| 1. 引 言
SAR(合成孔徑雷達(dá))具有全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離、高分辨成像等特點(diǎn)，可以大大提高雷達(dá)的信息獲取能力，特別是信息感知能力。SAR成像可以獲取高分辨率的圖像，近年來(lái)受到了很大重視，在軍用和民用方面都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
雷達(dá)成像經(jīng)常用到許多經(jīng)典的信號(hào)處理算法，比如濾波(FIR、IIR)、FFT、IFFT、相關(guān)算法等。對(duì)于這些算法的實(shí)現(xiàn)，高速DSP芯片成了首選實(shí)時(shí)信號(hào)處理器件。近年來(lái)，DSP性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)。目前主流DSP制造商所生產(chǎn)的DSP已能滿足算法復(fù)雜、運(yùn)算速度高、尋址方式靈活和通信性能強(qiáng)大等需求。高端的DSP生產(chǎn)商主要包括TI、Motorola和ADI。其性能都有各自的優(yōu)點(diǎn)，其中，ADI的TigerSHARC201的浮點(diǎn)處理能力達(dá)到3.6 GFLOP，內(nèi)核時(shí)鐘600 MHz，同時(shí)兼容定點(diǎn)運(yùn)算，并且在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上采用雙處理器核，支持SIMD處理方式，是雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域理想的處理器。從處理能力上來(lái)看，TigerSHARC201不是最強(qiáng)的，但是考慮到運(yùn)算與I／O平衡的話，ADI的DSP更適合于成像信號(hào)處理。其非常寬的總線寬度和高速LINK口使DSP有很高的數(shù)據(jù)吞吐率，適合于構(gòu)成大型的并行系統(tǒng)。
2. 實(shí)時(shí)成像硬件結(jié)構(gòu)
實(shí)時(shí)成像處理過(guò)程可由板載采集控制卡、信號(hào)處理卡和顯示系統(tǒng)完成，首先板載采集控制卡完成對(duì)雷達(dá)回波中頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)處理卡，由信號(hào)處理卡完成對(duì)回波信號(hào)的運(yùn)算，得出實(shí)時(shí)的圖像。實(shí)時(shí)圖像再通過(guò)CPCI總線傳給主機(jī)，然后顯示在主機(jī)的顯示器上。
實(shí)時(shí)圖像的顯示由主機(jī)通過(guò)CPCI總線將處理的結(jié)果讀到主機(jī)內(nèi)存，然后顯示在主機(jī)的顯示器上，多個(gè)圖像連續(xù)出現(xiàn)時(shí)將可以進(jìn)行滑動(dòng)的顯示，同時(shí)圖像結(jié)果也存儲(chǔ)在硬盤上，如圖1所示。
結(jié)合SAR成像處理大數(shù)據(jù)量、大通信量以及并發(fā)的大運(yùn)算量等特點(diǎn)，要求信號(hào)處理板卡具備高速運(yùn)算能力、大容量?jī)?chǔ)存能力、高速I／O帶寬、良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和級(jí)聯(lián)特性等要求�；谶@些要求，我們選擇了一個(gè)8片TS201組成的松耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
2.1 系統(tǒng)整體性能
本系統(tǒng)具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力以及數(shù)據(jù)通信能力。板卡上有8片TS201，峰值運(yùn)算性能為24 GFLOPS，每個(gè)TS201外掛256 MB的SDRAM，則總的存儲(chǔ)容量達(dá)到2 GB。由于處理器要頻繁地與外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)，8個(gè)DSP采用分離總線的形式進(jìn)行連接，不存在總線共享引起的總線訪問(wèn)沖突問(wèn)題，這樣可以大大減輕總線的負(fù)擔(dān)，可以發(fā)揮DSP的最大性能。
FPGA1與FPGA2之間采用LVDS(低壓差分信號(hào))接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以達(dá)到很高的傳輸速度。這種接口具有高的信號(hào)傳輸速度、低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn)。其最高數(shù)據(jù)傳輸速率是655 Mb／s，而理論上，在一個(gè)無(wú)損耗的傳輸線上，LVDS的最高傳輸速率可達(dá)1.923 Gb／s。
2.2 板間數(shù)據(jù)傳輸
8片DSP通過(guò)鏈路口構(gòu)成一個(gè)環(huán)狀連接，鏈路口連接方式如圖3所示。鏈路口的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線采用LVDS(低壓差分信號(hào))，可以達(dá)到很高的速度，單個(gè)鏈路口的速度可以達(dá)到1 GB／s。每一個(gè)TS201有4個(gè)全雙工的鏈路口，單向的傳輸速率為500 MB／s。8片DSP的數(shù)據(jù)總線都連接到了FPGA上，作為輸入、輸出數(shù)據(jù)通道，另外也可以在FPGA內(nèi)部建立FIFO，作為兩個(gè)DSP之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換通道。
2.3 板卡與主機(jī)接口
PCI9054與FPGA相結(jié)合的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用32 b，33 MHz的PCI總線標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速度可以達(dá)到132 MB／s。實(shí)時(shí)圖像的顯示由主機(jī)通過(guò)CPCI總線將處理的結(jié)果讀到主機(jī)內(nèi)存，然后顯示在主機(jī)的顯示器上，多幅圖像連續(xù)出現(xiàn)時(shí)將可以進(jìn)行滑動(dòng)的顯示，同時(shí)圖像結(jié)果也存儲(chǔ)在硬盤上。
3.實(shí)時(shí)成像軟件設(shè)計(jì)
在實(shí)際情況中，機(jī)載SAR，特別是中、低空飛行的機(jī)載SAR，由于氣流不穩(wěn)定的影響，運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性較大，如果不采取運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，則所錄取的數(shù)據(jù)受到不穩(wěn)定因素會(huì)有較大的失真，從而使成像質(zhì)量下降，甚至不能成像。以前的大部分算法都是對(duì)全部數(shù)據(jù)反復(fù)地進(jìn)行距離壓縮、相位補(bǔ)償并估計(jì)多普勒參數(shù)，得到較為準(zhǔn)確的徑向加速度估計(jì)值和調(diào)頻率等參數(shù)以便進(jìn)行包絡(luò)和相位的補(bǔ)償。把這種方法直接用到實(shí)時(shí)成像中顯然存在兩大缺點(diǎn)：一是需要等全部的數(shù)據(jù)都到了以后才能進(jìn)行處理，不滿足實(shí)時(shí)性的要求；二是運(yùn)算量過(guò)大，耗費(fèi)大量的存貯單元并且需要對(duì)存貯單元反復(fù)讀寫。
SAR實(shí)時(shí)處理要求能夠?qū)崟r(shí)地輸出大面積連續(xù)圖像，因而要求在不降低成像質(zhì)量的前提下，盡量使算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，穩(wěn)健性高。基于以上分析，我們采用劃分子孔徑的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，每個(gè)孔徑經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后實(shí)時(shí)成像，各孔徑子圖像經(jīng)連接后形成連續(xù)的大面積圖像。子孔徑長(zhǎng)度的選擇實(shí)際中可以根據(jù)雷達(dá)載體的類型，飛行的平穩(wěn)度等情況來(lái)選擇。另外子孔徑的長(zhǎng)度也要達(dá)到分辨率的要求。
這里采用一種改進(jìn)的距離一多普勒(R-D)成像算法，該方法先將原始數(shù)據(jù)沿方位向分塊。然后對(duì)每一塊進(jìn)行短方位FFT，再作距離FFT，接著利用線性相位函數(shù)校正距離走動(dòng)，并和脈沖壓縮函數(shù)相乘，實(shí)現(xiàn)距離走動(dòng)校正和距離壓縮，接著做距離IFFT和短方位IFFT，將信號(hào)變換到時(shí)域，然后用圖像偏移(MD)方法估計(jì)出各小塊的多普勒調(diào)頻率，再將橫向的子塊合并，采用相位補(bǔ)償方法對(duì)機(jī)載速度不均勻引起的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，最后用估計(jì)的分段調(diào)頻率擬合出整個(gè)孔徑的調(diào)頻率，得到相位誤差函數(shù)，進(jìn)行方位壓縮，獲得地面場(chǎng)景圖像。該算法的流程如圖4所示。
4. 實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)
4.1 存儲(chǔ)量分析
實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)處理采用2 048×8 192的數(shù)據(jù)塊，并且在方位處理之前下一個(gè)孔徑的數(shù)據(jù)已到來(lái)，數(shù)據(jù)共用為2 048×2 048的數(shù)據(jù)段。則每一個(gè)孔徑的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為(2 048×8 192×2×4 B)／1 024／1 024=128。MB。在距離脈壓以后要將距離向的點(diǎn)數(shù)丟掉1 024點(diǎn)后再進(jìn)行方位脈壓，則實(shí)際需要的存儲(chǔ)量為64 MB。而試驗(yàn)所用的信號(hào)處理板卡每個(gè)DSP外接256 MB的SDRAM，共有8片TS201，該信號(hào)處理板卡滿足設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)量。
4.2 任務(wù)分配
我們將每個(gè)合成孔徑分為32個(gè)子孔徑處理，每個(gè)子孔徑方位采樣點(diǎn)數(shù)為512。由于此成像算法首先要進(jìn)行短方位FFT，因此需要積累滿一個(gè)子孔徑的數(shù)據(jù)后再開始距離脈壓。可以讓4個(gè)DSP來(lái)接收4個(gè)連續(xù)子孔徑的數(shù)據(jù)，當(dāng)子孔徑數(shù)據(jù)積累滿后就開始進(jìn)行距離脈壓，距離壓縮后將數(shù)據(jù)丟掉一半后將結(jié)果存儲(chǔ)在SDRAM中。當(dāng)方位向數(shù)據(jù)積累達(dá)到要求時(shí)，就開始方位壓縮。將數(shù)據(jù)按距離向分成兩塊，由兩個(gè)DSP來(lái)同時(shí)完成方位壓縮，從而在處理上達(dá)到并行的要求。在方位壓縮完成得到圖像后，就開始把圖像傳送給主機(jī)，由主機(jī)把圖像顯示出來(lái)。處理流程如圖5所示。
4.3 計(jì)算量分析
距離壓縮采用的點(diǎn)數(shù)為2 048點(diǎn)，由于我們用4片DSP進(jìn)行距離處理，對(duì)某個(gè)DSP而言，當(dāng)下一個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)到來(lái)之前，對(duì)上一個(gè)子孔徑的距離方向的處理要全部做完，包括距離壓縮，瞬時(shí)調(diào)頻率估計(jì)以及發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)PRF為1 000時(shí)，要求每個(gè)DSP在0.512 s*3=1.536 s內(nèi)完成一個(gè)子孔徑的距離處理。每一個(gè)回波脈沖的距離壓縮包括一次2 048點(diǎn)的FFT，一次復(fù)向量的乘法和一次2 048點(diǎn)的IFFT和一個(gè)FFTSHIFT。讀、取數(shù)據(jù)采用DMA操作，幾乎不占用內(nèi)核時(shí)間，故一個(gè)子孔徑的距離壓縮大概需要0.5 s，多普勒調(diào)頻率估計(jì)需要的時(shí)間為0.33 s，共需時(shí)間為0.83 s，另為再加上少量的時(shí)間余量，實(shí)時(shí)性可以滿足。
方位壓縮時(shí)方位向的點(diǎn)數(shù)為8 192點(diǎn)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，我們?cè)诜轿惶幚聿捎谩捌古也僮鳌钡乃枷搿＜撮_辟兩個(gè)緩沖區(qū)，在第一個(gè)緩沖周期，將數(shù)據(jù)存放到緩沖1，在第二個(gè)緩沖周期，數(shù)據(jù)存放到緩沖2，與此同時(shí)，處理緩沖1中的數(shù)據(jù)，在第三個(gè)緩沖周期，數(shù)據(jù)又存放到緩沖1中，同時(shí)處理緩沖2中的數(shù)據(jù)，如此循環(huán)，周而復(fù)始，直到整個(gè)數(shù)據(jù)塊處理完畢。在硬件上完成512個(gè)8 192點(diǎn)的方位壓縮需要的時(shí)間為1.949 9 s，由于距離壓縮后距離向點(diǎn)數(shù)丟了一半，我們用兩個(gè)DSP來(lái)完成方位脈壓。除去每個(gè)DSP自身積累數(shù)據(jù)的時(shí)間，容許DSP在4.5 s的時(shí)間里來(lái)完成處理。
5. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果
利用某機(jī)載雷達(dá)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。該雷達(dá)工作在X波段，天線方位孔徑為D=0.55 m，雷達(dá)發(fā)射LFM信號(hào)，飛機(jī)飛行高度約為4 900 m，飛機(jī)飛行速度約為115 m／s。對(duì)錄取的回波進(jìn)行實(shí)時(shí)處理試驗(yàn)得到某地區(qū)的SAR圖像。圖6為信號(hào)處理板卡實(shí)物圖。圖7和圖8為某山丘和機(jī)場(chǎng)地區(qū)的SAR圖像，均是利用本文中系統(tǒng)處理得到的實(shí)時(shí)成像圖。圖中的山丘、機(jī)場(chǎng)清晰可見，成像質(zhì)量得到保證。
6. 結(jié) 語(yǔ)
本文利用某機(jī)載雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用頻域校正距離走動(dòng)和彎曲的距離一多普勒算法。在TS201信號(hào)處理板卡上完成實(shí)時(shí)成像處理，從存儲(chǔ)量和運(yùn)算時(shí)間上都滿足設(shè)計(jì)要求。這里只利用了一塊信號(hào)處理板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，如果對(duì)于更大的場(chǎng)景成像處理時(shí)，我們可以考慮用多塊處理板卡來(lái)共同完成實(shí)時(shí)任務(wù)。
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