DSP系统设计与实现实验五报告.docx

基于ADSP-21161N数字信号处理器的合成孔径雷达实时信号处理系统系统工作原理1.1合成孔径雷达简介合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）通过对雷达获得的返回地形信息进行分析，得到高分辨率图像，地形的返回信息是用运动着的飞机发出的一串线性调频脉冲得到的。生成高分辨率的航空图像图像分辨率从m减少为应用（包括军用和商用）地面监控地形测绘目标成像要求雷达平台与成像区域之间的相对运动航空SAR卫星SARISAR此图说明了雷达的地形测绘的用途，其核心为雷达需要有良好的距离向分辨率和方位向分辨率。然而一般尺寸的天线很难产生所需的方位向分辨率的波束宽度，所以，所需的天线孔径通过移动天线来物理合成，故成为合成孔径。此图说明了雷达参数与关键SAR参数（）之间的关系：与雷达脉冲带宽B之间为反比关系；与雷达有效天线孔径之间为反比关系；通常对于SAR来说，控制雷达参数B和，使；为了获得较好的分辨率，一般B和都比较大，可以通过使用啁啾脉冲来获得较大的B。此图说明了大的合成天线孔径可以通过雷达平台的移动来获得。通过次方法获得的合成孔径较原始的天线长度可增大成百上千倍，同时，合成波束也比原始天线辐射出的波束要窄成百上千倍。此图展示了SAR的飞行路径的侧视和俯视图。此图显示了一连串的合成波束如何生成雷达返回波，在雷达平台移动的过程中，对被照射的区域会生成高分辨率的地表图形。成像区域以与飞行路径平行的为宽度的带状图像成像，故这种SAR也称为“带状成像”。此图说明了SAR通过多普勒频点的处理，而不是通过天线的理论频点来进行处理；当飞行器飞过一个地面的目标点时，该点的返回波有一个随着时间线性变化的多普勒频率（由于飞行器的运动）。此返回波的频率与飞行器飞行速率的平方成正比，和距离目标的距离成反比。我们假设雷达和目标之间的距离小于雷达的距离向分辨率，如果此假设不成立了，则需要一个更为复杂的处理算法来解决此问题。此图展示了从一个目标点接收到的返回信号的扫描频率波形，此波形的幅度在合成孔径的边缘处逐渐减少。此图展示了合成波束模型是如何通过将接收信号与预存的参考波形进行相关之后获得的。此预存的参考波形是一个包含目标距离和雷达移动速率的函数。此图显示了SAR的参考函数如何随距离变化的。上面的一幅图展示了参考函数随瞬时频率和时间的变化。实际上，SAR的参考函数应该用相角和时间来表示，由于相角是频率的时域积分，故相位函数随频率作线性变化时，其是时间函数的四次方。此图显示了时间带宽乘积参数(TW),该参数为一个用来描述SAR场景和相应的参考函数的基本参数。该参数与“方位压缩比”（原始天线波束与合成波束的宽度之比）等价，同时还等价于合成孔径的返回脉冲数和SAR参考函数所需要的离散采样点数。1.2 实时信号处理系统简介算法流程分析SAR处理流程（条带算法）此图为SAR成像过程的端到端的处理链。模数转换器A/D对返回的脉冲进行采样，采样率为50-500 MHz。把A/D转换结果写入脉冲重复频率缓冲区PRF。采样率与单脉冲持续时间成反比，与被采样信号带宽TW成正比，即。样本缓冲区对样本的突发性质做平均，使样本伸展到脉冲间的时间间隔内，数据率等于平均输入数据率。在上图中，有两个不同的压缩或者相关过程。对于区域相关，相关核是发出脉冲的一个拷贝，提供M个样本。转换成浮点数后，就把输入脉冲转换成复数信号。如下图所示，输入信号乘以参考信号，然后滤波，过采样，存储在样本缓冲区内，再转换成浮点数，接着进行滤波和抽样，得到同相部分I和正交部分Q。如下图所示，SAR处理过程中，用两个缓冲区组织数据，每个返回脉冲的区域样本按行排列，按列提取。方位角相关，对某个给定区域内的所有返回脉冲进行其相关核区域为。区域相关和方位角相关都采用了卷积定理，用FFT，复数乘法，逆FFT来计算两个序列的卷积。SHARC处理器有加速FFT的特性，可利用来加快FFT的计算。飞机携带雷达做直线运动时，会产生小的偏差。运动补偿阶段就是纠正这些偏差。通过惯性导航系统来测量这些偏差，并用这些偏差来纠正返回信号的相位，通过加上或者减去相应的值来计算各个位置的直线路径返回值。如下图所示，计算每点需要一次复数运算。信号分析合成图像格式（Complex Signal Formulation）：保持信号中的相位信息区域压缩（Range Compression）：对每个返回脉冲进行相关转角（Corner Turn）：对矩阵进行变换，从区域顺序列到脉冲序列的重新排序运动补偿（Motion Compensation）：对所有单元的每个脉冲进行补偿，修正在孔径时间内飞机直线运动产生的偏差方位角压缩（Azimuth Compression）：对孔径内的每个单元的所有返回脉冲单独进行压缩成像（Image Formation）