机载SAR半实物快速回波模拟设计及实现_彭琪

第１期雷达科学与技术Ｖｏｌ．１０Ｎｏ．１

２０１２年２月Ｆｅｂｒｕａｒ２０１２ｙ　ＲａｄａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　　

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机载ＳＡＲ半实物快速回波模拟设计及实现

彭琪，张伟，袁著

（）电子科技大学电子科学技术研究院，四川成都６１１７３１

回波模拟计算量大、用时长，快速的实现ＳＳＡＲ）ＡＲ回波模拟非常有利于ＳＡＲ　　摘　要：合成孔径雷达（

系统的研制。设计了一种基于Ｆ同时为了快速实现ＳＰＧＡ的通用雷达快速回波模拟半实物平台；ＡＲ回波模拟，改进了基于等效散射体回波模拟算法；考虑到算法的并行运算，优化了可编程逻辑器件（硬件ＦＰＧＡ）实现流程，实现了点目标和自然场景的ＳＡＲ回波快速模拟并提供高精度的回波数据。实际应用结果表明，设计的通用Ｓ满足对ＳＡＲ回波模拟平台能够依据不同的ＳＡＲ仿真需求快速地模拟回波信号，ＡＲ系统评估测试要求。

关键词：合成孔径雷达回波模拟；通用平台；可编程逻辑器件

（）中图分类号：ＴＮ９５８　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７２２３３７２０１２０１００４２０６－－－

ＤｅｓｉｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＦａｓｔＡｉｒｂｏｒｎｅＳＡＲＥｃｈｏＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ　　　　　　　　ｇ

ＢａｓｅｄｏｎＨａｒｄｗａｒｅｉｎＬｏｏ　　－－ｐ

，，ＹＵＡＮＰＥＮＧ　ＱｉＺＨＡＮＧ　ＷｅｉＺｈｕ　

（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｏＵＥＳＴＣ，Ｃｈｅｎｄｕ６１１７３１，Ｃｈｉｎａ）　　　　ｆ　ｇｙｆ　ｇ　

：ＴｂｓｔｒａｃｔｈｅＳＡＲｅｃｈｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈａｓｈｉｈｃｏｍｕｔａｔｉｏｎａｌｃｏｍｌｅｘｉｔａｎｄｃｏｓｔｓ．ＴｈｅｆａｓｔＳＡＲｅｃｈｏ　　Ａ　　　　　　　　　　　ｇｐｐｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆａｃｉｌｉｔａｔｅｓｔｈｅｓｔｕｄｏｆＳＡＲｓｓｔｅｍ．Ａｈａｒｄｗａｒｅｉｎｌｏｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｅｎｅｒａｌｌａｔｆｏｒｍ　　　　　　　－－　　　ｙｙｐｇｐ　　，ｉｓｉｎｔｈｉｓｏｒｄｅｒｔｏｉｍｌｅｍｅｎｔＳＡＲｅｃｈｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｉｍｒｏｖｅｄｅｃｈｏｓｉｍ－ＦＰＧＡｒｅｓｅｎｔｅｄａｅｒ．Ｉｎｕｉｃｋｌ　　　　　　　　　　　　　　　ｐｐｐｐｐｑｙｕｌａｔｉｏｎａｌｏｒｉｔｈｍｉｎｔｅｒｍｓｏｆｅｕｉｖａｌｅｎｔｓｃａｔｔｅｒｅｒｉｓａｄｏｔｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｆａｓｔｃｏｍｕｔａｔｉｏｎ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｔｈａｔｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　ｇｑｐｐｇ　，ｃｏｍｕｔａｔｉｏｎｌａｔｆｏｒｍｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｒｅｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｆａｓｔａｉｒｂｏｒｎｅＳＡＲｅｃｈｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎ　　　　　　　　　　　　　ｐｐｇ（ａｒｒａＦＰＧＡ）ｃａｎｔｈｅｔａｒｅｔａｎｄｔｈｅＳＡＲｅｃｈｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒａｌｒｏｒａｍｍａｂｌｅａｔｅｅｎｅｒａｔｅｏｉｎｔｆｉｅｌｄ　　　　　　　　　　　　　　ｙｇｐｇｇｇｐｓｃｅｎｅｕａｓｉｒｏｖｉｄｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｗａａｎｄｈｉｈａｃｃｕｒａｃＳＡＲｅｃｈｏｄａｔａ．Ｔｈｅａｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ　　－－　　　　　　　　　　　ｑｐｙｇｙｐｐ　　ｒｏｄｕｃｅｕｉｃｋｌＳＡＲｅｃｈｏｓｉｍｕｌａｔｏｒｃａｎｅｃｈｏｓｉｎａｌａｎｄｓａｔｉｓｆｔｈｅｎｅｅｄｏｆＳＡＲｓｓｔｅｍｓｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｎａｌｓｉｓ．　　　　　　　　　　　　　　　ｐｑｙｇｙｙｙ　　

：Ｓ；（ＫｅｗｏｒｄｓＡＲｅｃｈｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｅｒａｌｌａｔｆｏｒｍ；ｆｉｅｌｄｒｏｒａｍｍａｂｌｅａｔｅａｒｒａＦＰＧＡ）　　　　　　ｙｇｐｐｇｇｙ　

传统的ＳＡＲ回波模拟都是基于通用计算机

１　引言

是一种能实现高分辨、ＳＡＲ）　　合成孔径雷达（

远距离、广范围的成像雷达，具有很高的军事应用是近些年雷达研究的热点。研制Ｓ价值，ＡＲ回波信号模拟源产生所需的Ｓ从而为ＡＲ回波数据，还可ＳＡＲ系统设计和论证提供有力的参考依据，以对ＳＡＲ成像处理系统进行测试和检验。在一般的计算机进行自然场景的ＳＡＲ回波模拟计算量巨大，耗时很长，因此研制快速的ＳＡＲ回波模拟系统具有很好的应用背景和实际需求。

平台进行回波信号模拟，文献［提出了基于等效１］散射体回波模拟算法，减少回波模拟的计算量。］文献［提出一种基于显卡进行Ｓ２ＡＲ回波仿真的方法。文献［提出用多台计算机利用对场景划３］分的方法进行ＳＡＲ回波数据并行计算的仿真。尽管这些文献在回波模拟算法或实现方法上都进行了很大的改进，但在通用计算机上进行大场景的回波仿真用时仍然很长，难以满足时效性需求。］文献［提出了基于Ｄ４ＳＰ的自然场景的回波模拟；文献［介绍了基于Ｆ文献５］ＰＧＡ回波仿真方法；［］都介绍了一种快速回波模拟方法，但其回波４５－

；修回日期：收稿日期：２０１１０７０８２０１１０９２３－－－－

）基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（Ｎｏ．ＺＹＧＸ２０１０Ｊ１１８

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２０１２年第１期

回波仿真速度可以进一步提高。本文将介绍基于ＦＰＧＡ的通用的机载ＳＡＲ半实物快速回波模拟

首先改进了算法的硬件实现结构，再设计及实现，

介绍了通用的回波模拟平台搭建，然后详细介绍了算法的ＦＰＧＡ实现流程及逻辑资源优化。最后给出评估测试结果。

并行计算４个目标点的斜距，将于每个脉冲回波，

第１～１７６５次脉冲回波交由第一块ＦＰＧＡ计算，　

第１７６６～３５３０次脉冲回波交由第二块ＦＰＧＡ计　　算。因此整个回波模拟速度将提高近８倍

。

２　机载ＳＡＲ回波模拟算法

ＦＴ算法进行机载　　本文采用一维的频域Ｆ

中介绍了一种基于ＳＡＲ的回波模拟。在文献［１］等效散射体的Ｓ其模拟的回波ＡＲ回波模拟算法，数据能够满足成像算法验证需求，并且其在硬件实现上和算法性能上都有很大的优势。由文献［］可知，对于每一个方位向采样点，首先计算目１

标与雷达的斜距，再计算出相位延迟并累加求出然后进行冲击相应的计算，最后通等效散射系数，

过与发射信号进行卷积运算得到ＳＡＲ回波模拟信号。其算法的实现流程如图１所示

。

图２　并行等效散射体ＳＡＲ

回波模拟算法

３　ＳＡＲ回波模拟通用平台搭建

ＡＲ半实物通用回波模拟平台　　本文设计的Ｓ

］６９－

。依据不同的Ｓ是一种软硬件协同平台［ＡＲ仿通过上位机软件配置雷达参数，在Ｆ真需求，ＰＧＡ平台上快速生成回波数据，并且此平台不仅能够将回波数据回传给上位机，满足ＳＡＲ算法验证等／需求，还能够通过Ｄ供Ａ转换提供基带模拟信号，

雷达系统的其他模块应用。整个平台的构架框图如图３所示。

图１　等效散射体ＳＡＲ回波模拟算法

为了快速地模拟ＳＡＲ回波数据并利用到

本文针对硬件实ＦＰＧＡ强大的并行处理的能力，

现，对基于等效散射体回波模拟算法的实现流程进行改进，采用多点并行方式实现该算法。其在ＦＰＧＡ上的算法实现的流程如图２所示，其中Ｎ代表每次并行计算的目标个数，Ｍ代表脉冲回波划分的组数，也即采样Ｆ此算法的实ＰＧＡ的块数。现结构能够提高Ｎ×Ｍ倍的雷达回波生成速率。例如：对１０２４×１０２４大小的自然场景进行回波模　　

图３　雷达半实物回波模拟通用平台构架

雷达科学与技术第１０卷第１期　　　　４４

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据传输机制，其理想的数据传输速率可达到１２５

３．１　软件平台设计／，本设计采用以太网来实现软硬件之间的点ｓＭＢ其构成如图３　　软件平台作为人机交互的界面，

所示。配置参数的设定依据不同体制雷达而异，包括雷达系统参数、平台参数和天线参数等；由上位机负责的算法实现以计算用时短为基本原则，完成如雷达固定参数计算、简单的数学运算等；回波数据分析、验证依据不同的体制雷达各有不同。以机载Ｓ回波数据分析验证一方面是从ＡＲ为例，另一方面是从图像域指标回波域指标进行分析，

的角度考虑。回波域指标包括回波相关系数、信号失真度、多普勒中心频率、多普勒调频率；图像域的指标包括空间分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣图像的均值和方差、图像相关系数；考虑到点比、

到点的高速数据传输需求，本设计采用千兆以太网作为软硬数据传输的方式，千兆以太网驱动的设计直接决定了软硬件之间数据传输的速率。本文设计的机载ＳＡＲ人机交互界面如图４所示

。

／到点的高速数据传送。第三部分为Ｄ根Ａ设计，、据雷达回波数ＩＱ两路基带数字信号数据范围为

５５

，，到６×１基带最大带宽为２数－６×１００４０ＭＨｚ

模转换芯片采用ＡＤＩ推出的ＡＤ９７３６。高速数模

／转换器ＡＤ９７３６的采样时钟速率达１．２Ｇｓａｍｌｅｓｐ（，，每秒兆次采样）量化位数为１数据和时钟４ｂｉｔ（／输入采用并行Ｌ低电压差分信号）ＶＤＳＩＯ标准。硬件平台的实物如图５所示

。

图５　ＳＡＲ回波模拟硬件平台

４　机载ＳＡＲ回波模拟ＦＰＧＡ实现

ＡＲ快速回波模拟的ＦＰＧＡ实现包括基于等　　Ｓ

效散射体的回波模拟算法实现、ＤＤＲ２的存储控／制、以太网的通信控制和ＤＡ控制。其硬件的实现框图如图６所示

。

图４　人机交互界面

３．２　硬件平台设计

　　硬件平台的搭建主要包括三个部分。第一部分为ＳＡＲ回波信号产生模块的设计。根据上文的分析，为快速地实现Ｓ本设计采ＡＲ回波信号，用２片ＦＰＧＡ的协同处理。采用４片ＤＤＲ２存储模拟场景的初始化散射系数以及ＳＡＲ回波数据。根据对Ｆ片内资源以及ＩＰＧＡ的工作频率、Ｐ核的要求，采用Ｘ作ｉｌｉｎｘ的高性能ＦＰＧＡ（Ｖ５ＦＸ１３０）为信号处理芯片。第二部分为软硬件的高速数据传输的设计。千兆以太网作为一种十分成熟的数

图６　ＳＡＲ回波ＦＰＧＡ实现框图

本文将重点介绍ＳＡＲ回波模拟算法的ＦＰＧＡ

实现以及其硬件资源优化，其主要分为两个部分，第一部分为系统冲击响应函数计算，第二部分为

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２２２卷积运算，下面将分别介绍。（）Ｒｍ，ｎ）ｘｘｚｚ＝ｔ（ｔ－ｍｎ＋ｔ－ｍｎ＋ｔ－ｍｎｙｙ１

２０１２年第１期

４．１　系统冲击响应函数硬件实现

可知，在计算系统冲击响应的过１］　　根据文献［

程中，每次计算的目标点斜距的个数直接决定了ＳＡＲ回波模拟的用时。斜距的计算公式为

（式中，ｘｚｙｔ，ｔ，ｔ）表示雷达在ｔ时刻的空间位置；（表示目标点（ｘｍ

ｎ，ｚｍ，ｎ）的空间位置。在ｙｍｎ，ｍｎ）

综合考虑占用面积与实现速度上，本文设计采用４个目标点的斜距并行计算。系统冲击响应函数硬件实现框图如图７所示。

图７　系统冲击响应函数硬件实现框图

直接４个目标点２ｂｉｔ的定点运算中，　　在采用３

斜距平方的并行运算需要１２个乘法器，８个加法（器，对应ＦＰＧＡ中的查找表个数为７６２４１２×６１４＋）；考虑以下因素：雷达和目标的高度信息在８×３２

整个雷达回波采样过程中是固定的，将（ｚｚｔ－ｍｎ）固定为Ｈ；对于每一个方位向的采样点，雷达在距因此（的值由目标点的离向位置可视为０，ｘｘｍｎ）－ｔ距离位置ｘｍｎ确定；对于一个确定的方位向的采样一副自然场景的目标点在确定距离向位置时点，

（在方位向的位置值是等差递增的。可转ｙｙｔ－ｍｎ）。化为（因此ｄｙｙ）ｔ＋

２２２

（）Ｒｍ，ｎ）２＝ｙｙ＋Ｈｔ（ｍｎ＋ｔ＋ｄ

２２２２

（其中Ｈ２，ｄ２ｄｄｙｙ）＝ｙｙｙ＋ｄｙ，ｙ为固定ｔ＋ｔ＋ｔ

４．２　卷积运算的实现

］可知，发射信号与冲击响应信号的１　　由文献［

时域卷积运算对应于频域的乘法运算。考虑到首先通过ＦＦＴ运算占用较多的ＦＰＧＡ逻辑资源，上位机的配置将发射信号ＦＦＴ运算结果存储在在冲击响应计算模块运算完ＦＰＧＡ的ＲＡＭ中，

后，将其值进行Ｆ再与发射信号进行复数ＦＴ运算，最后将其结果进行Ｉ运算，ＦＦＴ运算得到ＳＡＲ的／回波模拟数据

。实现流程图如图８所示，ＦＦＴＩＦ－ＦＴ采用Ｘｉｌｉｎｘ的ＩＰＣＯＲＥ实现。

值可由上位机配置，因此对于连续的４个目标点求

２

斜距平方的并行计算中只需要计算一次ｘ一次ｍｎ，２

而２其他点只能取其２到４ｄｙｙｙ是常系数乘法，ｔ，ｔ

２

倍，只需一个加法器实现；ｄｙ是一个确定的值，将

其值预先存储于ＲＡＭ中。因此连续４个目标点的斜距平方运算中只需要３个乘法器，对７个加法器，应ＦＰＧＡ中的查找表个数为２０６６（３×６１４＋７×　），相对于直接的４点并行运算，节约了５３２５５８个　查找表；由此可知，通过优化后，在求斜距占用的并行４个目标点斜距计算ＦＰＧＡ查找表个数方面，

而速度仅比１个目标点斜距计算增加了约８．４％，却提高了４倍。因采用两片ＦＰＧＡ实现同样的算法，回波生产速度总共将提高８倍。

图８　卷积运算硬件的实现框图

５　机载ＳＡＲ回波模拟结果分析

采用本文设计的快速　　采用上文介绍的算法，

回波模拟平台以及Ｍａｔｌａｂ平台生成两组回波模拟信号并进行比较。在保证回波模拟算法本身性这两组回波结果近似度越高，代能优异的前提下，

表本ＳＡＲ回波模拟平台的性能越好。机载ＳＡＲ回波模拟器的一组典型参数如表１所示，本文的点

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表１　雷达主要参数

如此可知，本Ｆ－１３．２６ｄＢ、－１０ｄＢ，ＰＧＡ

平台可

以提供高精度的回波数据供后续的算法、功能原理的验证。

５．２　自然场景的回波模拟分析

０２４

×１０２４个目标的街道自然场景进行回　　选取１

通过

Ｆ波模拟并成像，ＰＧＡ与Ｍａｔｌａｂ的计算的两组）回波模拟信号的对比如图１同样利用式（计０所示，３。算的两组回波模拟信号的相关系数为０．９９９９７０３　　

５．１　点目标回波模拟分析

　　选取场景中心的单个点目标进行回波模拟，

通过ＦＰＧＡ与Ｍａｔｌａｂ的计算的两组回波数据的对比如图９所示。

图１０　自然场景回波模拟信号对比

（）采用Ｃ算法对两组回波模拟ＳＣｈｉｒＳｃａｌｉｎｐｇ　

信号进行成像处理，其成像结果对比如图１１所示。

图９　点目标回波模拟信号对比

为了定量地评估ＦＰＧＡ模拟的回波信号与Ｍａｔｌａｂ模拟的回波信号之间的相似程度，利用式

（）来计算两组信号的相关系数。３

ρ＝

ｓ（ｕ，ｖ）ｓ∑∑

１

＊

２（ｕ，ｖ（）３

２

２

ｕｖ

式中，ｓｕ，ｖ）为ＦＰＧＡ模拟的回波信号；ｓｕ，ｖ）１（２（为Ｍ当计算的相关系数接近ａｔｌａｂ模拟的回波信号。于１时，表明模拟的回波信号的逼真度效果好；当相关系数接近于０时，表明模拟的逼真度效果差。通过运算两组回波信号的相关系数为０．９９９９９５３。　　将点目标回波模拟的ＦＰＧＡ与Ｍａｔｌａｂ的计

算结果成像对比分析，其积分旁瓣比，峰值旁瓣比的比较结果如表２所示。

表２　积分旁瓣比、峰值旁瓣比对比

点目标

ＦＰＧＡ计算距离向

方位向

Ｍａｔｌａｂ计算距离向

方位向

ｓ（ｕ，ｖ）ｓ（ｕ，ｖ）｜｜·∑∑｜｜∑∑１

２

ｕｖｕｖ

（）ＦａＰＧＡ回波模拟数据成像图

／峰值旁瓣ｄＢ－１３．２７４５－１３．３８８

／积分旁瓣比ｄＢ－１０．２０９６－９．８８７２

－１３．２７４－１３．３９２５

－１０．２０９８－９．８９６４

（）Ｍｂａｔｌａｂ回波模拟数据成像图图１１　自然场景成像结果对比