本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于fpga的調(diào)頻連續(xù)波方位多通道fmcwsar的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法及fpga。

背景技術(shù)：

合成孔徑雷達(dá)是一種主動(dòng)微波遙感設(shè)備，能夠全天時(shí)、全天候地實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)，在國民經(jīng)濟(jì)與軍事應(yīng)用的諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。

fmcwsar由于其體積小、重量輕、分辨率高和成本低而在軍用和民用領(lǐng)域備受青睞，世界各國紛紛開始了fmcwsar系統(tǒng)的研制。多套機(jī)載fmcwsar系統(tǒng)得到了成功研制并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。2009年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(tudelft)、tno(荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究所)、ssbv公司等單位率先提出了星載fmcwsar系統(tǒng)panelsar。

在星載條件下，更大的作用距離給系統(tǒng)提出了更高的要求。為了保證系統(tǒng)性能，在機(jī)載fmcwsar的基礎(chǔ)上，星載fmcwsar需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。提高發(fā)射功率、增大天線面積都是保證fmcwsar系統(tǒng)信噪比的有效手段。但是提高發(fā)射功率對(duì)器件的要求大為增加，而且增加了系統(tǒng)的成本和功耗。增加天線面積可以提高天線的放大增益，但這樣一方面會(huì)限制方位向的分辨率，另外一方面也會(huì)限制成像的測(cè)繪帶寬度。同時(shí)，星載條件下，平臺(tái)速度較快，需要較高的prf以避免高方位向分辨率情況下的頻譜混疊。方位多通道技術(shù)可以有效的解決上述問題，在避免方位頻譜混疊的情況下，降低系統(tǒng)prf并增加系統(tǒng)接收增益。但是方位多通道系統(tǒng)往往存在方位向非均勻采樣的問題，需要進(jìn)行方位多通道重構(gòu)以保證成像質(zhì)量。

為了提高星載sar系統(tǒng)獲取信息的時(shí)效性，需要在滿足系統(tǒng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的成像處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有方位向多通道系統(tǒng)存在方位向非均勻采樣的問題；為解決所述問題本發(fā)明提供一種基于fpga的方位多通道調(diào)頻連續(xù)波sar成像方法及fpga。

本發(fā)明提供的基于fpga的調(diào)頻連續(xù)波方位向多通道fmcwsar的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法包括：

步驟一、計(jì)算重構(gòu)矩陣；

步驟二、重構(gòu)方位向多通道數(shù)據(jù)，包括：

步驟2.1、對(duì)各個(gè)通道的回波數(shù)據(jù)沿方位向分別間隔補(bǔ)零，并進(jìn)行方位向傅里葉變換；

步驟2.2、將方位向傅里葉變換之后各個(gè)通道方位向相同位置的點(diǎn)組合為一個(gè)向量并與重構(gòu)矩陣相乘，得到重構(gòu)完成的方位向數(shù)據(jù)；

步驟2.3、對(duì)不同距離門的數(shù)據(jù)重復(fù)步驟2.3完成方位向重構(gòu)，得到完成的重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)；

步驟三、對(duì)重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離徙動(dòng)校正及距離壓縮處理；

步驟四、對(duì)重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向逆傅里葉變化，得到sar圖像。

進(jìn)一步，所述重構(gòu)矩陣為：

其中:

f為方位向采樣頻率，di為第i+1通道與發(fā)射天線相位中心的距離，v為衛(wèi)星等效速度，fp為脈沖重復(fù)頻率，n為通道數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟2.1包括：

間隔補(bǔ)零時(shí)，每個(gè)通道讀入na/n點(diǎn)，間隔補(bǔ)零至na點(diǎn)，其中na根據(jù)用戶對(duì)每景圖像大小的要求確定。每個(gè)通道數(shù)據(jù)補(bǔ)零方式示意如下：

通道1：a1,10…0|a1,n+10…0|a1,2n+10…0|…

通道2：0b2,20…0|0b2,n+20…0|0b2,2n+20…0|…

通道3：00c3,30…0|00c3,n+30…0|00c3,2n+30…0|…

…。

其中，第i個(gè)通道補(bǔ)零后的向量的第(k-1)*n+i個(gè)點(diǎn)為第i個(gè)通道補(bǔ)零前向量第k個(gè)點(diǎn)的值。

進(jìn)一步，所述步驟2.1各個(gè)通道使用fpga中的fft核并行進(jìn)行傅里葉變換。

進(jìn)一步，所述步驟三依次包括：步驟3.1、對(duì)重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)與多普勒頻移及頻率變標(biāo)函數(shù)相乘后做距離向傅里葉變換；步驟3.2、與殘留視頻相位函數(shù)相乘，并進(jìn)行距離向傅里葉逆變換；；步驟3.3、與逆頻率變標(biāo)&二次距離壓縮&距離徙動(dòng)校正函數(shù)相乘，并進(jìn)行距離向傅里葉變換；步驟3.4、與殘留相位補(bǔ)償函數(shù)&方位向匹配濾波相乘。

本發(fā)明還提供實(shí)現(xiàn)所述的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法的fpga，包括：數(shù)據(jù)交互模塊，方位向處理模塊、距離向處理模塊；所述數(shù)據(jù)交互模塊接收方位向多通道回波數(shù)據(jù)后傳輸?shù)椒轿幌蛱幚砟K進(jìn)行方位向處理，之后輸出到距離向處理模塊進(jìn)行距離向處理。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：

提供一種基于fpga的方位多通道調(diào)頻連續(xù)波sar成像方法，在利用多個(gè)方位接收通道突破方位向分辨率對(duì)雷達(dá)接收天線孔徑的限制條件、保證系統(tǒng)高分辨并獲得高天線增益的前提下，通過合理的算法設(shè)計(jì)結(jié)合fpga實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的成像處理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于fpga的調(diào)頻連續(xù)波方位向多通道fmcwsar的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。

圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例提供的基于fpga的調(diào)頻連續(xù)波方位向多通道fmcwsar的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法的fpga結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為通過仿真得到的利用本發(fā)明提供的基于fpga的調(diào)頻連續(xù)波方位多通道fmcwsar的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法得到的成像圖像。

具體實(shí)施方式

下文中，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

由背景技術(shù)可知，現(xiàn)有方位多通道fmcwsar成像質(zhì)量不夠好，申請(qǐng)人分析認(rèn)為是由于多方位通道系統(tǒng)存在方位向非均勻采樣的問題，未解決所述問題，需要對(duì)方位向多通道進(jìn)行重構(gòu)，以解決所述問題，申請(qǐng)人經(jīng)過進(jìn)一步研究在本發(fā)明中提供基于fpga的方位多通道調(diào)頻連續(xù)波sar成像方法，及實(shí)現(xiàn)所述方法的fpga。

本發(fā)明提供的基于fpga的調(diào)頻連續(xù)波方位多通道fmcwsar的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法包括：

步驟一、在開機(jī)后接收到回波數(shù)據(jù)之前完成重構(gòu)矩陣及參考函數(shù)的計(jì)算；

本實(shí)施例中，在接收到回波數(shù)據(jù)之前完成重構(gòu)矩陣及參考函數(shù)的計(jì)算，可以在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中直接使用，提高成像的實(shí)時(shí)性，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以根據(jù)實(shí)際需要，在合適的步驟計(jì)算重構(gòu)矩陣及參考函數(shù)。

步驟1.1、計(jì)算重構(gòu)矩陣包括：

其中:

f為方位向采樣頻率，di為第i通道與發(fā)射天線相位中心的距離，v為衛(wèi)星等效速度，fp為脈沖重復(fù)頻率。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中可以建立不同的重構(gòu)矩陣，滿足消除多方位通道系統(tǒng)方位向非均勻采樣即可。

步驟1.2、參考函數(shù)的計(jì)算，如下：

1)多普勒頻移及頻率變標(biāo)函數(shù)

其中：τ為距離向快時(shí)間，kr為距離向調(diào)頻率，

v為衛(wèi)星等效速度；λ為波長；fη為方位向頻率

2)殘留視頻相位函數(shù)

其中fτ為距離向頻率。

3)逆頻率變標(biāo)&二次距離壓縮&距離徙動(dòng)校正函數(shù)

其中rref為調(diào)頻接收時(shí)的參考斜距；rc為場(chǎng)景中心斜距，

4)殘留相位補(bǔ)償函數(shù)&方位向匹配濾波

步驟二、對(duì)各個(gè)通道的回波數(shù)據(jù)沿方位向分別間隔補(bǔ)零并使用不同的fft核并行進(jìn)行方位向傅里葉變換；

結(jié)合參考圖2，所述間隔補(bǔ)零和方位向傅里葉變換在fpga的方位向處理模塊中進(jìn)行，所述fft核由fpga生成。并行進(jìn)行可以提高處理速度。

間隔補(bǔ)零時(shí)，每個(gè)通道讀入na/n點(diǎn)，間隔補(bǔ)零至na點(diǎn)，每個(gè)通道數(shù)據(jù)補(bǔ)零方式示意如下：

通道1：a1,10…0|a1,m+10…0|a1,2m+10…0|…

通道2：0b2,20…0|0b2,m+20…0|0b2,2m+20…0|…

通道3：00c3,30…0|00c3,m+30…0|00c3,2m+30…0|…

…

通過算法公式推導(dǎo)結(jié)合fpga的工作方式發(fā)現(xiàn)，間隔補(bǔ)零可以提高使用fpga實(shí)現(xiàn)成像處理的效率。

步驟三、將方位向傅里葉變換之后每個(gè)通道方位向相同位置的點(diǎn)組合為一個(gè)向量并與重構(gòu)矩陣相乘；之后將與重構(gòu)矩陣相乘之后的序列依次排列得到重構(gòu)完成的方位向數(shù)據(jù)；

[b1+(i-1)*m,b2+(i-1)*m,b3+(i-1)*m,…bm+(i-1)*m]＝[a1,i,a2,i,a3,i,…am,i]·g(f)

其中am,i分別為第m個(gè)通道方位向第i個(gè)點(diǎn)的值。

步驟四、對(duì)不同距離門的數(shù)據(jù)完成方位向重構(gòu)得到完成的重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)；如圖2所示，步驟二至步驟四在fpga的方位向處理模塊中進(jìn)行。重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)輸入到距離向處理模塊，開始距離向處理。

步驟五、對(duì)所述多通道重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離徙動(dòng)校正及距離壓縮處理；包括：

步驟5.1、對(duì)重構(gòu)后回波數(shù)據(jù)與多普勒頻移及頻率變標(biāo)函數(shù)相乘后做距離向傅里葉變換；

步驟5.2、與殘留視頻相位函數(shù)相乘，并進(jìn)行距離向傅里葉逆變換；

步驟5.3、與逆頻率變標(biāo)&二次距離壓縮&距離徙動(dòng)校正函數(shù)相乘，并進(jìn)行距離向傅里葉變換；

步驟5.4、與殘留相位補(bǔ)償函數(shù)&方位向匹配濾波相乘。

步驟六、對(duì)完成距離向壓縮的回波信號(hào)進(jìn)行方位向逆傅里葉變化及聚焦處理，得到sar圖像。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變化及聚焦處理的方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再詳述。

圖3為通過仿真得到的利用本發(fā)明提供的基于fpga的調(diào)頻連續(xù)波方位多通道fmcwsar的實(shí)時(shí)成像信號(hào)處理方法得到的成像圖像。由圖3可知通過本發(fā)明所提供的方案可以得到高質(zhì)量的圖像。

本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。