FMCW SAR成像算法研究与硬件实现

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调频连续波合成孔径雷达(Frequency Modulated Continuous Wave Synthetic Aperture Radar,FMCW SAR)是一种具有高分辨率、高成本效益的成像雷达,广泛应用于小型载机遥感成像、穿透成像、海洋信号特征提取等领域。成像算法是雷达研究的核心,目前基于“走-停-走”模式的传统成像算法只适用于具有低占空比的脉冲SAR,对于占空比为100%的FMCW SAR不再适用。因此优化一种适用于FMCW SAR的成像算法并以高性能的硬件实现方式满足实时成像需求具有非常重要的研究意义。首先,本文对去斜(Dechirp)处理的原理进行了阐述,指出了Dechirp对回波信号的影响,并建立了正侧视或小斜视情形下FMCW SAR的回波信号模型。对传统距离多普勒(Range Dopplor,RD)算法进行研究,并在分析连续调频波体制下成像问题的基础上,推导了一种适用于FMCW SAR的改进距离多普勒算法。该算法考虑了连续波发射期间的快时间多普勒效应,解决了连续波体制下由快时间走动引起的误差。通过MATLAB平台对算法模型进行搭建,并以实测数据完成对成像算法的验证。成像结果表明,改进距离多普勒算法成像效果良好。其次,本文完成了对所提出的成像算法在FPGA平台上的硬件实现。根据算法流程,硬件处理分为三个部分,距离向处理模块、转置存储模块和方位向处理模块。针对转置存储模块,提出了一种适用于本文所使用的4096×3600×64bit图像规模的数据矩阵分块转置方法。使用ISE 14.7和Modelsim 10.4对各模块进行联合仿真,并利用MATLAB对仿真结果进行误差分析。结果显示,各模块对应的算法均成功在硬件平台实现。在此基础上,对成像系统进行整体的逻辑综合与仿真,吞吐率为308.2Mb/s,满足实时成像需求。最后,针对方位向处理模块中同时存在的平方根和除法运算,提出了一种基于坐标旋转数字计算机(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)的复合计算架构。与现有架构相比,节约了84.23%的Slice LUTs和57.38%的Register。将提出架构应用在方位向匹配函数模块中,综合结果显示相对于基于Xilinx Kintex-7 IP核的模块节约了21.8%的Slice LUTs和39.3%的Register。复合架构成功地解决了方位向匹配函数模块中高位数的平方根和除法IP核所带来的高资源占用问题。
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