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CN108120980A - 一种星载sar多模式成像信号处理算法的fpga的实现方法 - Google Patents

一种星载sar多模式成像信号处理算法的fpga的实现方法 Download PDF

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CN108120980A CN201711325281.8A CN201711325281A CN108120980A CN 108120980 A CN108120980 A CN 108120980A CN 201711325281 A CN201711325281 A CN 201711325281A CN 108120980 A CN108120980 A CN 108120980A
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朱岱寅
崔爱欣
金微微
贺雪莉
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Abstract

本发明公开一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，包括如下步骤：步骤1，将星载SAR原始回波数据和参数利通过上位机和千兆以太网发送给FPGA芯片；步骤2，将回波数据进行子孔径划分，并计算子孔径PFA处理过程中所需要的参数；步骤3，根据回波数据进行多普勒中心频率估计；步骤4，对子孔径数据进行基于尺度变化的距离向处理；步骤5，进行方位向高精度Sinc插值；步骤6，进行两维FFT成像并将数据通过以太网发送回上位机；步骤7，在上位机中对子孔径图像做辐射校正处理和加权拼接,做直方图均衡后在上位机进行显示。此种方法能够实现对星载SAR多模式大测绘带宽数据的统一化成像处理，具有高精度、高效的特点。

Description

一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法
技术领域
本发明属于雷达成像技术领域及数字信号处理技术领域，特别涉及一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，利用FPGA实现基于子孔径拼接的星载SAR多模式成像处理。
背景技术
星载合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，它可以全天候全天时工作，具有穿透土壤和植被的能力，已经广泛应用于战场侦察、打击效果评估、目标识别、资源勘探、环境保护、灾情检测等诸多国防和国民经济的重要领域。高分辨率宽测绘带是星载SAR发展的重要方向之一。一方面地震与灾害情况评估、目标检测识别、军事打击效果评估等遥感应用对SAR图像的空间分辨率指标提出了很高的要求；另一方面海洋目标监视、灾区应急勘探等遥感应用要求雷达系统具备宽幅成像的能力。大测绘场景范围和多成像模式的星载SAR实时成像系统逐渐成为当前的研究热点。
星上SAR实时成像处理系统可以在全天候、全天时的条件下对突发事件进行实时广域观测和快速的信息获取，从而在更短的时间内做出正确决策。因此研究星载SAR的实时成像处理技术具有现实意义。目前的星载SAR成像处理技术，典型的成像算法有距离多普勒(RD)算法、Chirp Scaling(CS)算法和波数域(Omega-K)算法等。而基于PFA的子孔径拼接成像算法，成像精度高，处理速度快，成像流程可对条带、滑动聚束和TOPS等多种星载SAR模式回波数据进行统一化处理，无需根据工作模式改变成像处理架构。
现场可编程门阵列(Filed Programmable Gate Array,FPGA)具有丰富的查找表和寄存器资源，采用并行处理方式，运算速度快，功耗低。SAR回波数据具有数据量大、数据率高的特点，相较于DSP，采用FPGA进行处理，能够快速完成FFT、复数乘法加法、CORDIC算法等数字信号处理基本运算。
发明内容
为实现高精度、高效的星载SAR多模式成像处理，本发明提供一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，实现了对星载SAR多模式大测绘带宽数据的统一化成像处理。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，包括如下步骤：
步骤1，将星载SAR原始回波数据和参数利通过上位机和千兆以太网发送给FPGA芯片；
步骤2，将回波数据进行子孔径划分，并计算子孔径PFA处理过程中所需要的参数；
步骤3，根据回波数据进行多普勒中心频率估计；
步骤4，对子孔径数据进行基于尺度变化的距离向处理；
步骤5，进行方位向高精度Sinc插值；
步骤6，进行两维FFT成像并将数据通过以太网发送回上位机；
步骤7，在上位机中对子孔径图像做辐射校正处理和加权拼接,做直方图均衡后在上位机进行显示。
上述步骤2中，将回波数据进行子孔径划分时，将大带宽的星载SAR数据划分为若干有重叠部分的子孔径并完成成像处理。
上述步骤3的详细内容是：首先采用移位寄存器实现错位相乘得到自相关函数，再将相乘后的数据存入FIFO等待与下一行结果对应相加，将最终得到的一行数据利用浮点累加器进行全流水浮点累加，得到多个距离单元的横向回波信号平均，再通过CORDIC核做ATAN操作得到精确的多普勒中心频率。
上述步骤4的详细内容是：首先从DDR3SDRAM中逐个读取星载SAR距离向脉冲进行运动补偿，再采用PCS原理进行复乘和FFT运算，每处理完一条脉冲转置的写入DDR中等待进行方位向处理。
上述步骤5的详细内容是：首先将星载数据从DDR中逐脉冲转置读取，将SAR64位双精度浮点回波数据通过浮点转定点IP核转换为定点数据，再将定点回波数据的整数部分作为RAM地址，分块存储回波数据和小数部分，通过寻址操作完成回波数据的加权求和得到SINC插值结果。
上述步骤7的详细内容是：首先在子孔径内对方位向数据域乘以方位向天线方向图的倒数来消除天线方向图对子孔径内不同方位位置的点目标回波幅度的影响，采用加权平均拼接算法来实现重叠区域的平滑过渡，得到全孔径图像，将得到的全孔径图像转化为灰度图，做直方图均衡后在上位机显示最后的成像结果图。
采用上述方案后，本发明采用基于FPGA技术，实现了多普勒中心频率估计、子孔径PFA成像算法、辐射校正、图像拼接等一系列成像信号处理流程。首先，对大测绘带宽的星载SAR回波数据进行子孔径PFA成像处理，PFA算法性能不受斜视角影响，通过方位向的Keystone变换，能够解决远离成像区中心散射点的越分辨率单元走动问题，可以满足星载SAR全方位、高分辨率的要求；通过辐射校正消除子孔径图像的扇贝效应，并且拼接技术能够获得星载SAR大范围场景成像结果。该成像流程可对条带、滑动聚束和TOPS等多种星载SAR模式回波数据进行统一化处理，无需根据工作模式改变成像处理架构。
附图说明
图1是本发明的原理架构图；
图2是多普勒中心频率估计模块框图；
图3是子孔径PFA成像处理流程图；
图4是方位向高精度Sinc插值模块框图；
图5是图像拼接显示模块图；
图6是MATLAB处理结果图；
图7是FPGA处理结果图
图8是FPGA处理结果图的局部放大图；
其中，(a)、(b)、(c)分别是成像结果中机场、海港和山脉的局部放大图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，是本发明的FPGA硬件实现系统框图。星载SAR成像系统主要由四个核心模块构成：数据传输转置模块(星载SAR回波数据到FPGA芯片的传输以及数据本身的缓存和转置)、多普勒中心频率估计模块(精确估计多普勒中心频率以提高图像质量)、子孔径PFA算法处理模块(基于PCS与SINC插值的级联实现对子孔径数据的两维压缩成像)和图像拼接显示模块(多个子孔径图像做辐射校正及其图像的配准与拼接)。
首先对数据传输转置模块进行说明。
在上位机中设置PC端与FPGA芯片硬件端的IP地址，将星载SAR回波数据与轨道参数通过数据传输模块发送到FPGA芯片。
以太网模块利用了Xilinx公司提供的三态以太网(Tri-Mode Ethernet MAC)IP核以及用户数据报协议(UDP)和接收缓冲区(RX_FIFO)和发送缓冲区(TX_FIFO)来完成数据收发功能。
DDR模块使用了Xilinx公司提供了DDR3内存接口(MIG)解决方案。该解决方案提供了内存控制器和物理层设计，用户基于该方案可以直接对DDR内存进行操作，将轨道参数存储到参数寄存器中，星载SAR回波数据存入DDR3SDRAM中。
星载SAR数据量大，算法处理模块涉及到数据的行列操作，在距离向处理之后要通过DDR实现矩阵的转置。采用高转置效率的直接式分段存储方法，在SDRAM的同一行中存放相同长度的行数据和列数据，在略微增加写数据换行次数的同时大幅降低读数据的换行次数。
接下来对多普勒中心频率估计模块进行说明。
根据维纳-辛欣定理，随机过程的功率谱函数是其自相关函数的傅里叶变换。
自相关函数的相位中包含了多普勒中心fdc的信息，因此通过估计rτ的相位，就可以得到fdc，如下式所示：
在具体实现时，横向回波是以脉冲重复频率PRF采样的，采样间隔T＝1/PRF，相关函数为r(KT)，此时有
具体的FPGA实现方式为首先将雷达回波数据做移位寄存共轭相乘，将相乘后的结果存入FIFO缓存等待与下一行结果对应相加，将得到的最后一行数据进行全流水浮点数累加，不断将数据输入浮点加法器的a端，b端为加法器结果端的反馈，加法器的延时为12个时钟周期，初始没有反馈时将b端结果置为0，将所得结果同时输入到环形寄存器中，留下最终的12个结果，所得即为最后的累加结果。
最后通过CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer坐标旋转数字计算方法)IP(Intelligence Property知识产权)核求arg{r(τ)}，再根据公式求出fdc。
表1为多普勒中心估计测试结果与理论值的对比。
表1
接下来对子孔径PFA算法处理模块进行说明。
子孔径成像处理的距离向采用基于尺度变换的PFA算法，首先乘以二次相位函数：
式中，c是光速，τ为快时间，k为调频斜率，δr为距离向尺度变换因子，Ra为天线相位中心到场景中心的瞬时距离。
做进行傅里叶变换，再乘以滤波器函数：
乘以二次相位函数：
其中，fc为载波频率。
进行傅里叶变换，乘以运动补偿因子t＝fc/(fc+fτ)·t：
在FPGA中实现上述一系列的复乘与傅里叶变换，并将数据转置存入DDR中，其中在做FFT处理时，三次FFT采用一个IP核利用时分复用的方式进行处理，节省了大量硬件资源。
方位向处理采用Keystone变换进一步残留线性距离走动的校正，即通过高精度的Sinc插值操作实现变换：
t＝fc/(fc+fτ)·t' (7)
其中，t'为方位向变换后的时间变量。
通过方位向的Keystone变换，能够解决远离成像区中心散射点的越分辨率单元走动问题，可以满足星载SAR全方位、高分辨率的要求。
图4为方位向插值基于FPGA的具体实现框图。在FPGA中方位向处理采用基于分块RAM组的SINC插值方法，从DDR中转置读取距离向处理之后的浮点数据，将浮点数据转换为定点数据，定点回波数据的整数部分作为RAM地址，分块存储回波数据和小数部分，通过寻址操作完成回波数据的加权求和得到SINC插值结果。
上述距离向与方位向的处理完毕后，实现了两维信号的距离和方位向解耦合，再做两维FFT得到子孔径成像结果。
图5为图像拼接显示模块图，在子孔径内对方位向数据域乘以校正函数来消除天线方向图对子孔径内不同方位位置的点目标回波幅度的影响，使相同散射强度的点目标在图像上呈现相同的亮度。
采用加权平均拼接算法来实现重叠区域的平滑过渡。
下面通过实测数据进一步说明本发明的有效性，实测雷达参数如表2所示。
表2
整个星载SAR成像系统在Xilinx公司的单片Virtex7-XC7VX6907芯片上实现，系统对星载SAR数据做距离向PCS与方位向Sinc插值的级联子孔径处理，数据大小为8192*8192，子孔径数据大小为8192*512，此时可以兼容任意子孔径数量且不超过8192*512尺寸的子孔径图像处理。
在系统频率为200MHz的情况下，处理8192*512像素点的32位单精度浮点子孔径数据，距离向处理时间为0.24秒，方位向为0.08秒，两维FFT为0.05秒，能够在5.92s时间内实现全孔径成像处理。
图6为MATLAB处理结果图，图7为FPGA处理结果图，可以看出两个处理结果大体一致，但是FPGA的处理时间却大幅降低。
图8(a)(b)(c)分别为成像结果中机场、海港和山脉的局部放大图，可以看出本系统成像分辨率高，聚焦效果明显且地物分明，能够较为清晰的展现出海岛的重要地理分布信息与山脉的走势，对比度和信噪比较高。
基于以上系统，本发明提供一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，包括如下步骤：
步骤1，将星载SAR原始回波数据和参数利通过上位机和千兆以太网发送给FPGA芯片；
步骤2，将回波数据进行子孔径划分并利用参数计算模块计算子孔径PFA处理过程中所需要的相位补偿因子等参数；
所述步骤2中，首先先将回波数据进行子孔径划分，将大带宽的星载SAR数据划分为若干有重叠部分的子孔径并完成成像处理，避免全孔径处理导致方位向的图像混叠；
步骤3，根据回波数据进行多普勒中心频率估计；
所述步骤3中，首先采用移位寄存器实现错位相乘得到自相关函数，再将相乘后的数据存入FIFO等待与下一行结果对应相加，将最终得到的一行数据利用浮点累加器进行全流水浮点累加，得到多个距离单元的横向回波信号平均，再通过CORDIC核做ATAN操作根据公式得到精确的多普勒中心频率。
步骤4，对子孔径数据进行基于尺度变化的距离向处理；
所述步骤4中，首先从DDR3SDRAM中逐个读取星载SAR距离向脉冲进行运动补偿，再采用PCS原理进行一系列的复乘和FFT运算，每处理完一条脉冲转置的写入DDR中等待进行方位向处理；
步骤5，进行方位向高精度Sinc插值；
所述步骤5中，在步骤4完成之后，首先将星载数据从DDR中逐脉冲转置读取，将SAR64位双精度浮点回波数据通过浮点转定点IP核转换为定点数据，再将定点回波数据的整数部分作为RAM地址，分块存储回波数据和小数部分，通过寻址操作完成回波数据的加权求和得到SINC插值结果；
步骤6，进行两维FFT成像并将数据通过以太网发送回上位机；
所述步骤6中，将方位向处理后的数据做两维FFT成像获得星载SAR目标场景的子孔径成像结果数据，将数据通过以太网发送回上位机；
步骤7，在上位机中对子孔径图像做辐射校正处理和加权拼接,做直方图均衡后在上位机进行显示。
所述步骤7中，首先在子孔径内对方位向数据域乘以方位向天线方向图的倒数来消除天线方向图对子孔径内不同方位位置的点目标回波幅度的影响，采用加权平均拼接算法来实现重叠区域的平滑过渡，得到全孔径图像，将得到的全孔径图像转化为灰度图，做直方图均衡后在上位机显示最后的成像结果图。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，将星载SAR原始回波数据和参数利通过上位机和千兆以太网发送给FPGA芯片；
步骤2，将回波数据进行子孔径划分，并计算子孔径PFA处理过程中所需要的参数；
步骤3，根据回波数据进行多普勒中心频率估计；
步骤4，对子孔径数据进行基于尺度变化的距离向处理；
步骤5，进行方位向高精度Sinc插值；
步骤6，进行两维FFT成像并将数据通过以太网发送回上位机；
步骤7，在上位机中对子孔径图像做辐射校正处理和加权拼接,做直方图均衡后在上位机进行显示。
2.如权利要求1所述的一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，其特征在于：所述步骤2中，将回波数据进行子孔径划分时，将大带宽的星载SAR数据划分为若干有重叠部分的子孔径并完成成像处理。
3.如权利要求1所述的一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，其特征在于：所述步骤3的详细内容是：首先采用移位寄存器实现错位相乘得到自相关函数，再将相乘后的数据存入FIFO等待与下一行结果对应相加，将最终得到的一行数据利用浮点累加器进行全流水浮点累加，得到多个距离单元的横向回波信号平均，再通过CORDIC核做ATAN操作得到精确的多普勒中心频率。
4.如权利要求1所述的一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，其特征在于：所述步骤4的详细内容是：首先从DDR3SDRAM中逐个读取星载SAR距离向脉冲进行运动补偿，再采用PCS原理进行复乘和FFT运算，每处理完一条脉冲转置的写入DDR中等待进行方位向处理。
5.如权利要求1所述的一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，其特征在于：所述步骤5的详细内容是：首先将星载数据从DDR中逐脉冲转置读取，将SAR64位双精度浮点回波数据通过浮点转定点IP核转换为定点数据，再将定点回波数据的整数部分作为RAM地址，分块存储回波数据和小数部分，通过寻址操作完成回波数据的加权求和得到SINC插值结果。
6.如权利要求1所述的一种星载SAR多模式成像信号处理算法的FPGA的实现方法，其特征在于：所述步骤7的详细内容是：首先在子孔径内对方位向数据域乘以方位向天线方向图的倒数来消除天线方向图对子孔径内不同方位位置的点目标回波幅度的影响，采用加权平均拼接算法来实现重叠区域的平滑过渡，得到全孔径图像，将得到的全孔径图像转化为灰度图，做直方图均衡后在上位机显示最后的成像结果图。
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