换器)模块，产生模拟回波信号。该触发信号至关重要，用于解决回波数据和状态数据异构链路传输后，在ZYNQ PL侧以不同时间到达，然后，再同步发出的问题。
(4)FPGA芯片(V7X690T)在触发信号的控制下，完整的从ADC与FPGA芯片互联的LVCOMS接口接收到回波数据，并缓存入配置好的回波数据缓存FIFO中。另一边，FPGA同步从与ZYNQ PL互联的422接口接收到接收机发射机运动参数数据，并缓存入配置好的状态寄存器中。如此，我们的成像系统就在实验室内，半实物仿真的条件下，方便地获取到了同步的回波和状态数据。
(5)FPGA将接收到的回波及状态数据一一对应的进行组包成如图3的格式，然后，通过与DSP处理器互联的高速通信接口以SRIO数据通信协议将数据发送到DSP处理器的内存空间中。
FPGA数据发送时，从DSP的某地址开始，在N*L*4字节的内存空间内，循环写入组包好的回波及状态参数数据，N为双基前视SAR成像出图所需的回波行数，L为回波数据加状态数据的个数，4代表每个数据占4个字节的内存空间。每M个周期的数据给DSP发送一个门铃信号，通知DSP去取数据进行双基前视SAR回波成像处理。特别的以常规的双基前视SAR图像大小4096*2048为例，L一般为4224(4096+64+64)，即回波数据为4096个采样点数，发射机和接收机状态参数各占64个数。N为4096，这是为了提高DSP的计算效率，数据乒乓的发送到DSP的内存空间中，如图5所示，DSP处理器有内存空间A和内存空间B，内存空间A和B分别用来处理数据和接收数据，使得DSP处理器可以同时完成数据接收和数据处理工作，而在内存空间的操作上完全不会出现读写访问冲突。每发送64个L大小的数据后，按照SRIO通信协议，给DSP处理器一个门铃信号(doorbell)，通知DSP有最新的数据写入内存。
(6)DSP乒乓地从内存空间中取出数据进行成像处理，实时获取双基前视SAR图像。
另外一个实施例：针对上述双基前视SAR半实物仿真方法，提供一种双基前视SAR半实物仿真装置设计，第一，设计基于ZYNQ芯片和数模转换器的回波及状态信号模拟器，为双基前视SAR成像系统提供回波和状态数据输入。第二，在ZYNQ芯片内设计回波与状态数据同步接收与传输的逻辑模块，确保回波和状态数据能够一一对应的传输到成像系统中，简化成像系统的数据流程。第三，设计基于FPGA的回波及状态数据接收和组包模块。第四，基于FPGA设计数据循环发送模块，确保DSP能够进行流水线模式的信号处理。
本实施例的ZYNQ为xilinx公司的ZYNQ-7000系列FPGA的简称，该系列FPGA单芯片内有一个双核cortex-A9的ARM处理器ZYNQ PS(Processing System，处理系统)和逻辑资源与kintex 7差不多的FPGA处理器ZYNQ PL(Programmable Logic，可编程逻辑)，芯片内PL和PS二者之间通过9个双向接口进行通信，本系统会用到其中的一个高性能数据接口HP1，ZYNQ PS具有丰富的外设接口资源，如常见的spi接口，uart接口，can总线，以太网等等。
本系统中的回波及状态模拟器如图1所示，接口互联关系描述如下：ZYNQ作为核心芯片与模数转换器(digital analog conventor，DAC)通过LVCOMS接口互联，通过以太网和运行UART协议的422接口与通用计算机互连。通过TTL信号和422接口与成像系统互联。ZYNQ内部配置回波缓存FIFO和状态缓存寄存器分别用于临时缓存从通用计算机收到的回波信号和状态数据。
成像系统如图2所示，FPGA芯片V7X690通过LVCOMS接口与模数转换器(analogdigital conventor，ADC)互联。通过TTL信号和422接口与回波及状态数据模拟器互联。通过运行SRIO通信协议的高速差分接口与DSP互联，将采集的高速回波数据发实时发送到DSP中。DSP作为协处理器运行双基前视SAR成像算法，处理出SAR图像。
本发明的技术方案围绕在室内进行双基前视SAR成像系统的半实物仿真为目的，基于ZYNQ和通用计算机设计回波及状态数据模拟器，为成像系统的室内测试提供了必要的模拟信源。基于FPGA和DSP设计双基前视SAR成像系统，为双基前视SAR成像算法的工程化移植提供硬件载体。如上所述，本发明所提的半实物仿真方法及装置，确实能够在室内完整的模拟出与外场实测等效的工作环境，为双基前视SAR成像算法的工程化优化与移植和双基前视SAR成像系统的研制提供便利条件。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种双基前视SAR半实物仿真方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤S1，在计算机中，准备好用来成像出图的雷达回波数据及双基运动状态数据；
步骤S2，计算机以一定的脉冲重复时间等间隔地将回波数据通过以太网接口发送到ZYNQ芯片并进行缓存，并将与回波数据按周期一一对应的状态数据通过UART协议发送到ZYNQ芯片并进行缓存；
步骤S3，以状态数据的缓存结束标志作为触发信号，开始将缓存的状态数据输出状态信号，同时将缓存的回波数据发送到模数转换器并输出模拟回波信号；
步骤S4，成像系统的FPGA芯片在触发信号的控制下，完整的从模数转换器接收到回波信号并进行缓存；FPGA芯片同步获取ZYNQ芯片状态信号并进行缓存；
步骤S5，FPGA芯片将接收到的回波信号及状态信号一一对应的进行组包，再将组包后的数据发送到DSP处理器的内存空间中；
步骤S6，DSP处理器乒乓地从内存空间中取出数据进行成像处理，实时获取双基前视SAR图像。
2.如权利要求1所述的双基前视SAR半实物仿真方法，其特征在于，所述步骤1中回波数据及状态数据来源为：双基前视SAR挂飞实验的方式获取，或者以双基前视SAR实际运行构型为基础进行算法仿真。
3.如权利要求1所述的双基前视SAR半实物仿真方法，其特征在于，所述回波数据和状态数据的格式依次为：回波数据、时间戳1、发射机运动参数数据、时间戳2、接收机运动参数数据、时间戳3。
4.如权利要求3所述的双基前视SAR半实物仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，ZYNQ芯片包括PL部分和PS部分，计算机将回波数据通过以太网接口发送到PS部分，并将与回波数据按周期一一对应的接收机发射机运动参数数据通过422接口发送到PL部分；PL部分设置回波缓存FIFO和状态缓存寄存器，回波缓存FIFO用于存储PS部分接收到的回波数据，状态缓存寄存器用于存储接收到的运动参数数据。
5.如权利要求4所述的双基前视SAR半实物仿真方法，其特征在于，所述PL部分通过HP1接口将回波数据发送到回波缓存FIFO。
6.如权利要求1所述的双基前视SAR半实物仿真方法，其特征在于，所述步骤S5中，将组包后的数据发送到DSP处理器的内存空间中的过程：FPGA芯片发送数据时，从DSP处理器的某地址开始，在N*L*4字节的内存空间内，循环写入组包好的回波信号及状态信号，N为双基前视SAR成像出图所需的回波行数，L为回波信号加状态信号的数据个数，4代表每个数据占4个字节的内存空间；每M个周期的数据给DSP处理器发送一个门铃信号，通知DSP处理器去取数据进行双基前视SAR回波成像处理。
7.一种双基前视SAR半实物仿真装置，其特征在于，包括模拟器、成像系统；
所述模拟器包括计算机、ZYNQ芯片、模数转换器，所述ZYNQ芯片通过以太网和计算机相连用于获取回波数据，所述ZYNQ芯片通过UART协议和计算机互联用于获取状态数据，所述ZYNQ芯片与模数转换器，模数转换器输出回波信号给成像系统，所述ZYNQ芯片输出触发信号和状态信号给成像系统；
所述成像系统包括FPGA芯片和DSP处理器，所述触发信号用于将FPGA芯片接收的回波信号、状态信号进行同步，同步后的回波信号和状态信号实时发送到DSP处理器。
8.如权利要求7所述的双基前视SAR半实物仿真装置，其特征在于，所述ZYNQ芯片包括PL部分和PS部分，所述PL部分设置回波缓存FIFO和状态缓存寄存器，所述PL部分通过以太网接收回波数据，并将回波数据发送到回波缓存FIFO，所述PS部分通过422接口接收状态数据，并缓存到状态缓存寄存器。
9.如权利要求8所述的双基前视SAR半实物仿真装置，其特征在于，所述PL部分通过HP1接口连接到回波缓存FIFO。
10.如权利要求8所述的双基前视SAR半实物仿真装置，其特征在于，所述FPGA芯片包括回波缓存FIFO、回波-状态数据组包模块和状态缓存寄存器，在触发信号的控制下，FPGA芯片接收回波信号并缓存到回波缓存FIFO，接收状态信号并缓存到缓存寄存器，所述回波-状态数据组包模块将一一对应的回波信号和状态信号进行组包。
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