無人機載SAR實時信號處理設計及實現(xiàn)

郝慧軍

【摘 要】本文介紹了無人機載SAR實時信號處理系統(tǒng)硬件結構和實時信號處理算法流程。該信號處理系統(tǒng)以TS201為硬件處理核心，通過改進型的RD算法實現(xiàn)實時成像。在無人機平臺上成功穩(wěn)定的實現(xiàn)大面積連續(xù)實時成像，證明信號處理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實時信號處理算法可行。

【關鍵詞】無人機載SAR；實時處理；運動補償

0 引言

近年來，無人機載SAR由于在戰(zhàn)場監(jiān)視、敵情偵察和精確打擊等方面表現(xiàn)出色，已成為世界各國發(fā)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(tǒng)能夠進行戰(zhàn)場前沿侵入式偵察，在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時無人員損傷、連續(xù)作戰(zhàn)性強，且無人機具有體積小、造價低、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力強等優(yōu)點，各國對無人機偵察遙測系統(tǒng)作為軍隊戰(zhàn)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(fā)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(zhàn)爭中實現(xiàn)“零傷亡”偵察的重要手段[2]。

SAR實時成像系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸和存儲系統(tǒng)的壓力；另一方面，連續(xù)實時成像，得到即時的SAR圖像，可以達到實時監(jiān)測、及時了解無人機飛行狀況并尋找感興趣目標（區(qū)域）進行相應處理。

本文從無人機載SAR實時處理系統(tǒng)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(tǒng)組成

由于SAR信號處理數(shù)據(jù)量大，同時為了降低無人機受氣流的影響，提高系統(tǒng)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(tǒng)具有強大的運算性能。采用多片高速DSP芯片，配合優(yōu)化的拓撲結構，可以從根本上解決運算量巨大這個問題[3]。

因為SAR原始數(shù)據(jù)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）[4]。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(tǒng)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(jié)點，每個處理節(jié)點包括兩片TS201，1片F(xiàn)PGA， 2GB的SDRAM以及一片CPLD，并共享總線。單個節(jié)點完成一幅SAR原始數(shù)據(jù)的成像處理任務，節(jié)點內(nèi)的兩個DSP并行“線處理”，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

ADC采集接口板實現(xiàn)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(shù)據(jù)，并上報當前狀態(tài)信息；通過LVDS接口發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

信號處理板選用的DSP芯片是ADI公司的TS201，單片處理能力3.6GFLOPs，內(nèi)核時鐘頻率600MHz，片內(nèi)內(nèi)存24Mbit，125MHz/64bit片外總線，具有1GB的SDRAM訪問能力，還有4個Link口，每個Link口收發(fā)獨立，最高帶寬1.2GB/s[5]。因此，系統(tǒng)總處理能力為：8×3.6=28.8GFLOPs，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，F(xiàn)PGA把回波數(shù)據(jù)一方面通過2個LVDS接口直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到記錄儀，另一方面把回波數(shù)據(jù)通過2個Link發(fā)送到TS201處理板0和1的Link Switch，分別由其轉(zhuǎn)發(fā)到處理節(jié)點0的DSP0和DSP1，然后再由DSP0和DSP1分別通過板內(nèi)直連Link轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點1的DSP0和DSP1，以實現(xiàn)回波數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)的各類輔助數(shù)據(jù)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(jiān)測、維護等操作。

每個TS201信號處理板的各個DSP的處理圖像數(shù)據(jù)通過板內(nèi)直連Link匯總到DSP0，由其通過Link發(fā)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(zhuǎn)發(fā)到記錄儀。

ADC采集接口板的FPGA把通過RS422串口獲取的輔助數(shù)據(jù)通過DPRAM總線發(fā)送到每個TS201處理板的Link Switch，由其轉(zhuǎn)發(fā)到DSP2，再由DSP2通過板內(nèi)直連Link轉(zhuǎn)發(fā)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(nèi)，Link Switch通過對FPGA0和FPGA1的操作可實現(xiàn)對板卡DSP加載、FPGA加載和DSP工作狀態(tài)的監(jiān)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(xiàn)把系統(tǒng)內(nèi)各種BIT信息通過ADC采集接口板的RS422串口上報，也可實現(xiàn)外部監(jiān)控通過RS422串口對系統(tǒng)進行燒寫程序、發(fā)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(wěn)定的影響，運動的不穩(wěn)定性較大，如果不采取運動補償，則所錄取的數(shù)據(jù)受到不穩(wěn)定因素的影響會有較大的失真，從而使成像質(zhì)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(tǒng)（INS）和全球定位系統(tǒng)（GPS），用以測定載機的精確位置。其優(yōu)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(shù)據(jù)率難以滿足高分辨率成像的要求。信號處理里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(wěn)定性。在本實時成像系統(tǒng)中，我們首先利用無人機提供的慣導數(shù)據(jù)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(xù)的處理中，又利用回波數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)估計運動誤差相結合的算法，充分發(fā)揮了兩種方法的優(yōu)點，增加了系統(tǒng)的可靠性。

SAR實時處理要求能夠?qū)崟r地輸出大面積連續(xù)圖像，因而要求在不降低成像質(zhì)量的前提下，盡量使算法簡單，運算量小，穩(wěn)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。同時該算法能較好的進行距離彎曲校正，并實現(xiàn)高分辨力的SAR成像處理，且整個算法結構非常適合實時處理流程。圖2給出了結合慣導和回波數(shù)據(jù)進行運動補償?shù)母倪M型的RD成像算法的詳細流程圖。

4 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，2011年下半年，在陜西某地進行了實際飛行試驗。在無人機平臺上成功穩(wěn)定的實現(xiàn)大面積連續(xù)實時成像。雷達參數(shù)以及成像結果如下所示。

【參考文獻】

[1]馮密榮.世界無人機大全[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[2]Zieba B.，Glandrup M.，Sinderen M. van，Wegdam M..Reconfiguration Service for Publish/Subscribe Middleware[OL].bzieba.info/publications.html.

[3]方志紅，張長耀，鄧海濤，齊子國.直升機載SAR實時處理的實現(xiàn)[C]//2003年中國合成孔徑雷達會議論文集，2003：256-256 .

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

[5]Analog Device Inc.. ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference [Z].2004，11.

[責任編輯：曹明明]