CN111025293A - 一种应用于小卫星sar的高效fpga实时成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，属于合成孔径雷达技术领域；包括距离脉压模块、RAM存储模块、寻址模块、求相干散射系数模块和复乘累加模块；采用固定后向投影成像网格点，遍历雷达载机所在方位向位置的方式，先累加得到一个成像点成像结果，再依次遍历全部成像网格点，实现了对全部成像网格的成像；提高了算法的开发效率，实现了SAR的距离向分块的后向投影算法在一片FPGA芯片上的开发；本发明有效地实现了通过模型化的设计快速实现SAR距离向分块的后向投影成像算法的纯FPGA实现问题。

Description

一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统

技术领域

本发明属于合成孔径雷达技术领域，涉及一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统。

背景技术

合成孔径雷达是主动式微波成像雷达，它能够对目标精确地进行二维高分辨率成像。

SAR成像算法实现方面，目前普遍采用的方法有：FPGA+DSP实现，目前大多采用的实现方式为DSP+FPGA的实现方式，即用FPGA完成回波预处理，采用DSP作为成像处理的核心，主要采用软件的方式处理数据转置，多普勒参数估计等问题，然而DSP没有足够的硬件资源可以利用，处理速度不够快，灵活性不强，随着对SAR处理性能的要求越来越高，采用DSP的实现方式在效率方面远不能满足这种趋势的要求。而FPGA具有更多的硬件资源可以利用，处理速度更快，灵活性更好，提高了整个系统的实时性。但是传统的FPGA开发方式周期长，且对开发人员具有较高的编程能力要求，导致开发周期长，效率低，并且对算法的适应性比较差，即随着星载SAR成像算法的优化，FPGA的开发需要较长的时间，在算法实现方面存在弊端。因此需要一种更高效的FPGA开发技术，既能满足硬件开发需求，又能快速高效地完成算法的优化与实现。

在使用FPGA进行数字信号处理算法设计时，设计者经常遇到的最大问题是怎样完成从算法设计到物理实现的转换。传统的实现步骤需要用户首先进行浮点运算仿真，然后转化为定点运算，再将定点算法编写为HDL代码，通过反复的功能仿真和后仿真验证程序的正确性，最终产生比特流文件。这一过程非常复杂，对开发人员的硬件知识要求很高，而通常的硬件工程师对复杂的数字信号处理算法又了解较少，并没有一种快速进行SAR成像算法的FPGA实现的开发方式。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，有效地实现了通过模型化的设计快速实现SAR距离向分块的后向投影成像算法的纯FPGA实现问题

本发明解决技术的方案是：

一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，包括距离脉压模块、RAM存储模块、寻址模块、求相干散射系数模块和复乘累加模块；

距离脉压模块：接收外部处理机传来的基带脉冲信号，对基带脉冲信号进行距离向脉冲压缩处理，获得脉压结果，将脉压结果发送至RAM存储模块；统计接收当前基带脉冲信号的序号，将序号发送至寻址模块；

RAM存储模块：接收距离脉压模块传来的脉压结果，存储；接收寻址模块传来的读地址，存储；根据读地址读取脉压结果；将读取的脉压结果发送至复乘累加模块；

寻址模块：建立回波区域的成像网格；测量外部雷达载机到成像网格中当前单个网格的距离R_ij，i为任意单个网格的行数，j为任意单个网格的行数；将外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij发送至求相干散射系数模块；计算外部雷达载机到当前网格的双程延时时间t；计算当前脉冲对应的点数a；根据当前脉冲对应的点数a计算RAM存储模块的读地址；将读地址发送至RAM存储模块；

求相干散射系数模块：接收寻址模块传来的外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij；根据外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij计算当前单个网格对应的相干散射系数；将当前单个网格对应的相干散射系数发送至复乘累加模块；

复乘累加模块：接收RAM存储模块传来的脉压结果；接收求相干散射系数模块传来的当前单个网格对应的相干散射系数；将脉压结果与当前单个网格对应的相干散射系数相乘得到当前单个网格的成像结果；将成像结果输出至外部显示端；

重复遍历成像网格中的全部单个网格，获得整个成像网格的成像结果。

在上述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，所述距离脉压模块采用频域脉压的方法对基带脉冲信号进行距离向脉冲压缩处理。

在上述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，成像网格的横坐标为方位向，纵坐标为距离向。

在上述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，单个网格的尺寸为256*1024像素；单个网格的纵坐标长度为基带脉冲信号的一个脉冲。

在上述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，所述外部雷达载机到当前网格的双程延时时间t的计算方法为：

式中，c为光速。

在上述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，所述当前脉冲对应的点数a的计算方法为：

式中，Fs为基带脉冲信号采样率；

Rs为雷达载机到成像网格中心的距离；

nrn为网格距离向的点数。

在上述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，当前单个网格对应的相干散射系数包括相干散射系数的实部expre和相干散射系数的虚部expim。

在上述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，所述相干散射系数的实部expre的计算方法为：

expre＝cos(R·j·4π/λ)

相干散射系数的虚部expim的计算方法为：

expim＝sin(R·j·4π/λ)。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用了在距离向分块的方式，提高了脉冲压缩在距离向上并行的效率，实现了距离向脉冲压缩；

(2)本发明采用固定后向投影成像网格点，遍历雷达载机所在方位向位置的方式，先累加得到一个成像点成像结果，再依次遍历全部成像网格点，实现了对全部成像网格的成像；

(3)本发明提高了算法的开发效率，实现了SAR的距离向分块的后向投影算法在一片FPGA芯片上的开发。

附图说明

图1为本发明FPGA实时成像系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，并用该系统实现了SAR的距离向分块的后向投影算法在纯FPGA上的开发；本发明的匹配系统完成了SAR后向投影成像算法在FPGA上的快速开发，为SAR实时作战提供了技术支撑，此方法有效解决了传统FPGA开发中存在的开发周期长、开发过程繁琐、维护成本高等问题，该发明同样也适用于基于MATLAB进行SAR其他成像算法的FPGA实现的快速开发

如图1所示，高效FPGA实时成像系统，主要包括距离脉压模块、RAM存储模块、寻址模块、求相干散射系数模块和复乘累加模块；

距离脉压模块：接收外部处理机传来的基带脉冲信号，采用频域脉压的方法对基带脉冲信号进行距离向脉冲压缩处理，获得脉压结果，将脉压结果发送至RAM存储模块；统计接收当前基带脉冲信号的序号，将序号发送至寻址模块；

RAM存储模块：接收距离脉压模块传来的脉压结果，存储；接收寻址模块传来的读地址，存储；根据读地址读取脉压结果；将读取的脉压结果发送至复乘累加模块；

寻址模块：建立回波区域的成像网格；成像网格的横坐标为方位向，纵坐标为距离向。单个网格的尺寸为256*1024像素；单个网格的纵坐标长度为基带脉冲信号的一个脉冲。测量外部雷达载机到成像网格中当前单个网格的距离R_ij，i为任意单个网格的行数，j为任意单个网格的行数；将外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij发送至求相干散射系数模块；计算外部雷达载机到当前网格的双程延时时间t；外部雷达载机到当前网格的双程延时时间t的计算方法为：

式中，c为光速。根据双程延时时间t计算当前脉冲对应的点数a；当前脉冲对应的点数a的计算方法为：

式中，Fs为基带脉冲信号采样率；

Rs为雷达载机到成像网格中心的距离；

nrn为网格距离向的点数。根据当前脉冲对应的点数a计算RAM存储模块的读地址；将读地址发送至RAM存储模块；

求相干散射系数模块：接收寻址模块传来的外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij；根据外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij计算当前单个网格对应的相干散射系数；当前单个网格对应的相干散射系数包括相干散射系数的实部expre和相干散射系数的虚部expim。相干散射系数的实部expre的计算方法为：

expre＝cos(R·j·4π/λ)

相干散射系数的虚部expim的计算方法为：

expim＝sin(R·j·4π/λ)。将当前单个网格对应的相干散射系数发送至复乘累加模块。

复乘累加模块：接收RAM存储模块传来的脉压结果；接收求相干散射系数模块传来的当前单个网格对应的相干散射系数；将脉压结果与当前单个网格对应的相干散射系数相乘得到当前单个网格的成像结果；将成像结果输出至外部显示端。

重复遍历成像网格中的全部单个网格，获得整个成像网格的成像结果。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：包括距离脉压模块、RAM存储模块、寻址模块、求相干散射系数模块和复乘累加模块；

距离脉压模块：接收外部处理机传来的基带脉冲信号，对基带脉冲信号进行距离向脉冲压缩处理，获得脉压结果，将脉压结果发送至RAM存储模块；统计接收当前基带脉冲信号的序号，将序号发送至寻址模块；

RAM存储模块：接收距离脉压模块传来的脉压结果，存储；接收寻址模块传来的读地址，存储；根据读地址读取脉压结果；将读取的脉压结果发送至复乘累加模块；

寻址模块：建立回波区域的成像网格；测量外部雷达载机到成像网格中当前单个网格的距离R_ij，i为任意单个网格的行数，j为任意单个网格的行数；将外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij发送至求相干散射系数模块；计算外部雷达载机到当前网格的双程延时时间t；计算当前脉冲对应的点数a；根据当前脉冲对应的点数a计算RAM存储模块的读地址；将读地址发送至RAM存储模块；

求相干散射系数模块：接收寻址模块传来的外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij；根据外部雷达载机到当前单个网格的距离R_ij计算当前单个网格对应的相干散射系数；将当前单个网格对应的相干散射系数发送至复乘累加模块；

复乘累加模块：接收RAM存储模块传来的脉压结果；接收求相干散射系数模块传来的当前单个网格对应的相干散射系数；将脉压结果与当前单个网格对应的相干散射系数相乘得到当前单个网格的成像结果；将成像结果输出至外部显示端；

重复遍历成像网格中的全部单个网格，获得整个成像网格的成像结果。

2.根据权利要求1所述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：所述距离脉压模块采用频域脉压的方法对基带脉冲信号进行距离向脉冲压缩处理。

3.根据权利要求2所述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：成像网格的横坐标为方位向，纵坐标为距离向。

4.根据权利要求3所述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：单个网格的尺寸为256*1024像素；单个网格的纵坐标长度为基带脉冲信号的一个脉冲。

5.根据权利要求4所述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：所述外部雷达载机到当前网格的双程延时时间t的计算方法为：

式中，c为光速。

6.根据权利要求5所述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：所述当前脉冲对应的点数a的计算方法为：

式中，Fs为基带脉冲信号采样率；

Rs为雷达载机到成像网格中心的距离；

nrn为网格距离向的点数。

7.根据权利要求6所述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：当前单个网格对应的相干散射系数包括相干散射系数的实部expre和相干散射系数的虚部expim。

8.根据权利要求7所述的一种应用于小卫星SAR的高效FPGA实时成像系统，其特征在于：所述相干散射系数的实部expre的计算方法为：

expre＝cos(R·j·4π/λ)

相干散射系数的虚部expim的计算方法为：

expim＝sin(R·j·4π/λ)。

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