夏燁巍 秘璐然

摘要：調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種新體制成像雷達(dá)，具有體積小，重量輕，成本低，分辨率高等顯著優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛。由于SAR成像信號處理的數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜、實時性要求高，導(dǎo)致傳統(tǒng)的單核DSP+FPGA的平臺架構(gòu)已很難滿足實時處理要求，目前基于多核DSP的并行SAR成像處理平臺成為重要發(fā)展趨勢。本文在對距離-多普勒（RD，Range-Doppler）SAR成像算法理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于多核DSP通用信號處理平臺的FMCW SAR實時信號處理方案。通過基于設(shè)計數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)和存儲矩陣轉(zhuǎn)置的方式驗證了基于多核DSP的實時信號處理方案的可行性，能有效提升實時處理性能和算法運算效率。

關(guān)鍵詞：SAR 成像；TMS320C6678多核處理器；RD算法；并行處理

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

合成孔徑雷達(dá)（SAR，Synthetic Aperture Radar）一種全天時、全天候高分辨率微波遙感成像雷達(dá)[1]，隨著其技術(shù)的飛速發(fā)展，在區(qū)域監(jiān)視、軍事偵察、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)視、地形測繪等領(lǐng)域都發(fā)揮重要的作用和廣泛的用途。傳統(tǒng)的SAR基于脈沖體制，非常昂貴，通常太重或體積較大，不易安裝在小型化設(shè)備如無人機(jī)、輕型飛機(jī)和導(dǎo)彈上[2]，對微型SAR提出迫切的需求，于是基于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的SAR應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的脈沖SAR相比，F(xiàn)MCW SAR在實現(xiàn)設(shè)備的輕小型化、實時高分辨率成像、與光電設(shè)備綜合集成、提高系統(tǒng)的低截獲概率特性等方面具備相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，適合應(yīng)用在無人機(jī)等中小型飛行平臺上，因此，F(xiàn)MCW SAR備受重視，成為SAR技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。1988年，英國倫敦大學(xué)首先提出FMCW SAR的概念，1991年，日本利用FMCW SAR實現(xiàn)積雪場掩埋物的探測[3]-[5]。1997年，英國倫敦大學(xué)將FMCW SAR應(yīng)用于海洋內(nèi)波成像的MORSE計劃[6]。2004年，美國Brigham Young大學(xué)的微波地球遙感實驗室（BYU-MERS）成功研制了一種小型化、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、低成本的X波段和C波段FMCW SAR系統(tǒng)—μSAR/MicroSAR[7]。國內(nèi)適用于海軍無人機(jī)偵察的雷達(dá)尚未開展研制，對于中程無人機(jī)SAR的輕型化設(shè)計尚處于起步階段。

RD算法處理流程很適合實時成像處理機(jī)的實現(xiàn)，成為機(jī)載正側(cè)視SAR中最為通用的成像算法。TI公司推出的多核DSP TMS320C6678芯片，相比較傳統(tǒng)單核DSP，具有更強(qiáng)的處理運算能力?；谟布脚_構(gòu)建層次化軟件開發(fā)平臺以及多核任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)多層次高效并行處理是提高SAR數(shù)據(jù)實時處理能力的有效途徑。

1 RD成像算法

RD算法把SAR成像等效為兩個互不耦合的一維壓縮過程，即通過距離向壓縮，獲得距離向高分辨率；通過距離多普勒域插值，實現(xiàn)距離向與方位向解耦合，校正距離徙動；通過方位向壓縮，獲得方位向高分辨率。

第一個時間片，核1讀取0～1行的數(shù)據(jù)，核2讀取1365～1366行的數(shù)據(jù)，依此，核6讀取7325～7326行的數(shù)據(jù)。第二個時間片，核1讀取2～3行的數(shù)據(jù)，同時對0～1行的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，核2取1367～1368行數(shù)據(jù)，對1365-1366行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依此，核6取7327～7328行的數(shù)據(jù)，對7325～7326行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成后回寫數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，之后重復(fù)之前的操作。其中每個時間片的取數(shù)操作均由EDMA完成，由于DDR3總線沖突，因此需要使用旗語信號管理EDMA對DDR3總線的占用。

各個單核處理采用PING-PONG處理，在內(nèi)存L2空間定義Ping區(qū)（數(shù)據(jù)處理緩存A區(qū)）和Pong區(qū)（數(shù)據(jù)處理緩存B區(qū)），如圖7所示，當(dāng)核發(fā)起EDMA讀操作后，不等待EDMA讀完成，即開始處理數(shù)據(jù)，目的是EDMA讀取和處理并行，提高處理效率。

根據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)特點，對同頁存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)順序或跳變訪問可以達(dá)到非常高的讀寫速率，每次跨頁讀寫都需要一定的周期數(shù)激活當(dāng)前存儲頁。如果將SAR數(shù)據(jù)按距離向順序?qū)懭氪鎯ζ?，那么距離向讀寫可以達(dá)到峰值速度，而方位向?qū)⒖缭酱罅看鎯?，讀寫速率大幅降低，從而導(dǎo)致實時性的下降。因此數(shù)據(jù)處理過程中需具備快速實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量矩陣轉(zhuǎn)置的能力，既要滿足二維數(shù)據(jù)讀寫速度的要求，又要節(jié)約存儲空間。

3 結(jié)束語

FMCW SAR成像算法對運算量和處理能力要求越來越高，傳統(tǒng)的解決方案已不能滿足要求。本文從算法分析、硬件平臺設(shè)計和軟件實現(xiàn)三個方面論述了FMCW SAR成像的多核DSP并行實現(xiàn)，同時采用PING-PONG機(jī)制，并結(jié)合算法設(shè)計了數(shù)據(jù)處理軟件架構(gòu)，提出一種存儲矩陣轉(zhuǎn)置方案，可大幅度提升處理速率，為解決SAR成像實時處理的瓶頸提供了一種可行的方案。

參考文獻(xiàn)

[1]袁孝康，空間微波成像雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來. 空間電子技術(shù)，2004.

[2]耿淑敏，皇甫堪. FMCW SAR 系統(tǒng)及其發(fā)展概況[J]. 電子對抗，2007，3，（3）：39-44

[3]Yamaguchi Y，Mitsumoto M，Kaw akami A，et al. Detection of Objects by Sy nthetic Apertur e FM-CW Radar [ J] . Trans IEICE of Japan，1991：413～ 420

[4]Yamaguchi Y，Mitsumoto M，Sengoku M. Sy nt heticaper ture FM-CW radar applied to the detection of objects buried in snow pack [ J] . Geoscience and Remote Sensing，1994：11～ 18

[5]Yoshio Yamaguchi，To shifumi Mor iyama. Po lar imetricdetectio n o f objects bur ied in snow pack by a syntheticaper ture FM-CW radar Geoscience and Remote Sensing，1996：45～ 51

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[7]E. C. Zaug g，D. L. H udson，D. G. Long . The BYU：A Small，Student Build SAR for U AV Operat ion[C] .IGARSS 2006：411～ 413

作者簡介：1.夏燁巍（1986-）男，中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，工程師，從事高速信號處理研究和設(shè)計。

2.秘璐然（1990-），女，中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，工程師，從事高速數(shù)字電路研究和設(shè)計。

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第五十四所）