微型SAR实时信号处理机关键技术研究

来源 :国防科学技术大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:zhongtianlang
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调频连续波合成孔径雷达(Frequency Modulated Continuous Wave Synthetic Aperture Radar,FMCW SAR)具有体积小、重量轻、功耗低等优点,以及具有全天时、全天候、远距离、高分辨成像能力,搭载于小型/微型飞行器可以极大发挥它们优势,是国内外的研究热点。其中,信号处理技术是 FMCW SAR的核心。论文以某FMCW SAR信号处理机的研制为背景,开展了成像算法、实时成像技术、数据存储与数据回放技术、以及噪声分析与抑制技术等方面的研究,取得了有益的研究成果。  本文的主要工作及创新性成果概括如下:  1.在成像算法方面,根据FMCW SAR工作特点,对Dechirp接收体制的无“停-走-停”假设,介绍了理想情况下成像几何模型与回波信号模型。由于飞行平台小,且无稳定支架,FMCW SAR运动误差较大。因此,本文研究了运动误差条件下的回波信号模型,以及适用于 FMCW SAR实时成像的频域尺度变标算法(Frequency Scaling Algorithm, FSA)与运动补偿算法,并将其处理过程划分为四个方面的运算,分析了它的运算量。  2.针对FMCW SAR数据量大、数据率高的特点,结合成像与补偿算法处理流程,研究了FMCW SAR实时成像处理技术。采用了共享存储的硬件结构,提出了基于单个FPAG和单片多核DSP的微型化的处理机方案。分析了SAR实时成像处理能力,包括处理机的运算能力和数据传输能力。提出了运用DSP 8核并行、任务串行的信号处理方法提高运算能力。运用DSP的EDMA(Enhanced Direct Memory Access)技术实现数据转置,利用Robin轮询算法设计总线仲裁方法,以提高数据传输能力。针对SRIO(Serial Rapid I/O)接口和DDR3(Double Date Rate3)接口高速数据传输的要求,研究了两个接口的设计与实现方法。最后在实现的信号处理机上进行了调试与测试,实验结果表明研制的信号处理机具有强大的运算能力和高速数据传输能力,能够实现FMCW SAR实时成像。  3.在高速海量数据存储和回放技术方面,基于微型化需求,提出了将数据存储与数据回放功能集成于实时成像信号处理机的方案,并设计了相应的硬件结构。给出了CF卡数据读写操作的实现方法,研究了该操作的两个关键问题:不可预计的响应时间、以及文件系统操作时间过长。提出了可配置的高速数据缓存方法、以及FAT预配置与FDT准配置(FAT pre- and FDT quasi- allocation,FPFQA)的文件系统管理方法,实现了高速海量数据存储功能。  针对FMCW SAR实时成像算法开发的需求,本文还实现了数据回放功能,即以CF卡中的录取数据为数据源,在地面完全模拟机载SAR工作的过程。针对CF 卡数据读操作CRC(Cyclic Redundancy Check)校验实现复杂的难点问题,提出了它的时序控制和实现方法;针对CF卡读操作文件管理繁复的问题,提出了在CF卡中顺序存放和顺序读取待回放数据的解决方法。  最后测试了数据存储与回放性能,结果显示集成两种功能的信号处理机具有高速灵活数据存储和文件系统实时管理能力,最大存储速率达到120 MB/s;数据回放功能能够精确模拟SAR实际工作流程,便于实时成像算法的开发。  4.由于FMCW SAR微型化的特点,系统中器件密集,导致模块之间容易相互干扰,致使SAR噪声水平高,从而影响成像质量,因此本文研究了噪声抑制方法。首先量化分析了接收机内部噪声、积分旁瓣噪声、以及模糊噪声,接着分析了信号处理机引入的噪声水平,包括ADC(analog-to-digital converter)量化与杂散噪声、运算量化噪声等。对系统噪声进行归纳总结的基础上,优化了信号处理机参数,降低了运算量化噪声水平。针对严重影响图像质量的ADC强杂散噪声分量,提出了运算量小、资源占用量少的杂散噪声抑制方法,并分析了该方法的实时性、精确性以及资源占用量。最后对各个噪声分量进行了测量,测得的噪声水平与理论分析值吻合,并通过ADC强杂散噪声抑制前后图像对比,验证了该方法的有效性。  本文所研制的具有实时成像、数据存储和数据回放功能的信号处理机、以及所提出的噪声抑制方法,已在机载实验和地面数据回放实验中得到了充分测试和验证,也充分表明了本文研究成果的意义。
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