合成孔径雷达回波模拟器及回波模拟处理方法

摘要

该发明属于雷达信号处理技术领域中的合成孔径雷达回波模拟器及回波模拟处理方法。模拟器包括FPGA芯片，DDR，电源模块，上位机，网络接口模块，D／A模块，高速接口模块及数据记录仪；而模拟方法包括配置参数的写入，全场景等效散射系数的确定，系统冲击响应分量的确定及时频变换，发射信号的时频变换，逆时频变换处理及小场景或大场景回波信号的输出、大场景回波信号的回放。该发明在主体结构上仅采用单片FPGA和DDR及一数据记录仪，回波模拟过程通过流水线作业，而具有系统结构简单、可靠性高，不但可有效提高SAR小场景回波信号的模拟速度、实现小场景回波的实时模拟，而且还可用于大场景回波信号的模拟及回波信号的回放输出等特点。

权利要求

1.一种基于合成孔径雷达回波模拟器的回波模拟处理方法，其中模拟器包括内部含以太网控制单元、RAM单元、回波生成单元、D/A控制单元、内存控制单元及高速接口控制单元在内的FPGA信号处理芯片，同步动态随机存储器，上位机，网络接口模块，D/A模块，高速接口模块及数据记录仪，电源模块；FPGA信号处理芯片内的RAM单元与以太网控制单元连接，回波生成单元则分别与RAM单元、高速接口控制单元、内存控制单元及D/A控制单元连接；

而FPGA信号处理芯片则通过以太网控制单元及网络接口模块与上位机连接，通过内存控制单元与同步动态随机存储器连接，通过高速接口控制单元与高速接口模块连接，通过D/A控制单元与D/A模块连接；高速接口模块同时又与数据记录仪连接，电源模块则对相应的芯片和模块提供电源；

回波模拟处理方法包括：

步骤1.配置参数的写入：上位机经网络接口模块通过以太网信号接收单元将发射信号和多普勒分量存入FPGA信号处理芯片的RAM单元中、将雷达系统参数及SAR单视复图像数据作为场景目标后向散射系数通过内存控制单元存入同步动态随机存储器中；

步骤2.全场景等效散射系数的确定：首先取第一个脉冲时间，从同步动态随机存储器中读出系统参数及场景各目标点后向散射系数，然后进行：

2a.瞬时斜距及等距离环的确定：根据各目标点和雷达平台坐标，利用两点距离公式，计算场景中的每个目标点到雷达平台的瞬时斜距，并根据瞬时斜距划分等距离环；

2b.确定各距离环的等效散射系数：将一个等距离环内的目标点散射系数叠加以确定该距离环的等效散射系数，并依次将各距离环的等效散射系数存入RAM单元中、至全场景等效散射系数确定完；

步骤3.系统冲击响应分量的确定：从RAM单元中读取多普勒分量，并与步骤2b所得全场景等效散射系数做复数乘处理，得到该脉冲的系统冲击响应分量，转步骤4；

步骤4.时频变换处理：对步骤3所得系统冲击响应分量进行FFT变换、将系统冲击响应分量变换到频域，转步骤5；同时返回步骤1进行下一脉冲循环的处理，至最后一个脉冲循环完成系统冲击响应分量的时频变换完成、转步骤5止；

步骤5.发射信号的时频变换处理：从RAM单元中读出发射信号并进行FFT变换、其结果依次与步骤4所得的每一脉冲循环的系统冲击响应分量的频域信号做复数乘处理，得到各脉冲循环回波的频域信号，其结果依次转步骤6；

步骤6.逆时频变换处理及回波信号的输出：对依次输入的各脉冲循环回波的频域信号分别进行IFFT变换处理，得到各脉冲循环回波的时域信号，所得各脉冲循环回波的时域信号按下述情况输出：

6a.小场景回波信号的输出：若FPGA可在每一个脉冲间隔时间内完成步骤4时频变换处理、步骤5发射信号的时频变换处理及步骤6中的逆时频变换处理流程，则作为小场景回波信号直接通过D/A模块实时输出；

6b.大场景回波信号的输出：若FPGA在每一个脉冲间隔时间内无法完成步骤4时频变换处理、步骤5发射信号的时频变换处理及步骤6中的逆时频变换处理流程，则作为大场景回波信号经高速接口控制单元及高速接口模块，陆续输入数据记录仪存储，至全场景回波信号处理、存储完毕；

步骤7.大场景的回放输出：将步骤6b所得全场景回波信号通过高速接口模块及高速接口控制单元、D/A控制单元陆续读入D/A模块，通过D/A模块转换后输出。

说明书

合成孔径雷达回波模拟器及回波模拟处理方法

技术领域

[0001] 本发明属于雷达信号处理技术领域，特别是一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的合成孔径雷达(SAR)回波模拟器及SAR回波模拟处理方法。

背景技术

[0002] 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种高分辨率微波成像雷达，自上世纪50年代问世以来，至今已获得飞跃式的发展。为了评估SAR系统的各项指标，需要大量的原始回波数据，若这些数据通过真实的机载SAR和星载SAR来获得，其代价将非常巨大，因此通过回波模拟的方法来获得所需要的原始回波数据是解决这一问题的重要手段。

[0003] 西安电子科技大学的王虹现等提出了一种“基于FPGA的SAR回波仿真快速实现方法”(《系统工程与电子技术》，2010，Vol.32)，该方法采用4个现场可编程门阵列（FPGA）作为主处理芯片，每个FPGA芯片都分别外接了1GB的第二代双倍数率同步动态随机存储器(DDR)。各FPGA芯片之间通过高速低压差分信号(LVDS)两两互联。并采用如图1的流程对SAR回波进行仿真模拟。该技术仅需8s即能完成1000×1000点场景6144次回波仿真，虽然比传统的PC机模拟的速度提高了数千倍，但该方法的流程是每个回波脉冲需等全场景等效散射系数确定、系统冲击响应FFT、发射信号FFT并对两者结果相乘、然后再进行IFFT后，才能开始下一个回波脉冲的处理，因而只能实现1km×1km左右小场景回波的快速模拟，而无法实现更大场景回波的模拟及回波的回放；此外，由于该方法采用的回波模拟装置是由4片FPGA通过高速低压差分信号(LVDS)两两互联、且每片FPGA还需分别配置一DDR，因此不但系统结构复杂、且数据的交互烦琐，其工作的可靠性亦差。因而，该方法存在所采用回波模拟装置系统结构复杂，数据的交互烦琐、其处理量小，可靠性亦差，只能实现小场景回波的模拟、且其模拟速度仍较慢，而且不能用于对大场景回波的模拟及回波的回放输出等弊病。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对背景技术中存在的缺陷，研究设计一种合成孔径雷达回波模拟器及回波模拟处理方法，以达到在简化系统结构、提高其可靠性的基础上不但可有效提高SAR小场景回波信号的模拟速度、实现小场景回波的实时模拟，而且还可用于对大场景回波信号的模拟及回波信号的回放输出等目的。

[0005] 本发明的技术方案是在回波模拟器的结构上采用单片FPGA+单片DDR、以简化其系统结构，减少系统内数据的交互环节，同时增设一数据记录仪以有效提高回波模拟器对回波数据的处理量、以在回波模拟处理过程实现流水线作业及增加回波信号的回放输出功能；本发明即以此实现其发明目的。因而，本发明回波模拟器包括FPGA信号处理芯片，同步动态随机存储器(DDR)，电源模块，关键在于该回波模拟器还包括上位机，网络接口模块，数模转换(D／A)模块，高速接口模块及数据记录仪；而FPGA信号处理芯片则为一片内部含以太网控制单元、RAM单元、回波生成单元、D／A控制单元、内存控制单元及高速接口（CPCI）控制单元在内的FPGA信号处理芯片；FPGA信号处理芯片内的RAM单元与以太网控制单元连接，回波生成单元则分别与RAM单元、高速接口（CPCI）控制单元、内存控制单元及D／A控制单元连接；而FPGA信号处理芯片则通过以太网控制单元及网络接口模块与上位机连接，通过内存控制单元与同步动态随机存储器(DDR)连接，通过高速接口（CPCI）控制单元与高速接口模块连接，通过D／A控制单元与数模转换(D／A)模块连接；高速接口模块同时又与数据记录仪连接，电源模块则对相应的芯片和模块的提供电源。

[0006] 上述D／A模块包括两片D／A芯片，用于将FPGA信号处理模块输入的IQ两路SAR回波数字信号变换为模拟信号输出。所述高速接口模块包括一个紧凑型外设组件互连标准(CPCI)高速接口，通过背板与数据记录仪相连的可将生成的回波信号高速传输给数据记录仪进行储存及从数据记录仪中读出储存的回波信号进行实时回放的高速接口模块。而所述电源模块为电压芯片PTH05010W和TPS51100；TPS51100输出1.8V电压为DDR供电、PTH05010W共输出三组电压，其中2.5V和1.0V两组电压为FPGA信号处理模块供电、3.3V为网络接口模块及数模转换(D/A)模块供电。

[0007] 本发明合成孔径雷达回波模拟处理方法、其步骤为：

[0008] 步骤1.配置参数的写入：上位机经网络接口模块通过以太网信号接收单元将发射信号和多普勒分量存入FPGA信号处理芯片的RAM单元中、将雷达系统参数及SAR单视复图像数据(RCS)作为场景目标后向散射系数通过内存控制单元存入同步动态随机存储器(DDR)中；

[0009] 步骤2.全场景等效散射系数的确定：首先取第一个脉冲时间，从DDR中读出系统参数及场景各目标点后向散射系数，然后进行：

[0010] 2a.瞬时斜距及等距离环的确定：根据各目标点和雷达平台坐标，利用两点距离公式，计算场景中的每个目标点到雷达平台的瞬时斜距，并根据瞬时斜距划分等距离环；

[0011] 2b.确定各距离环的等效散射系数：将一个等距离环内的目标点散射系数叠加以确定该距离环的等效散射系数，并依次将各距离环的等效散射系数存入RAM单元中、至全场景等效散射系数确定完；

[0012] 步骤3.系统冲击响应分量的确定：从RAM单元中读取多普勒分量，并与步骤2b所得全场景等效散射系数做复数乘处理，得到该脉冲的系统冲击响应分量，转步骤4；

[0013] 步骤4.时频变换处理：对步骤3所得系统冲击响应分量进行FFT变换、将系统冲击响应分量变换到频域，转步骤5；同时返回步骤1进行下一脉冲循环的处理，至最后一个脉冲循环完成系统冲击响应分量的时频变换完成、转步骤5止；

[0014] 步骤5.发射信号的时频变换处理：从RAM单元中读出发射信号并进行FFT变换、其结果依次与步骤4所得的每一脉冲循环的系统冲击响应分量的频域信号做复数乘处理，得到各脉冲循环回波的频域信号，其结果依次转步骤6；

[0015] 步骤6.逆时频变换处理及回波信号的输出：对依次输入的各脉冲循环回波的频域信号分别进行IFFT变换处理，得到各脉冲循环回波的时域信号，所得各脉冲循环回波的时域信号按下述情况输出：

[0016] 6a.小场景回波信号的输出：若FPGA可在每一个脉冲间隔时间(PRT)内完成步骤4时频变换处理、步骤5发射信号的时频变换处理及步骤6中的逆时频变换处理流程，则作为小场景回波信号直接通过D／A模块实时输出；

[0017] 6b.大场景回波信号的输出：若FPGA在每一个脉冲间隔时间(PRT)内无法完成步骤4时频变换处理、步骤5发射信号的时频变换处理及步骤6中的逆时频变换处理流程，则作为大场景回波信号经高速接口（CPCI）控制单元及高速接口模块，陆续输入数据记录仪存储，至全场景回波信号处理、存储完毕；

[0018] 步骤7.大场景的回放输出：将步骤6b所得全场景回波信号通过高速接口模块及高速接口（CPCI）控制单元、D／A控制单元陆续读入D／A模块，通过D／A模块转换后输出。

[0019] 本发明回波模拟器由于在主体结构上仅采用单片FPGA+单片DDR及一数据记录仪；FPGA和DDR的用量仅为背景技术的四分之一，不但大幅度减少了信号的片间通信量、提高了系统的可靠性，数据记录仪采用又有效提高回波模拟器对回波数据的处理量，在回波模拟处理过程中得以通过流水线作业、实现了大场景回波的模拟及回波的回放输出，同时也提高了对小场景回波信号的模拟速度、实现小场景回波的实时模拟；采用对本发明模拟器及其方法模拟1024×1024个像素点场景雷达回波，每个回波脉冲产生时间为0.78ms、小于脉冲重复（间隔）时间1.0ms，即满足了实时性要求，输出整个场景4096个脉冲回波仅用时4.096s，较背景技术对SAR回波信号模拟速度提高了24%。因而本发明具有系统结构简单、可靠性高，不但可有效提高SAR小场景回波信号的模拟速度、实现小场景回波的实时模拟，而且还可用于对大场景回波信号的模拟及回波信号的回放输出等特点。

附图说明

[0020] 图1为本发明合成孔径雷达回波模拟器结构示意图（方框图）；

[0021] 图2为本发明合成孔径雷达回波模拟处理方法流程示意图（方框图）；

[0022] 图3为机载SAR实际回波成像图；

[0023] 图4为采用实施例1回波模拟器及回波模拟处理方法所得SAR回波实时成像图。具体实施方案

[0024] 实施例一：本实施例合成孔径雷达回波模拟器中：FPGA信号处理芯片采用型号为XilinxXC6VLX240T的现场可编程门阵列（FPGA）逻辑器件并通过内部逻辑资源的重新配置，组成包含太网控制单元、RAM单元、回波生成单元、D/A控制单元、内存控制单元及高速接口（CPCI）控制单元；同步动态随机存储器(DDR)型号为WINTEC公司的WD2RE01GX809，其容量为1GB，最高工作频率200MHz；电源模块为电压芯片PTH05010W和TPS51100；TPS51100输出1.8V电压为DDR供电、PTH05010W共输出三组电压，其中2.5V和1.0V两组电压为FPGA信号处理模块供电、3.3V为网络接口模块及数模转换(D/A)模块供电；TPS51100为同步动态随机存储器(DDR)供电；上位机采用一台普通个人电脑，CPU为Dual-Core E5400，2.70GHz，内存为2.0GB；网络接口模块采用一块型号为M88E1111的以太网芯片；数模转换(D/A)模块采用两片型号为AD9780数模转换(D/A)芯片；高速接口模块采用CPCI接口，采用64位差分高速接口与FPGA直接相连，每对差分信号线工作速率约132Mbps,总数据率不低于8.64Gbps；数据记录仪型号为HWA-RUR-4000，存储容量为1TB，读写速度8GB/s。

[0025] 采用上述回波模拟器对合成孔径雷达的回波模拟处理方法如下：

[0026] 以模拟图像像素大小为1024×1024机载单视高分辨率SAR图像为例，作为真实场景的目标后向散射系数回波仿真，模拟器系统配置参数如下表：

[0027] 表1模拟器系统配置参数

[0028]

[0029] 步骤1.配置参数的写入：上位机经网络接口模块通过以太网信号接收单元将发射信号和多普勒分量存入FPGA信号处理芯片的RAM单元中、将表1所述模拟器系统配置参数及SAR单视复图像数据(RCS)作为场景目标后向散射系数通过内存控制单元存入同步动态随机存储器(DDR)中；

[0030] 步骤2.全场景等效散射系数的确定：根据系统配置参数，共需要进行4096次脉冲回波模拟，首先取第一个脉冲时间，从DDR中读出系统参数及场景各目标点后向散射系数，然后按以下步骤进行：

[0031] 2a.瞬时斜距及等距离环的确定：根据本设计的配置参数，距离向方位向分辨率为1m×1m，场景大小为1024m×1024m，因而共有1024×1024个目标点，根据各目标点和雷达平台坐标，利用两点距离公式，计算场景中的每个目标点到雷达平台的瞬时斜距，并根据瞬时斜距划分为16384个等距离环；

[0032] 2b.确定各距离环的等效散射系数：将一个等距离环内的目标点散射系数叠加以确定该距离环的等效散射系数，并依次将各距离环的等效散射系数存入RAM单元中，至第16384个距离环等效散射系数确定完；

[0033] 步骤3.系统冲击响应分量的确定：从RAM单元中读取多普勒分量，并与步骤2b所得全场景等效散射系数做复数乘处理，得到该脉冲的系统冲击响应分量，转步骤4；

[0034] 步骤4.时频变换处理：对步骤3所得系统冲击响应分量进行FFT变换、将系统冲击响应分量变换到频域，转步骤5；同时返回步骤1进行下一脉冲循环的处理，至第4096次脉冲循环完成系统冲击响应分量的时频变换完成、转步骤5止；

[0035] 步骤5.发射信号的时频变换处理：从RAM单元中读出发射信号并进行FFT变换、其结果依次与步骤4所得的每一脉冲循环的系统冲击响应分量的频域信号做复数乘处理，得到各脉冲循环回波的频域信号，其结果依次转步骤6；

[0036] 步骤6.逆时频变换处理及步骤6a.小场景回波信号的输出：对依次输入的各脉冲循环回波的频域信号分别进行IFFT变换处理，得到各脉冲循环回波的时域信号；由于FPGA可在每一个脉冲间隔时间(PRT)内完成时频变换处理（步骤4）、发射信号的时频变换处理（步骤5）及(步骤6中)逆时频变换处理流程，则各脉冲循环回波作为小场景回波信号采用步骤6a的方式直接通过D／A模块转换后实时输出；

[0037] 本实施例输出的回波信号采用Chip Scaling成像算法对其进行成像，成像结果如图4所示；比较图3与图4，后者能够很好表征实际地面场景的散射特性，从而可以验证SAR回波模拟处理方法的准确性；在用时上，设定FPGA工作的系统时钟频率为200MHz，DDR的工作频率设定为200MHz，模拟器实时模拟1024×1024个像素点场景雷达回波。则每个回波脉冲产生时间为0.78ms，小于脉冲间隔时间(PRT)1ms、即满足实时性要求，输出整个场景4096个脉冲回波仅用时4.096s。

[0038] 实施例二：本实施例合成孔径雷达回波模拟器与实施例一相同。

[0039] 对合成孔径雷达的回波模拟处理方法如下：

[0040] 以模拟图像像素大小为4096×4096机载单视高分辨率SAR图像为例，作为真实场景的目标后向散射系数回波仿真，模拟器系统配置参数亦与实施例一同；根据配置参数，距离向方位向分辨率为1m×1m，场景大小为4096m×4096m，因而共有4096×4096个目标点。

[0041] 步骤1至步骤5的处理与实施例一相同；

[0042] 步骤6.逆时频变换处理及步骤6b.大场景回波信号的输出：由于FPGA在每一个脉冲间隔时间(PRT)内无法完成时频变换处理（步骤4）、发射信号的时频变换处理（步骤5）及(步骤6中)逆时频变换处理流程，则作为大场景回波信号采用步骤6b的方式经高速接口（CPCI）控制单元，通过高速接口模块，陆续输入数据记录仪存储，至全场景回波信号处理、存储完毕；

[0043] 步骤7.大场景回波信号的回放输出：将步骤6b所得全场景回波信号通过高速接口模块，高速接口（CPCI）控制单元、D／A控制单元陆续读入D／A模块，通过D／A模块转换后输出。

[0044] 本实施例在用时上，当FPGA工作的系统时钟频率为200MHz，DDR的工作频率设定为200MHz时，每个回波脉冲产生时间为2.6ms，输出整个场景4096个脉冲回波用时10.7s。