基于ＡＤＳＰ－ＴＳ２０１的實時ＳＡＲ成像研究
2008-04-12 00:00:00杜江李芬芬梁毅邢孟道
現代電子技術 2008年9期
摘 要：SAR成像具有數據率高、數據量大、算法復雜、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的迅速發展，成像雷達信號處理實時性問題的研究獲得了很大的發展。介紹了一種基于ADSP-TS201實時信號處理系統的體系結構和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。
關鍵詞：SAR成像;實時處理;并行處理;ADSP-TS201
中圖分類號：TN41，TP33 文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2008)09-038-03
Research on SAR Real-time Imaging Algorithm Based on ADSP-TS201
DU Jiang，LI Fenfen，LIANG Yi，XING Mengdao
(National Key Lab of Radar Signal Processing，Xidian University，Xi′an，710071，China)
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.
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用和發展。
雷達成像經常用到許多經典的信號處理算法，比如濾波(FIR、IIR)、FFT、IFFT、相關算法等。對于這些算法的實現，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，應用領域不斷增強。目前主流DSP制造商所生產的DSP已能滿足算法復雜、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生產商主要包括TI、Motorola和ADI。其性能都有各自的優點，其中，ADI的TigerSHARC201的浮點處理能力達到36 GFLOP，內核時鐘600 MHz，同時兼容定點運算，并且在內部結構上采用雙處理器核，支持SIMD處理方式，是雷達信號處理領域理想的處理器。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有很高的數據吞吐率，適合于構成大型的并行系統。
2 實時成像硬件結構
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轉換，然后將數據傳送給信號處理卡，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總線將處理的結果讀到主機內存，然后顯示在主機的顯示器上，多個圖像連續出現時將可以進行滑動的顯示，同時圖像結果也存儲在硬盤上，如圖1所示。
圖1 SAR實時成像結構圖
結合SAR成像處理大數據量、大通信量以及并發的大運算量等特點，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、良好的拓撲結構和級聯特性等要求。基于這些要求，我們選擇了一個8片TS201組成的松耦合系統。系統結構示意圖如圖2所示。
圖2 信號處理板卡結構圖
2.1 系統整體性能
本系統具有強大的運算能力以及數據通信能力。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據，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，可以發揮DSP的最大性能[2]。
FPGA1與FPGA2之間采用LVDS(低壓差分信號)接口進行數據傳輸，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、低串擾和低輻射等特點。其最高數據傳輸速率是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1923 Gb/s。
2.2 板間數據傳輸
8片DSP通過鏈路口構成一個環狀連接，鏈路口連接方式如圖3所示。鏈路口的時鐘和數據線采用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的數據總線都連接到了FPGA上，作為輸入、輸出數據通道，另外也可以在FPGA內部建立FIFO，作為兩個DSP之間點對點數據交換通道。
圖3 鏈路口連接方式示意圖
2.3 板卡與主機接口
PCI9054與FPGA相結合的形式來實現，采用32 b，33 MHz的PCI總線標準，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總線將處理的結果讀到主機內存，然后顯示在主機的顯示器上，多幅圖像連續出現時將可以進行滑動的顯示，同時圖像結果也存儲在硬盤上。
3 實時成像軟件設計
在實際情況中，機載SAR，特別是中、低空飛行的機載SAR，由于氣流不穩定的影響，運動的不穩定性較大，如果不采取運動補償，則所錄取的數據受到不穩定因素會有較大的失真，從而使成像質量下降，甚至不能成像。以前的大部分算法都是對全部數據反復地進行距離壓縮、相位補償并估計多普勒參數，得到較為準確的徑向加速度估計值和調頻率等參數以便進行包絡和相位的補償。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據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讀寫。
SAR實時處理要求能夠實時地輸出大面積連續圖像，因而要求在不降低成像質量的前提下，盡量使算法簡單，運算量小，穩健性高。基于以上分析，我們采用劃分子孔徑的方法進行運動補償[4]，每個孔徑經運動補償后實時成像，各孔徑子圖像經連接后形成連續的大面積圖像。子孔徑長度的選擇實際中可以根據雷達載體的類型，飛行的平穩度等情況來選擇。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，該方法先將原始數據沿方位向分塊。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校正距離走動，并和脈沖壓縮函數相乘，實現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頻率擬合出整個孔徑的調頻率，得到相位誤差函數，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 實時任務的實現
4.1 存儲量分析
實時成像數據處理采用2 048×8 192的數據塊，并且在方位處理之前下一個孔徑的數據已到來，數據共用為2 048×2 048的數據段。則每一個孔徑的數據存儲量為(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計要求的存儲量。
4.2 任務分配
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據后再開始距離脈壓。可以讓4個DSP來接收4個連續子孔徑的數據，當子孔徑數據積累滿后就開始進行距離脈壓，距離壓縮后將數據丟掉一半后將結果存儲在SDRAM中。當方位向數據積累達到要求時，就開始方位壓縮。將數據按距離向分成兩塊，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，當下一個子孔徑數據到來之前，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，瞬時調頻率估計以及發送數據。當PRF為1 000時，要求每個DSP在0512 s*3=1536 s內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，一次復向量的乘法和一次2 048點的IFFT和一個FFTSHIFT。讀、取數據采用DMA操作，幾乎不占用內核時間， 故一個子孔徑的距離壓縮大概需要05 s，多普勒調頻率估計需要的時間為033 s，共需時間為083 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，在第一個緩沖周期，將數據存放到緩沖1，在第二個緩沖周期，數據存放到緩沖2，與此同時，處理緩沖1中的數據，在第三個緩沖周期，數據又存放到緩沖1中，同時處理緩沖2中的數據，如此循環，周而復始，直到整個數據塊處理完畢。在硬件上完成512個8 192點的方位壓縮需要的時間為1949 9 s，由于距離壓縮后距離向點數丟了一半，我們用兩個DSP來完成方位脈壓。除去每個DSP自身積累數據的時間，容許DSP在45 s的時間里來完成處理。
5 實測數據成像結果
利用某機載雷達飛行數據進行測試試驗。該雷達工作在X波段，天線方位孔徑為D=055 m，雷達發射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的SAR圖像，均是利用本文中系統處理得到的實時成像圖。圖中的山丘、機場清晰可見，成像質量得到保證。
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 語
本文利用某機載雷達的實測數據，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計要求。這里只利用了一塊信號處理板卡來實現實時處理，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。
參 考 文 獻
［1］蘇濤，何學輝，呂林夏.實時信號處理系統設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.
［2］劉書明，蘇濤，羅軍輝.TigerSHARC DSP 應用系統設計［M］.北京：電子工業出版社，2004.
［3］全英匯.基于標準總線的雷達成像信號處理機設計［D］. 西安:西安電子科技大學，2007.
［4］保錚，邢孟道，王彤.雷達成像技術［M］.北京：電子工業出版社，2005.
［5］邢孟道.基于實測數據的雷達成像算法研究［D］.西安:西安電子科技大學，2002.
作者簡介 杜 江 男，1983年出生，內蒙古人，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雷達成像和動目標檢測。
邢孟道 男， 1975年出生，浙江嵊州人，教授，博士生導師。主要研究方向為雷達成像和目標識別等。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
