無人機載SAR實時信號處理系統設計?

郝慧軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

近年來,無人機載SAR由于在戰場監視、敵情偵察和精確打擊等方面表現出色,已成為世界各國發展無人機偵察裝備的重要方向[1]。由于無人機偵察遙測系統能夠進行戰場前沿侵入式偵察,在執行作戰任務時無人員損傷、連續作戰性強,且無人機具有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力強等優點,各國對無人機偵察遙測系統作為軍隊戰斗力倍增器的作用與地位及潛在的軍事價值取得了共識,從而為其迅速發展提供了強大的動力。無人機載SAR因其全天候、全天時、遠距離高分辨成像的特點,必將成為未來戰爭中實現“零傷亡”偵察的重要手段。

SAR實時成像系統可在無人機飛行過程中,采用并行處理算法和多片DSP同時對SAR原始回波數據進行處理,從而在無人機上完成圖像處理,利用大壓縮比的遙感圖像壓縮技術,減輕數據傳輸和存儲系統的壓力;另一方面,連續實時成像,得到即時的SAR圖像,可以達到實時監測、及時了解無人機飛行狀況并尋找感興趣目標(區域)進行相應處理。

本文從無人機載SAR實時處理系統硬件和實時成像算法軟件兩個方面進行了分析,給出了設計方案及飛行試驗驗證結果。

1 實時處理系統組成

由于SAR信號處理數據量大,同時為了降低無人機受氣流的影響,提高系統的魯棒性,在實時處理中必須采取比較復雜的運動補償算法。這就要求實時處理系統具有強大的運算性能。采用多片高速DSP芯片,配合優化的拓撲結構,可以從根本上解決運算量巨大這個問題[2]。

因為SAR原始數據處理是按照每條距離線和方位線進行處理的,每條“線處理”具有相對獨立性,這樣N個DSP可以并行處理L/N條屬于自己的方位線和距離線(L是處理的距離向或方位向長度)[3]。針對SAR信號處理的這一特點,同時考慮到無人機對空間結構、重量的限制要求,我們所構建的實時處理系統由一塊標準3U的ADC采集接口板和兩塊標準6U的信號處理板組成,每塊信號處理板分成兩個節點,每個處理節點包括2片TS201,1片FPGA,2 GB的SDRAM以及一片CPLD,并共享總線。單個節點完成一幅SAR原始數據的成像處理任務,節點內的兩個DSP并行“線處理”,其系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

ADC采集接口板實現對模擬信號的采集,通過RS422串口接收外部控制命令及慣導數據,并上報當前狀態信息;通過LVDS接口發送圖像數據。

信號處理板選用的DSP芯片是ADI公司的TS201,單片處理能力3.6 GFlops,內核時鐘頻率600 M Hz,片內內存24 Mbit,125 M Hz/64 bit片外總線,具有1 GB的SDRAM訪問能力,還有4個Link口,每個Link口收發獨立,最高帶寬1.2 GB/s[4]。因此,系統總處理能力為8×3.6=28.8 GFlops,可以滿足實時成像處理的運算要求。

ADC采集接口板對模擬信號采集,FPGA把回波數據一方面通過2個LVDS接口直接把數據發送到記錄儀,另一方面把回波數據通過2個Link發送到TS201處理板0和1的Link Switch,分別由其轉發到處理節點0的DSP0和DSP1,然后再由DSP0和DSP1分別通過板內直連Link轉發到節點1的DSP0和DSP1,以實現回波數據向各個DSP的傳輸。

利用ADC采集接口板和TS201信號處理板共享的FPDP總線分別自定義了FIFO總線、DPRAM總線、維護總線。FIFO總線用于每個信號處理板把處理圖像發送到ADC采集接口板,DPRAM總線用于ADC采集接口板把通過RS422串口收發的各類輔助數據與2個信號處理板之間通信,維護總線用于ADC采集接口板對信號處理板的BIT監測、維護等操作。

每個TS201信號處理板的各個DSP的處理圖像數據通過板內直連Link匯總到DSP0,由其通過Link發送到Link Switch,Link Switch再通過FIFO總線匯總到綜合IO板的FPGA,由FPGA通過LVDS接口轉發到記錄儀。

ADC采集接口板的FPGA把通過RS422串口獲取的輔助數據通過DPRAM總線發送到每個TS201處理板的Link Switch,由其轉發到DSP2,再由DSP2通過板內直連Link轉發到其他DSP。

ADC采集接口板的FPGA通過維護總線與每個TS201信號處理板的Link Switch相連,Link Switch又與FPGA0和FPGA1相連。在TS201信號處理板內,Link Switch通過對FPGA0和FPGA1的操作可實現對板卡DSP加載、FPGA加載和DSP工作狀態的監控,以及把DSP加載文件寫到FLASH的操作。因此,通過維護總線,可實現把系統內各種BIT信息通過ADC采集接口板的RS422串口上報,也可實現外部監控通過RS422串口對系統進行燒寫程序、發送命令等操作。

2 實時成像算法

SAR成像主要是對回波信號進行距離、方位維的聚焦處理,同時還要進行距離徙動校正。在實際情況中,無人機載SAR由于氣流不穩定的影響,運動的不穩定性較大,如果不采取運動補償,則所錄取的數據受到不穩定因素的影響會有較大的失真,從而使成像質量下降,甚至不能成像。因此,需要在成像算法中嵌入運動補償部分。

機載SAR的運動補償主要有基于儀表測量和基于信號處理。基于儀表測量的運動補償主要依靠載機的慣性導航系統(INS)和全球定位系統(GPS),用以測定載機的精確位置[5-6]。其優點是運動補償算法簡單,但實際情況下,通常的儀表測量精度以及數據率難以滿足高分辨率成像的要求。信號處理中的自聚焦技術能將儀器難以檢測的快速擾動的影響加以補償,因此通過信號處理作運動補償是另一種方式,但該補償算法比較復雜,同時易受場景地物信息的影響,具有一定的不穩定性。在本實時成像系統中,我們首先利用無人機提供的慣導數據對運動誤差進行了初補償,消除了大部分的運動誤差;在后續的處理中,又利用回波數據進行運動誤差估計與補償,進一步消除了運動誤差。這種慣導計算運動誤差與回波數據估計運動誤差相結合的算法,充分發揮了兩種方法的優點,增加了系統的可靠性。

SAR實時處理要求能夠實時地輸出大面積連續圖像,因而要求在不降低成像質量的前提下,盡量使算法簡單、運算量小、穩健性高。基于以上分析,我們采用了一種改進型的RD算法,該算法可以充分利用收集回波脈沖期間的時間,通過初次距離脈壓截取大大減少了運算量。同時該算法能較好地進行距離彎曲校正,并實現高分辨率的SAR成像處理,且整個算法結構非常適合實時處理流程[7]。圖2給出了結合慣導和回波數據進行運動補償的改進型的RD成像算法的詳細流程圖。

圖2 實時成像算法流程圖

3 實時處理成像結果

采用上述的處理機體系結構和成像算法,在陜西某地進行了實際飛行試驗,其成像結果如圖3和圖4所示。在無人機平臺上成功穩定的實現大面積連續實時成像。雷達參數如下：

4 結束語

本文介紹了一種基于TS201芯片,適合于無人機載SAR實時信號處理系統的硬件結構,并在該實時信號處理系統上采用改進型RD算法實現實時成像功能。通過在無人機平臺上的飛行試驗,獲取了大面積連續實時SAR圖像,驗證了該信號處理系統的可行性。

圖3 陜西某地區3 m×3 m分辨率成像結果(距離向大于10 km,方位向連續多幀拼接)

圖4 陜西某地區1 m×1 m分辨率成像結果(距離向大于2 km,方位向連續多幀拼接)

[1]馮密榮.世界無人機大全[M].北京：航空工業出版社,2004：22-31.

[2]方志紅,張長耀,鄧海濤,等.直升機載SAR實時處理的實現[C]∥2003年中國合成孔徑雷達會議論文集,合肥：中國電子學會無線電定位技術分會,2003：256-259.

[3]唐月生,鄧海濤,張長耀,等.機載SAR實時成像處理系統設計[J].遙感技術與應用,2007,20(1)：81-84.

[4]Analog Device Inc.ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference[M].Norwood,Mass：Analog Devices Inc,2004：11.

[5]韓銳.一種基于GPS/IMU組合導航的機載SAR運動補償方案[J].中國慣性技術學報 ,2013,21(3)：308-311.

[6]湯光超,常文革,賈高偉.基于GPS多普勒頻移的SAR運動補償研究[J].雷達科學與技術,2013,11(5)：475-479.

[7]竺紅偉,梁之勇.一種通用無人機載SAR實時信號處理系統設計[J].航天電子對抗 ,2013,19(3)：29-31.