無人機載SAR實時信號處理系統(tǒng)設(shè)計?

郝慧軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

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[1]。由于無人機偵察遙測系統(tǒng)能夠進(jìn)行戰(zhàn)場前沿侵入式偵察,在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時無人員損傷、連續(xù)作戰(zhàn)性強,且無人機具有體積小、造價低、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力強等優(yōu)點,各國對無人機偵察遙測系統(tǒng)作為軍隊?wèi)?zhàn)斗力倍增器的作用與地位及潛在的軍事價值取得了共識,從而為其迅速發(fā)展提供了強大的動力。無人機載SAR因其全天候、全天時、遠(yuǎn)距離高分辨成像的特點,必將成為未來戰(zhàn)爭中實現(xiàn)“零傷亡”偵察的重要手段。

SAR實時成像系統(tǒng)可在無人機飛行過程中,采用并行處理算法和多片DSP同時對SAR原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而在無人機上完成圖像處理,利用大壓縮比的遙感圖像壓縮技術(shù),減輕數(shù)據(jù)傳輸和存儲系統(tǒng)的壓力;另一方面,連續(xù)實時成像,得到即時的SAR圖像,可以達(dá)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(biāo)(區(qū)域)進(jìn)行相應(yīng)處理。

本文從無人機載SAR實時處理系統(tǒng)硬件和實時成像算法軟件兩個方面進(jìn)行了分析,給出了設(shè)計方案及飛行試驗驗證結(jié)果。

1 實時處理系統(tǒng)組成

由于SAR信號處理數(shù)據(jù)量大,同時為了降低無人機受氣流的影響,提高系統(tǒng)的魯棒性,在實時處理中必須采取比較復(fù)雜的運動補償算法。這就要求實時處理系統(tǒng)具有強大的運算性能。采用多片高速DSP芯片,配合優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以從根本上解決運算量巨大這個問題[2]。

因為SAR原始數(shù)據(jù)處理是按照每條距離線和方位線進(jìn)行處理的,每條“線處理”具有相對獨立性,這樣N個DSP可以并行處理L/N條屬于自己的方位線和距離線(L是處理的距離向或方位向長度)[3]。針對SAR信號處理的這一特點,同時考慮到無人機對空間結(jié)構(gòu)、重量的限制要求,我們所構(gòu)建的實時處理系統(tǒng)由一塊標(biāo)準(zhǔn)3U的ADC采集接口板和兩塊標(biāo)準(zhǔn)6U的信號處理板組成,每塊信號處理板分成兩個節(jié)點,每個處理節(jié)點包括2片TS201,1片F(xiàn)PGA,2 GB的SDRAM以及一片CPLD,并共享總線。單個節(jié)點完成一幅SAR原始數(shù)據(jù)的成像處理任務(wù),節(jié)點內(nèi)的兩個DSP并行“線處理”,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ADC采集接口板實現(xiàn)對模擬信號的采集,通過RS422串口接收外部控制命令及慣導(dǎo)數(shù)據(jù),并上報當(dāng)前狀態(tài)信息;通過LVDS接口發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

信號處理板選用的DSP芯片是ADI公司的TS201,單片處理能力3.6 GFlops,內(nèi)核時鐘頻率600 M Hz,片內(nèi)內(nèi)存24 Mbit,125 M Hz/64 bit片外總線,具有1 GB的SDRAM訪問能力,還有4個Link口,每個Link口收發(fā)獨立,最高帶寬1.2 GB/s[4]。因此,系統(tǒng)總處理能力為8×3.6=28.8 GFlops,可以滿足實時成像處理的運算要求。

ADC采集接口板對模擬信號采集,FPGA把回波數(shù)據(jù)一方面通過2個LVDS接口直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到記錄儀,另一方面把回波數(shù)據(jù)通過2個Link發(fā)送到TS201處理板0和1的Link Switch,分別由其轉(zhuǎn)發(fā)到處理節(jié)點0的DSP0和DSP1,然后再由DSP0和DSP1分別通過板內(nèi)直連Link轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點1的DSP0和DSP1,以實現(xiàn)回波數(shù)據(jù)向各個DSP的傳輸。

利用ADC采集接口板和TS201信號處理板共享的FPDP總線分別自定義了FIFO總線、DPRAM總線、維護(hù)總線。FIFO總線用于每個信號處理板把處理圖像發(fā)送到ADC采集接口板,DPRAM總線用于ADC采集接口板把通過RS422串口收發(fā)的各類輔助數(shù)據(jù)與2個信號處理板之間通信,維護(hù)總線用于ADC采集接口板對信號處理板的BIT監(jiān)測、維護(hù)等操作。

每個TS201信號處理板的各個DSP的處理圖像數(shù)據(jù)通過板內(nèi)直連Link匯總到DSP0,由其通過Link發(fā)送到Link Switch,Link Switch再通過FIFO總線匯總到綜合IO板的FPGA,由FPGA通過LVDS接口轉(zhuǎn)發(fā)到記錄儀。

ADC采集接口板的FPGA把通過RS422串口獲取的輔助數(shù)據(jù)通過DPRAM總線發(fā)送到每個TS201處理板的Link Switch,由其轉(zhuǎn)發(fā)到DSP2,再由DSP2通過板內(nèi)直連Link轉(zhuǎn)發(fā)到其他DSP。

ADC采集接口板的FPGA通過維護(hù)總線與每個TS201信號處理板的Link Switch相連,Link Switch又與FPGA0和FPGA1相連。在TS201信號處理板內(nèi),Link Switch通過對FPGA0和FPGA1的操作可實現(xiàn)對板卡DSP加載、FPGA加載和DSP工作狀態(tài)的監(jiān)控,以及把DSP加載文件寫到FLASH的操作。因此,通過維護(hù)總線,可實現(xiàn)把系統(tǒng)內(nèi)各種BIT信息通過ADC采集接口板的RS422串口上報,也可實現(xiàn)外部監(jiān)控通過RS422串口對系統(tǒng)進(jìn)行燒寫程序、發(fā)送命令等操作。

2 實時成像算法

SAR成像主要是對回波信號進(jìn)行距離、方位維的聚焦處理,同時還要進(jìn)行距離徙動校正。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,甚至不能成像。因此,需要在成像算法中嵌入運動補償部分。

機載SAR的運動補償主要有基于儀表測量和基于信號處理。基于儀表測量的運動補償主要依靠載機的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和全球定位系統(tǒng)(GPS),用以測定載機的精確位置[5-6]。其優(yōu)點是運動補償算法簡單,但實際情況下,通常的儀表測量精度以及數(shù)據(jù)率難以滿足高分辨率成像的要求。信號處理中的自聚焦技術(shù)能將儀器難以檢測的快速擾動的影響加以補償,因此通過信號處理作運動補償是另一種方式,但該補償算法比較復(fù)雜,同時易受場景地物信息的影響,具有一定的不穩(wěn)定性。在本實時成像系統(tǒng)中,我們首先利用無人機提供的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對運動誤差進(jìn)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(jìn)行運動誤差估計與補償,進(jìn)一步消除了運動誤差。這種慣導(dǎo)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。

SAR實時處理要求能夠?qū)崟r地輸出大面積連續(xù)圖像,因而要求在不降低成像質(zhì)量的前提下,盡量使算法簡單、運算量小、穩(wěn)健性高。基于以上分析,我們采用了一種改進(jìn)型的RD算法,該算法可以充分利用收集回波脈沖期間的時間,通過初次距離脈壓截取大大減少了運算量。同時該算法能較好地進(jìn)行距離彎曲校正,并實現(xiàn)高分辨率的SAR成像處理,且整個算法結(jié)構(gòu)非常適合實時處理流程[7]。圖2給出了結(jié)合慣導(dǎo)和回波數(shù)據(jù)進(jìn)行運動補償?shù)母倪M(jìn)型的RD成像算法的詳細(xì)流程圖。

圖2 實時成像算法流程圖

3 實時處理成像結(jié)果

采用上述的處理機體系結(jié)構(gòu)和成像算法,在陜西某地進(jìn)行了實際飛行試驗,其成像結(jié)果如圖3和圖4所示。在無人機平臺上成功穩(wěn)定的實現(xiàn)大面積連續(xù)實時成像。雷達(dá)參數(shù)如下：

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于TS201芯片,適合于無人機載SAR實時信號處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),并在該實時信號處理系統(tǒng)上采用改進(jìn)型RD算法實現(xiàn)實時成像功能。通過在無人機平臺上的飛行試驗,獲取了大面積連續(xù)實時SAR圖像,驗證了該信號處理系統(tǒng)的可行性。

圖3 陜西某地區(qū)3 m×3 m分辨率成像結(jié)果(距離向大于10 km,方位向連續(xù)多幀拼接)

圖4 陜西某地區(qū)1 m×1 m分辨率成像結(jié)果(距離向大于2 km,方位向連續(xù)多幀拼接)

[1]馮密榮.世界無人機大全[M].北京：航空工業(yè)出版社,2004：22-31.

[2]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(dá)會議論文集,合肥：中國電子學(xué)會無線電定位技術(shù)分會,2003：256-259.

[3]唐月生,鄧海濤,張長耀,等.機載SAR實時成像處理系統(tǒng)設(shè)計[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2007,20(1)：81-84.

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[6]湯光超,常文革,賈高偉.基于GPS多普勒頻移的SAR運動補償研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(5)：475-479.

[7]竺紅偉,梁之勇.一種通用無人機載SAR實時信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].航天電子對抗 ,2013,19(3)：29-31.