CN112698280B - 一种基于dsp和fpga架构的双基sar实时回波模拟方法 - Google Patents

一种基于dsp和fpga架构的双基sar实时回波模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR实时回波模拟方法，在DSP中对双基SAR中对应的FPGA进行初始化，并计算FPGA实时控制参数；利用FPGA完成场景目标散射点的一维距离像计算，最后将计算的结果与AD采样得到的参考信号进行流水卷积，并从DA端播放该SAR回波信号，将两个基地SAR通道模拟的SAR回波数据进行合成，生成双基SAR回波信号。本发明利用DSP高性能低功耗实时操作系统加FPGA并行计算性能，极大地提升了一维距离像计算效率，使得回波模拟速度能够适应高重频SAR雷达的测试需求，扩展了使用场景，能够适应更多的SAR雷达。

Description

一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR实时回波模拟方法
技术领域
本发明属于回波模拟技术领域,具体涉及一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR实时回波模拟方法。
背景技术
Synthtic Aperture Radar(合成孔径雷达，简称SAR)是一种全天时、全天候的现代高分辨率微波成像雷达。它是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理技术，仅需要真实小孔径天线就可以获得距离向和方位向高分辨率的雷达系统。相比于光学成像系统它不惧地面覆盖物的影响，甚至可以穿透云层和植被探测地物信息。无论在民用还是军事领域都是各个国家雷达技术和信号处理技术的重点研究方向。双基SAR雷达是双基地SAR雷达的简称，采用了分离发射天线和接收天线的方法——即使得他们飞行在不同平台，能够对地面分别进行回波信号采集。双基SAR能够获取的地物目标信息相比于普通SAR雷达更多，它对地物目标的高程信息和相对运动目标信息更敏感。双基SAR雷达回波模拟设备易于添加独立的SAR相干干扰模型，因此，在双基SAR雷达的研制过程中是检验该雷达性能的重要装置，在判断SAR雷达导引头的抗干扰性能、识别目标、跟踪目标的性能上有无可取代的地位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR实时回波模拟方法,解决当前双基SAR回波模拟的运算量和速度的问题，提升了回波模拟速度，缩短了SAR场景回波计算的时间。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，包括：
步骤1：将预设的战情参数传输至DSP芯片；
步骤2：基于预设的战情参数，根据试验模式采用DSP芯片对双基SAR中对应的FPGA进行初始化，并计算FPGA实时控制参数；
步骤3：将FPGA实时控制参数传输至双基SAR中对应的FPGA；
步骤4：划分FPGA阵列中每片FPGA处理的场景目标，基于FPGA实时控制参数计算当前脉冲的SAR回波一维距离像；
步骤5：对当前脉冲的SAR回波一维距离像进行卷积调制，得到连续的超大场景SAR模拟回波；步骤6：将所述超大场景SAR模拟回波通过DA进行数模转换并播放出去；
步骤7：将两个基地的超大场景SAR模拟回波进行合成，生成双基SAR回波信号。
进一步的，将预设的战情参数通过光纤接口/万兆以太网传输到DSP芯片。
进一步的，所述基于预设的战情参数，根据试验模式采用DSP芯片对双基SAR中对应的FPGA进行初始化，初始化的参数包括：后向反射系数调用的起始位置、天线方向图函数调用参数/天线方向图起始位置、FFT卷积长度、地面场景目标间隔和等距离环间距。
进一步的，所述计算FPGA实时控制参数，包括：
根据接收到光纤传输的最新航迹信息——速度、加速度、波束指向以及脉冲重复周期，预测当前脉冲时刻的航迹位置：
其中，(Ni,Ai,Ei)表示i脉冲时刻接收到的航迹位置坐标；(Ni+p,Ai+p,Ei+p)表示从i脉冲时刻接收到最新航迹位置后预测到的第p个脉冲时刻航迹的北天东三维坐标，PRT表示脉冲重复周期，(vn,va,ve)为接收到的瞬时速度，(an,aa,ae)为接收到的瞬时加速度；
根据航迹位置计算双基SAR中对应的FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数——FPGA取后向反射系数时挪移方向和挪移量：
yd＝ceil(v*PRT)，
其中，yd表示挪移量，PRT为脉冲重复周期，v为航迹飞行速度；
挪移方向为v在地面的投影方向。
进一步的，所述将FPGA实时控制参数传输至双基SAR中对应的FPGA，具体为：
将FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数转换成与FPGA约定的数据格式，再通过SRIO传输至双基SAR中对应的FPGA。
进一步的，所述划分FPGA阵列中每片FPGA处理的场景目标，基于FPGA实时控制参数计算当前脉冲的SAR回波一维距离像，包括：
41)将照射区视为一个矩形网络，将该矩形网络的网格点根据FPGA阵列中FPGA芯片个数，均匀划分到每片FPGA中，每片FPGA中的网格点即为该FPGA需要处理的场景目标，每一片FPGA独立处理各自对应的场景目标；
42)每一片FPGA按照挪移量和挪移方向依次取出该片FPGA芯片DDR中的场景目标点对应的后向反射系数、天线方向图计算该场景目标点的一维距离像，再进行累加，得到该片FPGA当前脉冲下场景目标的一维距离像：
其中，Nne为照射区场景目标总点数，Nfpga单个基地SAR通道中FPGA阵列使用的FPGA芯片个数，wa，wr分别为方位向和距离向的天线方向图函数，σi为当前脉冲场景中场景目标点i的后向反射系数，Ri为当前脉冲场景中场景目标点i到雷达的作用距离，λ为波长，Dpf表示当前FPGA芯片计算的当前脉冲场景的一维距离像数据，等号左边的Dpf表示累加后，等号右边的Dpf表示累加前；
43)每片FPGA芯片计算完当前脉冲的一维距离像后发中断告知第一片FPGA芯片，第一片FPGA芯片收集所有FPGA芯片的一维距离像并进行累加，生成当前脉冲的SAR回波一维距离像：
进一步的，还包括，
计算一维距离像前，设置FPGA芯片的Cache缓冲区参数接收顺序；
设置DDR接收数据的乒/乓内存区域，接收存储板发送过来的场景目标后向反射系数和天线方向图数据，并根据DSP芯片的控制命令将其暂存在DDR的乒/乓内存区域；
其中，场景目标的后向反射系数和天线方向图函数根据预设的战情参数预先计算，并存储在存储板。
进一步的，所述对当前脉冲的SAR回波一维距离像进行卷积调制，得到连续的超大场景SAR模拟回波，包括：
其中，S为卷积调制后的SAR模拟回波，Nslow表示一个合成孔径内的方位向累积的脉冲个数，θi,p是天线方向图函数的自变量，τp为SAR雷达参考发射信号的离散采样点，Tr为SAR雷达参考发射信号的脉宽，c表示光速，Ri,p表示第p个方位脉冲时刻照射区场景目标i到雷达的作用距离，K为距离向参考反射信号的调频斜率。
本发明达到的有益效果为：
(1)本发明利用DSP高性能低功耗实时操作系统加FPGA并行计算性能，极大地提升了一维距离像计算效率，使得回波模拟速度能够适应高重频SAR雷达的测试需求，计算效率可达40M点/微秒；
(2)本发明采用流水卷积方法，进一步提升了回波模拟效率，实现了双基地SAR回波的实时模拟；
(3)本发明采用快速时域算法计算SAR回波，易于添加双天线平台的误差模拟和SAR回波干扰模型，扩展了使用场景，能够适应更多的SAR雷达。
附图说明
图1为本发明的基于DSP和FPGA架构的SAR回波模拟流程图；
图2为本发明中FPGA并行计算回波流程图；
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，参见图1，包括：
步骤1：在上位机中设置战情参数，包括：双基SAR雷达工作参数，双基SAR雷达天线参数，和地面场景目标参数。
步骤2：根据战情参数计算地面场景初始信息，包括：
根据上述战情参数的划分计算场景目标的照射网格——也即场景目标的位置信息；
利用光学灰度图，计算场景目标的后向反射系数；
利用双基SAR雷达天线参数，计算天线方向图函数；
并将所计算的场景目标的位置信息，后向反射系数和天线方向图系数放入不同的模型数据库待下次试验取用，或放置到存储板中按照战情文件中指定的关联信息进行调用。
步骤3：在DSP芯片中，进行如下操作：
31)根据试验模式对双基SAR中对应的FPGA进行初始化；
32)预测当前脉冲时刻的航迹位置；
33)根据航迹位置计算双基SAR中对应的FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数；
34)将地面场景初始信息，FPGA初始化信息和FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数进行格式转化，并传输至双基SAR中对应的FPGA。
具体的，将预设的战情参数通过光纤接口/万兆以太网传输到板卡DSP芯片。
具体的，步骤31)中，试验模式包括：回放模式/单基SAR实时计算模式/双基SAR实时计算模式。
具体的，步骤31)中，根据试验模式对双基SAR中对应的FPGA进行初始化，包括：
根据上位机传递的试验准备时刻的战情信息对双基SAR中对应的通道的FPGA进行初始化(双基SAR实时计算模式下两个通道的FPGA初始化参数不同且相互关联)，利用SRIO向FPGA传输格式转换后的各种参数，主要包括——后向反射系数调用的起始位置、天线方向图函数调用参数/天线方向图起始位置、FFT卷积长度、地面场景目标间隔、等距离环间距等参数信息。
具体的，步骤32)中，预测当前脉冲时刻的航迹位置，包括：
根据接收到光纤传输的最新航迹信息——速度、加速度、波束指向以及脉冲重复周期，预测当前脉冲时刻的航迹位置：
其中，(Ni,Ai,Ei)表示i脉冲时刻接收到的航迹位置坐标；(Ni+p,Ai+p,Ei+p)表示从i脉冲时刻接收到最新航迹位置后预测到的第p个脉冲时刻航迹的北天东三维坐标，PRT表示脉冲重复周期，(vn,va,ve)为接收到的瞬时速度，(an,aa,ae)为接收到的瞬时加速度。
具体的，步骤33)中，根据航迹位置计算双基SAR中对应的FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数，包括：FPGA取后向反射系数时挪移方向和挪移量。
FPGA在计算一维距离像时需要从内存中取出当前照射区的后向反射系数，当前照射区后向反射系数相对于上一次的后向反射系数的挪移方向和挪移量公式如下：
yd＝ceil(v*PRT)，
其中，yd表示挪移量，PRT为脉冲重复周期，v为航迹飞行速度。
挪移方向为v在地面的投影方向。
具体的，步骤34)中，将FPGA初始化信息和FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数转换成与FPGA约定的数据格式，再通过SRIO传输至双基SAR中对应的FPGA。
步骤4：在FPGA阵列中，实时计算SAR回波的一维距离像，并与AD采样数据进行卷积，生成SAR回波信号。
具体的，计算SAR回波的一维距离像，参见图2，包括：
41)设置Cache缓冲区参数接收顺序，根据控制命令判断是否开始接收DSP芯片的实时预测控制参数；
42)设置DDR接收数据的乒/乓内存区域，接收存储板发送过来的场景目标后向反射系数和天线方向图数据，并根据DSP芯片的控制命令将其暂存在DDR的乒/乓内存区域，接收完成后以中断形式告知DSP可以开始下一步骤的计算；
43)划分FPGA阵列中每片FPGA处理的场景目标，在每一片FPGA阵列芯片中按照挪移量和挪移方向依次取出该FPGA芯片DDR中的场景目标点对应的后向反射系数、天线方向图等数据计算该场景目标点的一维距离像，再进行累加，得到该片FPGA场景目标的一维距离像：
其中，Nne为照射区场景目标总点数，Nfpga单个基地SAR通道中FPGA阵列使用的FPGA芯片个数，wa，wr分别为方位向和距离向的天线方向图函数，σi为当前脉冲场景中场景目标点i的后向反射系数，Ri为当前脉冲场景中场景目标点i到雷达的作用距离(表示载机当前时刻相对每个照射区点目标的距离)，λ为波长，Dpf表示当前FPGA芯片计算的当前脉冲场景的一维距离像数据，等号左边表示累加后，等号右边表示累加前。
本发明中，将照射区视为一个矩形网络，将这个矩形网络的网格点均匀划分到16片FPGA阵列的每片FPGA中，每片FPGA中的网格点即为该FPGA需要处理的场景目标，每一片FPGA独立处理的各自对应的场景目标。
44)每片FPGA芯片计算完当前脉冲的一维距离像数据后发中断告知第一片FPGA芯片，第一片FPGA收集所有芯片的一维距离像数据并进行累加，生成当前脉冲的一维距离像数据：
其中：f表示单个基地SAR通道中FPGA阵列使用的FPGA芯片计数。
具体的，生成SAR回波信号，包括：
4a)采用多路并行的FPGA流水卷积算法，对当前脉冲一维距离像数据进行卷积调制，得到连续的超大场景SAR模拟回波：
其中：h为AD采样得到的SAR雷达参考发射信号，表示卷积。
4b)经过卷积调制后的模拟回波数据为：
其中，Nslow表示一个合成孔径内的方位向累积的脉冲个数，θi,p是天线方向图函数的自变量，τp为SAR雷达参考发射信号的离散采样点(也称快时间变量)，通过对雷达参考发射信号进行DFT处理得到，c表示光速，Tr为SAR雷达参考发射信号的脉宽，c表示光速，Ri,p表示第p个方位脉冲时刻照射区场景目标i到雷达的作用距离，K为距离向参考反射信号的调频斜率。
步骤5：将经过卷积调制后的模拟SAR回波数据通过DA进行数模转换并播放出去；
步骤6：将两个基地SAR通道模拟的SAR回波数据进行合成，生成双基SAR回波信号。
在本发明中，先将预设的参数通过光纤接口/万兆以太网传输到板卡DSP芯片，并将模型数据放在存储板中，待试验开始时，通过SRIO将数据传输给FPGA(传输速率可达3.125Gbps)，利用FPGA的硬件计算的高超实时性优势，完成对场景目标散射点的一维距离像计算，主要包括：弹目距计算、方位相位计算、目标RCS叠加、照射区判别、天线方向图系数的查询/调用以及等距离环数据累加。最后将计算的结果与AD采样得到的参考信号进行流水卷积，并从DA端播放该SAR回波信号。该架构利用DSP实时操作系统和FPGA硬件实时计算的效能很好地解决了SAR回波模拟的实时性，极大地提高SAR回波模方法的性能、双基地SAR回波实时模拟的架构进一步扩展了本发明的使用场合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，其特征在于，包括：
步骤1：将预设的战情参数传输至DSP芯片；
步骤2：基于预设的战情参数，根据试验模式采用DSP芯片对双基SAR中对应的FPGA进行初始化，并计算FPGA实时控制参数；
所述计算FPGA实时控制参数，包括：
根据接收到光纤传输的最新航迹信息——速度、加速度、波束指向以及脉冲重复周期，预测当前脉冲时刻的航迹位置：
其中，(Ni,Ai,Ei)表示i脉冲时刻接收到的航迹位置坐标；(Ni+p,Ai+p,Ei+p)表示从i脉冲时刻接收到最新航迹位置后预测到的第p个脉冲时刻航迹的北天东三维坐标，PRT表示脉冲重复周期，(vn,va,ve)为接收到的瞬时速度，(an,aa,ae)为接收到的瞬时加速度；
根据航迹位置计算双基SAR中对应的FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数——FPGA取后向反射系数时挪移方向和挪移量：
yd＝ceil(v*PRT)，
其中，yd表示挪移量，PRT为脉冲重复周期，v为航迹飞行速度；
挪移方向为v在地面的投影方向；
步骤3：将FPGA实时控制参数传输至双基SAR中对应的FPGA阵列；
步骤4：划分FPGA阵列中每片FPGA处理的场景目标，基于FPGA实时控制参数计算当前脉冲的SAR回波一维距离像，包括：
41)将照射区视为一个矩形网络，将该矩形网络的网格点根据FPGA阵列中FPGA芯片个数，均匀划分到每片FPGA中，每片FPGA中的网格点即为该FPGA需要处理的场景目标，每一片FPGA独立处理各自对应的场景目标；
42)每一片FPGA按照挪移量和挪移方向依次取出该片FPGA芯片DDR中的场景目标点对应的后向反射系数、天线方向图计算该场景目标点的一维距离像，再进行累加，得到该片FPGA当前脉冲下场景目标的一维距离像：
其中，Nne为照射区场景目标总点数，Nfpga单个基地SAR通道中FPGA阵列使用的FPGA芯片个数，wa，wr分别为方位向和距离向的天线方向图函数，σi为当前脉冲场景中场景目标点i的后向反射系数，Ri为当前脉冲场景中场景目标点i到雷达的作用距离，λ为波长，Dpf表示当前FPGA芯片计算的当前脉冲场景的一维距离像数据，等号左边的Dpf表示累加后，等号右边的Dpf表示累加前；
43)每片FPGA芯片计算完当前脉冲的一维距离像后发中断告知第一片FPGA芯片，第一片FPGA芯片收集所有FPGA芯片的一维距离像并进行累加，生成当前脉冲的SAR回波一维距离像：
步骤5：对当前脉冲的SAR回波一维距离像进行卷积调制，得到连续的超大场景SAR模拟回波；
步骤6：将所述超大场景SAR模拟回波通过DA进行数模转换并播放出去；
步骤7：将两个基地的超大场景SAR模拟回波进行合成，生成双基SAR回波信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，其特征在于，将预设的战情参数通过光纤接口/万兆以太网传输到DSP芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，其特征在于，所述基于预设的战情参数，根据试验模式采用DSP芯片对双基SAR中对应的FPGA进行初始化，初始化的参数包括：后向反射系数调用的起始位置、天线方向图函数调用参数/天线方向图起始位置、FFT卷积长度、地面场景目标间隔和等距离环间距。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，其特征在于，所述将FPGA实时控制参数传输至双基SAR中对应的FPGA阵列，具体为：
将FPGA当前脉冲时刻计算一维距离像相关的实时控制参数转换成与FPGA约定的数据格式，再通过SRIO传输至双基SAR中对应的FPGA阵列。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，其特征在于，还包括，
计算一维距离像前，设置FPGA芯片的Cache缓冲区参数接收顺序；
设置DDR接收数据的乒/乓内存区域，接收存储板发送过来的场景目标后向反射系数和天线方向图数据，并根据DSP芯片的控制命令将其暂存在DDR的乒/乓内存区域；
其中，场景目标的后向反射系数和天线方向图函数根据预设的战情参数预先计算，并存储在存储板。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA架构的双基SAR回波模拟方法，其特征在于，所述对当前脉冲的SAR回波一维距离像进行卷积调制，得到连续的超大场景SAR模拟回波，包括：
其中，S为卷积调制后的SAR模拟回波，Nslow表示一个合成孔径内的方位向累积的脉冲个数，θi,p是天线方向图函数的自变量，τp为SAR雷达参考发射信号的离散采样点，Tr为SAR雷达参考发射信号的脉宽，c表示光速，Ri,p表示第p个方位脉冲时刻照射区场景目标i到雷达的作用距离，K为距离向参考反射信号的调频斜率。
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