竺紅偉，雍延梅

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088)

0 引言

無人駕駛偵察飛機由于以其高效能、高機動、低成本、零傷亡等優(yōu)勢，已廣泛應用于軍事、民用多個領(lǐng)域。機載傳統(tǒng)的光學傳感器的應用已很成熟，但存在受氣象條件與光照條件的制約，合成孔徑雷達(SAR，synthetic aperture radar)可以在能見度極差的氣象條件下，獲得類似于光學照相的高分辨率地面目標圖像，可全天時、全天候工作，已經(jīng)成為一種得到普遍重視的傳感器［1］。近年來，無人機載SAR由于在戰(zhàn)場監(jiān)視、敵情偵察和精確打擊等方面表現(xiàn)出色，已成為世界各國發(fā)展無人機偵察裝備的重要方向［2］。而體積小、重量輕、對系統(tǒng)要求低的微小型SAR系統(tǒng)，可裝載于微型無人機上，用于邊境突防偵察、智能偵察，甚至可批量裝備與導彈上，具有廣闊的應用前景。

實時處理系統(tǒng)可以在飛機飛行的過程中，利用硬件設備和成像算法對原始回波進行處理，連續(xù)實時成像，得到SAR圖像，并利用圖像壓縮技術(shù)進行壓縮，并通過無線鏈路下傳到地面情報處理系統(tǒng)，可以達到實時監(jiān)測、及時了解無人機飛行狀況并尋找感興趣目標(區(qū)域)進行相應處理。

1 系統(tǒng)組成

1.1 處理芯片選擇

在成像實時處理硬件設計中，處理芯片的選擇是其中的關(guān)鍵。由于合成孔徑雷達的數(shù)據(jù)率高，數(shù)據(jù)量大，存儲時間長，這就要求有很大的存儲容量和很高的運算速度，尤其是大點數(shù)的FFT計算占了相當大比例。在現(xiàn)代工程實際中，DSP和FPGA為信號處理主要器件，其中采用DSP技術(shù)具有靈活性強、開發(fā)周期短，以及系統(tǒng)維護修改方便的特點，而大規(guī)模FPGA實現(xiàn)技術(shù)具有處理速度快、環(huán)境適應性強等特點，但是靈活性相對較差。一般來說，用FPGA的實現(xiàn)方法對簡單和規(guī)則的運算來說有很高效率，特別時對于高密度的FFT運算有很高的效率。DSP在任務控制，處理復雜算法上有著巨大的優(yōu)勢，這得益于DSP在一開始設計時就在指令執(zhí)行、尋址方式、指令流控制、外設接口等方面都針對數(shù)字信號處理作了優(yōu)化。但由于內(nèi)部乘法器的限制，在處理像高密度的FFT運算時候效率相對FPGA較低。表1為ADI公司的TS101、TS201和FPGA做FFT運算時間對比［3］。

表1 DSP和FPGA FFT計算時間對比

綜合考慮FPGA和DSP的特點，微型SAR實時信號處理采用FPGA和DSP混合處理的方式，DSP作為主處理器，主要實現(xiàn)整個程序的流程控制和運算一些算法相對復雜但是運算量不大的計算，比如Fdc估計、Fdr估計等，而FPGA主要實現(xiàn)距離向、方位向的大量FFT和IFFT運算，這樣使得整個系統(tǒng)的處理效率大大提高。

目前信號處理主流的DSP芯片有ADI公司Tiger SHARC系列的 ADSP-TS101、ADSP-TS201芯片和TI公司的C6x系列DSP，相比于C6x系列DSP，ADSP-TS101和ADSP-TS201在浮點處理更具優(yōu)勢，更適用于雷達信號處理。ADSP-TS201相比ADSPTS101的具有更強的處理能力，但是其功耗較大，約為ADSP-TS101的2倍。在SAR信號處理中，DSP外部存儲器和內(nèi)部緩存有大量的數(shù)據(jù)吞吐，通信帶寬往往是制約整體性能的主要因素，而ADSP-TS101具有更佳帶寬性能比。且微型SAR系統(tǒng)對功耗、重量有很大的限制，故系統(tǒng)設計采用ADSP-TS101芯片。在FPGA芯片的選擇中，目前Altera公司的EP3S系列的芯片很大的片內(nèi)存儲資源和相對多的DSP Block，其中我們已經(jīng)應用過的EP3S110有9300多K的內(nèi)存和多達896個18×18的DSP Block，非常適合做高密度的FFT運算。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的實時處理系統(tǒng)中，利用多塊板卡并行處理實現(xiàn)連續(xù)實時成像，單塊板卡上利用多個DSP實現(xiàn)對子孔徑數(shù)據(jù)的并行處理以提高性能，而無人機載微型SAR系統(tǒng)對體積、功耗、重量有很大的限制，不允許做傳統(tǒng)的多板卡并行處理。從表1可見，F(xiàn)PGA相對于DSP在FFT運算中很大的優(yōu)勢，以FPGA工作在200 MHZ主頻為例，其處理能力可達ADSPTS201的4～5倍;而在SAR實時處理中FFT運算占整個處理時間的80%以上，采用FPGA實現(xiàn)FFT運算能夠很大程度上減少處理芯片的數(shù)量和規(guī)模;并利用FPGA和ADSP-TS101混合處理方式，充分發(fā)揮了各自處理優(yōu)勢。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，往往利用CPU或者單片機實現(xiàn)一定的計算功能，利用CPLD或者FPGA實現(xiàn)接口控制和時序設計。而在本系統(tǒng)中，利用FPGA內(nèi)嵌的NIOS實現(xiàn)了計算功能，單片F(xiàn)PGA實現(xiàn)了整個系統(tǒng)控制功能，實現(xiàn)了實時信號處理和控制系統(tǒng)一體化設計，減小了系統(tǒng)體積、重量和功耗，而且處理和控制系統(tǒng)的這種無縫設計，降低了接口的復雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性;相比于SRAM和SDRAM，采用DDRII存儲方案大大提高了數(shù)據(jù)通信帶寬，減小了數(shù)據(jù)吞吐延時。整個系統(tǒng)設計大大提高了處理性能，有效的降低了體積、重量和功耗，很好的滿足微型SAR系統(tǒng)要求。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)的控制功能主要由FPGA1(EP3SE110F1152)實現(xiàn)，內(nèi)部接口種類和數(shù)量多，F(xiàn)PGA邏輯設計異常復雜。a)產(chǎn)生整機時序，包括導前、DDS觸發(fā)、波形控制碼、工作模式碼、AGC增益控制等，并根據(jù)系統(tǒng)工作命令動態(tài)更新。b)接收并解譯顯控系統(tǒng)通過232串口發(fā)送工作命令和系統(tǒng)參數(shù)，對信號處理、伺服、接收等分系統(tǒng)進行控制，同時將其他系統(tǒng)的工作狀態(tài)反饋到顯控;c)接收AD采集系統(tǒng)通過LVDS接口發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，接收并解譯載機的慣導數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議對原始回波、慣導數(shù)據(jù)和系統(tǒng)工作參數(shù)進行打包處理，同時發(fā)給信號處理系統(tǒng)進行處理;d)通過232串口發(fā)送命令協(xié)議對記錄儀進行工作起始、停止控制，將打包后的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到記錄儀進行存儲;e)實現(xiàn)整機的BITE設計，采用看門狗的方式對信號處理的ADSP-TS101和FPGA主要功能模塊進行狀態(tài)監(jiān)測，利用TTL電平信號對接收、伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，并將各個分系統(tǒng)的狀態(tài)上報到顯控系統(tǒng)進行顯示。

在脈沖重復周期內(nèi)，F(xiàn)PGA1完成距離脈壓，并根據(jù)場景寬度進行數(shù)據(jù)截取，有效地降低了數(shù)據(jù)率，并將處理結(jié)果通過LVDS接口傳給FPGA2，后續(xù)的處理功能主要有兩片 ADSP-TS101和FPGA2(EP3SE110F1152)共同實現(xiàn)。信號處理板上有兩片ADSP-TS101實現(xiàn)乒乓處理，主頻為300 MHZ，外圍32位地址總線和64位總線和FPGA2相連，總線時鐘75 MHz，每片通信帶寬為600 MBps。每片的4個鏈路口和FPGA相連，通信帶寬為600 MBps，實現(xiàn)和FPGA的數(shù)據(jù)交互。TS101實現(xiàn)了整個處理流程的控制，實現(xiàn)了Fdc、Fdr估計等運算，并對圖像進行壓縮，將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)通過鏈路口轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA1，傳到載機無線傳輸鏈路，最終下傳到地面情報系統(tǒng)。FPGA2內(nèi)部有兩個處理核，主要實現(xiàn)大點數(shù)的FFT以及IFFT處理，F(xiàn)PGA2外掛兩組32位寬度的DDRII存儲器，每簇容量為256 MB，用于處理過程的數(shù)據(jù)緩沖，通過自帶的IP核實現(xiàn)對DDRII的訪問，時鐘頻率為533 MHz，峰值數(shù)據(jù)率可達2.1 GBPS，滿足了處理過程中大帶寬數(shù)據(jù)吞吐的要求。FPGA2的程序處理進程由TS101來觸發(fā)，協(xié)同ADSPTS101共同完成整個實時處理流程 。系統(tǒng)的硬件實物，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件實物圖

2 算法選擇

在所有的成像算法中，RD算法是相對比較成熟的一種。與CS算法相比，它具有較小的運算量還可以在收數(shù)的同時完成實時距離脈壓處理并進行數(shù)據(jù)截取，這就大大減小了數(shù)據(jù)量，縮短了處理時間［4］。在實際情況中，無人機載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)定因素的影響會有較大的失真，從而使成像質(zhì)量下降，因此需要在成像算法中嵌入運動補償部分。首先利用無人機提供的慣導數(shù)據(jù)對運動誤差進行了初補償，消除了大部分的運動誤差;在后續(xù)的處理中，又利用回波數(shù)據(jù)進行運動誤差估計與補償，進一步消除了運動誤差。這種利用慣導數(shù)據(jù)計算運動誤差與回波數(shù)據(jù)估計運動誤差相結(jié)合的算法，充分發(fā)揮了兩種方法的優(yōu)點，增加了系統(tǒng)的可靠性［2］?；谝陨戏治觯捎昧艘环N改進型的RD算法，且整個算法結(jié)構(gòu)非常適合實時處理流程。

機載SAR側(cè)視成像幾何關(guān)系，如圖3所示。

圖3 機載側(cè)視SAR成像幾何關(guān)系圖

其中Ls為子孔徑長度，v為載機飛行速度，r(t)為地面點目標P到雷達的實時斜距，r0為P點到子孔徑中心點的距離，rc為P點到載機航跡的垂直距離，斜視角θ為P點到子孔徑中心O的連線與載機航線夾角的余角，θi為雷達入射波束中心線與地面法線方向的夾角，γ為波束中心線掃描平面與載機航跡所在垂直平面的夾角，h為載機高度。

點目標P的回波特性取決于實時斜距r(t)。由余弦定理

由此引起的多普勒頻率為

可見，由于雷達運動，地面單個點目標的回波信號所產(chǎn)生的多普勒頻移近似具有線性調(diào)頻特性。多普勒中心頻率

方位調(diào)頻率

輸出信號的時域表達式為

從上式第一項可以看出t和τ的耦合，同一距離不同方位上的點目標距離遷移軌跡相互重疊，無法在時域?qū)Ω鼽c的距離遷移得到統(tǒng)一校正。

sinc函數(shù)中t的一次項代表距離走動，必須對其進行校正。若令的傅里葉變換為 Sr1(f)，則對應的傅里葉變換為

為校正距離走動，可將距離向頻譜乘以一個補償因子Φ1

多普勒中心頻率fdc必須從實測數(shù)據(jù)進行估計，sinc函數(shù)中的t2項代表距離彎曲。在本試驗中，由于測繪帶較小，子孔徑長度也不大，成像區(qū)域內(nèi)散射點的最大距離彎曲不會超過一個距離分辨單元，距離彎曲的影響可以忽略。方位向處理時也必須對fdc進行補償，否則可能使方位多普勒頻率產(chǎn)生模糊，導致最終的SAR圖像出現(xiàn)折疊。方位多普勒中心頻率補償因子為

方位向處理首先采用補償因子Φ3在時域進行去斜(Dechirp)

fdr也是從實測數(shù)據(jù)進行估計的。最后方位向完成脈壓就能得到復圖像輸出。

算法的詳細流程如圖4所示。

4 試驗結(jié)果

基于上述硬件平臺和成像算法，微型SAR實時信號處理系統(tǒng)隨雷達整機在2011年下半年進行了飛行試驗，利用中國電子科技集團公司第27所的“天鷹-I”無人機平臺在河南鄭州上街機場進行了掛載飛行試驗，在多個架次的飛行試驗中，微型SAR信號處理系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了連續(xù)實時成像處理和雷達整機的控制功能，很好的適應了微型SAR系統(tǒng)的需求。所得的實時圖像如圖5和圖6所示。

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

［2］郝慧軍，唐月生.SAR實時成像處理系統(tǒng)設計［C］//第十二屆雷達年會論文集，2012:1 323-1 327.

［3］Analog Device Inc.ADSP-TS101 TigerSHARC Processor Hardware Reference［Z］.2003.

［4］方志紅，張長耀，鄧海濤，等.直升機載SAR實時處理的實現(xiàn)［C］//2003年中國合成孔徑雷達會議論文集，2003:256-256.