高性能機載實時SAR成像系統設計

鄭 昱，李 磊

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

合成孔徑雷達(SAR)不僅具有常規雷達全天時、全天候的特性，還能夠有效形成地面目標的二維高分辨圖像，提升雷達的戰場感知能力，具有廣泛的應用前景，受到國內外學者的密切關注。

實時成像處理是SAR信號處理的一項關鍵技術，它要求系統的處理時間小于回波的錄取時間，具備實時感知戰場變化的能力，便于戰場上的快速決策與打擊，是衡量雷達性能的一個重要指標。

實時成像技術需要在有限的硬件資源條件下獲取高質量的雷達圖像，因此，不同于地面事后處理，實時系統存在硬件平臺的存儲空間、接口通過率與運算能力等約束條件的制約。本文分析了實時成像系統的應用瓶頸，研究了兩種SAR成像工程應用技術，并提出了一種高分辨率的實時成像系統設計，最終以實際成像結果驗證了該系統的可靠性。

1 機載實時成像系統處理方式

1.1 問題的提出

SAR系統具備二維高分辨的特點，其距離高分辨δr的特性由信號寬帶B決定，方位高分辨δa的特性由方位轉角θa與載波波長λ決定，它們之間的關系為

式中:c為電磁波在空間內的傳播速度。

實時成像系統不僅與分辨率有關，還與成像幅寬Wr、采樣頻率fs、脈沖重頻PRF、合成孔徑時間Ta等參數有著密切的關系。成像幅寬與距離采樣間隔決定了距離向處理的點數

雷達重頻與合成孔徑時間決定了方位向處理的點數

此時，SAR成像指標對實時處理系統提出的關鍵指標要求見表1。

表1 SAR實時系統的關鍵指標

當成像幅寬為10 km，采樣頻率為750 MHz，脈沖重頻為1 800 Hz，合成孔徑時間為18 s時，系統需要的存儲空間為25 GB，接口通過率為650 MB/s，運算通過率為89 MB/s。如此高指標的系統存儲、運算與傳輸要求是對常規硬件平臺的巨大挑戰，特別是25 GB的存儲需求是現有單個硬件模塊無法實現的。作為工程應用科學的雷達實時達信號處理必須有效劃分系統架構，減少系統運算存儲冗余，充分利用硬件平臺資源才能夠保證實時成像的質量。距離子帶劃分與方位預濾波即為相應的工程優化方式。

1.2 距離向子帶劃分

大幅寬/高分辨的系統指標直接導致了距離向點數的增加，使得實時系統的二維處理更加復雜。因此，可以借鑒步進頻距離拼接的思想，通過有效劃分距離點數，能夠使得距離維劃分為多個并行子帶，子帶成像處理后再進行距離向的合成，完成圖像拼接。該方法能夠有效減少系統單個模塊的壓力，提升系統的拓展能力。

實時成像過程中為考慮場景距離彎曲的影響，距離子帶并不是簡單的等分，需要子帶之間進行距離重疊，保證成像場景回波都在該距離段，因此，距離段劃分中距離重疊點數所需要滿足的約束條件為

式中:RB為場景中心距離。

當距離子帶劃分為4個時，距離重疊點數為2 048。前文相同條件下系統子帶的存儲可以減少為6.6 GB，接口通過率降低到140 MB/s，運算通過率可以減少為25 MB/s，對單個硬件模塊的指標要求降低了許多，系統工程可實現性增強。

1.3 方位預濾波

雷達成像參數設計過程中為避免天線展寬對方位向的影響，雷達重頻設計得都比較高，方位向點數處理存在冗余，直接增加了實時處理壓力。工程應用中可以通過預濾波的方法減少方位點數的限制條件，便于工程實現。方位向預濾波抽取系數的設計準則為

式中:Ba為方位向多普勒帶寬。滿足該條件時，方位向的多普勒頻率不會出現混疊，預濾波在減少方位點數的同時不會影響成像質量。

2 高性能實時成像系統設計

通過距離子帶劃分可以降低單個模塊成像的處理壓力，方位預濾波可以有效減少方位向點數的限制條件。兩種工程算法相結合可以設計一種高性能的實時SAR成像系統，如圖1所示。該實時系統不僅把距離維點數多的壓力分解到多個不同子帶上，又能最大限度地利用方位向的點數。并隨著成像幅寬指標的提升，只需要并行地增加子帶成像單元即可滿足要求，系統的可拓展能力強，應用范圍廣。

圖1 高性能實時成像系統架構設計

3 處理結果

采用本文處理架構對SAR成像回波數據進行實時處理，結果如圖2所示。

圖2 SAR成像回波數據

由圖2可知，距離子帶劃分過程中存在一定的距離重疊，距離子帶成像后的結果只要簡單消除重疊即可拼接為大幅寬高分辨的SAR成像結果，如圖3所示。

圖3 距離段拼接成像結果

圖3中距離子帶劃分為4個，距離重疊點數為2 048，子帶點數為16 384，方位預濾波抽取系數為2，重頻為1 800 Hz，相參處理數據為18 s。常規成像處理所需的存儲空間為16 GB，數據通過率為890 MB/s，運算通過率為111 MB/s。進行子帶劃分與方位預濾波以后，子帶所需的存儲空間為4 GB，數據通過率為222 MB/s，運算通過率為28 MB/s，子帶劃分單元只進行了流水的脈壓，無需方位存儲，數據存儲需求的通過率為128 MB/s，存儲壓力小，子帶合成也無需二維處理，存儲空間為2 GB即可。因此，本文提出的系統架構對硬件模塊的存儲、運算與傳輸需求可以降低3/4，最復雜的二維成像單元可以具有充裕的運算時間與存儲資源，突破了常規SAR實時成像的瓶頸。

4 結束語

本文通過合理的系統設計，對原始回波成像處理過程中利用距離子帶劃分與方位預濾波，可以減少回波數據中的冗余數據，降低了單個硬件模塊的處理壓力。該系統設計能夠充分利用子帶并行的優勢，突破了成像實時系統處理與存儲的瓶頸，系統兼容性好，易于拓展。最后，通過真實的回波數據驗證其有效性，該系統可以在嚴格的硬件約束條件下完成高質量的SAR成像實時處理。

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