摘 要：SAR成像具有數(shù)據(jù)率高、數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜、處理實時性較難保證的特點。目前隨著大容量、高速并行計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，成像雷達信號處理實時性問題的研究獲得了很大的發(fā)展。介紹了一種基于ADSP-TS201實時信號處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和SAR實時成像算法流程，最后通過試驗論證了該方法的正確性。

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關(guān)鍵詞：SAR成像;實時處理;并行處理;ADSP-TS201

中圖分類號：TN41，TP33 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)09-038-03

Research on SAR Real-time Imaging Algorithm Based on ADSP-TS201

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DU Jiang，LI Fenfen，LIANG Yi，XING Mengdao

(National Key Lab of Radar Signal Processing，Xidian University，Xi′an，710071，China)

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Abstract：SAR imaging has the characteristics of high data rate，huge dada ，complexarithmetic and difficulty of real-time processing. At present，with the rapid development of technology of the bulky and high speed parallel computer，the study of the problem of SAR real-time signal processing makes a great progress. The system structure of the real-time signal processor and the algorithm flow of SAR real-time imaging based on ADSP-TS201 are introduced in the paper. Finally，correctness of the method is proved experimentally.

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Keywords：SAR imaging;real-time processing;parallel processing;ADSP-TS201

1 引 言

SAR(合成孔徑雷達)具有全天候、全天時、遠距離、高分辨成像等特點，可以大大提高雷達的信息獲取能力，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。

雷達成像經(jīng)常用到許多經(jīng)典的信號處理算法，比如濾波(FIR、IIR)、FFT、IFFT、相關(guān)算法等。對于這些算法的實現(xiàn)，高速DSP芯片成了首選實時信號處理器件。近年來，DSP性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強。目前主流DSP制造商所生產(chǎn)的DSP已能滿足算法復(fù)雜、運算速度高、尋址方式靈活和通信性能強大等需求。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，其中，ADI的TigerSHARC201的浮點處理能力達到36 GFLOP，內(nèi)核時鐘600 MHz，同時兼容定點運算，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，是雷達信號處理領(lǐng)域理想的處理器。從處理能力上來看，TigerSHARC201不是最強的，但是考慮到運算與I/O平衡的話，ADI的DSP更適合于成像信號處理。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 實時成像硬件結(jié)構(gòu)

實時成像處理過程可由板載采集控制卡、信號處理卡和顯示系統(tǒng)完成，首先板載采集控制卡完成對雷達回波中頻信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送給信號處理卡，由信號處理卡完成對回波信號的運算，得出實時的圖像。實時圖像再通過CPCI總線傳給主機，然后顯示在主機的顯示器上^[1]。

實時圖像的顯示由主機通過CPCI總線將處理的結(jié)果讀到主機內(nèi)存，然后顯示在主機的顯示器上，多個圖像連續(xù)出現(xiàn)時將可以進行滑動的顯示，同時圖像結(jié)果也存儲在硬盤上，如圖1所示。

圖1 SAR實時成像結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合SAR成像處理大數(shù)據(jù)量、大通信量以及并發(fā)的大運算量等特點，要求信號處理板卡具備高速運算能力、大容量儲存能力、高速I/O帶寬、良好的拓撲結(jié)構(gòu)和級聯(lián)特性等要求。基于這些要求，我們選擇了一個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。

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圖2 信號處理板卡結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)整體性能

本系統(tǒng)具有強大的運算能力以及數(shù)據(jù)通信能力。板卡上有8片TS201，峰值運算性能為24 GFLOPS，每個TS 201外掛256 MB的SDRAM，則總的存儲容量達到2 GB。由于處理器要頻繁地與外部存儲器交換數(shù)據(jù)，8個DSP采用分離總線的形式進行連接，不存在總線共享引起的總線訪問沖突問題，這樣可以大大減輕總線的負擔(dān)，可以發(fā)揮DSP的最大性能^[2]。

FPGA1與FPGA2之間采用LVDS(低壓差分信號)接口進行數(shù)據(jù)傳輸，可以達到很高的傳輸速度。這種接口具有高的信號傳輸速度、低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點。其最高數(shù)據(jù)傳輸速率是655 Mb/s，而理論上，在一個無損耗的傳輸線上，LVDS的最高傳輸速率可達1923 Gb/s。

2.2 板間數(shù)據(jù)傳輸

8片DSP通過鏈路口構(gòu)成一個環(huán)狀連接，鏈路口連接方式如圖3所示。鏈路口的時鐘和數(shù)據(jù)線采用LVDS(低壓差分信號)，可以達到很高的速度，單個鏈路口的速度可以達到1 GB/s。每一個TS201有4個全雙工的鏈路口，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DSP之間點對點數(shù)據(jù)交換通道。

圖3 鏈路口連接方式示意圖

2.3 板卡與主機接口

PCI9054與FPGA相結(jié)合的形式來實現(xiàn)，采用32 b，33 MHz的PCI總線標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速度可以達到132 MB/s^[3]。實時圖像的顯示由主機通過CPCI總線將處理的結(jié)果讀到主機內(nèi)存，然后顯示在主機的顯示器上，多幅圖像連續(xù)出現(xiàn)時將可以進行滑動的顯示，同時圖像結(jié)果也存儲在硬盤上。

3 實時成像軟件設(shè)計

在實際情況中，機載SAR，特別是中、低空飛行的機載SAR，由于氣流不穩(wěn)定的影響，運動的不穩(wěn)定性較大，如果不采取運動補償，則所錄取的數(shù)據(jù)受到不穩(wěn)定因素會有較大的失真，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全部數(shù)據(jù)反復(fù)地進行距離壓縮、相位補償并估計多普勒參數(shù)，得到較為準(zhǔn)確的徑向加速度估計值和調(diào)頻率等參數(shù)以便進行包絡(luò)和相位的補償。把這種方法直接用到實時成像中顯然存在兩大缺點：一是需要等全部的數(shù)據(jù)都到了以后才能進行處理，不滿足實時性的要求；二是運算量過大，耗費大量的存貯單元并且需要對存貯單元反復(fù)讀寫。

SAR實時處理要求能夠?qū)崟r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，盡量使算法簡單，運算量小，穩(wěn)健性高?；谝陨戏治?，我們采用劃分子孔徑的方法進行運動補償^[4]，每個孔徑經(jīng)運動補償后實時成像，各孔徑子圖像經(jīng)連接后形成連續(xù)的大面積圖像。子孔徑長度的選擇實際中可以根據(jù)雷達載體的類型，飛行的平穩(wěn)度等情況來選擇。另外子孔徑的長度也要達到分辨率的要求。

這里采用一種改進的距離-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。然后對每一塊進行短方位FFT，再作距離FFT，接著利用線性相位函數(shù)校正距離走動，并和脈沖壓縮函數(shù)相乘，實現(xiàn)距離走動校正和距離壓縮，接著做距離IFFT和短方位IFFT，將信號變換到時域，然后用圖像偏移(MD)方法估計出各小塊的多普勒調(diào)頻率^[5]，再將橫向的子塊合并，采用相位補償方法對機載速度不均勻引起的運動誤差進行補償，最后用估計的分段調(diào)頻率擬合出整個孔徑的調(diào)頻率，得到相位誤差函數(shù)，進行方位壓縮，獲得地面場景圖像。該算法的流程如圖4所示。

圖4 SAR成像算法流程圖

4 實時任務(wù)的實現(xiàn)

4.1 存儲量分析

實時成像數(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孔徑的數(shù)據(jù)已到來，數(shù)據(jù)共用為2 048×2 048的數(shù)據(jù)段。則每一個孔徑的數(shù)據(jù)存儲量為(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數(shù)丟掉1 024點后再進行方位脈壓，則實際需要的存儲量為64 MB。而試驗所用的信號處理板卡每個DSP外接256 MB的SDRAM，共有8片TS201，該信號處理板卡滿足設(shè)計要求的存儲量。

4.2 任務(wù)分配

我們將每個合成孔徑分為32個子孔徑處理，每個子孔徑方位采樣點數(shù)為512。由于此成像算法首先要進行短方位FFT，因此需要積累滿一個子孔徑的數(shù)據(jù)后再開始距離脈壓?？梢宰?個DSP來接收4個連續(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)果存儲在SDRAM中。當(dāng)方位向數(shù)據(jù)積累達到要求時，就開始方位壓縮。將數(shù)據(jù)按距離向分成兩塊，由兩個DSP來同時完成方位壓縮，從而在處理上達到并行的要求。在方位壓縮完成得到圖像后，就開始把圖像傳送給主機，由主機把圖像顯示出來。處理流程如圖5所示。

圖5 實時程序處理流程

4.3 計算量分析

距離壓縮采用的點數(shù)為2 048點，由于我們用4片DSP進行距離處理，對某個DSP而言，當(dāng)下一個子孔徑數(shù)據(jù)到來之前，對上一個子孔徑的距離方向的處理要全部做完，包括距離壓縮，瞬時調(diào)頻率估計以及發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)PRF為1 000時，要求每個DSP在0512 s*3=1536 s內(nèi)完成一個子孔徑的距離處理。每一個回波脈沖的距離壓縮包括一次2 048點的FFT，一次復(fù)向量的乘法和一次2 048點的IFFT和一個FFTSHIFT。讀、取數(shù)據(jù)采用DMA操作，幾乎不占用內(nèi)核時間， 故一個子孔徑的距離壓縮大概需要05 s，多普勒調(diào)頻率估計需要的時間為033 s，共需時間為083 s，另為再加上少量的時間余量，實時性可以滿足。

方位壓縮時方位向的點數(shù)為8 192點，為了達到實時性的要求，我們在方位處理采用“乒乓操作”的思想。即開辟兩個緩沖區(qū)，在第一個緩沖周期，將數(shù)據(jù)存放到緩沖1，在第二個緩沖周期，數(shù)據(jù)存放到緩沖2，與此同時，處理緩沖1中的數(shù)據(jù)，在第三個緩沖周期，數(shù)據(jù)又存放到緩沖1中，同時處理緩沖2中的數(shù)據(jù)，如此循環(huán)，周而復(fù)始，直到整個數(shù)據(jù)塊處理完畢。在硬件上完成512個8 192點的方位壓縮需要的時間為1949 9 s，由于距離壓縮后距離向點數(shù)丟了一半，我們用兩個DSP來完成方位脈壓。除去每個DSP自身積累數(shù)據(jù)的時間，容許DSP在45 s的時間里來完成處理。

5 實測數(shù)據(jù)成像結(jié)果

利用某機載雷達飛行數(shù)據(jù)進行測試試驗。該雷達工作在X波段，天線方位孔徑為D=055 m，雷達發(fā)射LFM信號，飛機飛行高度約為4 900 m，飛機飛行速度約為115 m/s。對錄取的回波進行實時處理試驗得到某地區(qū)的SAR圖像。圖6為信號處理板卡實物圖。圖7和圖8為某山丘和機場地區(qū)的SAR圖像，均是利用本文中系統(tǒng)處理得到的實時成像圖。圖中的山丘、機場清晰可見，成像質(zhì)量得到保證。

圖6 信號處理板卡實物圖

圖7 某山丘實時圖像(截取部分)

圖8 某機場實時圖像(截取部分)

6 結(jié) 語

本文利用某機載雷達的實測數(shù)據(jù)，采用頻域校正距離走動和彎曲的距離-多普勒算法。在TS201信號處理板卡上完成實時成像處理，從存儲量和運算時間上都滿足設(shè)計要求。這里只利用了一塊信號處理板卡來實現(xiàn)實時處理，如果對于更大的場景成像處理時，我們可以考慮用多塊處理板卡來共同完成實時任務(wù)。

參 考 文 獻

［1］蘇濤，何學(xué)輝，呂林夏.實時信號處理系統(tǒng)設(shè)計［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

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［2］劉書明，蘇濤，羅軍輝.TigerSHARC DSP 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

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［3］全英匯.基于標(biāo)準(zhǔn)總線的雷達成像信號處理機設(shè)計［D］. 西安:西安電子科技大學(xué)，2007.

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［4］保錚，邢孟道，王彤.雷達成像技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

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［5］邢孟道.基于實測數(shù)據(jù)的雷達成像算法研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2002.

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作者簡介 杜 江 男，1983年出生，內(nèi)蒙古人，碩士研究生。主要研究方向為雷達成像和SAR實時信號處理。

李芬芬 女，1983年出生，湖北天門人，碩士研究生。主要研究方向為雷達成像和SAR實時信號處理。

梁 毅 男，1981年出生，陜西咸陽人，博士研究生。主要研究方向為SAR雷達成像和動目標(biāo)檢測。

邢孟道 男， 1975年出生，浙江嵊州人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為雷達成像和目標(biāo)識別等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。