基于FPGA的实时成像信号处理方法及FPGA

摘要

一种基于FPGA的调频连续波方位向多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法及FPGA，包括：步骤一、计算重构矩阵；步骤二、重构方位向多通道数据，包括：步骤2.1、对各个通道的回波数据沿方位向分别间隔补零，并进行方位向傅里叶变换；步骤2.2、将方位向傅里叶变换之后各个通道方位向相同位置的点组合为一个向量并与重构矩阵相乘，得到重构完成的方位向数据；步骤2.3、对不同距离门的数据重复步骤2.3完成方位向重构，得到完成的重构后回波数据；步骤三、对重构后回波数据进行距离徙动校正及距离压缩处理；步骤四、对重构后回波数据进行方位向逆傅里叶变化，得到SAR图像。通过本发明可以提高图像处理质量。

权利要求

1.一种基于FPGA的调频连续波方位向多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法，其特征在于，包括：步骤一、计算重构矩阵及参考函数；所述重构矩阵为：其中：

f为方位向采样频率， di为第i+1通道与发射天线相位中心的距离，v为卫星等效速度，fp为脉冲重复频率，N为通道数；

所述参考函数包括：

1)多普勒频移及频率变标函数

其中： τ为距离向快时间，Kr为距离向调频率，v为卫星等效速度；λ为波长；fη为方位向频率；

2)残留视频相位函数

fτ为距离向频率；

3)逆频率变标&二次距离压缩&距离徙动校正函数其中Rref为调频接收时的参考斜距；Rc为场景中心斜距，

4)残留相位补偿函数&方位向匹配滤波

步骤二、重构方位向多通道数据，包括：

步骤2.1、对各个通道的回波数据沿方位向分别间隔补零，并进行方位向傅里叶变换；

间隔补零时，每个通道读入Na/N点，间隔补零至Na点，其中Na根据用户对每景图像大小的要求确定；

步骤2.2、将方位向傅里叶变换之后各个通道方位向相同位置的点组合为一个向量并与重构矩阵相乘，得到重构完成的方位向数据；

步骤2.3、对不同距离门的数据重复步骤2.1～2.2完成方位向重构，得到完成的重构后回波数据；

步骤三、对重构后回波数据进行距离徙动校正及距离压缩处理；包括：步骤3.1、对重构后回波数据与多普勒频移及频率变标函数相乘后做距离向傅里叶变换；步骤3.2、与残留视频相位函数相乘，并进行距离向傅里叶逆变换；步骤3.3、与逆频率变标&二次距离压缩&距离徙动校正函数相乘，并进行距离向傅里叶变换；步骤3.4、与残留相位补偿函数&方位向匹配滤波相乘；

步骤四、对重构后回波数据进行方位向逆傅里叶变化，得到SAR图像。

2.依据权利要求1所述的基于FPGA的调频连续波方位向多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法，其特征在于，所述步骤2.1各个通道使用FPGA中的FFT核并行进行傅里叶变换。

3.实现权利要求1至2中任意一项所提供的实时成像信号处理方法的FPGA，其特征在于，包括：数据交互模块，方位向处理模块、距离向处理模块；所述数据交互模块接收方位向多通道回波数据后传输到方位向处理模块进行方位向处理，之后输出到距离向处理模块进行距离向处理。

说明书

基于FPGA的实时成像信号处理方法及FPGA

技术领域

[0001] 本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的调频连续波方位多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法及FPGA。

背景技术

[0002] 合成孔径雷达是一种主动微波遥感设备，能够全天时、全天候地实现对地观测，在国民经济与军事应用的诸多领域都发挥着重要的作用。

[0003] FMCW SAR由于其体积小、重量轻、分辨率高和成本低而在军用和民用领域备受青睐，世界各国纷纷开始了FMCW SAR系统的研制。多套机载FMCW SAR系统得到了成功研制并进行了试验验证。2009年，荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)、TNO(荷兰国家应用科学研究所)、SSBV公司等单位率先提出了星载FMCW SAR系统Panel SAR。

[0004] 在星载条件下，更大的作用距离给系统提出了更高的要求。为了保证系统性能，在机载FMCW SAR的基础上，星载FMCW SAR需要对系统参数进行调整。提高发射功率、增大天线面积都是保证FMCW SAR系统信噪比的有效手段。但是提高发射功率对器件的要求大为增加，而且增加了系统的成本和功耗。增加天线面积可以提高天线的放大增益，但这样一方面会限制方位向的分辨率，另外一方面也会限制成像的测绘带宽度。同时，星载条件下，平台速度较快，需要较高的PRF以避免高方位向分辨率情况下的频谱混叠。方位多通道技术可以有效的解决上述问题，在避免方位频谱混叠的情况下，降低系统PRF并增加系统接收增益。但是方位多通道系统往往存在方位向非均匀采样的问题，需要进行方位多通道重构以保证成像质量。

[0005] 为了提高星载SAR系统获取信息的时效性，需要在满足系统性能的前提下实现实时的成像处理。

发明内容

[0006] 本发明解决的问题是现有方位向多通道系统存在方位向非均匀采样的问题；为解决所述问题本发明提供一种基于FPGA的方位多通道调频连续波SAR成像方法及FPGA。

[0007] 本发明提供的基于FPGA的调频连续波方位向多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法包括：

[0008] 步骤一、计算重构矩阵；

[0009] 步骤二、重构方位向多通道数据，包括：

[0010] 步骤2.1、对各个通道的回波数据沿方位向分别间隔补零，并进行方位向傅里叶变换；

[0011] 步骤2.2、将方位向傅里叶变换之后各个通道方位向相同位置的点组合为一个向量并与重构矩阵相乘，得到重构完成的方位向数据；

[0012] 步骤2.3、对不同距离门的数据重复步骤2.3完成方位向重构，得到完成的重构后回波数据；

[0013] 步骤三、对重构后回波数据进行距离徙动校正及距离压缩处理；

[0014] 步骤四、对重构后回波数据进行方位向逆傅里叶变化，得到SAR图像。

[0015] 进一步，所述重构矩阵为：

[0016]

[0017] 其中:

[0018]

[0019] f为方位向采样频率， di为第i+1通道与发射天线相位中心的距离，v为卫星等效速度，fp为脉冲重复频率，N为通道数。

[0020] 进一步，所述步骤2.1包括：

[0021] 间隔补零时，每个通道读入Na/N点，间隔补零至Na点，其中Na根据用户对每景图像大小的要求确定。每个通道数据补零方式示意如下：

[0022] 通道1：a1,1 0…0|a1,N+1 0…0|a1,2N+1 0…0|…

[0023] 通道2：0b2,2 0…0|0b2,N+2 0…0|0b2,2N+2 0…0|…

[0024] 通道3：0 0c3,3 0…0|0 0c3,N+3 0…0|0 0c3,2N+3 0…0|…

[0025] …。

[0026] 其中，第i个通道补零后的向量的第(k-1)*N+i个点为第i个通道补零前向量第k个点的值。

[0027] 进一步，所述步骤2.1各个通道使用FPGA中的FFT核并行进行傅里叶变换。

[0028] 进一步，所述步骤三依次包括：步骤3.1、对重构后回波数据与多普勒频移及频率变标函数相乘后做距离向傅里叶变换；步骤3.2、与残留视频相位函数相乘，并进行距离向傅里叶逆变换；；步骤3.3、与逆频率变标&二次距离压缩&距离徙动校正函数相乘，并进行距离向傅里叶变换；步骤3.4、与残留相位补偿函数&方位向匹配滤波相乘。

[0029] 本发明还提供实现所述的实时成像信号处理方法的FPGA，包括：数据交互模块，方位向处理模块、距离向处理模块；所述数据交互模块接收方位向多通道回波数据后传输到方位向处理模块进行方位向处理，之后输出到距离向处理模块进行距离向处理。

[0030] 本发明的优点包括：

[0031] 提供一种基于FPGA的方位多通道调频连续波SAR成像方法，在利用多个方位接收通道突破方位向分辨率对雷达接收天线孔径的限制条件、保证系统高分辨并获得高天线增益的前提下，通过合理的算法设计结合FPGA实现实时的成像处理。

附图说明

[0032] 图1为本发明实施例提供的基于FPGA的调频连续波方位向多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法的实现流程示意图。

[0033] 图2为实现本发明实施例提供的基于FPGA的调频连续波方位向多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法的FPGA结构示意图。

[0034] 图3为通过仿真得到的利用本发明提供的基于FPGA的调频连续波方位多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法得到的成像图像。

具体实施方式

[0035] 下文中，结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

[0036] 由背景技术可知，现有方位多通道FMCW SAR成像质量不够好，申请人分析认为是由于多方位通道系统存在方位向非均匀采样的问题，未解决所述问题，需要对方位向多通道进行重构，以解决所述问题，申请人经过进一步研究在本发明中提供基于FPGA的方位多通道调频连续波SAR成像方法，及实现所述方法的FPGA。

[0037] 本发明提供的基于FPGA的调频连续波方位多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法包括：

[0038] 步骤一、在开机后接收到回波数据之前完成重构矩阵及参考函数的计算；

[0039] 本实施例中，在接收到回波数据之前完成重构矩阵及参考函数的计算，可以在后续数据处理中直接使用，提高成像的实时性，在本发明的其它实施例中，可以根据实际需要，在合适的步骤计算重构矩阵及参考函数。

[0040] 步骤1.1、计算重构矩阵包括：

[0041]

[0042] 其中:

[0043]

[0044] f为方位向采样频率， di为第i通道与发射天线相位中心的距离，v为卫星等效速度，fp为脉冲重复频率。在本发明的其它实施例中可以建立不同的重构矩阵，满足消除多方位通道系统方位向非均匀采样即可。

[0045] 步骤1.2、参考函数的计算，如下：

[0046] 1)多普勒频移及频率变标函数

[0047]

[0048] 其中： τ为距离向快时间，Kr为距离向调频率，

[0049] v为卫星等效速度；λ为波长；fη为方位向频率

[0050] 2)残留视频相位函数

[0051]

[0052] 其中fτ为距离向频率。

[0053] 3)逆频率变标&二次距离压缩&距离徙动校正函数

[0054]

[0055] 其中Rref为调频接收时的参考斜距；Rc为场景中心斜距，

[0056] 4)残留相位补偿函数&方位向匹配滤波

[0057]

[0058] 步骤二、对各个通道的回波数据沿方位向分别间隔补零并使用不同的FFT核并行进行方位向傅里叶变换；

[0059] 结合参考图2，所述间隔补零和方位向傅里叶变换在FPGA的方位向处理模块中进行，所述FFT核由FPGA生成。并行进行可以提高处理速度。

[0060] 间隔补零时，每个通道读入Na/N点，间隔补零至Na点，每个通道数据补零方式示意如下：

[0061] 通道1：a1,1 0…0|a1,M+1 0…0|a1,2M+1 0…0|…

[0062] 通道2：0b2,2 0…0|0b2,M+2 0…0|0b2,2M+2 0…0|…

[0063] 通道3：0 0c3,3 0…0|0 0c3,M+3 0…0|0 0c3,2M+3 0…0|…

[0064] …

[0065] 通过算法公式推导结合FPGA的工作方式发现，间隔补零可以提高使用FPGA实现成像处理的效率。

[0066] 步骤三、将方位向傅里叶变换之后每个通道方位向相同位置的点组合为一个向量并与重构矩阵相乘；之后将与重构矩阵相乘之后的序列依次排列得到重构完成的方位向数据；

[0067] [b1+(i-1)*M,b2+(i-1)*M,b3+(i-1)*M,…bM+(i-1)*M]＝[a1,i,a2,i,a3,i,…aM,i]·G(f)[0068] 其中am,i分别为第m个通道方位向第i个点的值。

[0069] 步骤四、对不同距离门的数据完成方位向重构得到完成的重构后回波数据；如图2所示，步骤二至步骤四在FPGA的方位向处理模块中进行。重构后回波数据输入到距离向处理模块，开始距离向处理。

[0070] 步骤五、对所述多通道重构后回波数据进行距离徙动校正及距离压缩处理；包括：

[0071] 步骤5.1、对重构后回波数据与多普勒频移及频率变标函数相乘后做距离向傅里叶变换；

[0072] 步骤5.2、与残留视频相位函数相乘，并进行距离向傅里叶逆变换；

[0073] 步骤5.3、与逆频率变标&二次距离压缩&距离徙动校正函数相乘，并进行距离向傅里叶变换；

[0074] 步骤5.4、与残留相位补偿函数&方位向匹配滤波相乘。

[0075] 步骤六、对完成距离向压缩的回波信号进行方位向逆傅里叶变化及聚焦处理，得到SAR图像。对回波信号进行逆傅里叶变化及聚焦处理的方法已为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。

[0076] 图3为通过仿真得到的利用本发明提供的基于FPGA的调频连续波方位多通道FMCW SAR的实时成像信号处理方法得到的成像图像。由图3可知通过本发明所提供的方案可以得到高质量的图像。

[0077] 本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。