專利名稱：基于fpga的sar成像方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理技術領域，涉及雷達成像方法，可應用于雷達實時信號處理系統(tǒng)設計和遙感、導彈等領域。
背景技術：
合成孔徑雷達SAR具有二維距離和方位高分辨率，能對場景作高分辨率的二維成像?？梢匀旌?、全天時、遠距離對目標進行檢測和定位，在軍用和許多民用領域發(fā)揮著重要作用。常見的SAR成像算法有距離-多普勒R-D算法、線頻調(diào)變標CS算法等。距離-多普勒成像算法作為合成孔徑雷達成像的一種主要算法，在合成孔徑雷達成像領域占有重要作用。目前常用的雷達成像平臺多采用FPGA+DSP形式，利用FPGA并行度高和DSP靈活性強的特點，兩種開發(fā)工具協(xié)作完成雷達成像任務。FPGA作為主處理器，DSP作為從處理器的設計方法既可以滿足運算量巨大的信號處理任務，又可以一定程度上減輕散熱問題。在這種形式中，DSP雖然有完成復雜運算的能力，但是它是基于串行性實現(xiàn)的，其并行度較低，資源利用率不足，運算速度慢。并且FPGA+DSP的復雜多板卡形式對系統(tǒng)空間和散熱條件要求高，而彈載SAR系統(tǒng)環(huán)境空間和散熱條件有限，不能滿足FPGA+DSP多板卡成像平臺的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供一種基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的SAR成像方法，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低功耗，提高雷達成像的信號處理速度。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下步驟:(I)用Matlab軟件產(chǎn)生16384點的hamming窗，并將其量化成9bit有符號定點數(shù)存入ROM中，將雷達回波距離向數(shù)據(jù)與ROM中的hamming窗相乘，以實現(xiàn)對距離向數(shù)據(jù)的加窗；(2)對加窗后的距離向數(shù)據(jù)進行FFT運算，完成距離脈壓；(3)根據(jù)雷達前端慣導的斜距、斜視角、飛行速度，計算成像場景中心所在位置，并以此為中點左右各截取1024點共2048點數(shù)據(jù)作為成像數(shù)據(jù)，當產(chǎn)生地址越界時從特殊點O或14337開始截??；(4)對雷達回波數(shù)據(jù)在方位向上按雷達發(fā)射脈沖的重頻積累512個脈沖，得到512列數(shù)據(jù)作為一個子孔徑數(shù)據(jù)，將子孔徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置后存儲；(5)分別對步驟(4)中子孔徑數(shù)據(jù)的每行方位向數(shù)據(jù)計算，得到2048個多普勒中心值，將得到的2048個方位向多普勒中心值求和取平均作為該子孔徑的多普勒中心；(6)根據(jù)雷達前端慣導的載機速度、斜視角和斜距計算多普勒調(diào)頻率；(7)根據(jù)步驟(5)得到的多普勒中心，得到多普勒頻移函數(shù)，根據(jù)步驟(6)得到的多普勒調(diào)頻率，得到多普勒調(diào)頻率函數(shù)；并用Matlab軟件產(chǎn)生512點的hamming窗，并將其量化成16bit有符號定點數(shù)存入ROM中；(8)將步驟(4)中子孔徑數(shù)據(jù)的每行方位向數(shù)據(jù)分別與步驟(7)中的多普勒頻移函數(shù)、多普勒調(diào)頻率函數(shù)、hamming窗數(shù)據(jù)相乘,完成方位Dechirp前期處理；(9)對經(jīng)過步驟(8)處理后的子孔徑數(shù)據(jù)按其方位向作FFT運算，得到子孔徑數(shù)據(jù)的方位頻域，對方位頻域的每個數(shù)據(jù)求模值，得到最終成像數(shù)據(jù)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點:第一，本發(fā)明采用FPGA作為核心處理芯片，由于FPGA有豐富的內(nèi)部資源，在數(shù)據(jù)處理過程中可調(diào)用FPGA內(nèi)部的IP核實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀入、復乘、相位計算等功能，運算速度快；且FPGA并行處理度高，處理速度快，提高了雷達成像的信號處理速度。第二，傳統(tǒng)成像算法實現(xiàn)采用FPGA+DSP復雜多板卡形式處理數(shù)據(jù)，其中，用FPGA實現(xiàn)對雷達回波距離向數(shù)據(jù)的加窗及距離脈壓，用DSP實現(xiàn)對雷達回波方位向數(shù)據(jù)的加窗和方位Dechirp，而在本發(fā)明中，F(xiàn)PGA不僅用來處理距離向數(shù)據(jù)，并且處理方位向數(shù)據(jù)，這樣整個系統(tǒng)中信號處理僅使用了 FPGA —種芯片，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，功耗降低，可靠性增加。


圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2是本發(fā)明處理雷達回波數(shù)據(jù)成像的結(jié)果圖。
具體實施方案下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。參照圖1，本發(fā)明的具體實施步驟如下:步驟1.距離脈沖壓縮1.1)加窗處理:1、Q兩路數(shù)據(jù)是雷達回波數(shù)據(jù)的實虛部,調(diào)用兩個FPGA內(nèi)部的乘法IP核，分別將雷達回波數(shù)據(jù)的1、Q兩路數(shù)據(jù)乘以窗函數(shù)。其中，窗函數(shù)是用Matlab軟件產(chǎn)生的16384點的hamming窗，將其歸一量化成9bit有符號數(shù)后存入FPGA的ROM中；1、Q兩路數(shù)據(jù)是雷達AD采集到的回波數(shù)據(jù)，均為12bit，前端補零后拼接成16bit數(shù)據(jù)，乘法器輸出結(jié)果為25bit，由于后續(xù)FFT要求數(shù)據(jù)位數(shù)是2的冪次方，所以將25bit數(shù)據(jù)截取成16bit，截取時取乘法器輸出數(shù)據(jù)的第24位作為截取后的數(shù)據(jù)的符號位，第6位到第20位作為該數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位；1.2)調(diào)用FPGA內(nèi)部FFT核，對上一步乘法器輸出后經(jīng)截位的數(shù)據(jù)做FFT處理，設置FFT核輸入數(shù)據(jù)寬度和相位位寬均為16bit，采用Scaled模式，使輸出數(shù)據(jù)也為16bit。步驟2.截取距離向數(shù)據(jù)根據(jù)雷達慣導提供的斜距、斜視角、飛行速度計算場景中心所在位置X，以X為中點左右各截取1024點共2048點數(shù)據(jù)作為距離向有效場景數(shù)據(jù)，當X小于1023或大于15360時，就不能在X左右兩邊各截取1023點，當X小于1023時以場景首個點開始截??；當X大于15360時則以14337為起點開始截取。步驟3.數(shù)據(jù)積累及轉(zhuǎn)置。FPGA外掛2組IGB的DDRII，步驟2完成距離向數(shù)據(jù)截取后，將每列2048點數(shù)據(jù)存入DDRII中，積累512列后作為一個子孔徑的數(shù)據(jù)，根據(jù)DDRII快速轉(zhuǎn)置算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置，使子孔徑數(shù)據(jù)按方位向512點排列，以便進行后續(xù)方位向數(shù)據(jù)處理。步驟4.估計子孔徑多普勒中心和多普勒調(diào)頻率。4.1)估計多普勒中心值:4.1.1)調(diào)用FPGA內(nèi)部的復數(shù)乘法IP核,將一行方位向數(shù)據(jù)錯位共軛點乘,得到自相關向量，復數(shù)乘法IP核輸入為兩路實虛部分別為16bit的復數(shù)，輸出為一路實虛部分別為16bit的復數(shù)；4.1.2)對自相關向量求和取平均值得到自相關值，調(diào)用FPGA內(nèi)部的CORDIC IP核計算自相關值的相位角α，這里CORDIC IP核的輸入為自相關值的實虛部，輸出即為該自相關值的相位角；4.1.3)根據(jù)上一步得到的自相關值相位角α，通過如下公式計算多普勒中心fd。:fdc = a XPRF/2/ π ,其中，PRF是雷達發(fā)射信號的重頻。這里多普勒中心的計算是調(diào)用FPGA內(nèi)部的乘法器實現(xiàn)的，乘法器的一路輸入為自相關值相位角α，另一路是PRF/2/π，這里需要先在Matlab軟件里將其量化成與自相關值R相角具有相同位寬的有符號定點數(shù)，再作為乘法器的輸入。4.1.4)重復步驟4.1.1)到步驟4.1.3)的三個步驟，直至得到所有方位向的多普勒中心值，將得到的2048個方位向多普勒中心值求和取平均作為該子孔徑的多普勒中心；4.2)調(diào)用FPGA內(nèi)部的乘法器，根據(jù)雷達前端慣導的載機速度V、斜視角Θ和斜距Rs，通過如下公式計算多普勒調(diào)頻率ka:ka = -2v2cos2 Θ / λ /Rs,其中，λ是雷達發(fā)射信號的波長。步驟5.方位向Dechirp操作。5.1)加窗處理將經(jīng)過步驟I到步驟3處理后數(shù)據(jù)的1、Q兩路數(shù)據(jù)分別乘以窗函數(shù)。其中，1、Q兩路數(shù)據(jù)分別是指數(shù)據(jù)的實部和虛部；窗函數(shù)是用Matlab軟件產(chǎn)生的512點的hamming窗，將其歸一量化成16bit有符號數(shù)后存入FPGA的ROM中；調(diào)用兩個FPGA內(nèi)部的乘法IP核，從ROM中讀出16bit的hamming窗數(shù)據(jù)作為乘法IP核的一路輸入，方位向512點16bit數(shù)據(jù)的實部、虛部分別作為兩個乘法IP核的另一路輸入，相乘后得到32bit數(shù)據(jù)，即完成了加窗操作；5.2)構(gòu)造多普勒頻移函數(shù)多普勒頻移函數(shù)是根據(jù)步驟4.1)中估計出的多普勒中心構(gòu)造的，具體步驟如下:5.2.1)用FPGA內(nèi)部的always模塊產(chǎn)生從-255到256間隔為1，長度為512的向量，其中每個數(shù)據(jù)的位寬設置為IObit ；5.2.2)用Matlab軟件將2X π X fdc/PRF量化成IObit有符號定點數(shù)，存入FPGA的ROM中，其中fd。是步驟4.1)中估計出的多普勒中心；5.2.3)調(diào)用FPGA內(nèi)部乘法IP核，將步驟5.2.1)得到的向量和步驟5.2.2)得到的定點數(shù)作為乘法IP核的兩組輸入，輸出為長度為512的向量；5.2.4)調(diào)用FPGA的CORDIC IP核，將步驟5.2.3)中得到的向量量化成IObit有符號數(shù)據(jù)作為CORDIC IP核的輸入,輸出為一個復數(shù)向量,其中輸出向量的實部為輸入向量的三角函數(shù)cos，虛部為CORDIC IP核輸入向量的三角函數(shù)sin，輸出向量即為多普勒頻移函數(shù)。5.3)構(gòu)造多普勒調(diào)頻率函數(shù)多普勒調(diào)頻率函數(shù)是利用步驟4.2)中估計得到的多普勒調(diào)頻率構(gòu)造的，具體步驟如下:5.3.1)用Matlab軟件產(chǎn)生從-255到256的間隔為1，長度為512的向量，向量中的每個元素均除以雷達發(fā)射信號重頻PRF后求平方，然后將該數(shù)據(jù)量化成16bit有符號數(shù)，存儲至Ij FPGA的ROM中；5.3.2)調(diào)用FPGA乘法IP核，將步驟5.3.1)得到的向量作為乘法IP核的一路輸入，將步驟4.2)中估計得到的ka截取成位寬為16bit的數(shù)據(jù)后，作為乘法IP核的另一路輸入，乘法IP核的輸出為一組位寬為32bit的新向量；5.3.3)調(diào)用FPGA的CORDIC IP核，將步驟5.3.2)中得到的向量作為CORDIC IP核的輸入，輸出為一個復數(shù)向量，其中輸出向量的實部為輸入向量的三角函數(shù)cos,虛部為CORDIC IP核輸入向量的三角函數(shù)sin，輸出向量即為多普勒調(diào)頻率函數(shù)；5.4)方位向數(shù)據(jù)配置調(diào)用兩次FPGA復數(shù)乘法IP核，第一次復數(shù)乘法IP核將雷達回波的方位向數(shù)據(jù)與步驟5.2)得到的多普勒頻移函數(shù)相乘，輸出為48bit復數(shù)；將第一次復數(shù)乘法的輸出作為第二個復數(shù)乘法IP核的一路輸入，另一路輸入為步驟5.3)中估計得到的多普勒調(diào)頻率函數(shù)，輸出為64bit的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)截位成實虛部均為32bit的數(shù)據(jù)。5.5)方位向數(shù)據(jù)FFT調(diào)用FPGA內(nèi)部的FFT IP核，將步驟4.4)產(chǎn)生的結(jié)果向量作為FFT IP核的輸入，F(xiàn)FT IP核輸出位寬為32bit的數(shù)據(jù)即為最終的成像數(shù)據(jù)，至此，雷達回波數(shù)據(jù)的處理全部完成。本發(fā)明的效果可以通過以下實測進一步說明:仿真內(nèi)容，將機載雷達照射某地區(qū)的一組回波數(shù)據(jù)作為本發(fā)明待處理的雷達回波數(shù)據(jù)，用本發(fā)明方法處理該數(shù)據(jù)，用處理后的數(shù)據(jù)畫灰度圖，如圖2所示。圖2中可以清晰的看出橋梁、河流、公路以及農(nóng)田，成像效果良好，可見本發(fā)明提供的基于FPGA的SAR成像方法合理可行。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的SAR成像方法，包括如下步驟: (1)用Matlab軟件產(chǎn)生16384點的hamming窗，并將其量化成9bit有符號定點數(shù)存入ROM中，將雷達回波距離向數(shù)據(jù)與ROM中的hamming窗相乘，以實現(xiàn)對距離向數(shù)據(jù)的加窗； (2)對加窗后的距離向數(shù)據(jù)進行FFT運算，完成距離脈壓； (3)根據(jù)雷達前端慣導的斜距、斜視角、飛行速度，計算成像場景中心所在位置，并以此為中點左右各截取1024點共2048點數(shù)據(jù)作為成像數(shù)據(jù)，當產(chǎn)生地址越界時從特殊點0或14337開始截??； (4)對雷達回波數(shù)據(jù)在方位向上按雷達發(fā)射脈沖的重頻積累512個脈沖，得到512列數(shù)據(jù)作為一個子孔徑數(shù)據(jù)，將子孔徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置后存儲； (5)分別對步驟(4)中子孔徑數(shù)據(jù)的每行方位向數(shù)據(jù)計算，得到2048個多普勒中心值，將得到的2048個方位向多普勒中心值求和取平均作為該子孔徑的多普勒中心； (6)根據(jù)雷達前端慣導的載機速度、斜視角和斜距計算多普勒調(diào)頻率； (7)根據(jù)步驟(5)得到的多普勒中心，得到多普勒頻移函數(shù)，根據(jù)步驟(6)得到的多普勒調(diào)頻率，得到多普勒調(diào)頻率函數(shù)；用Matlab軟件產(chǎn)生512點的hamming窗，并將其量化成16bit有符號定點數(shù)存入ROM中； (8)將步驟(4)中子孔徑數(shù)據(jù)的每行方位向數(shù)據(jù)分別與步驟(7)中的多普勒頻移函數(shù)、多普勒調(diào)頻率函數(shù)、hamming窗數(shù)據(jù)相乘,完成方位Dechirp前期處理； (9)對經(jīng)過步驟(8)處理后的子孔徑數(shù)據(jù)按其方位向作FFT運算，得到子孔徑數(shù)據(jù)的的方位頻域，對方位頻域的每個數(shù)據(jù)求模值，得到最終成像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基 于FPGA的SAR成像方法，其中步驟(3)所述的根據(jù)雷達前端慣導的斜距、斜視角、飛行速度，計算成像場景中心所在位置，通過如下公式計算: X = 2XNX y XR/c/fs, 其中，X是場景中心，N是雷達回波距離向數(shù)據(jù)點數(shù)，Y是雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號的調(diào)頻率，R是雷達到目標的距尚，c是光速，fs是米樣頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的SAR成像方法，其中步驟(5)所述的分別對步驟(4)中子孔徑數(shù)據(jù)的每行方位向數(shù)據(jù)計算，得到2048個多普勒中心值，按如下步驟進行: 首先，調(diào)用FPGA內(nèi)部的復數(shù)乘法IP核，將一行方位向數(shù)據(jù)錯位共軛點乘，得到自相關向量; 然后，對自相關向量求和取平均值得到自相關值，調(diào)用FPGA內(nèi)部的CORDIC IP核計算自相關值的相位角a ； 最后，根據(jù)得到的自相關值相位角a，通過如下公式計算多普勒中心:fdc = a XPRF/2/ji， 其中，fdc是多普勒中心，PRF是雷達發(fā)射信號的重頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的SAR成像方法，其中步驟(6)所述根據(jù)雷達前端慣導的載機速度、斜視角和斜距計算多普勒調(diào)頻率，通過如下公式計算:ka = -2v2cos2 0 / A /Rs, 其中，ka是多普勒調(diào)頻率，V是載機速度，0是斜視角，Rs是斜距，\是雷達發(fā)射信號的波長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPGA的SAR成像方法，主要解決現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)據(jù)處理速度慢的問題。其實現(xiàn)方法是，調(diào)用FPGA中乘法器，將每列距離向數(shù)據(jù)與量化后的hamming窗數(shù)據(jù)相乘后進行FFT運算，完成距離脈壓；由慣導參數(shù)計算距離向場景中心位置，進行距離向數(shù)據(jù)截取；將截取得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置，實現(xiàn)子孔徑數(shù)據(jù)按方位向存儲；根據(jù)慣性導航參數(shù)估計出多普勒中心值和多普勒調(diào)頻率；根據(jù)估計出的多普勒中心值和多普勒調(diào)頻率構(gòu)造多普勒頻移函數(shù)、多普勒調(diào)頻率函數(shù)和方位hamming窗函數(shù)；將做完距離脈壓后的每行方位向數(shù)據(jù)與上述三個函數(shù)相乘后進行FFT運算，得到最終成像數(shù)據(jù)。本發(fā)明簡化了SAR成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了處理速度，可用于在彈載模式下的SAR成像。
文檔編號G01S13/90GK103197317SQ20131010104
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者全英匯, 陳露露, 邢孟道, 李亞超, 李艷紅, 何振 申請人:西安電子科技大學