CN110542900B - 一种sar成像方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SAR成像方法及系统。该方法包括：接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据；计算成像所需的雷达参数；采用极坐标格式算法对合成孔径雷达回波数据进行重采样；对重采样后的数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；利用相位梯度自聚焦算法，对合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；采用SINC插值算法对一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差；将重采样后的数据与两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据；对补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速傅里叶逆变换，得到合成孔径雷达图像。本发明能够实现SAR快速实时成像，提高了运算效率和成像精确度。

Description

一种SAR成像方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域，特别是涉及一种SAR成像方法及系统。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)利用单个天线阵元的移动，将获取的回波信号相关合成处理后形成完整阵列，运用信号处理技术对场景目标进行高分辨的成像。不同于传统光学成像和红外遥感，在复杂气象条件以及非常时间段，SAR能够不受影响正常工作，并且具有高分辨、大幅宽等特点。SAR最初主要应用于机载、星载、弹载平台，随着小型无人飞行器的发展，在其上搭载微型SAR成像系统逐渐成为研究热点。
SAR成像算法复杂，数据处理量大，为满足实时数字信号处理的要求，采用硬件进行成像处理。硬件实现主要手段有数字信号处理器(DSP)、现场可编辑门阵列(FPGA)和图形处理单元(GPU)。DSP适合处理浮点数据，但由于其数据吞吐量小，不能满足SAR的实时化处理。GPU采用多核心并行处理的方式，能够快速处理大量数据，但其单位功耗巨大，不能在SAR系统中广泛应用。FPGA内部集成了丰富的硬件资源，具有可重构、研制成本低、并行处理等优点，满足微型SAR成像系统对实时性、功耗、体积等方面的要求。
目前，应用于微型SAR实时成像系统的算法主要有距离多普勒算法、ChirpScaling算法、极坐标格式算法、PFA算法等。距离多普勒算法、Chirp Scaling算法、极坐标格式算法不易在硬件上实现，实时性较差；传统的PFA算法通过两维插值和两维FFT实现两维数据重采样，容易在硬件上实现，但两维插值计算量巨大，片上资源利用率不高，计算处理时间较长，不能系统满足实时性的要求，并且算法计算精度不高，再有，由于微型SAR平台在实际飞行活动中会受到气流扰动等外部因素的影响，飞行轨迹与理想航迹有误差，导致PFA成像结果产生失真以及散焦，也会影响最终成像效果。
综上所述，现有的SAR成像方法存在运算效率低、实时性差、成像精确度不高的缺陷。
发明内容
基于此，有必要提供一种SAR成像方法及系统，能够实现SAR快速实时成像，提高了运算效率和成像精确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种SAR成像方法，包括：
接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据；所述合成孔径雷达回波数据存储在FPGA芯片内置的DDR3存储器中；所述雷达参数数据存储在所述FPGA芯片内置的REG寄存器中；
读取所述雷达参数数据，计算成像所需的雷达参数，并将所述成像所需的雷达参数存储在RAM存储器中；
读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；
利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；
采用SINC插值算法对所述一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差；
将所述合成孔径方位向变换数据与所述两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据；
对所述补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速傅里叶逆变换，得到合成孔径雷达图像。
可选的，所述读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像，具体包括：
从所述DDR3存储器中顺序读取所述合成孔径雷达回波数据中的距离向数据，采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，并将距离向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径距离向变换数据；所述合成孔径雷达回波数据以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
从所述DDR3存储器中转置读取所述合成孔径距离向变换数据中的方位向数据，采用SINC插值算法对所述方位向数据进行插值处理，并将方位向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径方位向变换数据；
对所述合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储。
可选的，所述利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差，具体包括：
将所述合成孔径雷达初始图像中的方位向数据按照能量值由大到小排序；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
选取前N个能量值对应的前N条方向数据，构成初始目标区域；其中，N＝b*25％；
对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；加窗操作在当前迭代次数t下的当前窗宽为w；当前迭代次数t＝1时，所述当前目标区域为初始目标区域；
对所述加窗目标区域在方位向进行傅里叶逆变换，得到当前迭代次数下的相位误差梯度；
对所述当前相位误差梯度进行积分求和，得到当前迭代次数下的全孔径相位误差；
判断当前迭代次数是否达到预设迭代次数；
若否，则将所述全孔径相位误差与所述当前目标区域进行复乘运算，令t＝t+1，并将复乘运算后的目标区域作为当前目标区域，再令
Figure BDA0002230845310000031
后，返回所述对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；
若是，则采用atan函数对当前迭代次数下的相位误差梯度进行求角，得到相位误差梯度角，并对所述相位误差梯度角进行累加求和，得到一维方位相位误差。
可选的，所述采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，具体为：
将所述距离向数据乘以二次相位函数，得到第一计算结果；
对所述第一计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第二计算结果；
对所述第二计算结果进行快速傅里叶逆变换后，再乘以二次相位函数，得到第三计算结果；
对所述第三计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第四计算结果；所述第四计算结果为距离向处理后的数据。
可选的，所述预设迭代次数为6；当前迭代次数t＝1时，当前窗宽w＝1024。
可选的，a＝4096，b＝2048。
本发明还提供了一种SAR成像系统，包括：
数据接收模块，用于接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据；所述合成孔径雷达回波数据存储在FPGA芯片内置的DDR3存储器中；所述雷达参数数据存储在所述FPGA芯片内置的REG寄存器中；
雷达参数计算模块，用于读取所述雷达参数数据，计算成像所需的雷达参数，并将所述成像所需的雷达参数存储在RAM存储器中；
重采样模块，用于读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；
一维误差估计模块，用于利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；
二维误差估计模块，用于采用SINC插值算法对所述一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差；
补偿模块，用于将所述合成孔径方位向变换数据与所述两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据；
成像模块，用于对所述补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速傅里叶逆变换，得到合成孔径雷达图像。
可选的，所述重采样模块，具体包括：
距离向处理单元，用于从所述DDR3存储器中顺序读取所述合成孔径雷达回波数据中的距离向数据，采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，并将距离向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径距离向变换数据；所述合成孔径雷达回波数据以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
方位向处理单元，用于从所述DDR3存储器中转置读取所述合成孔径距离向变换数据中的方位向数据，采用SINC插值算法对所述方位向数据进行插值处理，并将方位向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径方位向变换数据；
第一变换单元，用于对所述合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储。
可选的，所述一维误差估计模块，具体包括：
排序单元，用于将所述合成孔径雷达初始图像中的方位向数据按照能量值由大到小排序；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
选取单元，用于选取前N个能量值对应的前N条方向数据，构成初始目标区域；其中，N＝b*25％；
加窗单元，用于对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；加窗操作在当前迭代次数t下的当前窗宽为w；当前迭代次数t＝1时，所述当前目标区域为初始目标区域；
误差梯度计算单元，用于对所述加窗目标区域在方位向进行傅里叶逆变换，得到当前迭代次数下的相位误差梯度；
全孔径相位误差计算单元，用于对所述当前相位误差梯度进行积分求和，得到当前迭代次数下的全孔径相位误差；
判断单元，用于判断当前迭代次数是否达到预设迭代次数；若否，则将所述全孔径相位误差与所述当前目标区域进行复乘运算，令t＝t+1，并将复乘运算后的目标区域作为当前目标区域，再令
Figure BDA0002230845310000051
后，返回所述加窗单元；若是，则采用atan函数对当前迭代次数下的相位误差梯度进行求角，得到相位误差梯度角，并对所述相位误差梯度角进行累加求和，得到一维方位相位误差。
可选的，所述距离向处理单元，具体为：
第一计算子单元，用于将所述距离向数据乘以二次相位函数，得到第一计算结果；
第二计算子单元，用于对所述第一计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第二计算结果；
第三计算子单元，用于对所述第二计算结果进行快速傅里叶逆变换后，再乘以二次相位函数，得到第三计算结果；
第四计算子单元，用于对所述第三计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第四计算结果；所述第四计算结果为距离向处理后的数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种SAR成像方法及系统，避免了采用极坐标格式算法(PolarFormat Algorithm，PFA)成像存在的失真散焦等问题，该方法采用相位梯度自聚焦算法(Phase Gradient Autofocus，PGA)对PFA成像结果进行补偿，其首先计算出一维方位相位误差，并逐脉冲对一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差，以此来补偿PFA成像结果，从而得到高分辨SAR图像，提高了成像精度；并且该方法在FPGA上实现PFA成像和二维自聚焦补偿，能够简化处理时间，极大地节省片上资源，提高了运算效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1一种SAR成像方法的流程图；
图2为本发明实施例2一种SAR成像系统的结构示意图；
图3为本发明实施例3中SAR成像方法的流程图；
图4为本发明实施例3中FPGA硬件实现框图；
图5为本发明实施例3中以太网传输过程流程图；
图6为本发明具体实施方式中SAR成像方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明实施例1一种SAR成像方法的流程图。
参见图1，实施例的基于FPGA的SAR成像方法，包括：
步骤S1：接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据。
所述合成孔径雷达回波数据存储在FPGA芯片内置的DDR3存储器中；所述雷达参数数据存储在所述FPGA芯片内置的REG寄存器中。
步骤S2：读取所述雷达参数数据，计算成像所需的雷达参数，并将所述成像所需的雷达参数存储在RAM存储器中。
所述步骤S2中，所述雷达参数数据包括：飞机飞行转角θ，距离向时间轴tτ，距离向插值频率轴fx，距离向尺度变换频率轴fτ，飞机的起始位置坐标，雷达起始位置到场景中心的距离OC，雷达实时位置的坐标等。计算上述成像所需的雷达参数的具体过程为：
飞机飞行转角θ：
θ＝v/PRF*N_pulse*cos(θs)/Rref；
其中，v表示雷达飞行速度，PRF表示方位向采样频率，N_pulse表示方位向采样脉冲数，θS表示斜视角，Rref表示雷达作用距离。
距离向时间轴tτ：
tτ＝n/fs+2Rref/c；
其中n∈(-Nr/2,Nr/2-1)，Nr表示距离向采样点数，fS表示脉冲采样频率，c表示光速。
距离向插值频率轴fx：
fx＝x*k/fs+fc；
其中x∈(-Nr/2,Nr/2-1)，k表示调频斜率，fc表示载频。
距离向尺度变换频率轴fτ：
fτ＝m*fs/Nr；
其中m∈(-Nr/2,Nr/2-1)。
飞机的起始位置坐标：
Figure BDA0002230845310000081
其中，H表示飞行高度。
雷达起始位置到场景中心的距离OC：
Figure BDA0002230845310000082
雷达实时位置的坐标：
Figure BDA0002230845310000083
其中i∈(1,Na)，Na表示方位向采样点数。
步骤S3：读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像。
所述步骤S3，具体包括：
1)从所述DDR3存储器中顺序读取所述合成孔径雷达回波数据中的距离向数据，采用尺度变换原理(Principle ofChirp Scaling，PCS)对所述距离向数据进行处理，并将距离向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径距离向变换数据；所述合成孔径雷达回波数据以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据。其中，a＝4096，b＝2048。
上述步骤1)中，采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，具体为：将所述距离向数据乘以二次相位函数，得到第一计算结果；对所述第一计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第二计算结果；对所述第二计算结果进行快速傅里叶逆变换后，再乘以二次相位函数，得到第三计算结果；对所述第三计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第四计算结果；所述第四计算结果为距离向处理后的数据。
2)从所述DDR3存储器中转置读取所述合成孔径距离向变换数据中的方位向数据，采用SINC插值算法对所述方位向数据进行插值处理，并将方位向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径方位向变换数据；所述合成孔径方位向变换数据为合成孔径雷达初始图像。
3)对所述合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储。
步骤S4：利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差。
所述步骤S4，具体包括：
1)将所述合成孔径雷达初始图像中每一条方位向数据进行平方求和计算，得到每一条方位向数据的能量值大小，并按照能量值由大到小对所有的方位向数据进行排序。所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据。其中，a＝4096，b＝2048。
2)选取前N个能量值对应的前N条方向数据，构成初始目标区域，N＝b*25％。
3)对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；加窗操作在当前迭代次数t下的当前窗宽为w；当前迭代次数t＝1时，所述当前目标区域为初始目标区域；当前迭代次数t＝1时，当前窗宽w＝1024。
4)对所述加窗目标区域在方位向进行傅里叶逆变换，得到当前迭代次数下的相位误差梯度。
5)对所述当前相位误差梯度进行积分求和，得到当前迭代次数下的全孔径相位误差。
6)判断当前迭代次数是否达到预设迭代次数；所述预设迭代次数为6。
若当前迭代次数为6，则将所述全孔径相位误差与所述当前目标区域进行复乘运算，令t＝t+1，并将复乘运算后的目标区域作为当前目标区域，再令
Figure BDA0002230845310000101
后，返回所述步骤3)。
若当前迭代次数为6，则采用atan函数对当前迭代次数下的相位误差梯度进行求角，得到相位误差梯度角，并对所述相位误差梯度角进行累加求和，得到一维方位相位误差。
步骤S5：采用SINC插值算法对所述一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差。
步骤S6：将所述合成孔径方位向变换数据与所述两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据。
步骤S7：对所述补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速傅里叶逆变换，得到合成孔径雷达图像。
本实施例中的基于FPGA的SAR成像方法，采用改进的PFA算法，基于PCS原理实现距离向重采样，基于高精度SINC插值实现方位向重采样，并且用两维相位误差更精确地补偿PFA散焦图像，大大提高了运算效率，有利于硬件的快速实现；该方法中采用搭建上位机、以太网和FPGA开发板等硬件实施环境构成的系统，将上述信号处理模块映射到FPGA硬件上，能够实现微型SAR成像系统的高精度与实时化处理。
实施例2
图2为本发明实施例2一种SAR成像系统的结构示意图。参见图2，实施例的基于FPGA的SAR成像系统，包括：
数据接收模块201，用于接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据；所述合成孔径雷达回波数据存储在FPGA芯片内置的DDR3存储器中；所述雷达参数数据存储在所述FPGA芯片内置的REG寄存器中。
雷达参数计算模块202，用于读取所述雷达参数数据，计算成像所需的雷达参数，并将所述成像所需的雷达参数存储在RAM存储器中。
重采样模块203，用于读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像。
一维误差估计模块204，用于利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差。
二维误差估计模块205，用于采用SINC插值算法对所述一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差。
补偿模块206，用于将所述合成孔径方位向变换数据与所述两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据。
成像模块207，用于对所述补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速傅里叶逆变换，得到合成孔径雷达图像。
作为一种可选的实施方式，所述重采样模块203，具体包括：
距离向处理单元，用于从所述DDR3存储器中顺序读取所述合成孔径雷达回波数据中的距离向数据，采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，并将距离向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径距离向变换数据；所述合成孔径雷达回波数据以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据。
方位向处理单元，用于从所述DDR3存储器中转置读取所述合成孔径距离向变换数据中的方位向数据，采用SINC插值算法对所述方位向数据进行插值处理，并将方位向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径方位向变换数据；
第一变换单元，用于对所述合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储。
作为一种可选的实施方式，所述一维误差估计模块，具体包括：
排序单元，用于将所述合成孔径雷达初始图像中的方位向数据按照能量值由大到小排序；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据。
选取单元，用于选取前N个能量值对应的前N条方向数据，构成初始目标区域，N＝b*25％。
加窗单元，用于对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；加窗操作在当前迭代次数t下的当前窗宽为w；当前迭代次数t＝1时，所述当前目标区域为初始目标区域。
误差梯度计算单元，用于对所述加窗目标区域在方位向进行傅里叶逆变换，得到当前迭代次数下的相位误差梯度。
全孔径相位误差计算单元，用于对所述当前相位误差梯度进行积分求和，得到当前迭代次数下的全孔径相位误差。
判断单元，用于判断当前迭代次数是否达到预设迭代次数；若否，则将所述全孔径相位误差与所述当前目标区域进行复乘运算，令t＝t+1，并将复乘运算后的目标区域作为当前目标区域，再令
Figure BDA0002230845310000121
后，返回所述加窗单元；若是，则采用atan函数对当前迭代次数下的相位误差梯度进行求角，得到相位误差梯度角，并对所述相位误差梯度角进行累加求和，得到一维方位相位误差。
作为一种可选的实施方式，所述距离向处理单元，具体为：
第一计算子单元，用于将所述距离向数据乘以二次相位函数，得到第一计算结果。
第二计算子单元，用于对所述第一计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第二计算结果。
第三计算子单元，用于对所述第二计算结果进行快速傅里叶逆变换后，再乘以二次相位函数，得到第三计算结果。
第四计算子单元，用于对所述第三计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第四计算结果；所述第四计算结果为距离向处理后的数据。
本实施例的基于FPGA的SAR成像系统，能够实现SAR快速实时成像，提高了运算效率和成像精确度。
实施例3
图3为本发明实施例3基于FPGA的SAR成像方法的流程图；图4为本发明实施例3中FPGA硬件实现框图。参见图3和图4，本实施例提供的基于FPGA的SAR成像系统实现如下述步骤。
步骤一，将大小为4k*2k单精度浮点复数的微型SAR回波数据和格式为64位双精度复数的雷达参数数据通过上位机和以太网接口发送到FPGA开发板。微型SAR回波数据存储在FPGA芯片内置的DDR3存储器中，雷达参数数据存储在所述FPGA芯片内置的REG寄存器中。微型SAR回波数据以4096行2048列的形式存储；列数据为距离向数据，行数据为方位向数据。
步骤二，读取雷达参数数据，按照雷达参数计算模块中的雷达算法参数计算公式计算PFA成像所需参数，将其存入单口RAM中，等待距离向和方位向处理的调用。
步骤三，基于尺度变换原理对每个长度为4096点的距离向数据进行距离向处理，得到距离向重采样后的信号。该步骤具体为：顺序读取距离向数据，对每个长度为4096点的距离向数据进行距离向PCS处理，PCS处理过程为将距离向数据依次乘以二次相位函数和滤波器函数，再进行傅里叶变换，得到距离向重采样后的信号，最后转置写入DDR3中。
步骤四，基于高精度SINC插值对每个长度为2048点的方位向数据进行方位向处理，得到方位向插值数据。该步骤具体为：转置读取距离向重采样后的数据，基于高精度SINC插值对每个长度为2048点的方位向数据进行方位向处理，SINC插值过程为采用Keystone变换进一步校正残留距离徙动，得到方位向插值数据，最后顺序写入DDR3中。通过步骤一至四，得到合成孔径雷达初始图像。
步骤五，输入雷达参数数据，通过相位梯度自聚焦算法中的选择、圆移、加窗和相位估计，迭代六次之后得到一维方位相位误差，再经过累加计算，对一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差。该步骤具体为：
(a)假设回波信号的相位模型为：
Figure BDA0002230845310000131
其中，n表示第n条方位向脉冲，m表示方位位置索引，fn表示最强散射点的多普勒频率，ψn表示初始相位，
Figure BDA0002230845310000143
表示杂波噪声引入的干扰相位，γ(m)是需要估计的相位误差。
(b)在合成孔径雷达初始图像的图像域中选出占一定比例(20％)的能量最强的方位向数据，将它们的最强散射点移位到图像域中心位置，使其多普勒频率都变为零，即使fn＝0，则相位表达式变成：
Figure BDA0002230845310000144
(c)在图像域中心作加窗操作，设初始窗宽为1024，保留有效区域，减少干扰目标的影响。
(d)将加窗后的处理结果在方位向作傅里叶逆变换，从图像域转换到相位历史域，则信号表达式变为：
Figure BDA0002230845310000145
其中，aε,n为复散射系数。再用两个相邻方位向数据梯度的自相关来求得相位误差梯度的最大似然估计：
Figure BDA0002230845310000141
(e)对相位误差梯度积分求和得到全孔径相位误差。
Figure BDA0002230845310000142
(f)采用全孔径相位误差对合成孔径雷达初始图像进行补偿，即将全孔径相位误差与合成孔径雷达初始图像进行复乘运算，重复上述步骤(b)～(e)，每次将窗宽长度减少一半，进行6次迭代处理，得到最终的相位误差和相位误差梯度。
(g)用atan函数对相位误差梯度进行求角，得到相位误差梯度角，并对相位误差梯度角进行累加求和得到一维方位相位误差。
(h)针对每一条方位向数据，计算插值坐标，对一维方位相位误差进行SINC插值，得到两维相位误差。
步骤六，用两维相位误差补偿方位向数据(将合成孔径雷达初始图像与两维相位误差做复乘运算)，再对补偿后的数据做两维FFT得到最终成像数据。其中，将复数乘加模块、CORDIC相位计算模块、FFT模块进行时分复用，能够极大地节省FPGA硬件资源，提高运算效率。
步骤七，将最终成像数据通过以太网接口发送回上位机，在电脑终端显示最终成像结果。图5为本发明实施例3中以太网传输过程流程图，该图表示以太网数据通信模块与传统的五层传输协议的对照关系，具体的，以太网数据通信模块通过SFP-GET型收发器、ISE中的IP(Intellectual Property)核(具体包括Ethernet 1000BASE-X PCS/PMA core、Tri-mode Ethernet MAC core)及UDP/IP协议实现，以确保SAR数据在板卡核PC间的快速低错误传输。数据会在TX_FIFO和RX_FIFO中缓存一下再传输到其他模块。
下面提供了一个更为具体的实施方式。
该实施方式中，基于FPGA的SAR成像系统的实现方法，采用Xilinx公司的Virtex7XC7VX690T开发板搭建微型SAR实时成像系统。PLL倍频产生200MHz差分时钟驱动片内各个模块，片上提供复位按键对FPGA进行全局复位。本系统处理数据大小4Kx2K的64位单精度浮点复数，数据通过以太网传输到DDR上，结合基于尺度变换的PFA算法以及两维相位补偿处理，得到了清晰的成像结果，满足雷达实时性和高分辨的要求。表1为雷达参数数据，表2为主要资源占用情况。
表1
平台速度 69.29m/s
雷达作用距离 8000m
飞行高度 1920.28m
波长 0.02m
斜视角 0°
发射信号带宽 360MHz
脉冲重复频率 1066.858Hz
脉宽 14us
距离向采样频率 400MHz
载频 14.5GHz
表2
Figure BDA0002230845310000151
图6为本发明具体实施方式中基于FPGA的SAR成像方法的流程图。该实施方式中基于FPGA的SAR成像方法具体实现步骤为：
(1)将大小为4096*2048单精度浮点复数的微型SAR回波数据和格式为64位双精度复数的雷达参数数据通过上位机和以太网接口发送到FPGA开发板，其中，将回波数据存储到起始地址为addrblock1(addrblock1＝0)的DDR3中。
(2)读取雷达参数数据，按照雷达算法参数计算公式计算PFA成像所需参数，将其存入单口RAM中，等待距离向和方位向处理的调用。
(3)从addrblock1地址开始顺序读取距离向数据，对每个长度为4096点的距离向数据进行距离向PCS处理，通过将Chirp形式的雷达回波信号依次乘以二次相位函数和滤波器函数后，再进行傅里叶变换，得到距离向重采样后的信号，最后转置写入addrblock2地址中(addrblock2＝Nr*Na,Nr＝4096,Na＝2048)。
(4)从addrblock2地址开始转置读取距离向重采样后的数据，基于高精度SINC插值对每个长度为2048点的方位向数据进行方位向处理，具体的采用Keystone变换进一步校正残留距离徙动后，得到方位向插值数据，最后顺序写入addrblock1地址中。
(5)输入雷达参数数据，通过相位梯度自聚焦算法中的选择、圆移、加窗和相位估计，迭代六次之后得到一维方位相位误差，再对一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差。具体分为如下步骤：
a.从addrblock1地址开始顺序读取4096条方位向脉冲，进行两维FFT处理后转置写入addrblock3地址中(addrblock3＝2*Nr*Na,Nr＝4096,Na＝2048)。
b.从addrblock3地址开始顺序读取4096条方位向脉冲，输入到PGA模块。计算每个距离门的平方和，选出PGA_Nsel条(PGA_Nsel＝Nr*0.25)能量最大的距离门。
c.将挑选出来的距离门数据缓存在RAM中，等待找到距离门的最大值的位置索引max_index后，设置RAM的读起始地址为max_index-Na/2，则RAM输出的最大值总是位于数据流的中心，即完成了循环移位操作。将RAM输出的数据流进行加窗和IFFT操作，得到相位梯度。
d.将相位梯度转换成定点数格式，利用CORDIC求取相角，再通过FLOATING POINTIP核求和得到定点数相位误差，最后将相位误差转换成浮点数。
e.将相位误差进行累加并缓存到RAM中，进行相位补偿后将补偿结果输入到c模块，重复c-e，进行下一次迭代。
f.迭代次数达到6次之后，得到最终的相位误差。
g.通过CORDIC求取相位误差的相位误差梯度角，并进行累加求和，得到一维方位相位误差。
h.针对每一个方位向数据，计算插值坐标，对一维方位相位误差进行SINC插值，得到两维相位误差。
i.从addrblock3地址开始转置读取4096条方位向脉冲，并乘以两维相位误差，再对补偿后的数据加两维汉明窗，最后输入到两维FFT模块得到最终成像数据，并将结果顺序写入addrblock4地址中(addrblock4＝3*Nr*Na,Nr＝4096,Na＝2048)。
j.从addrblock4地址开始顺序读取4096条方位向脉冲，并通过以太网传输到电脑端显示成像。
本实施例的基于FPGA的SAR成像方法，采用相位梯度自聚焦算法，先计算出一维方位相位误差，并逐脉冲对一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差，以此来补偿PFA成像结果，从而得到高分辨SAR图像。本实施例在FPGA上实现PFA算法以及二维自聚焦补偿，结合雷达信号处理特点以及FPGA优势，简化了计算步骤，提高了运算效率。并且，基于FPGA的信号处理系统用时2.1秒即可完成全部成像步骤，满足了雷达实时性和高分辨率的要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种SAR成像方法，其特征在于，包括：
接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据；所述合成孔径雷达回波数据存储在FPGA芯片内置的DDR3存储器中；所述雷达参数数据存储在所述FPGA芯片内置的REG寄存器中；
读取所述雷达参数数据，计算成像所需的雷达参数，并将所述成像所需的雷达参数存储在RAM存储器中；
读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；
利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；
采用SINC插值算法对所述一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差；
将所述合成孔径方位向变换数据与所述两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据；
对所述补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速傅里叶逆变换，得到合成孔径雷达图像；
所述利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差，具体包括：
将所述合成孔径雷达初始图像中的方位向数据按照能量值由大到小排序；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
选取前N个能量值对应的前N条方向数据，构成初始目标区域；其中，N＝b*25％；
对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；加窗操作在当前迭代次数t下的当前窗宽为w；当前迭代次数t＝1时，所述当前目标区域为初始目标区域；
对所述加窗目标区域在方位向进行傅里叶逆变换，得到当前迭代次数下的相位误差梯度；
对所述当前相位误差梯度进行积分求和，得到当前迭代次数下的全孔径相位误差；
判断当前迭代次数是否达到预设迭代次数；
若否，则将所述全孔径相位误差与所述当前目标区域进行复乘运算，令t＝t+1，并将复乘运算后的目标区域作为当前目标区域，再令
Figure FDA0002922690810000021
后，返回所述对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；
若是，则采用atan函数对当前迭代次数下的相位误差梯度进行求角，得到相位误差梯度角，并对所述相位误差梯度角进行累加求和，得到一维方位相位误差。
2.根据权利要求1所述的一种SAR成像方法，其特征在于，所述读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像，具体包括：
从所述DDR3存储器中顺序读取所述合成孔径雷达回波数据中的距离向数据，采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，并将距离向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径距离向变换数据；所述合成孔径雷达回波数据以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
从所述DDR3存储器中转置读取所述合成孔径距离向变换数据中的方位向数据，采用SINC插值算法对所述方位向数据进行插值处理，并将方位向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径方位向变换数据；
对所述合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储。
3.根据权利要求2所述的一种SAR成像方法，其特征在于，所述采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，具体为：
将所述距离向数据乘以二次相位函数，得到第一计算结果；
对所述第一计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第二计算结果；
对所述第二计算结果进行快速傅里叶逆变换后，再乘以二次相位函数，得到第三计算结果；
对所述第三计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第四计算结果；所述第四计算结果为距离向处理后的数据。
4.根据权利要求1所述的一种SAR成像方法，其特征在于，所述预设迭代次数为6；当前迭代次数t＝1时，当前窗宽w＝1024。
5.根据权利要求1或2所述的一种SAR成像方法，其特征在于，a＝4096，b＝2048。
6.一种SAR成像系统，其特征在于，包括：
数据接收模块，用于接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据；所述合成孔径雷达回波数据存储在FPGA芯片内置的DDR3存储器中；所述雷达参数数据存储在所述FPGA芯片内置的REG寄存器中；
雷达参数计算模块，用于读取所述雷达参数数据，计算成像所需的雷达参数，并将所述成像所需的雷达参数存储在RAM存储器中；
重采样模块，用于读取所述成像所需的雷达参数，采用极坐标格式算法对所述合成孔径雷达回波数据进行重采样，并对重采样后得到的合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；
一维误差估计模块，用于利用相位梯度自聚焦算法，对所述合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；
二维误差估计模块，用于采用SINC插值算法对所述一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差；
补偿模块，用于将所述合成孔径方位向变换数据与所述两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据；
成像模块，用于对所述补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速傅里叶逆变换，得到合成孔径雷达图像；
所述一维误差估计模块，具体包括：
排序单元，用于将所述合成孔径雷达初始图像中的方位向数据按照能量值由大到小排序；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
选取单元，用于选取前N个能量值对应的前N条方向数据，构成初始目标区域；其中，N＝b*25％；
加窗单元，用于对当前迭代次数t下的当前目标区域进行加窗操作，得到加窗目标区域；加窗操作在当前迭代次数t下的当前窗宽为w；当前迭代次数t＝1时，所述当前目标区域为初始目标区域；
误差梯度计算单元，用于对所述加窗目标区域在方位向进行傅里叶逆变换，得到当前迭代次数下的相位误差梯度；
全孔径相位误差计算单元，用于对所述当前相位误差梯度进行积分求和，得到当前迭代次数下的全孔径相位误差；
判断单元，用于判断当前迭代次数是否达到预设迭代次数；若否，则将所述全孔径相位误差与所述当前目标区域进行复乘运算，令t＝t+1，并将复乘运算后的目标区域作为当前目标区域，再令
Figure FDA0002922690810000041
后，返回所述加窗单元；若是，则采用atan函数对当前迭代次数下的相位误差梯度进行求角，得到相位误差梯度角，并对所述相位误差梯度角进行累加求和，得到一维方位相位误差。
7.根据权利要求6所述的一种SAR成像系统，其特征在于，所述重采样模块，具体包括：
距离向处理单元，用于从所述DDR3存储器中顺序读取所述合成孔径雷达回波数据中的距离向数据，采用尺度变换原理对所述距离向数据进行处理，并将距离向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径距离向变换数据；所述合成孔径雷达回波数据以a行b列的形式存储；其中，b列表示b条距离向数据，a行表示a条方位向数据；
方位向处理单元，用于从所述DDR3存储器中转置读取所述合成孔径距离向变换数据中的方位向数据，采用SINC插值算法对所述方位向数据进行插值处理，并将方位向处理后的数据转置写回所述DDR3存储器中，得到合成孔径方位向变换数据；
第一变换单元，用于对所述合成孔径方位向变换数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；所述合成孔径雷达初始图像以a行b列的形式存储。
8.根据权利要求7所述的一种SAR成像系统，其特征在于，所述距离向处理单元，具体为：
第一计算子单元，用于将所述距离向数据乘以二次相位函数，得到第一计算结果；
第二计算子单元，用于对所述第一计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第二计算结果；
第三计算子单元，用于对所述第二计算结果进行快速傅里叶逆变换后，再乘以二次相位函数，得到第三计算结果；
第四计算子单元，用于对所述第三计算结果进行快速傅里叶变换后，再乘以滤波器函数，得到第四计算结果；所述第四计算结果为距离向处理后的数据。
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