顧振杰　劉　宇

(91336部隊　秦皇島　066000)

GU Zhenjie　LIU Yu

(No.91336 Troops of PLA, Qinhuangdao　066000)

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SAR雷達目標回波模擬系統(tǒng)構建方法研究*

顧振杰劉宇

(91336部隊秦皇島066000)

論文針對SAR雷達測試需求，對SAR雷達回波模擬系統(tǒng)的構建方法進行了分析，并對關鍵技術進行了深入研究，以數(shù)字高程圖(DEM)為基準源，并采用距離時域相干法進行目標回波的仿真；應用DSP+FPGA陣列實現(xiàn)目標回波系統(tǒng)函數(shù)的實時計算;對雷達發(fā)射信號和目標回波系統(tǒng)函數(shù)進行傅里葉變換后，進行卷積和數(shù)字正交混頻，實現(xiàn)回波信號的相關性模擬。論文所提出的方法，可實現(xiàn)SAR成像雷達較大場景目標回波模擬，并可有效提高目標回波模擬的實時性。

目標回波; FPGA陣列; 系統(tǒng)函數(shù); 卷積; 正交混頻

GU ZhenjieLIU Yu

(No.91336 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

Class NumberTN219

1　引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種主動式微波遙感成像雷達,具有全天候、全天時、高分辨、寬測繪帶等特點,在軍事以及國民經(jīng)濟的各個領域都有很廣泛的應用[1～2]。隨著技術的不斷進步，SAR成像雷達變得越來越先進，越來越復雜，這也對SAR回波模擬器的建設提出了越來越高的要求[3]。

目前國內(nèi)已建成一些SAR回波模擬器，大多采用高性能工作站、分布式計算、DSP、GPU等較為傳統(tǒng)的計算方式來完成回波場景計算，模擬場景普遍不大，且多為回放式的非實時系統(tǒng)。隨著對模擬地面場景大小要求不斷提高、模擬實時性和真實性要求不斷增加，目前多采用FPGA陣列來實現(xiàn)回波場景的實時模擬[4]。盡管FPGA存在器件成本高、開發(fā)周期較長、開發(fā)工具不易使用、開發(fā)人員要求較高等缺陷，但由于其具備單片多達超過2000個的DSP單元、靈活可配置的復雜邏輯功能、大帶寬低延遲的數(shù)據(jù)互聯(lián)能力，目前已成為實時SAR回波模擬計算所采用的最好手段。

本文所構建SAR成像回波模擬系統(tǒng)，利用數(shù)字高程圖(DEM)[5～6]模擬真實反射場景的三維地物結構，構造目標模型，采用距離時域相干法[7]進行目標回波的仿真，應用DSP+FPGA陣列實現(xiàn)目標回波系統(tǒng)函數(shù)(用于表征SAR成像雷達目標回波特性)的實時計算。應用本系統(tǒng)，可實現(xiàn)SAR雷達較大場景目標回波的實時模擬，滿足SAR雷達測試需求。

2　系統(tǒng)組成

SAR成像雷達回波模擬系統(tǒng)主要包括兩個功能子模塊：一個是系統(tǒng)函數(shù)實時計算模塊，用來實現(xiàn)SAR目標回波系統(tǒng)函數(shù)的實時計算功能；另一個是信號調(diào)制模塊，用來實現(xiàn)雷達信號的變頻、采集以及雷達信號與目標回波系統(tǒng)函數(shù)的卷積、調(diào)制以及基帶信號的上變頻等功能。

系統(tǒng)函數(shù)實時計算模塊主要由信號預處理DSP板組成和系統(tǒng)函數(shù)計算FPGA陣列。信號預處理DSP板用于對系統(tǒng)函數(shù)計算陣列的每個計算單元的任務進行劃分、計算相應的仿真參數(shù)。系統(tǒng)函數(shù)計算FPGA陣列是SAR目標回波實時計算系統(tǒng)的核心，它用于計算目標回波系統(tǒng)函數(shù)(用于表征SAR成像雷達目標回波特性)。系統(tǒng)函數(shù)計算陣列由多塊高性能計算板卡組成，每塊板卡包含多片F(xiàn)PGA。

信號調(diào)制模塊首先對雷達發(fā)射信號進行下變頻，經(jīng)過AD變換后在中頻上對雷達信號進行采集，工程上一般采用專用的信號采集板來完成。然后在中頻上對目標回波系統(tǒng)函數(shù)與雷達信號進行卷積和數(shù)字正交調(diào)制處理，在中頻上生成雷達回波信號，然后經(jīng)過DA變換和上變頻后輸出與雷達發(fā)射信號同頻段的回波信號。

圖1　系統(tǒng)功能組成圖

3　SAR目標回波仿真算法

在SAR目標回波仿真中，最具代表性的仿真算法包括距離頻域脈沖相干法、距離時域脈沖相干法以及二維頻域快速傅里葉變換法等三種。為了滿足SAR目標回波實時計算的要求，并在保證仿真數(shù)據(jù)真實性的同時盡量減少計算量，模擬器采用距離時域脈沖相干法進行目標回波的仿真。

SAR目標回波是雷達照射波束內(nèi)全部散射點回波的疊加，它可以看作是雷達發(fā)射信號經(jīng)過一個系統(tǒng)后的輸出。因而SAR目標回波可表示為雷達發(fā)射脈沖s(t)與目標回波系統(tǒng)函數(shù)h(t)的卷積，即[8]

sr(t)=s(t)?h(t)

(1)

式中的系統(tǒng)函數(shù)包含了波束照射范圍內(nèi)所有散射點回波的延遲、幅度以及方位相位等信息，它可表示為

(2)

雷達發(fā)射脈沖信號為

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)后，得到面目標回波信號模型。由式(2)可知，目標回波系統(tǒng)函數(shù)是一系列沖擊函數(shù)的疊加，這些沖擊函數(shù)具有不同的延時、幅度和相位，其作用就是對雷達發(fā)射信號進行延遲、幅度和相位的調(diào)制。在距離時域脈沖相干法中，將根據(jù)目標回波系統(tǒng)函數(shù)的采樣周期對散射點的延遲進行近似處理。此時在某個采樣時刻的回波系統(tǒng)函數(shù)將是落入該時刻所代表距離門的所有散射點信息的疊加，即

(4)

式中：M為落入該距離門散射點的個數(shù)，Ak、Rk和tk分別表示該距離門內(nèi)第k個散射點回波的幅度、距離和延遲，Ts為系統(tǒng)函數(shù)的采樣周期。

由于雷達波束在地面照射范圍內(nèi)的散射點數(shù)目非常多，因而在SAR目標回波仿真中，目標回波系統(tǒng)函數(shù)的計算量將非常大。

4　目標回波系統(tǒng)函數(shù)生成

目標回波系統(tǒng)函數(shù)表征SAR雷達目標回波的特性，在SAR目標回波計算中，目標回波系統(tǒng)函數(shù)是計算量最大也是最復雜的一個環(huán)節(jié)。它要對雷達地面照射范圍內(nèi)所有散射點回波的延遲、相位以及幅度等信息進行計算，并對處于同一距離門的回波信息進行累加。目標回波系統(tǒng)函數(shù)的實時計算可采用FPGA計算陣列來完成，這一方面由于FPGA本身具有豐富的資源適用于高性能計算，另外SAR目標回波仿真的特點也使得它能夠通過多個計算單元的并行計算來完成[9]。

在利用FPGA陣列實時計算目標回波系統(tǒng)函數(shù)時，需要實時根據(jù)雷達波束范圍對FPGA陣列中的每個計算單元進行計算任務的分配及參數(shù)設置，以便整個計算陣列系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，這項任務由DSP信號預處理板來完成。

從基準源角度來看，目前主要有兩種：一種是通過數(shù)字高程圖(DEM)模擬來模擬雷達回波數(shù)據(jù)，稱為幾何模型法。此方法可以真實地模擬三維場景以及雷達圖像特有的幾何畸變現(xiàn)象，運用比較廣泛，模擬的回波更加真實可靠。另一種是灰度模型法。此方法雖然不能模擬雷達圖像特有的幾何畸變現(xiàn)象，但是可以作為幾何模型方法的參考，作為幾何模型方法的補充配準圖像。本文中系統(tǒng)回波函數(shù)生成采用DEM方法。

系統(tǒng)回波函數(shù)實時計算過程如下：

1) 根據(jù)彈道信息和當前脈沖時刻遞推得到當前雷達坐標、姿態(tài)以及雷達波束覆蓋地圖范圍。在FPGA陣列中，此項功能可充分利用內(nèi)嵌CPU進行計算。

根據(jù)雷達坐標和地面反射系數(shù)矩陣中心值計算方位角、俯仰角和高度值。

2) 從數(shù)字高程地圖文件中讀取當前脈沖時刻雷達波束照射的地圖數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)在仿真前下載到外部存儲器，該存儲器一般采用高速同步SRAM介質(zhì)。

3) 坐標轉換。根據(jù)每個像元在大地坐標系下的坐標轉換為天線坐標系下的坐標值，并計算每個像元到雷達的距離。此步驟利用定制可編程處理器實現(xiàn)，每個節(jié)點的處理器根據(jù)單個像元坐標位置和雷達坐標位置計算之間距離，為保證回波相位精度，需要采用雙精度格式進行計算。

4) 根據(jù)天線方向圖，對每個角度單元中的有效像元的后向散射系數(shù)進行幅度調(diào)制。

5) 根據(jù)距離值，計算每個像元對應的延遲單元和相位值；此步驟利用定制可編程處理器實現(xiàn)，延遲單元及相位值可采用查表法獲取。

對于延遲單元，有dbin=Rif/fs，其中fs代表一個采樣點所代表的距離。

對于相位值，有φij=4πRij/λ，其中為λ載波波長。

6) 根據(jù)地圖數(shù)據(jù)，計算每個像元對應的幅度值Aij。

7) 根據(jù)每個像元的延遲單元、相位值和幅度值得到每個像元的沖激響應，即hij=Aij·φij；此步驟利用定制可編程處理器實現(xiàn)。

8) 根據(jù)每個像元的沖激響應，累計相加得到系統(tǒng)響應函數(shù)。

圖2　系統(tǒng)響應函數(shù)計算流程

5　卷積及數(shù)字正交調(diào)制處理

目標回波系統(tǒng)函數(shù)與雷達基帶信號進行卷積處理之后，將得到SAR目標回波基帶信號。由于目標回波系統(tǒng)函數(shù)及雷達基帶信號采樣點數(shù)都很多，為了減少計算量，卷積將在頻域完成。即通過信號在頻域的相乘來實現(xiàn)其在時域的卷積。為了實現(xiàn)頻域卷積，需要進行FFT及IFFT處理，利用FPGA自帶的強大FFT核比較容易實現(xiàn)快速卷積運算，以便滿足實時計算的要求?？紤]到雷達信號波形在仿真中的變化，頻域卷積中雷達信號的FFT數(shù)據(jù)也要根據(jù)雷達波形的改變進行調(diào)整。

快速卷積處理的運算表達式及基本流程如下：

sr(t,ta)=IFFT(FFT(s(t))×FFT(h(ta))

(5)

如圖3所示，將線性調(diào)頻信號預先變換到頻域，將該頻域數(shù)據(jù)存儲在FPGA的RAM中，在進行快速卷積運算時直接從RAM中讀取數(shù)據(jù)。復數(shù)乘法運算完成后，在RAM中截取前1024點和后1024點數(shù)據(jù)除去鏡頻，然后分時復用FFT核，實現(xiàn)IFFT運算。這樣快速卷積運算多調(diào)用了一個RAM而少調(diào)用一個FFT核。通過分析可知，一個深度為2048點，位寬3bit的截取RAM、占用的邏輯資源遠小于2048點的FFT所占用的資源[10]。

最后，對目標回波基帶信號進行內(nèi)插、數(shù)字正交調(diào)制以及DA變換等處理，將得到中頻目標回波。由于模擬正交調(diào)制中兩個通道信號的幅相不一致將會形成較大的鏡像干擾，為此采用數(shù)字正交調(diào)制的方法進行上變頻變換。由于上變頻后信號的采樣頻率需要提高，因而在數(shù)字正交調(diào)制前進行內(nèi)插處理，以提高信號的采樣率。

圖3　快速卷積運算流程

圖4　正交調(diào)制原理圖

雷達發(fā)射信號為

s(t)=a(t)cos(?0t+θ(t))

(6)

經(jīng)AD采樣后，變成數(shù)字信號：

s(n)=a(n)cos(?0t+θ(n))

(7)

其中，n=k/fs，k=0，1，2…。

通過混頻技術，可得到信號的正交變量，數(shù)字信號正交混頻的I路可表示為

s(n)cos(w0n)=1/2a(n)[cosθ(n)+cos(2w0n+θ(n))]

(8)

Q路可表示為

s(n)(-sin(w0n))

=1/2a(n)[sinθ(n)+sin(2w0n+θ(n))]

(9)

6　實驗結果

本文所闡述技術在工程實踐中得到了應用，在實驗室條件下應用某型采用了本文所闡述技術的系統(tǒng)進行了驗證實驗。圖5為利用安捷倫公司生產(chǎn)的E8257D信號源模擬產(chǎn)生具有一定帶寬的線性調(diào)頻信號，信號通過模擬系統(tǒng)進行相關調(diào)制后，應用安捷倫公司生產(chǎn)的DSO80604B示波器對信號的時域信息進行測量，如圖所示為在通過系統(tǒng)調(diào)制后產(chǎn)生的距離擴展信號，信號在基帶測量，擴展點數(shù)為16點，各擴展點之間具有相對的幅度起伏關系，反映了各擴展點不同的回波特性。

圖5　時域分布示意圖

圖6和圖7為系統(tǒng)所成海島場景和艦船圖像，圖像采用系統(tǒng)自帶軟件顯示，數(shù)據(jù)場景大小為300*300點，由圖可見，所成圖像較為準確地反映了目標場景的回波信息。

圖6　海島成像圖

圖7　艦船成像圖

7　結語

本文對SAR成像雷達目標回波模擬系統(tǒng)的構建方法進行了研究，對SAR目標回波仿真算法、目標回波系統(tǒng)函數(shù)生成和卷積及數(shù)字正交調(diào)制處理等三項關鍵技術進行了深入分析，并給出了具體的應用實例。本文所采用技術在國內(nèi)具有一定的先進性和代表性。尤其是采用DSP+ FPGA陣列的方式實現(xiàn)目標回波系統(tǒng)函數(shù)的實時計算，可很好地實現(xiàn)較大場景和高實時性回波信號的模擬。但采用該方法，尤其是采用大規(guī)模FPGA陣列，雖然效果很好，但造價很高。因此，在進行相關系統(tǒng)設計時，要綜合考慮應用需求與成本之間的關系，選取合理的建設方式，以取得最佳的效費比。

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Construction Method of SAR Radar Target Echo Simulation System*

Aimed to the requirement of the SAR radar testing, the construction method of SAR Radar target echo simulation system is analyzed, and the key technology is researched deeply.The target echo is simulated by using the coherence method of distance time domain based on standard source. The target echo system functionrealizes real-time calculating by using DSP +FPGA array. The echo signal correlation simulation is realized by convolved and digital quadrature down-convert after radar transmit signal and target echo system function in Fourier transform. The simulation of the large scene of SAR imaging radar is realized, and the real-time performance of target echo simulation is improved effectively.

target echo, FPGA array, system function, convolve, orthogonal mixing

2016年2月8日,

2016年3月27日

顧振杰,男,高級工程師,研究方向：射頻仿真。劉宇,男,碩士研究生,工程師,研究方向：射頻仿真。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.025