鄭 昱，李 磊

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)不僅具有常規(guī)雷達(dá)全天時(shí)、全天候的特性，還能夠有效形成地面目標(biāo)的二維高分辨圖像，提升雷達(dá)的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力，具有廣泛的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注。

實(shí)時(shí)成像處理是SAR信號(hào)處理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它要求系統(tǒng)的處理時(shí)間小于回波的錄取時(shí)間，具備實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)場(chǎng)變化的能力，便于戰(zhàn)場(chǎng)上的快速?zèng)Q策與打擊，是衡量雷達(dá)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

實(shí)時(shí)成像技術(shù)需要在有限的硬件資源條件下獲取高質(zhì)量的雷達(dá)圖像，因此，不同于地面事后處理，實(shí)時(shí)系統(tǒng)存在硬件平臺(tái)的存儲(chǔ)空間、接口通過率與運(yùn)算能力等約束條件的制約。本文分析了實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的應(yīng)用瓶頸，研究了兩種SAR成像工程應(yīng)用技術(shù)，并提出了一種高分辨率的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終以實(shí)際成像結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

1 機(jī)載實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)處理方式

1.1 問題的提出

SAR系統(tǒng)具備二維高分辨的特點(diǎn)，其距離高分辨δr的特性由信號(hào)寬帶B決定，方位高分辨δa的特性由方位轉(zhuǎn)角θa與載波波長λ決定，它們之間的關(guān)系為

式中:c為電磁波在空間內(nèi)的傳播速度。

實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)不僅與分辨率有關(guān)，還與成像幅寬Wr、采樣頻率fs、脈沖重頻PRF、合成孔徑時(shí)間Ta等參數(shù)有著密切的關(guān)系。成像幅寬與距離采樣間隔決定了距離向處理的點(diǎn)數(shù)

雷達(dá)重頻與合成孔徑時(shí)間決定了方位向處理的點(diǎn)數(shù)

此時(shí)，SAR成像指標(biāo)對(duì)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)提出的關(guān)鍵指標(biāo)要求見表1。

表1 SAR實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)

當(dāng)成像幅寬為10 km，采樣頻率為750 MHz，脈沖重頻為1 800 Hz，合成孔徑時(shí)間為18 s時(shí)，系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)空間為25 GB，接口通過率為650 MB/s，運(yùn)算通過率為89 MB/s。如此高指標(biāo)的系統(tǒng)存儲(chǔ)、運(yùn)算與傳輸要求是對(duì)常規(guī)硬件平臺(tái)的巨大挑戰(zhàn)，特別是25 GB的存儲(chǔ)需求是現(xiàn)有單個(gè)硬件模塊無法實(shí)現(xiàn)的。作為工程應(yīng)用科學(xué)的雷達(dá)實(shí)時(shí)達(dá)信號(hào)處理必須有效劃分系統(tǒng)架構(gòu)，減少系統(tǒng)運(yùn)算存儲(chǔ)冗余，充分利用硬件平臺(tái)資源才能夠保證實(shí)時(shí)成像的質(zhì)量。距離子帶劃分與方位預(yù)濾波即為相應(yīng)的工程優(yōu)化方式。

1.2 距離向子帶劃分

大幅寬/高分辨的系統(tǒng)指標(biāo)直接導(dǎo)致了距離向點(diǎn)數(shù)的增加，使得實(shí)時(shí)系統(tǒng)的二維處理更加復(fù)雜。因此，可以借鑒步進(jìn)頻距離拼接的思想，通過有效劃分距離點(diǎn)數(shù)，能夠使得距離維劃分為多個(gè)并行子帶，子帶成像處理后再進(jìn)行距離向的合成，完成圖像拼接。該方法能夠有效減少系統(tǒng)單個(gè)模塊的壓力，提升系統(tǒng)的拓展能力。

實(shí)時(shí)成像過程中為考慮場(chǎng)景距離彎曲的影響，距離子帶并不是簡單的等分，需要子帶之間進(jìn)行距離重疊，保證成像場(chǎng)景回波都在該距離段，因此，距離段劃分中距離重疊點(diǎn)數(shù)所需要滿足的約束條件為

式中:RB為場(chǎng)景中心距離。

當(dāng)距離子帶劃分為4個(gè)時(shí)，距離重疊點(diǎn)數(shù)為2 048。前文相同條件下系統(tǒng)子帶的存儲(chǔ)可以減少為6.6 GB，接口通過率降低到140 MB/s，運(yùn)算通過率可以減少為25 MB/s，對(duì)單個(gè)硬件模塊的指標(biāo)要求降低了許多，系統(tǒng)工程可實(shí)現(xiàn)性增強(qiáng)。

1.3 方位預(yù)濾波

雷達(dá)成像參數(shù)設(shè)計(jì)過程中為避免天線展寬對(duì)方位向的影響，雷達(dá)重頻設(shè)計(jì)得都比較高，方位向點(diǎn)數(shù)處理存在冗余，直接增加了實(shí)時(shí)處理壓力。工程應(yīng)用中可以通過預(yù)濾波的方法減少方位點(diǎn)數(shù)的限制條件，便于工程實(shí)現(xiàn)。方位向預(yù)濾波抽取系數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為

式中:Ba為方位向多普勒帶寬。滿足該條件時(shí)，方位向的多普勒頻率不會(huì)出現(xiàn)混疊，預(yù)濾波在減少方位點(diǎn)數(shù)的同時(shí)不會(huì)影響成像質(zhì)量。

2 高性能實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過距離子帶劃分可以降低單個(gè)模塊成像的處理壓力，方位預(yù)濾波可以有效減少方位向點(diǎn)數(shù)的限制條件。兩種工程算法相結(jié)合可以設(shè)計(jì)一種高性能的實(shí)時(shí)SAR成像系統(tǒng)，如圖1所示。該實(shí)時(shí)系統(tǒng)不僅把距離維點(diǎn)數(shù)多的壓力分解到多個(gè)不同子帶上，又能最大限度地利用方位向的點(diǎn)數(shù)。并隨著成像幅寬指標(biāo)的提升，只需要并行地增加子帶成像單元即可滿足要求，系統(tǒng)的可拓展能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。

圖1 高性能實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 處理結(jié)果

采用本文處理架構(gòu)對(duì)SAR成像回波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，結(jié)果如圖2所示。

圖2 SAR成像回波數(shù)據(jù)

由圖2可知，距離子帶劃分過程中存在一定的距離重疊，距離子帶成像后的結(jié)果只要簡單消除重疊即可拼接為大幅寬高分辨的SAR成像結(jié)果，如圖3所示。

圖3 距離段拼接成像結(jié)果

圖3中距離子帶劃分為4個(gè)，距離重疊點(diǎn)數(shù)為2 048，子帶點(diǎn)數(shù)為16 384，方位預(yù)濾波抽取系數(shù)為2，重頻為1 800 Hz，相參處理數(shù)據(jù)為18 s。常規(guī)成像處理所需的存儲(chǔ)空間為16 GB，數(shù)據(jù)通過率為890 MB/s，運(yùn)算通過率為111 MB/s。進(jìn)行子帶劃分與方位預(yù)濾波以后，子帶所需的存儲(chǔ)空間為4 GB，數(shù)據(jù)通過率為222 MB/s，運(yùn)算通過率為28 MB/s，子帶劃分單元只進(jìn)行了流水的脈壓，無需方位存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的通過率為128 MB/s，存儲(chǔ)壓力小，子帶合成也無需二維處理，存儲(chǔ)空間為2 GB即可。因此，本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)硬件模塊的存儲(chǔ)、運(yùn)算與傳輸需求可以降低3/4，最復(fù)雜的二維成像單元可以具有充裕的運(yùn)算時(shí)間與存儲(chǔ)資源，突破了常規(guī)SAR實(shí)時(shí)成像的瓶頸。

4 結(jié)束語

本文通過合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)原始回波成像處理過程中利用距離子帶劃分與方位預(yù)濾波，可以減少回波數(shù)據(jù)中的冗余數(shù)據(jù)，降低了單個(gè)硬件模塊的處理壓力。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠充分利用子帶并行的優(yōu)勢(shì)，突破了成像實(shí)時(shí)系統(tǒng)處理與存儲(chǔ)的瓶頸，系統(tǒng)兼容性好，易于拓展。最后，通過真實(shí)的回波數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性，該系統(tǒng)可以在嚴(yán)格的硬件約束條件下完成高質(zhì)量的SAR成像實(shí)時(shí)處理。

［1］刑孟道，王 彤.雷達(dá)成像技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.Xing Mengdao，Wang Tong.Radar imaging technology［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2004.

［2］Krik D，Bessette L A，F(xiàn)awcett G，et al.Case study in parallel processing technology for large scale production of sysnthetic aperture radar imagery［J］.SPIE，1999，37(21):201-211.

［3］李肖冬，梁甸農(nóng).基于相參子孔徑的SAR實(shí)時(shí)成像方法［J］.系統(tǒng)工程電子技術(shù)，2004，26(3):329-333.Li Xiaodong，Liang Diannong.SAR real-time imaging algorithm based on coherent subaperture［J］.Systems Engineering and Electronics，2004，26(3):329-333.

［4］禹衛(wèi)東，吳淑梅.機(jī)載SAR實(shí)時(shí)成像處理器中方位預(yù)濾波比的選取［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2002，24(2):36-38.Yu Weidong，Wu Shumei.Selection of azimuth pre-filter ratio for airborne SAR real-time imager［J］.Modern Radar，2002，24(2):36-38.

［5］姚 迪，劉 峰，龍 騰.機(jī)載合成孔徑雷達(dá)子孔徑實(shí)時(shí)處理方法研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(10):53-55.Yao Di，Liu Feng，Long Teng.Study on airborne SAR subperture real-time processing method［J］.Modern Radar，2006，28(10):53-55.