CN111896956A - 基于fpga和dsp的实时微波关联成像装置及方法 - Google Patents
基于fpga和dsp的实时微波关联成像装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111896956A CN111896956A CN202010794268.2A CN202010794268A CN111896956A CN 111896956 A CN111896956 A CN 111896956A CN 202010794268 A CN202010794268 A CN 202010794268A CN 111896956 A CN111896956 A CN 111896956A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- phased array
- module
- antenna
- dsp
- core
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 29
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 19
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 18
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 18
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 16
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 230000033772 system development Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/904—SAR modes
- G01S13/9043—Forward-looking SAR
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9094—Theoretical aspects
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于FPGA和DSP的实时微波关联成像装置及方法，最主要解决现有技术中关联成像算法耗时较长，无法实时成像，缺乏完整成像装置的问题。其装置包括天线控制模块、DSP模块、A/D模块、FPGA模块、PC显示器模块。其步骤包括：(1)产生并发送随机相位编码信息；(2)产生随机涨落的天线辐射场；(3)采集数据；(4)预处理并发送回波数据；(5)获取微波关联超分辨图像；(6)PC显示器模块显示微波关联超分辨图像。本发明充分利用FPGA和DSP各自的架构特点，发挥多核DSP的并行执行的优势和处理速度，在很好地满足实时性的前提下，同时保证较高的精确度。
Description
技术领域
本发明属于雷达通信技术领域，更进一步涉及雷达成像技术领域中的一种基于现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)和数字信号处理器DSP(DigitalSignal Processing)的实时微波关联成像装置及方法。本发明可用于前视或凝视场景下，对雷达回波数据进行实时成像处理，获得雷达关联成像超分辨图像。
背景技术
微波关联成像技术是结合了微波实孔径成像技术和量子成像理论而产生的改进的成像理论。微波关联成像是通过构造时空两维随机变化的辐射场与目标相互作用，通过接收的散射回波与辐射场作关联处理，从而实现观测区域内目标的高分辨雷达成像。同时微波关联成像不依赖于目标物体与雷达之间的相对运动而产生的多普勒效应，可以在前视或凝视场景下完成超分辨图像，有效突破了瑞利实孔径分辨极限。进行作为一种新的高分辨雷达成像技术，在成像机理和实验系统研制等方面已取得显著进展。
西安电子科技大学在其提出的专利申请文献“一种基于相控阵雷达的三维关联成像方法”(申请日：2014.08.22，申请号201410416039.1，公告号CN104181531A)中公开了一种基于相控阵雷达的三维关联成像方法。该方法提出了多阵元稀疏排布的随机辐射源阵列构型，并且在稀疏约束的条件下求解目标，采用l1范数正则化算法对每个剖面的数据进行多次迭代，完成了对目标的高分辨三维成像。但是该方法仍然存在的不足之处是，该方法采用的成像方法迭代次数较多，且迭代次数随数据量的增加而增加，对于大数据量的数据进行处理时，耗时较长，无法完成对数据的实时处理，只能在仿真中完成，无法应用于工程之中。
程永强、周小利等在其发表的论文“Radar Coincidence Imaging withStochastic Frequency Modulated Array”(IEEE Journal of Selected Topics inSignal Processing2017)中提出了一种微波关联成像系统。该系统由系统总控模块、发射机模块、接收机模块组成，并利用所研制的微波关联成像实验系统进行了外场实验，进一步验证了系统性能和技术可行性。但是该系统仍然存在的不足之处是，该系统只是完成目标回波数据的采集工作，对于成像处理则仅能在PC端进行，且耗时较长，无法应用于工程实践。
在方法理论研究到达较为成熟时，必须推进相关的实用化研究，使得微波关联成像方法能够真正地应用于国防领域，最终利慧于民。使用微波关联成像方法进行成像时，要求雷达在前视或凝视时获得方位向的超分辨率，该要求使得在利用稀疏先验信息进行关联优化过程中必须多次循环迭代，并且运算中存在着大矩阵求逆等复杂运算操作，整个关联优化求解过程复杂，运算量大，实时性要求高。利用DSP+FPGA架构超高的运算速率和灵活性的特点可以使微波关联成像获得较大的提升空间。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于FPGA和DSP的实时微波关联成像装置及方法，该实时微波关联成像装置充分发挥现场可编程门阵列(FPGA)高效并行和数据分配灵活的特点，以及数字信号处理器(DSP)的强大浮点运算能力，实现实时微波关联成像目的。
实现本发明方法目的的思路是：首先DSP产生一串随机相位编码信息，接着通过DSP与FPGA之间的串行高速接口RapidIO将数据传送至FPGA，FPGA接收到随机相位编码信息后，将随机相位编码信息通过串口UART发送至天线控制模块，天线控制模块将接收到的随机相位编码信息发送至相控阵发射天线产生随机辐射场。FPGA将采样后的回波数据进行下变频处理，之后通过FPGA与DSP之间的串行高速接口RapidIO将处理后的数据传送至DSP。DSP对接收到的回波数据采用八核并行处理，可以加快微波关联成像速度，同时在关联求解过程中采用正交匹配跟踪算法，避免了对矩阵的直接求逆操作，进而达到实时微波关联成像的目的。
本发明的实时微波关联成像装置，包括天线控制模块、DSP模块、A/D模块、FPGA模块、PC显示器模块，其中：
所述天线控制模块，用于按照接收到的随机相位编码信息控制相控阵天线；
所述A/D模块用于实时采集接收天线接收到的回波信号；
所述FPGA模块，用于对A/D采集到的回波信号进行数字下变频的预处理，将基带回波信号发送至DSP模块的同时向DSP模块发送一个中断信息；
所述DSP模块，用于对接收的基带回波信号依次进行脉冲压缩、走动校正，计算相控阵天线的等效方向图、通过等效方向图对走动校正后的回波数据采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解、将超分辨图像数据传送至PC显示器模块；
所述PC显示器模块，用于显示微波关联超分辨图像。
本发明的实时微波关联成像方法的步骤包括如下：
步骤1，产生并发送随机相位编码信息：
DSP模块产生随机相位编码信息，并将此信息通过串行高速接口发送至FPGA模块，FPGA模块将接收到的随机相位编码信息通过同步串口发送至天线控制模块，该随机相位编码信息主要包括相控阵发射天线相位和相控阵接收天线相位；
步骤2，产生随机涨落的天线辐射场：
天线控制模块按照接收到的随机相位编码信息控制相控阵天线，其中发射相位信息控制相控阵发射天线产生随机涨落的天线辐射场，接收相位信息控制相控阵接收天线阵接收回波；
步骤3，采集数据：
A/D输入模块实时采集接收天线接收到的回波信号；
步骤4，预处理并发送回波数据：
FPGA模块对A/D模块采集到的回波信号进行数字下变频的预处理，得到基带回波信号,通过串行高速接口将基带回波信号发送至DSP模块的同时向DSP模块发送一个中断信息以通知DSP模块接收数据；
步骤5，获取微波关联超分辨图像：
第一步，DSP模块对接收的基带回波信号依次进行脉冲压缩、走动校正；
第二步，相控阵天线阵面划分为M×N个子阵，每个子阵大小K×L，按照下式，计算相控阵天线子阵方向图因子：
其中，Fsub(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵俯仰角β在t时刻的相控阵天线子阵方向图因子，K、L分别表示相控阵天线阵面子阵在X方向、Y方向阵元的总数，∑表示求和操作，exp表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数符号，k0表示空间自由波数，其中k0＝2π/λ，λ表示相控阵天线的工作波长，dx表示相控阵天线子阵阵元在X方向上相邻阵元的间距，sin表示正弦操作，cos表示余弦操作，θ0、β0分别表示Fsub(θ,β；t)方位角θ、俯仰角β在t时刻的极值点，dy表示相控阵天线子阵阵元在Y方向相邻阵元的间距；
第三步，按照下式，计算相控阵天线阵列综合方向图因子：
其中，Fsyn(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵的俯仰角β在t时刻的相控阵天线阵列综合方向图因子，M、N表示相控阵天线阵面在X方向、Y方向子阵的总数，Δφm,n(t)表示相控阵天线子阵间额外叠加的随机相位，该随机相位是由步骤1产生的随机相位编码信息；
第四步，按照下式，DSP模块计算相控阵天线的等效方向图：
F(θ,β；t)＝Fsub(θ,β；t)×Fsyn(θ,β；t)
其中，F(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵的俯仰角β在t时刻的相控阵天线等效方向图；
第五步，DSP模块通过等效方向图对走动校正后的回波数据采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解：
E(t)＝F(θ,β；t)σ(t)
其中，E(t)表示t时刻的经过脉冲压缩、走动校正后的数据，σ(t)表示t时刻待恢复的微波关联超分辨图像；
第六步，DSP模块通过千兆以太网接口Ethernet将第五步求出的微波关联超分辨图像数据传送至PC显示器模块；
步骤6，成像：
PC显示器模块显示微波关联超分辨图像。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明的装置中采用了FPGA模块进行数据采集，同时还采用DSP模块在进行数据处理时，采用正交匹配跟踪算法求解稀疏矩阵，克服了现有技术中仅仅完成目标回波数据的采集工作，成像处理则利用计算机主机PC端进行导致耗时较长，无法应用于工程实践的问题。使得本发明在系统设计过程中，模块的设计与模块间的通信均经过严格的硬件平台验证，以保证系统的实时性和可行性，在很好地满足系统的实时性的前提下，同时保证较高的精确度。
第二，由于本发明的方法中采用正交匹配跟踪算法对回波数据进行关联优化求解，避免了对大矩阵的直接求逆操作，克服了对于大数据量的数据进行处理时，耗时较长，无法完成对数据的实时处理，只能在仿真中完成，无法应用于工程之中的问题。使得本发明的方法提高了整体的执行效率，缩短了运行时间，能够更快速获得微波关联成像结果，很好地满足了实时性的要求。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明的现场可编程门阵列(FPGA)的数据流向示意图；
图3是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
参照图1，对本发明的微波关联成像装置做进一步详细说明。
本发明微波关联成像装置包括天线控制模块、A/D模块、FPGA模块、DSP模块、PC显示器模块，图1中的箭头表示模块间数据的流向。
所述天线控制模块，用于按照接收到的随机相位编码信息控制相控阵天线；
所述A/D输入模块用于实时采集接收天线接收到的回波信号。
所述FPGA模块，用于对A/D采集到的回波信号进行数字下变频的预处理，将基带回波信号发送至DSP模块的同时向DSP模块发送一个中断信息。
参照图2，对本发明装置中的现场可编程门阵列(FPGA)的数据流向做进一步详细说明。
FPGA实时接收前端模块传送过来的回波数据，并对该回波数据进行低压差分信号LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接收模块处理、并按照先进先出FIFO(FirstInput First Output)队列原则进行输出后，经过直接数字控制系统DDC(Direct DigitalControl)得到基带回波数据，然后通过串行高速接口RapidIO将该基带回波数据发送至DSP，图2中的箭头表示算法的先后顺序。
所述DSP模块，用于对接收的基带回波信号依次进行脉冲压缩、走动校正，计算相控阵天线的等效方向图、通过等效方向图对走动校正后的回波数据采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解、将超分辨图像数据传送至PC显示器模块；
所述PC显示器模块，用于显示微波关联超分辨图像。
参照图3，对本发明方法的具体步骤做进一步详细说明。
步骤1，产生并发送随机相位编码信息。
DSP模块产生随机相位编码信息，并将此信息通过串行高速接口发送至FPGA模块，FPGA模块将接收到的随机相位编码信息通过同步串口发送至天线控制模块。该随机相位编码信息主要包括相控阵发射天线相位和相控阵接收天线相位。
步骤2，产生随机涨落的天线辐射场。
天线控制模块按照接收到的随机相位编码信息控制相控阵天线，其中发射相位信息控制相控阵发射天线产生随机涨落的天线辐射场，接收相位信息控制相控阵接收天线阵接收回波。
步骤3，采集数据。
A/D输入模块实时采集接收天线接收到的回波信号。
步骤4，预处理并发送回波数据。
FPGA模块对A/D模块采集到的回波信号进行数字下变频的预处理，得到基带回波信号,通过串行高速接口将基带回波信号发送至DSP模块的同时向DSP模块发送一个中断信息以通知DSP模块接收数据。
步骤5，获取微波关联超分辨图像。
第1步，DSP模块对接收的基带回波信号依次进行脉冲压缩、走动校正。
第2步，相控阵天线阵面划分为M×N个子阵，每个子阵大小K×L，按照下式，计算相控阵天线子阵方向图因子。
其中，Fsub(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵俯仰角β在t时刻的相控阵天线子阵方向图因子，K、L分别表示相控阵天线阵面子阵在X方向、Y方向阵元的总数，∑表示求和操作，exp表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数符号，k0表示空间自由波数，其中k0＝2π/λ，λ表示相控阵天线的工作波长，dx表示相控阵天线子阵阵元在X方向上相邻阵元的间距，sin表示正弦操作，cos表示余弦操作，θ0、β0分别表示Fsub(θ,β；t)方位角θ、俯仰角β在t时刻的极值点，dy表示相控阵天线子阵阵元在Y方向相邻阵元的间距。
第3步，按照下式，计算相控阵天线阵列综合方向图因子：
其中，Fsyn(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵的俯仰角β在t时刻的相控阵天线阵列综合方向图因子，M、N表示相控阵天线阵面在X方向、Y方向子阵的总数，Δφm,n(t)表示相控阵天线子阵间额外叠加的随机相位，该随机相位是由步骤1产生的随机相位编码信息。
第4步，按照下式，DSP模块计算相控阵天线的等效方向图：
其中，F(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵的俯仰角β在t时刻的相控阵天线等效方向图。
第5步，DSP模块通过等效方向图对走动校正后的回波数据采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解：
上式可简化为：
E(t)＝F(θ,β；t)σ(t)
其中，E(t)表示t时刻的经过脉冲压缩、走动校正后的数据，σ(t)表示t时刻待恢复的微波关联超分辨图像。
下面对本发明步骤5中的每个子步骤在dsp模块中的处理过程做具体说明。
将本发明步骤5中的每个子步骤处理的数据均分为八份，采用八核DSP的主辅模式进行算法处理，即0核作为主核，1核到7核作为辅核；主核和辅核均会对自己接收到的数据进行算法处理，主核除了负责处理自己的数据以外，还负责各个核数据的积累、计算和分发。
本发明中使用硬件信号量实现八个核的同步功能，即首先每个核获取编号为本核核号加1的信号量，当所有核都获得对应信号量后，所有核同步进行算法操作。然后在进行下一步操作前，每个核释放信号量，当所有核都释放信号量后，所有核同步进行下一步操作。获取信号量和释放信号量交替进行。
所述主核接收到回波数据后，0核通过共享存储区变量通知各个核进行算法处理。主核和辅核分别获取编号为本核核号加1的信号量，当所有核都获得信号量后开始做第一步算法处理，即脉冲压缩。
压缩后的信号可写为：
其中，
表示在脉冲内快时间
方位慢时间tq对基带回波信号进行脉冲压缩后的数据，V表示相控阵天线照射场景的单元，σi表示第i个目标散射点的散射系数，θi,βi分别表示第i个目标散射点的以雷达视线方向为参考的方位角、俯仰角，F(θi,βi；tq)表示相控阵发射天线发射的第q次脉冲内的等效收发辐射方向图，B表示相控阵发射天线发射信号的带宽，c表示电磁波传播速度，Ri(tq)表示方位慢时间tq时刻第i个目标散射点与相控阵天线的距离，λ表示相控阵发射天线发射信号的波长。
脉冲压缩后每个核释放编号为本核核号加1的信号量，当所有核都释放信号量后即进行走动校正。在实际过程中，每个点的距离走动形式可能是空变的，对所有点进行统一的走动校正并不能完全消除残余走动项。因此，每个点按统一补偿的残余相位带来的走动必须小于距离单元的大小。在此条件下，可以忽略包络走动的影响，但相位必须考虑。此时走动校正后第u个距离剖面，其回波信号可以离散化表示为：
其中，su(tq)表示在方位慢时间tq时刻第u个距离剖面的脉冲压缩后的数据,P＝NθNβ表示该距离面按等角度划分的矩形成像网格单元的总数，Nθ表示方位向点数，Nβ表示俯仰向点数，
表示第u个距离剖面内第p个散射单元的目标散射点的散射系数，F(θp,βp；tq)表示第q次脉冲内的等效收发辐射方向图，θp和βp分别表示第p个散射单元相对相控阵天线的方位角、俯仰角。主核和辅核分别获取编号为本核核号加1的信号量，当所有核都获得信号量后根据场景的稀疏先验信息，计算等效收发辐射方向图F(θi,βi；tq)。
每个核释放编号为本核核号加1的信号量，当所有核都释放信号量后进行关联优化求解。目前常用的基于压缩感知的稀疏优化方法主要有稀疏贝叶斯学习算法SBL(SparseBayesian Learning)，正交匹配跟踪算法OMP(Orthogonal Matching Pursuit)，本发明中的求解方法采用OMP算法。首先主核和辅核分别获取编号为本核核号加1的信号量，然后将处理后的回波数据按距离向分为八等份，根据核号，每个核对分到的数据采用正交匹配跟踪算法进行处理，当数据处理完后，每个核将结果根据核号依次在对应的地址上存储。
每个核释放编号为本核核号加1的信号量，当所有核都释放信号量后，0核将微波关联超分辨图像数据打包，通过以太网发送至PC显示器。
步骤6，PC显示器模块显示微波关联超分辨图像。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：使用FPGA+DSP架构的信号处理板卡作为仿真实验的硬件平台。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统、MATLAB R2018b、CodeComposer Studio 6.1.0。
本发明仿真实验所使用的输入数据采用软件MATLAB R2018b仿真生成一个目标场景，数据大小为1024*200*2，每个数据的位宽为32比特。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明仿真实验是采用本发明和两个现有技术(常规正交匹配跟踪算法(OMP)算法、稀疏贝叶斯学习(SBL)算法)，分别对输入数据进行稀疏优化求解，获得完成数据处理的时长。
现有技术常规正交匹配跟踪算法(OMP)算法是指，现工程应用中常用的对稀疏矩阵求解的算法。
现有技术稀疏贝叶斯学习(SBL)算法是指，Wipf,David P.，Rao,Bhaskar D.等人在“An Empirical Bayesian Strategy for Solving the Simultaneous SparseApproximation Problem,10.1109/TSP.2007.894265”中提出的对稀疏矩阵求解的算法。
利用数据处理过程的耗时作为评价指标，分别对三种方法的处理结果进行评价如表1所示。在本发明架构下各稀疏优化算法耗时结果如表1。
表1各稀疏优化算法性能对比表
从表1可见，相比于稀疏贝叶斯学习算法，正交匹配跟踪算法有着显著的时间优势，而本发明软件优化后的正交匹配跟踪算法耗时进一步大大减少，能较好的满足实时性的要求。
Claims (5)
1.一种基于FPGA和DSP的实时微波关联成像装置，包括天线控制模块、A/D模块、PC显示器模块，其特征在于，还包括FPGA模块、DSP模块；其中：
所述天线控制模块，用于按照接收到的随机相位编码信息控制相控阵天线；
所述A/D模块用于实时采集接收天线接收到的回波信号；
所述FPGA模块，用于对A/D采集到的回波信号进行数字下变频的预处理，将基带回波信号发送至DSP模块的同时向DSP模块发送一个中断信息；
所述DSP模块，用于对接收的基带回波信号依次进行脉冲压缩、走动校正，计算相控阵天线的等效方向图、通过等效方向图对走动校正后的回波数据采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解、将超分辨图像数据传送至PC显示器模块；
所述PC显示器模块，用于显示微波关联超分辨图像。
2.根据权利要求1所述装置的一种基于FPGA和DSP的实时微波关联成像方法，其特征在于，采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解，该方法的步骤包括以下：
步骤1，产生并发送随机相位编码信息：
DSP模块产生随机相位编码信息，并将此信息通过串行高速接口发送至FPGA模块，FPGA模块将接收到的随机相位编码信息通过同步串口发送至天线控制模块，该随机相位编码信息主要包括相控阵发射天线相位和相控阵接收天线相位；
步骤2，产生随机涨落的天线辐射场：
天线控制模块按照接收到的随机相位编码信息控制相控阵天线，其中发射相位信息控制相控阵发射天线产生随机涨落的天线辐射场，接收相位信息控制相控阵接收天线阵接收回波；
步骤3，采集数据：
A/D输入模块实时采集接收天线接收到的回波信号；
步骤4，预处理并发送回波数据：
FPGA模块对A/D模块采集到的回波信号进行数字下变频的预处理，得到基带回波信号,通过串行高速接口将基带回波信号发送至DSP模块的同时向DSP模块发送一个中断信息以通知DSP模块接收数据；
步骤5，获取微波关联超分辨图像：
第一步，DSP模块对接收的基带回波信号依次进行脉冲压缩、走动校正；
第二步，相控阵天线阵面划分为M×N个子阵，每个子阵大小K×L，按照下式，计算相控阵天线子阵方向图因子：
其中，Fsub(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵俯仰角β在t时刻的相控阵天线子阵方向图因子，K、L分别表示相控阵天线阵面子阵在X方向、Y方向阵元的总数，∑表示求和操作，exp表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数符号，k0表示空间自由波数，其中k0＝2π/λ，λ表示相控阵天线的工作波长，dx表示相控阵天线子阵阵元在X方向上相邻阵元的间距，sin表示正弦操作，cos表示余弦操作，θ0、β0分别表示Fsub(θ,β；t)方位角θ、俯仰角β在t时刻的极值点，dy表示相控阵天线子阵阵元在Y方向相邻阵元的间距；
第三步，按照下式，计算相控阵天线阵列综合方向图因子：
其中，Fsyn(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵的俯仰角β在t时刻的相控阵天线阵列综合方向图因子，M、N表示相控阵天线阵面在X方向、Y方向子阵的总数，Δφm,n(t)表示相控阵天线子阵间额外叠加的随机相位，该随机相位是由步骤1产生的随机相位编码信息；
第四步，按照下式，DSP模块计算相控阵天线的等效方向图：
F(θ,β；t)＝Fsub(θ,β；t)×Fsyn(θ,β；t)
其中，F(θ,β；t)表示相控阵天线子阵的方位角θ、相控阵天线子阵的俯仰角β在t时刻的相控阵天线等效方向图；
第五步，DSP模块通过等效方向图对走动校正后的回波数据采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解：
E(t)＝F(θ,β；t)σ(t)
其中，E(t)表示t时刻的经过脉冲压缩、走动校正后的数据，σ(t)表示t时刻待恢复的微波关联超分辨图像；
第六步，DSP模块通过千兆以太网接口Ethernet将第五步求出的微波关联超分辨图像数据传送至PC显示器模块；
步骤6，成像：
PC显示器模块显示微波关联超分辨图像。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA和DSP的实时微波关联成像方法，其特征在于，步骤2所述的天线控制模块控制相控阵发射天线产生随机涨落的天线辐射场指的是，天线控制模块将一组充分独立随机的相位编码信息发送至相控阵发射天线，构造随机涨落的天线辐射场。
4.根据权利要求2所述的基于FPGA和DSP的实时微波关联成像方法，其特征在于，步骤5第一步所述的DSP模块对接收的基带回波信号依次进行脉冲压缩、走动校正时的DSP模块采用八核DSP的主辅模式，即0核作为主核，1核到7核作为辅核；
所述脉冲压缩的步骤如下：主核接收到基带回波信号后，通过共享存储区变量通知各个辅核进行算法处理；当主核和所有辅核分别获取编号为本核核号加1的信号量后按照下式进行脉冲压缩：
其中，
表示在脉冲内快时间
方位慢时间tq对基带回波信号进行脉冲压缩后的数据，V表示相控阵天线照射场景的单元，σi表示第i个目标散射点的散射系数，θi,βi分别表示第i个目标散射点的以雷达视线方向为参考的方位角、俯仰角，F(θi,βi；tq)表示相控阵发射天线发射的第q次脉冲内的等效收发辐射方向图，B表示相控阵发射天线发射信号的带宽，c表示电磁波传播速度，Ri(tq)表示方位慢时间tq时刻第i个目标散射点与相控阵天线的距离，λ表示相控阵发射天线发射信号的波长；
所述走动校正的步骤如下：每个核释放编号为本核核号加1的信号量，当所有核都释放信号量后进行走动校正；对第u个距离剖面的回波按照下式进行离散化处理：
其中，su(tq)表示在方位慢时间tq时刻第u个距离剖面的脉冲压缩后的数据,P＝NθNβ表示该距离面按等角度划分的矩形成像网格单元的总数，Nθ表示方位向点数，Nβ表示俯仰向点数，
表示第u个距离剖面内第p个散射单元的目标散射点的散射系数，F(θp,βp；tq)表示第q次脉冲内的等效收发辐射方向图，θp和βp分别表示第p个散射单元相对相控阵天线的方位角、俯仰角。
5.根据权利要求2所述的基于FPGA和DSP的实时微波关联成像方法，其特征在于，步骤5第五步所述的通过等效方向图对走动校正后的回波数据采用正交匹配跟踪算法进行关联优化求解中的DSP模块采用八核DSP的主辅模式，即0核作为主核，1核到7核作为辅核，首先主核和辅核分别获取编号为本核核号加1的信号量，然后将处理后的回波数据按距离向分为八等份，根据核号，每个核对分到的数据采用正交匹配跟踪算法进行处理，当数据处理完后，每个核将结果根据核号依次在对应的地址上存储。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010794268.2A CN111896956B (zh) | 2020-08-10 | 2020-08-10 | 基于fpga和dsp的实时微波关联成像装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010794268.2A CN111896956B (zh) | 2020-08-10 | 2020-08-10 | 基于fpga和dsp的实时微波关联成像装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111896956A true CN111896956A (zh) | 2020-11-06 |
| CN111896956B CN111896956B (zh) | 2023-10-20 |
Family
ID=73246704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010794268.2A Active CN111896956B (zh) | 2020-08-10 | 2020-08-10 | 基于fpga和dsp的实时微波关联成像装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111896956B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113203997A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-08-03 | 杭州加速科技有限公司 | 基于硬浮点fpga的雷达超分辨测向方法、系统及数据处理设备 |
| CN113671492A (zh) * | 2021-07-29 | 2021-11-19 | 西安电子科技大学 | 一种面向机动平台前视成像的samp重构方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102006022814A1 (de) * | 2006-05-13 | 2007-11-15 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitenansicht-Radarsystem mittels Digital Beamforming |
| CN201491187U (zh) * | 2009-09-02 | 2010-05-26 | 西安电子科技大学 | 数字化音视频微波传输装置 |
| CN103018738A (zh) * | 2011-09-20 | 2013-04-03 | 中国科学院电子学研究所 | 基于旋转天线阵列的微波三维成像方法 |
| CN107678028A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-02-09 | 中国科学技术大学 | 低信噪比条件下的微波凝视关联成像方法 |
-
2020
- 2020-08-10 CN CN202010794268.2A patent/CN111896956B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102006022814A1 (de) * | 2006-05-13 | 2007-11-15 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitenansicht-Radarsystem mittels Digital Beamforming |
| CN201491187U (zh) * | 2009-09-02 | 2010-05-26 | 西安电子科技大学 | 数字化音视频微波传输装置 |
| CN103018738A (zh) * | 2011-09-20 | 2013-04-03 | 中国科学院电子学研究所 | 基于旋转天线阵列的微波三维成像方法 |
| CN107678028A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-02-09 | 中国科学技术大学 | 低信噪比条件下的微波凝视关联成像方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 袁玉;李传荣;李晓辉;周勇胜;马灵玲;: "微波强度关联图像辐射性能敏感性分析", 遥感技术与应用, no. 01 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113203997A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-08-03 | 杭州加速科技有限公司 | 基于硬浮点fpga的雷达超分辨测向方法、系统及数据处理设备 |
| CN113203997B (zh) * | 2021-04-15 | 2023-11-03 | 杭州加速科技有限公司 | 基于fpga的雷达超分辨测向方法、系统及应用 |
| CN113671492A (zh) * | 2021-07-29 | 2021-11-19 | 西安电子科技大学 | 一种面向机动平台前视成像的samp重构方法 |
| CN113671492B (zh) * | 2021-07-29 | 2024-05-17 | 西安电子科技大学 | 一种面向机动平台前视成像的samp重构方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111896956B (zh) | 2023-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106772365B (zh) | 一种基于贝叶斯压缩感知的多径利用穿墙雷达成像方法 | |
| CN102854507B (zh) | 一种基于gpu后向投影双站合成孔径雷达成像方法 | |
| CN111896956B (zh) | 基于fpga和dsp的实时微波关联成像装置及方法 | |
| CN108008389A (zh) | 一种基于gpu的快速频域后向投影三维成像方法 | |
| CN111505639A (zh) | 基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法 | |
| CN109901165A (zh) | 星载sar回波的模拟装置及模拟方法 | |
| CN109188384B (zh) | 空间目标回波动态观测的电磁仿真方法 | |
| CN102928839B (zh) | 多通道波束指向sar的全孔径成像方法 | |
| WO2018064917A1 (zh) | 基于gpu的人体微波回波模拟方法及系统 | |
| Rupniewski et al. | A real-time embedded heterogeneous GPU/FPGA parallel system for radar signal processing | |
| CN112649806B (zh) | 一种mimo雷达近场三维成像方法 | |
| CN117129994A (zh) | 基于相位补偿核gnss-sar改进后向投影成像方法 | |
| CN109444886B (zh) | 一种双基sar实时成像的并行计算处理方法、系统及介质 | |
| CN110764081A (zh) | 一种精密跟踪测量雷达信号的处理系统 | |
| CN112347857B (zh) | 一种光学遥感卫星图像的舰船检测装置及方法 | |
| Gong et al. | Scene optimization of GPU-based back-projection algorithm | |
| Huang et al. | Tensor-based match pursuit algorithm for MIMO radar imaging | |
| Usmail et al. | Evolution of embedded processing for wide area surveillance | |
| Pitre et al. | Comparison of massively parallel algorithms on graphics processing unit for MIMO radar | |
| Schlemon et al. | Resource-Constrained Optimizations For Synthetic Aperture Radar On-Board Image Processing | |
| NALDI et al. | Developments of FPGA-based digital back-ends for low frequency antenna arrays at Medicina radio telescopes | |
| Xiaoguang | Signal Processing System of Back-Projection Algorithm with Multi GPU s | |
| Yang et al. | Multi-core DSP-based Acceleration of SAR BP Algorithm Imaging | |
| Liu et al. | Improved framework of FMCW signal processing based on the PS end of FPGA | |
| Mewada et al. | Hardware accelerated range Doppler algorithm for SAR data processing using Zynq processor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |