徐慧

摘 要：通过FPGA的设计实现了合成孔径雷达（SAR）的成像处理技术，它是雷达技术中一个重要的应用成分，它是以无人机作为载体进行工作的，而这项技术现目前已经成为了研究热点，跟传统的雷达相比，无人机上面的MiniSAR成像技术对于雷达自身条件具有严格的要求，包括雷达的体重、功能消耗等。

关键词：微型合成孔径雷达（MiniSAR）：模块设计：成像信号处理

引言：合成孔径雷达（SAR）可以对全部天气情况和时间进行高分辨率的成像，大多广泛应用在军事方面和检测环境以及救援的领域，是雷达技术中长期研究的重点。合成孔径雷达（SAR）成像系统因为自身的体积和重量有点，已经成为了搜救技术中的重要发展方向。在实时成像中对于数据的预先处理是实时成像必不可少的组成部分，能够将中频采集的数据信号通过下频的技术直接转换为基带信号，然后进行滤波抽取，这项技术能够有效保证信息的可用性和资源的节省。

1.成像信号处理算法

我们针对合成孔径雷达SAR 成像制作了相关的几何模型，以0位坐标点的与原点，航行轨迹相似平行于轴Oχ ，Rc是航行轨迹是到整个场景最短的距离。 而作为载体的平台其速度为υ，天线相对应的中心的瞬时方位角，俯角为θ仰角为φ，在这个场景中，点的坐标是（χp，yp，0）。

而雷达在发射线性频率调节装置LFM的形式为：

在公式中，t是对于快的时间记录，Tr是形容雷达的脉冲宽度，k为Frequency modulation slope。当回波信号在点目标的斜率处理后，可以表示为：

在公式中，c表示光速， c是载波频率的表示，t是对方位慢时间的表示，R1是在目标到和天线的中心点两个之间的距离数值，合成孔径雷达条带模式的参考距离为Rref= Rc，R△ = Rt —Rc。

因为合成孔径雷达SAR 成像系统中的雷达回波的数据信息是根据雷达条带模式进行收集的，并且在处理时转换成聚束模式，使用的参考数据也不是Rc，而是APC和原点O的距离Ra，因为跟随飞机的位置不停地变化，在这时，R△=Rt—Ra。距离由参考距离补偿，相当于乘以一个参考相位：

然后在参考距离补偿后，用距离向和方位向的处理方式来处理数据。利用过程控制系统将距离转发到回波信号好的，对数据进行补偿后的2次方计算：

在公式中&r是距离比例因子：

利用FFT的算法对得出的结果进行计算，再x匹配的滤波函数：

在公式中，对算出的结果进行IFFT的算法进行计算，再乘以2次方得出最后的结果：

距离方向处理后，轴承方向使用梯形的变换，来完成重新采样，相当于于执行以下操作！

就像我们平常使用的插值算法有线性插值和多重插值、三次插值、Sinc插值等。线性插值是有着操作简单使用方便的功能，但是它的精度不高，效果不是很好；多重插值和三次插值构造涉及到划分和迭代来实现一个节点，它的构建及其复杂。使用 FPGA的技术了已完成程序复杂的情况，Sinc的插值对目标进行聚焦的效果很好，并且Sinc插值的本身构造非常适合FPGA技术的使用。通过各方面综合的考虑，本次系统选择了Sinc插值来完成PFA成像，其公式如下：

在公式中，gd （i）是已经掌握的采样数据，Sinc是Convolution kernels。

2.硬件实现方案

本系统的整体构架处理体系有三个核心子模块；现场可编程门阵列板与上位机之间的数据传输是利用以太网来完成，通过算法对二维子模块的数据进行压缩成像。DDR3 SDRAM读写子模块，完成对于二维数据的转置和对连续地址的高速读写。

2.1 数据传输模块

合成孔径雷达（SAR）系统的主机和板卡之间的联系是通过以太网来完成的，UDP互联网协议的选择是在传输和网络两个层次之间的协议制度下进行的，在 FPGA中想要完成UDP / IP 的设计十分简单，而且对于资源的利用也很少。在处理工作进行前，雷达的实测数据和回波的信号在上位机上经过以太网对可编程门阵列板的处理模块进行传输，并且在 DDR3 SDRAM里面记录回波的数据，在得到结果后再返回上位机里进行展示。

2.2 算法处理模块

算法模块可以分为很多种，其中主要包括：参数计算模块、由距离PCS模块、FFT模块、方位插补模块和PGA模块组成。

观察图（3）我们能够发现，最初是将雷达中的回波数据记录到DDR内存中去，并且同时对参数计算模块记录收集到的雷达参数。通过64位的高精度沸点，能够计算距离向和方位向及自聚焦他们需求的详细参变量，并且把回波信号转移到DDR中编写并进行距离向 PCS的处理。其中所有脉冲都会得到参考补偿，所以可以节约距离向和重采样的时间，将两者同时进行，以此来加强系统的处理能力。并且对距离门的回波数据进行全部的Sine插值重采。然后得到MiniSAR聚焦过后的图像。

3.实验结果分析

合成孔径雷达（SAR）系统经过赛灵思公司的平台来实现验证，并且形成了一块Virtex7- 电抗7乙基毒气690的FPGA颗粒、8G的DDR3、三态以太网的物理层和一百兆赫之间的差分时钟。根据上述 合成孔径雷达（SAR）系统设计的提出进行实测数据的参考距离补偿、距离向过程控制系统、 方位向正弦差值和 PGA的处理，然后用上位机来显示结果。

结论：合成孔径雷达系統实现了FPGA的多个微型SAR成像的信息处理，并且使用Virtex7- 电抗7乙基毒气6907 FPGA的芯片做了详细的实验。正片论文通过介绍PFA在改进以后对于成像算法的完成，详细论述了整个设计的完成过程，然后阐述了硬件的资源在使用上怎样最大利益化。合成孔径雷达（SAR）系统具有补偿误差的功能，在极大程度上对MiniSAR的成像效果进行完善，整个实验过程完整具有科学依据，实验结果在各方面都能达到实时成像的需求。

参考文献：

[1]胡晓琛，李威，朱岱寅，崔爱欣.基于FPGA的微型SAR成像信号处理技术[J].雷达科学与技术，2018，16（02）：145-150.

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[3]丁勇. 机载SAR高分辨率成像算法的FPGA处理技术研究[D].南京航空航天大学，2016.

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