基于发射波形参数可调的视频SAR成像系统及方法技术方案

一种基于发射波形参数可调的视频SAR成像系统及方法，使用测控模块测得雷达平台在各个采样点处的实时位置；发射波形产生模块产生基带LFM信号；发射波形预处理模块对基带LFM信号做数字上变频和DA变换；射频发射模块将DA变换后的中频信号与可变本振信号混频；射频接收模块接收被观测场景反射的回波；接收波形预处理模块对回波信号做AD采样和数字下变频；多片多核DSP片间片内并行处理模块做方位向插值重采样与自聚焦算法处理。本发明专利技术克服传统PFA成像算法处理后各帧SAR图像位于不同坐标系下后续SAR视频处理时需要图像配准的缺陷，在处理视频SAR回波数据时具有更好的实时性。频SAR回波数据时具有更好的实时性。频SAR回波数据时具有更好的实时性。

【技术实现步骤摘要】
基于发射波形参数可调的视频SAR成像系统及方法


[0001]本专利技术属于雷达
，更进一步涉及雷达信号处理
中的一种基于发射波形参数可调的视频合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)成像系统及方法。本专利技术可用于无人机载视频SAR成像系统中，实时处理SAR回波数据得到被观测场景区域的SAR视频。

技术介绍

[0002]无人机载SAR成像系统可以通过实时调整波束指向对被观测场景区域进行持续性观测，获得高分辨率的SAR视频。现用的视频SAR成像算法主要有时域BPA(Back Projection Algorithm)成像算法与频域PFA(Polar Format Algorithm)成像算法，国内外学者在对这两种算法做改进优化时多采用固定参数的回波信号做分析仿真，期望达到提高算法成像精度与降低算法运算量的目的。另外，对于无人机载等轻小型平台，对SAR回波数据的硬件实时处理方法也是备受国内外工程技术人员关注的话题，对于视频SAR回波数据的实时处理，现有的FPGA+多片多核DSP架构可以充分利用FPGA(Field Programable Gate Array)和多核DSP(Digital Signal Processing)的各自优势，获得被观测场景的实时SAR视频。
[0003]南京航空航天大学在其申请的专利文献“一种SAR成像方法及系统”(专利申请号：201910967107.6，申请公布号：CN110542900 B)中公开了一种SAR成像方法及系统。该方法首先通过接收上位机发送的合成孔径雷达回波数据和雷达参数数据计算成像所需的雷达参数；再采用极坐标格式算法对合成孔径雷达回波数据进行重采样；接着对重采样后的数据进行两维快速傅里叶变换，得到合成孔径雷达初始图像；接着利用相位梯度自聚焦算法对合成孔径雷达初始图像进行相位误差估计，得到一维方位相位误差；再采用SINC插值算法对一维方位相位误差进行插值，得到两维相位误差；再将重采样后的数据与两维相位误差做复乘运算，得到补偿后的合成孔径雷达数据；最后对补偿后的合成孔径雷达数据进行两维快速逆傅里叶变换，得到合成孔径雷达图像。该方法存在的不足之处是：该方法需要对SAR回波数据的距离维和方位维两维分别进行重采样，重采样的运算量较大，不利于成像算法的实时处理。
[0004]南京理工大学在其申请的专利文献“基于多核DSP的实时SAR成像系统及成像方法”(专利申请号：201611100564.8，申请公布号：CN108152816 A)中公开了一种基于多核DSP的实时SAR成像系统及成像方法。该成像系统包括A/D输入模块、FPGA模块、DSP模块和D/A输出模块；A/D输出模块用于成像回波信号的采样；FPGA模块用于接收成像回波信号并进行预处理，预处理完成后向DSP模块发送中断；DSP模块用于对预处理后的成像回波信号进行方位向和距离向聚焦，得到成像结果；D/A输出模块用于产生射频发射机的调制信号。该系统方法设计存在的不足之处是：该系统设计采用单片多核DSP，单片多核DSP的运算性能有限，对于场景回波数据量较大时很难做到实时处理。
[0005]南京航空航天大学在其申请的专利文献“一种视频SAR高速处理技术的FPGA的实现方法”(专利申请号：201810203581.7，申请公布号：CN 108614266 A)中公开了一种视频
SAR高速处理技术的FPGA的实现方法。该方法首先将SAR原始回波数据和参数通过上位机和千兆以太网发送给FPGA芯片；再将回波数据以重叠方式进行帧提取，通过设置重叠率来提高帧率；并计算每一帧数据PFA处理过程中所需要的参数；然后用尺度变换的方法实现多脉冲并行距离向处理；再将距离向处理完的数据转置后写入DDR中；最后用SINC插值的方法对方位向多脉冲并行处理得到SAR图像。该方法存在的不足之处是：该方法中在计算PFA处理过程中所需参数时是联合一帧中的脉冲数据计算的，这样处理使得每帧SAR图像都处于各自的坐标下，后续对该SAR视频做目标检测跟踪处理时需要对每帧SAR图像做图像配准操作，降低了SAR视频后续处理的效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于发射波形参数可调的视频SAR成像系统及方法，用于解决现有技术在视频SAR实时成像的算法运算量大与处理后各帧SAR图像位于不同坐标系下的问题。
[0007]实现本专利技术目的的思路是：本专利技术通过逐脉冲实时调整发射信号的调频率与发射载频，使得相邻多帧的回波波数呈现梯形状分布，避免了现有技术PFA成像算法的距离向插值操作，进而减少了实时处理的运算量。本专利技术通过使用多片多核DSP的片间和片内并行处理设计，加速视频SAR成像算法的数据处理，大幅度提高了数据处理效率。本专利技术在同一坐标系下对相邻多帧的回波数据做方位向FFT，方位向插值,距离向FFT处理，即可得到处于同一坐标系下的多帧SAR图像，后续对SAR视频中的动目标阴影做检测等处理时可以避免图像之间的配准操作，提高SAR视频后续处理的效率。
[0008]本专利技术的系统包括测控模块、发射波形产生模块、发射波形预处理模块、射频发射模块、射频接收模块、接收波形预处理模块、FFT模块、多片多核DSP片间片内并行处理模块：
[0009]所述的测控模块，用于测得雷达平台在各个采样点处的实时位置；
[0010]所述的发射波形产生模块，按下式计算基带线性调频LFM脉冲信号：
[0011][0012][0013]其中，表示调频后的基带LFM脉冲信号，表示快时间，A
B
表示基带LFM脉冲信号的幅度，rect(
·
)表示矩形窗函数，T
p
表示基带LFM脉冲信号的持续时间，γ
n
表示第n个雷达采样点处的基带LFM脉冲信号的调频率，γ0表示雷达采样点位于初始位置时的基带LFM脉冲信号的调频率，θ0表示雷达采样点位于初始位置时采样点与场景中心连线与地平面的夹角，θ
n
表示第n个雷达采样点与场景中心连线与地平面的夹角，α
n
表示第n个雷达采样点与场景中心连线在地平面上的投影与三维坐标系的Y轴负半轴夹角；
[0014]所述的发射波形预处理模块，用于对基带LFM信号做数字上变频处理和DA变换；数字上变频时需要的可变数字本振信号的本振频率：
[0015][0016]其中，f
in
表示第n个雷达采样点处中频LFM脉冲信号的中频频率，f
i0
表示雷达采样点位于初始位置时的中频LFM信号的中频频率；用基带LFM信号与可变数字本振信号相乘，得到中频LFM脉冲信号后，再对经过上变频后的中频LFM信号做DA变换；
[0017]所述的射频发射模块，按下式计算可变模拟本振信号的本振频率：
[0018][0019]其中，f
Ln
表示第n个采样点处的模拟本振信号的本振频率，f
L0
表示雷达采样点位于初始本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于发射波形参数可调的视频SAR成像系统，包括射频接收模块、接收波形预处理模块、FFT模块，其特征在于，还包括测控模块、发射波形产生模块、发射波形预处理模块、射频发射模块、多片多核DSP片间片内并行处理模块：所述的测控模块，用于测得雷达平台在各个采样点处的实时位置；所述的发射波形产生模块，按下式计算基带线性调频LFM脉冲信号：所述的发射波形产生模块，按下式计算基带线性调频LFM脉冲信号：其中，表示调频后的基带LFM脉冲信号，表示快时间，A
B
表示基带LFM脉冲信号的幅度，rect(
·
)表示矩形窗函数，T
p
表示基带LFM脉冲信号的持续时间，γ
n
表示第n个雷达采样点处的基带LFM脉冲信号的调频率，γ0表示雷达采样点位于初始位置时的基带LFM脉冲信号的调频率，θ0表示雷达采样点位于初始位置时采样点与场景中心连线与地平面的夹角，θ
n
表示第n个雷达采样点与场景中心连线与地平面的夹角，α
n
表示第n个雷达采样点与场景中心连线在地平面上的投影与三维坐标系的Y轴负半轴夹角；所述的发射波形预处理模块，用于对基带LFM信号做数字上变频处理和DA变换；数字上变频时需要的可变数字本振信号的本振频率：其中，f
in
表示第n个雷达采样点处中频LFM脉冲信号的中频频率，f
i0
表示雷达采样点位于初始位置时的中频LFM信号的中频频率；用基带LFM信号与可变数字本振信号相乘，得到中频LFM脉冲信号后，再对经过上变频后的中频LFM信号做DA变换；所述的射频发射模块，按下式计算可变模拟本振信号的本振频率：其中，f
Ln
表示第n个采样点处的模拟本振信号的本振频率，f
L0
表示雷达采样点位于初始位置时模拟本振信号的本振频率；在射频端，模拟中频LFM信号与可变模拟本振信号做混频，得到射频LFM信号后，再通过发射天线将射频LFM信号发射出去；所述的射频接收模块，用超外差接收机dechirp接收被观测场景反射的回波信号；所述的接收波形预处理模块，对超外差接收机dechirp接收的信号做AD采样；对AD采样后的信号做数字下变频至基带回波信号；所述的FFT模块，用于算法处理中的FFT处理；所述的多片多核DSP片间片内并行处理模块，用于做方位向插值重采样与SAR图像优化算法处理；将第一片和其余四片多核DSP，采用并行处理的方法，对方位向FFT处理后的基带回波信号做方位向插值重采样；将SAR图像数据沿距离向分为4份，分别传输给方位向插值重采样后的4片多核DSP，同时4片多核DSP采用相位梯度自聚焦算法，对各自方位向重采样
后的回波数据做相位误差估计；4片多核DSP将各自的SAR图像数据与估计的相位误差相乘得到自聚焦优化后的SAR图像数据；对相邻多帧的回波数据根据波形参数的特定关系做联合处理，得到相邻多帧SAR图像位于同一坐标系下的SAR视频。2.根据权利要求1所述系统的一种基于发射波形参数可调的视频SAR成像方法，其特征在于，在发射端，逐脉冲实时调整发射信号的调频率与发射载频，在接收端，在同一坐标系下分别对相邻多帧的回波信号做方位向FFT、方位向插值重采样和距离向FFT，得到处于同一坐标系下的多帧SAR图像；该实时成像方法的步骤包括如下：步骤1，测控模块测得雷达平台在各个采样点处的实时位置；步骤2，发射波形产生模块按下式计算基带线性调频LFM脉冲信号：步骤2，发射波形产生模块按下式计算基带线性调频LFM脉冲信号：其中，表示调频后的基带LFM脉冲信号，表示快时间，A
B
表示基带LFM脉冲信号的幅度，rect(
·
)表示矩形窗函数，T
p
表示基带LFM脉冲信号的持续时间，γ
n
表示第n个雷达采样点处的基带LFM脉冲信号的调频率，γ0表示雷达采样点位于初始位...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁金闪，韩李斌，徐众，程育，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：