微型合成孔径雷达成像信号处理技术研究

微型合成孔径雷达成像信号处理技术研究

高宇君 雍俊 侯育星

西安黄河机电有限公司设计所 陕西西安 710043

摘 要：随着现代电子技术与数字信号处理技术的快速发展， 微型合成孔径雷达的应用性能也在逐步的提升。现如今，该雷达系统已经完全突破了时间与空间的限制，不仅灵活度越来越高，而且还具备较轻的自重和较低的能耗，因此，其在高分辨率成像与实时性处理方面的应用范围也变得越来越宽泛。本文也会对该雷达系统采用的成像信号处理技术进行着重的分析，以便为相关人士提供可靠的参考建议。

关键词：微型合成孔径雷达；成像信号处理；技术探究

目前，人们对微型合成孔径雷达在感兴趣区域的高分辨成像与观测方面的应用十分关注，为了进一步突出该雷达系统的技术优势，就要对其所采用的关键成像信号处理技术进行深入的分析，进而更好的提升合成孔径雷达的穿透能力，使其能够获取米级至亚米级分辨率的ROI 2维散射图像，这样才能在定位测量、目标检测、超视距探测等领域中发挥出最大的技术优势。

1.关键技术分析

1.1 PFA粗聚焦成像技术

MiniSAR成像算法是微型合成孔径雷达进行信号处理的核心技术之一。因为该算法在高分辨条件下具有极高的成像精度，并且在复杂的无人机飞行环境下，该算法还能够自动为雷达平台提供充足的非共面运动能力。另外，该算法还具有较大的回波数据量，且算法简洁，易于相关硬件系统的实现。与传统距离徙动算法和线频调变标算法相比，其计算效率和计算精度也是极为明显，能够很好的满足机动平台高分辨率MiniSAR成像需求。另外，为了有效提升MiniSAR成像处理效率，在运用MiniSAR算法对大机动条件下的成像进行粗聚焦处理时，可以依据PFA算法来对时域内的成像信号进行科学的调整和补偿，这样才能便于校正平台非理想航迹，突显出算法的简洁性和高效性。与此同时，基于PFA算法的MiniSAR成像处理技术还能依据极坐标格式转换的两维尺度变换特性对自身的成像效率与聚焦精度进行不断的更新优化，进而有效规避了因插值核长度有限而带来的相位误差问题。此外，为了控制ROI动目标成像产生的多普勒频移与距离模糊现象会给MiniSAR图像造成不同程度的散焦效应，可以积极借鉴逆合成孔径雷达相关信号处理技术来实现MiniSAR非合作动目标成像与重聚焦目标，可将ROI动目标散焦数据生成等效的ISAR回波。

1.2ROI动目标重聚焦技术

由于微型合成孔径雷达的飞行工况比较复杂，所以其对地面运动目标进行成像处理时，技术难度就会大大增加。为了改善现状，相关技术人员就要通过ISAR距离对准算法来对ROI动目标数据进行重聚焦成像处理。这样才能符合预设全局准则要求，迭代并优化雷达系统的性能指标，避免其在对 ROI动目标进行重聚焦成像处理时出现突跳和漂移误差问题。另外，为了最大化突出MiniSAR的ROI动目标重聚焦技术优势，还要依据平均距离像熵值，研究创新出全局最小熵算法，这样才能进一步提升MiniSAR的对准精度和动目标的重聚焦质量。

2. 系统设计与实现

本文提出了以FPGA架构为基础的MiniSAR成像处理系统，如图一所示，具体主要包括数据传输子模块、成像处理算法模块这三大组成部分，不仅可以实现FPGA开发板与上位机的数据传输，而且还能对相应的信号数据进行PFA成像、自聚焦与几何失真校正处理。并在一定程度上转置二维数据，对连续地址进行高速读写。具体设计与功能实现可以从以下几个方面去分析：

图一

2.1数据传输模块

在这一模块设计中，以FPGA架构为基础的MiniSAR成像处理系统主要通过以太网来实现主机与板卡之间的通信，并利用UDP/IP协议来控制网络层和传输层协议。另外，在对实测数据进行处理时，上位机不仅会直接利用以太网将MiniSAR参数和回波数据传输到FPGA模块中。而且还能将数据写入DDR3SDRAM，以便可以全面显示系统最终成像处理结果。

2.2成像处理算法模块

这一模块设计主要包括三个部分，即PFA粗聚焦模块、自聚焦模块和几何失真校正模块。每个模块中都包含多个子模块。在实际应用时，不同模块的功能实现方式也是不尽相同。其中，PFA粗聚焦模块的功能实现一般会先将MiniS-AR回波数据写入到DDR3中进行内存，并将基本参数传输到至参数计算模块中。随后，还要利用64位高精度浮点对距离向、方位向以及自聚焦处理所需的具体参数进行精准的计算，并按照PCS处理原则对回波数据进行距离向处理，使之以以转置形式写入DDR中。此外，为了提高系统的运算速度，降低FPGA板内资源消耗，还要采用时分复用同一个FFT模块的方式对一个FFT的IP核进行例化。与此同时，在对样本边界外或不存在相邻8个点的待插值点进行判断时，应采用标识信号来进行，尽量实现特殊点与正常点处理一体化，这样才能简化PFA粗聚焦模块设计，提升其应用功能；自聚焦模块功能实现则要将以PFA极坐标格式转换后的数据引入到DDR3中进行连续存储。并利用PGA-MD预估全孔径相位误差，与此同时，还要对这些数据进行距离向降分辨率成像处理。随后，还要合理设置PGA模块和分块PGA的聚焦相关参数，并重新启动PGA模块，利用方位互相关模块对各PGA模块聚焦前后存在的偏移量进行准确的预估，这样才能高效完成子图像的拼接，突出自聚焦模块的应用功能；几何失真校正模块设计主要是按照逐距离向脉冲形式来进行，不仅要对与第一条距离向校正点相对应的PFA图像坐标进行精准的计算，而且还要将图像坐标转换为DDR3存储地址，并按照DDR3数据读取模式来读取操作逐距离向采样点数，以便可以顺利完成该条脉冲的几何失真校正，获得理想的成像处理效果。

2.3 DDR3读写转置模块

以FPGA架构为基础的MiniSAR成像处理系统在设计 DDR3读写转置模块时，只采用一片DDR3内存条。并按照直接式分段存储方式来进行矩阵转置，因为该存储方式可以大大平衡数据读写速率，将相同分量的列数据和行数据存放在同一行SDRAM中，从而更好的提高DDR3读写数据的转置效率。另外，在设计该模块时，还要充分考虑其浮点计算能力，最大化提高LUT资源在模块中的占用率，并积极采用多脉冲并行处理架构，这样才能实现较大数据量的计算和处理，提升MiniSAR算法处理效率，为系统后续的扩展使用创造良好条件。

结论分析：

要想进一步提升微型合成孔径雷达的高分辨成像处理技术水平，不仅要制定一套高精度MiniSAR成像信号处理方案，涵盖PFA粗聚焦成像技术、ROI动目标重聚焦技术等。而且还要以FPGA架构为基础，科学布置数据传输模块、成像处理算法模块及DDR3读写转置模块，这样才能提高系统成像处理效率和质量，真正满足感兴趣区域的高分辨成像与观测需求。

参考文献：

1. 同武勤,樊祥.毫米波合成孔径雷达成像技术[J]火力与指挥控制,2018(01)11-12

2. 姚刚. 合成孔径雷达成像处理技术研究[D]. 信息技术，2018.(04)55-56

3. 林水生, 黄顺吉. 合成孔径雷达成像处理的并行实现方法[J]. 信号处理, 2017(12):38-41.