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电子科技大学 硕士论文 a b s 下 尺 a c 下 s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r h a s a l l - w e a t h e r a n d h i g h - r e s o l u t i o n c a p a b i l i t i e s a n d h a s b e e n h i g h l y d e v e l o p e d i n r e c e n t y e a r s . c o m p u t e r s c i e n c e a n d m o d e r n s i g n a l p r o c e s s i n g m e t h o d s n o w m a k e i t p o s s i b l e f o r s a r t o i n c r e a s i n g l y a p p l y i t s t e c h n i q u e s i n m a n y a r e a s s u c h a s r e m o t e s e n s i n g a n d m a p p i n g , e x p l o r a t i o n o f t e r r e s t r i a l r e s o u r c e s , c a t a s t r o p h e f o r e c a s t , m i l i t a r y m a n e u v e r i n g a n d e t c . t h e t e c h n i q u e o f r e a l - t i m e p r o c e s s i n g o f s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r h a s b e e n d e v e l o p e d s i n c e t h e e n d o f 1 9 8 0 s , s o f a r a s h i g h r e s o l u t i o n s a r i m a g i n g , f o r i i s l a r g e q u a n t i t y o f d a t a a n d s t r o n g r e a l - t i m e r e q u e s t , r e q u i r e r e a s o n a b l e s y s t e m s t r u c t u r e , h i g h - s p e e d p r o c e s s i n g a n d h i g h e f f i c i e n t a l g o r i t h m s a n d s o f t w a r e . t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e t h e o r y o f s a r a n d i t s c h a r a c t e r i s t i c s i n a p p l i c a t i o n , a n d p r o v i d e s t h e m e t h o d t h a t c a n b e r e a l i z e d i n s a r r e a l - t i m e p r o c e s s o r . b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f s a r s i g n a l p r o c e s s i n g a l g o r i t h m s , t h e p r o c e s s o r a d o p t s a k i n d o f e f f i c i e n t s t r u c t u r e , w h i c h c o r r e s p o n d s t o t h e a l g o r i t h m s t h a t a r e u s e d i n t h e s y s t e m . a m o n g a l l t h e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g c h i p s , c o m b i n i n g w i t h e m b e d d e d p r o g r a m m i n g l o g i c d e v i c e , w e s e l e c t e d l h 9 1 2 4 y 4 0 w h i c h i s t h e a d v a n c e d d s p a s t h e m o s t i m p o r t a n t p a r t i n t h e r e a l - t i m e p r o c e s s i n g b o a r d o f r a n g e c o m p r e s s i n g a n d a z i m u t h c o m p r e s s i n g i n a d d i t i o n , t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e m e t h o d o f i n t e r f a c e c o n t r o l o n t h e e x t e n d e d - d a t a - o u t d y n a m i c r a m , a n d t h e a p p l i c a t i o n o f i t i n t h e d a t a c o r n e r t u r n a r r a y p r o c e s s i n g b o a r d , w h i c h i s v a l u a b l e t o t h e r e a l i z a t i o n o f d a t a c o r n e r t u r n a r r a y p r o c e s s i n g i n s a r i m a g i n g i n t h e f u t u r e . k e y w o r d s : s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r , r e a l - t i m e p r o c e s s i n g , s p e c i a l p u r p o s e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r , e x t e n d e d - d a t a - o u t d y n a m i c r a m , e m b e d d e d p r o g r a m m i n g l o g i c d e v i c e ii 电子科技大学硕士论文 第一章 绪论 1 . 1引 言 第二次世界大战以后，各种雷达新理论和新技术纷纷出现，合成孔径雷 达 ( s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r , s a r ) 便是其中之一。 合成孔径的概念产生了五十年代初，1 9 5 1 年 6月美国古德依尔宇航公司 ( g o o d y e a r a e r o s p a c e c o)的威利 ( c a r l w i l e y )首先提出最初的频率分 析的方法改善雷达的角分辨力，他将其称为多谱勒波束锐化，他们最初的研 究目 的 是提高制导雷达的角分 辨力。 与此同 时， 伊里诺 斯大学 u n i v e r s i t y o f i l l i n o i s )控制系统实验室的一个研究小组在 c . w . s h e r v i n的领导下，采用 相干机载侧视口 面雷达 ( s i d e - l o o k i n g a p e r t u r e r a d a r , s l a r ) 数据，研究 运动目 标检测技术。1 9 5 2年， c . w . s h e r v i n第一次提出了 采用相位校正的全 聚焦阵列概念， 另外他还提出了 运动补偿概念。 正是这些新思想最终导 致了x - 波段相干雷达的 研制。1 9 5 8 年，美国密执安大学 ( u n i v e r s i t y o f m i c h i g a n ) 的 雷达和光学实验室在 l . j . c u t r o n a的领导下， 用他们研制的雷达进行飞行 试验， 用光学相关器件将相干雷达视频信号变成了高分辨的图 像。 此时， s a r 系统研制主要由 美国国防部 ( d e p a r t m e t n o f d e f e n c e , d o d )资助，因此， 这方面的研究进展极少公开报道。 直到6 0 年代末、7 0 年代初，美国宇航局n a s a主持了一些民用s a r 系统 的研制，主要研究单位是密西根环境研究所 ( e n v i r o n m e n t a l r e s e a r c h i n s t i t u t e o f m i c h i g a n , e r i m ) 和喷气动力实验室( j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y , j p l )。1 9 7 5 年， n a s a 将s a r 作为s e a s a t 任务的一部分。由于s a r 在s e a s a t 任务中的突出 表现，使得星载 s a r得到高度重视，成为合成孔径雷达的一个 重要发展方向。但是， 机载 s a r也并没有停止发展，由于其强实时性、 分辨 力高等特点，特别适合于战役战术侦察，在国防领域得到了迅速发展。 妇. 2 s a r 成像技术特点及应用 电子科技大学硕士论文 1 . 2 . 1 合成孔径成像技术特点 ( 1 )强透射性 不受气候、昼夜等因素影响，具有全天候成像优点;如果选择合适的雷 达波长，还能够透过一定的遮蔽物。 ( 2 ) 包括多种散射信息 不同的目 标，往往具有不同的介电常数、表面粗糙度等物理和化学特性， 它们对微波的不同频率、透射角、及极化方式将呈现不同的散射特性和不同 的穿透力，这一性质为目 标分类及识别提供了极为有效的新途径。 ( 3 )要求复杂的信号处理过程和设备，要求对载机运动的非均匀性加以 补 偿 ， 故 设 备 和 操 作 远 钦 真 实 孔 径 雷 达 复 杂 。 ( 4 )具有距离和方位二维高分辨 从现在技术状态来看，一般军用系统的分辨力比民用系统至少要高一个 数量级。民用系统的分辨力约为 1 0米量级，而军用系统则要求在到米级或更 高。星载 s a r一般都兼有军用和民 用两种任务， 其图像细节在宏观上己 与光 学图 像相比 拟， 但近年来己出 现更高分辨力趋势，己 有分辨力达到 1米的系 统，将大大增强其军事应用价值。随着军事应用需求的扩展，要求有更多关 于目 标和环境的信息，对分辨力的要求必将进一步提高。 ( 5 )如果采用并行轨道或者一定基线长度的双天线，还可以获得包括地 面高度信息在内的三维高分辨图像。 ( 6 )和一般相千成像类似，s a r 图像具有相干斑效应，影响图像质量。 2 . 2合成孔径雷达的应用 合成孔径雷达可以应用到许多领域，我们从军用和民用两个方面加以概 述。 ( 1 ) 在地质和矿资源勘探方面，综合孔径雷达可以 用来普查地质结构， 研究地质分布、岩石分布及矿物分布等。 ( 2 )在地形测绘和制图学方面，合成孔径雷达可以用来进行大面积地形 测绘。用来测定山脉、河流、城市、乡村、道路、桥梁等的位置和形状。研 究城市变迁、湖泊分布及变迁，了解效能运输状况等。 ( 3 )在海洋应用方面，合成孔径雷达可以用来研究大面积海浪特性，研 电子科技大学硕士论文 究冰山分布、 海洋变迁、海洋污染等。 ( 4 )在水资源应用方面，全成孔径雷达可以大面积测定土壤湿度，估定 大面积降雨量，研究地面雪覆盖情况等。 ( 5 ) 在农业和林业应用方面，合成孔径雷达可以 用作农作物鉴别， 研究 农作物生长状况并估计农业产量，研究田地分界，研究自 然植被分布、覆盖、 研究森林生长状况，发现森林火灾。 合成孔径雷达在军事领域的主要应用: ( 1 )战略应用全天候全球战略侦察，全天候海洋军事动态监视，战 略导弹终端要点防御的目 标识别与拦截，战略导弹多弹头分导自 动导引，轨 道平台开口的识别与拦截，对战略地下军事设施的探测。 ( 2 ) 战术应用全天候重点战区军事去态监视，大型坦克群的成像监 视， 反坦克雷场的探测。 ( 3 )特种应用一一强杂波背景下的目 标识别，低空与超低空目 标的探测 与跟踪，精密测向与测高，隐吞目 标散射特性的静态和动态测量等。 1 . 3机载合成孔径雷达技术发展动态 1 . 美国的g r u m m a n e - 8 a j - s t a r s 该系统是美国陆空军联合研制的战场侦察攻击雷达系统，可提供全昼夜 远距离战场监视和飞机战斗攻击控制。该系统能在恶劣气象条件下从高空监 视距前沿 2 0 0公里范围内敌方纵深地带， 侦察远距离固定集结装甲， 包括第 二梯队 装甲 车和坦克。 j - s t a r s 实际上是一种陆空军采用的机载反坦克雷达系 统，它把侦察到的数据经处理后通过数据网传到指挥部，再由低空飞机或导 弹直接攻击目 标。 j - s t a r s 用波音7 0 7 - 3 2 0 改 装的c - 1 8 作为平台， 包括一部 合成孔径雷达，可探测地面低速目 标。j - s t a r s 是目 前世界上最先进的机载对 地侦察雷达系统，可能使得未来地面战争发生革命性的变化。 据报道，该系 统在海湾战争中战功卓著，仅 1 9 9 1 年 1 月2 2日 出 动一个架次就成功测定一 个向 科威特运动的伊拉克坦克师，一举摧毁6 0 辆坦克。 2 . 德国d l r -多波段/ 多极化机载合成孔径雷达 德国d l r( 宇航局)于8 0 年代中期开始发展c 波段机载合成孔径雷达， 其最终目 的是扩展为实用的多波段/ 多极化合成孔径雷达系统。德意联合研制 电子科技大学硕士论文 的 航天飞机载x - s a r 推动了 机载d l r 合成孔径雷达系统。1 9 9 0 年由 进一步扩 展到 l 波段，1 9 9 1 年开展c 波段的多极化研究。 d l r 系统l , c , x波段的斜 距均为2 . 5 米， 而方位分辨力 ( 四视) 分别为4 . 2 米， 2 . 2 米，采用6 饰s 量 化。 3 . 意大利遥控机载毫米波合成孔径雷达 这是无人驾驶机载 8毫米波段合成孔径雷达，用于战场侦察，具有双侧 视和低速目 标检测功能，可采取灵活机动的多种侦察模式。飞机飞行高度 1 5 0 01 0 0 0 0 米， 作 用距离9 - 2 0 公 里， 测绘 带 宽5 公 里， 距 离 和 方 位 分 辨力 均 为5 米，独立视数为5 ，距离压缩比为 1 8 0 ，天线面积 1 x 0 . 2 4 米a 。目 前， 该系统仍处于试验阶段。 4 .荷兰p h a r s - c 波段机载合成孔径雷达 它是相控阵合成孔径雷达，具有很高的辐射精度和校准能力。采用双极 化有源相控阵微带天线，飞 行高 度 6 0 0 0米， 作用距离 6 - 1 3 . 7公里， 距离分 辨力4 . 8 米， 方位分辨力1 米( 单视) 和6 米( 4 、视) 。 系统研制期为1 9 9 11 9 9 4 年。 5 . 丹麦技术大学t u d 的c 波段机载合成孔径雷达 始于1 9 8 6 年 1 月，1 9 8 9 年 1 1 , 1 2 月试飞。 分辨力、测绘带宽和成像布 局均可调节。距离分辨力和方位分辨力2 米 ( 单 视) ，测绘带宽1 24 8 米， 最 大作用距离8 0 公里，采用v v 垂直线极化，8 b p s 量化。 试飞时装在丹麦皇家 空军的g u l f s t r e a m g - 3飞机上，最大高度 1 3 7 2 0米，额定飞行空速 2 4 0 米/ 秒。上述指标说明，这是一部很先进的雷达，其性能接近于美国的j - s t a r s . 初次试飞后，又致力于机上实时成像处理机和显示系统的研制，该实时处理 机具有产生测绘带全分辨力单视图像能力，原计划于 1 9 9 2 年初完成。此外， 还同时研制双极化微带天线，并正过渡到全极化系统。 6 . 美国宇航局前视合成孔径雷达 原名微波全息雷达 ( m h r ) ，由宇航局兰利研究中心负责研制。其最大特 点在于前视，其视野在飞行器正前下方，这是一般侧视合成孔径雷达所不能 达到的。 m h r 是采用合成孔径与相控阵相结合的途径实现前视成像的，切航行 角度分辨力由相控阵提供;沿航向角度分辩力则由每个天线阵元所形成的合 成孔径提供。m h r 曾用c - 1 3 1 飞机试飞， 相控阵长度3 0 米，切航向分辨力2 0 电子科技大学硕士论文 米，沿航向分辨力2 米。 m h r 前视与红外和可见光成像系统一致，从而可获自 厘米波至毫米波，甚至可见光的全谱域图像，在军事上有重要价值，即使只 利用m h r 本身前视性能，在对地强击和空战中也将发挥关键作用。 m h r 的另一 特点是采用双频工作，使系统具有测绘斜距等离线的能力，在显示画面上叠 加有间隔为 3 0米的斜距等高线。 m h r还可用于宇宙飞船和卫星，己证实选用 8 毫米，2 厘米和3 厘米波段是可行的。 7加拿大i n t e r a 研制的x - 波段合成孔径雷达 采用水平线极化，工作频率为 9 . 3 8 g h z ，多视 ( 7 )角分辨力为 6米，距 离带宽可变，分1 5 , 3 0 m h z 两档，原始数据量化比特为6 b p s . 8法国c n e s 的x - 波段合成孔径雷达 采用双极化工作，单视角分辨力可达3 米，载机选用波音公司的b - 1 7 g , 原始数据量化比 特为4 6 p s o 9 . 中国的x 一 波段机载合成孔径雷达 由中国 科学院电 子所于 1 9 8 41 9 8 7年研制成功， 适用于多种用作遥感飞 行的飞机，具有多个测绘带宽、测绘波束入射角可变，作用距离较大，填补 了我国合成孔径雷达系统的空白，该系统主要用作科学研究和民用遥感。 电子科技大学自 七十年代末，建立了国内 第一个雷达系统及微波成像研究 室，己开展用于 “ 轰七” 和歼击机的聚束式 s p o t l i g h t和侧视 s a r研究，自 1 9 8 6 年以 来， 担任 “ 8 6 3 ” 高科技计划星载s a r 的 研究任务， 进行并完成了 星 载s a r 成像处理及实时运动补偿研究，研究结果己 成功地用于s e a s a t 原始数 据成像。 可见，国内 合成孔径雷达成像与国外先进技术相比，还比 较落后，特别 是在实时信号处理方面差距更大，本论文就是在 s a r的实时处理方面作一探 讨和尝试。 1 . 4论文主要工作 本课题属于信息产业部电科院下达的九五军事研究项目 ， 论文是与信息 产业部3 8 所合作的 “ 机载远程战场侦察雷达s a r 实时信号处理机研制” 项目 的一部分。对于 s a r成像，其信号处理主要是一个二维卷积过程，在一定的 条件下， 这个二维卷积可以分解为两个一维卷积，即距离维和方位维的卷积， 一一 一 一 一里塑1 1a jz 学 硕 士 论 文 即脉冲压缩匹配滤波。整个处理机重点在于距离压缩、转置矩阵、参考函数 产生、方位压缩四部分的实现，特别是距离压缩和方位压缩占总运算量的大 部分，是实现实时处理的核心任务，为此在此系统中两块压缩板均采用了先 进的专用f f t 芯片l h 9 1 2 4 ，该芯片以4 0 m h z 最高速工作、具有 1 k 点复数f f t 在8 0 . 7 u s 内 完成的 速度，具有每秒5 7 . 6 亿次运算能力。 在整个处理机中，由于距离压缩后的数据是沿距离向存储的，而后面的 方位压缩处理要求数据沿方位向存储，故数据的转置矩阵必须实现此功能。 所以转置矩阵处理板要将一帧数据转置，进行行列转换，需要大容量动态存 储器芯片。与常用的静态存储器相比，动态存储器价格低、容量大，但工作 时 序要复 杂而且需 要定时 刷新， 所以 如何使 用大 容量 动 态 存 储器是一 个值 得 研究的问题。在转置矩阵板中采用了 e d o动态存储器，它是异步信号控制数 据读写，一般都需要用可编程逻辑器件 c p l d / f p g a设计一个控制器来控制动 态存储器，为此采用了a l t e r a公司的e p l d芯片e p f 6 0 1 6 a q c 2 0 8 作为 转置矩 阵板的控制器，控制数据的输入/ 输出和动态存储器的读写以及与单片机8 0 3 1 的接口。 方位压缩板是完成方位向的脉冲压缩处理，实现方位向的分辨力。与距 离脉压不同的是，方位压缩的参考函数是不固定的，由参考函数产生板提供。 要实时的完成脉冲压缩，高速的f f t 处理是必须的， s h a r p 公司的l h 9 1 2 4专 用f f t 芯片其快速的f f t 运算能力正符合要求。专用d s p 芯片不同于通用d s p 芯片，专用 d s p将专用硬件集成在一个芯片上，专用于某类数字 信号处理的 算法，如 f i r滤波、卷积、快速傅立叶变换、图 象处理等，它们在制造时， 其内部结构己符合这些算法的流程，只需要按要求输入数据即可，无需再编 程。实现相应算法时比通用 d s p速度快得多，又有一定的可编程性，可置不 同系数，进行结构、功能的某种组合，因而具有一定的适应性。但这一类芯 片缺少标准的开发工具。可能需花费较多的时间进行开发和调试。另外，还 采用了 双口r a m ， 乒乓式切换，它的读写控制逻辑也需特别注意。在方位压缩 板中也使用a l t e r a公司的e p l d芯片e p f 6 0 1 6 q 2 0 8 作为控制器， a l t e r a公司 的m a x p l u s i i 开发环境很便于程序的调试、时序的 控制。 可编程逻辑器件的使 用增加了 整个系统的灵活性，也便于系统的调试。 现在，整个系统己 基本调 试完毕，等待验收. 电子科技大学硕士论文 本论文主要工作包括以上几个方面以及在掌握课题相关理论基础上，验 证处理机系统方案和编制、调试相应的测试软件、系统软件。全文共七章， 第一章绪论，介绍合成孔径雷达的特点、国内外发展动态以及论文的主要工 作;第二章合成孔径雷达成像原理，简单介绍合成孔径原理及处理算法;第 三章专用f f t芯片，介绍专用f f t芯片l h 9 1 2 4 ，并对其他专用 d s p芯片作一 简单介绍;第四章信号处理机硬件结构，对整个系统及硬件组成进行阐述; 第五章转置矩阵处理，具体介绍转置矩阵的实现方法;第六章方位压缩处理， 对方位压缩的实现进行具体描述:第七章调试及测试结果，介绍了系统的调 试过程，对测试结果进行分析。最后结束语总结全文，指出不足之处，提出 可改进的方面。 一 一 一 一 * -t 塑 拉 大 学 硕 士 论 文 第二章 s a r 成像原理 合成孔径雷达 ( s a r )是一种高分辨率成像雷达，它利用同一传感器在等 间隔位置上发射和接收脉冲信号，然后将接收到的回波加以相干处理，从而 达到高分辨率的目 的。从效果上看，它等效于空间上一个长的实孔径天线， 而实际上该天线并不存在。它只是由传感器位置的顺移而形成的。这就是合 成孔径的概念。合成孔径雷达能同时实现距离向 和方位向的高分辨力， 其中 距离向的高分辨力是通过发射大的时间带宽积的线性调频脉冲信号，然后采 用脉冲压缩来获取;而方位向的分辨力由方位匹配滤波来实现，即合成孔径 的 概 念， 经过 方 位向 的 滤 波 处 理， 得 到一 个雷 达 在 方 位向 的 等 效的 很 窄 的 波 束，从而得到高的分辨力，从本质上讲仍源于脉冲压缩。本章将主要讨论与 合成孔径雷达相关的线性调频脉冲压缩、合成孔径雷达方位向和距离向的分 辨力、回波信号的频谱、回波信号的理论模型以及s a r 的信号处理. 2 . 1 线性调频脉冲压缩 合成孔径雷达能同时实现距离向和方位向的高分辨力， 此两种高分辨力的 获得都与线性调频脉冲压缩有关. 因此， 本节主要讨论线性调频脉冲压缩的 概 念及其性质。 2 . ， . 1 线性调频脉冲压缩的基本原理 扩大作用距离和提高距离分辨率是雷达系统追求的两个目 标. 从雷达距离 方程的表达式 : r二 ( 2 . 1 ) 可以看出， 增大r 可以扩大作用距离， 从距离分辨率的表达式: 电子科技大学硕士论文 s r= 2 a f ( 2 . 2 ) 可以 看出， 增大 f( 有效频谱宽度) 能提高距离分辨率. 但对普通体制 的雷达而言， a f与脉冲宽度下 的乘积接近于 1 ， 从而构成了雷达作用距离与作 用分辨率这一对矛盾. 为了解决此矛盾，研制了 脉冲压缩体制。 对脉冲压缩体制而言，它的发射信号采用载频按一定规律变化的宽脉 冲，使其脉冲宽度与有效频谱宽度的乘积 f 下 a， 这两个信号 基本上是独立 的 。 在发 射 机峰 值功 率 受限 的 条 件下， 它提高了 发 射 机的 平 均功率p , , ( 发 射 机峰 值功率p : 与t 的 乘积反映了 发 射机乎均功率 p , ， 的 大小) ; 增强了 发射信 号的能量，因此扩大了探测距离;在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹 配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号变成窄脉冲。因此保持了良 好的距离分 辨率，这一处理过程称之为 “ 脉冲压缩” 。同时，这种体制还有利于提高系统 抗干扰能力。 为获得4 f ; 1 的发射信号， 必须对发射脉冲载频进行调频和调相。由 上面分析可见，实现脉冲压缩的条件为: 1 . 发射脉冲，即 接收机输入端的回波脉冲必须具有非线性的相位谱，或 者必须使其脉冲宽度与有效频谱宽度的乘积远远大于1 2 . 必须使接收机中 具有一个压缩网 络， 其相频特性应该与发射信号实现 “ 相位共垅匹配” ，即相位色散绝对值相同而符号相反，以消除输入回波信号 的相位色散。 电子科技大学硕士论文 其基本原理可以由下图说明: p仁 犷 .一 -一- 一 一 与灿场 图2 - 1线性调频脉冲压缩的基本原理 图 ( a ) 图( b ) 表示接收机输入信号，脉冲宽度为t 线 性增长 变 化， 信号 频 偏鱿二 几一 .f 调频 斜率p = 2 1ra f / t , 载频由 f l到 f 2 图( c ) 为压缩网络 的频率一 时延特性，其频率一 时延按线性变化，且为负斜率，与线性调频斜率 相反，相对高频分量延时短，低频分量延时长。因此，线性调频信号低频分 量( f , ) 最先进入网 络，也是延时最长为 t , ， 对相隔脉冲宽度r 时间的高 端频率 分 量( f , ) , 最后 进入网 络， 延时 最短 t ,2 ， 这 样， 线性 调频 信号 的 不同 频率分 量几乎对 应中心频率分量 f 。 的延时同 时从网 络输出， 压缩成单一 载频的 窄脉 冲乍 。 脉冲压缩的程度用压缩倍数d( 压缩比，或时间宽度与频率宽度的乘积) 来 表 征 d = 二 ， . t o 一 典.,. d 二 哪， 其 中 孽 为 线 性 调 频 信 号 的 调 频 频 偏 或 者 t .q 产 电子 科技大学硕士 论文 有效频谱宽度。如果压缩网络是无源的，它本身不消耗能量也不加入能量， 则 根据能量守恒原理， 可求得输出脉冲的峰值功率增加了d倍，输出 脉冲的幅 度 增 大扳 倍。 由于无源压缩网络本身不会产生噪声，而噪声具有随机特性，故经压缩网 络后噪声并不会被压缩， 仍然保持在接收机原有噪声电平上。所以输出脉冲信 号的信噪比比输入的信噪比提高了d倍 二d( 2 . 3 ) 从而使脉冲压缩雷达的 探测距离比同 等条件下的 普通脉冲制雷达的探测距 离 增加了; 历倍。 实 现了 接 收 机 输出 的目 标回 波信 号 具 有窄的 脉 冲宽 度和高 的峰值功率。 2 . 1 . 2线性调频信号的频谱特性 线性调频脉冲压缩体制的发射信号表达式为 ， ( t ) 二! a co s(w ot + ,ut z /2 ) 0 z / 2 z / 2 ( 2 . 4 ) 为分析和计算简 便，u , ( t ) 用复 数形式表示 u , (t ) = a r e c t (二 ) e j(w,t. v th ) ( 2 . 5 ) 式中r e c t ( t / z ) 为 矩形函 数 1 r e e f 一 丁二 犯 iii 5 z/2u i t v z 1 w为 载波中 心角 频率 w o = 2 叽( 2 . 6 ) i (2 。) 式中 ( 2 . 9 ) 为菲涅尔积分 由式 ( 2 . 9 ) ( ， = r 。 5 irj v c o s(- 2 x 2 ) (x , r ) 也 为 线 性 调 频 函 数 ， 只 是 斜 率 相 反 ， 所 以 气 ( x , r ) 瓦 一 ， ( x , r ) 的 响 应 等 效 成 一 线 性 调 频 函 数 通 过 另一斜率相反的线性调频系统而得的输出，其包络在方位向和距离向均为 s in c 函 数( 如图2 - 6 ) 。 而 不 是单 位冲 激函 数8 ( x , r ) 。 由 于 函 数 旁瓣的 存 在， 要 影响成像质量。不过通常情况下， 通过加权处理后，可将旁瓣压得很小，从 而 可 认 为 从( 2 . 5 8 ) 能 获 得 地 表 的良 好 成 像。 ( x , r ) e 电 子科技大学 硕士论文 mm - 图2 - 6冲激响 应包络函数 互 2 . 5 s a r 成像处理 s a r 信 号 的 回 波 模 型 ， 它 相 当 于目 标 的 后 向 散 射 系 数 函 数 。 (x， r 通 过 一 个 二维线性系统，而 s a r成像处理的过 程则是让回 波通过另一个二维线性系统 h , (x , r ) ， 从 而 从 回 波 中 提 取 6 (x , r ) o 二 维 线 性 系 统h , ( x , r ) 的 构 造 可 根 据s a r 的 系 统 参 数 来 决 定， 这 种 联 合 的 二维解卷积过程即所谓的不可分离的二维处理，由于 s a r成像处理针对的是 一 平 面 块 状 的 大 型 数 据 场 ， 假 设 回 波 s ( x , r ) 的 数 据 场 为 从x n ,从 ，凡分 别 为 距 离向 和 方 位向 的 数 据量。 同 样h , ( x , r ) 亦为 一n , x n 。 点 数 据 场， 通 常n , 和n 。 都 很 大， 因 此二维 处 理 相当 复 杂， 即 使 按频 域 处 理也 相当困 难， 很 难用 数字方法作到实时处理。 由 前 述 可 知h , ( x , r ) = h o (x , r ) * h r ( x , r ) ， 即 可 将h , ( x , r ) 分 解 成 两 个 一 维 的 电子 科技大学硕士论文 系 统h a ( x , r ) 和h l- ( x , r ) ， 然 后 将 回 波 信 号s ( x , r ) 进 行 分 步 处 理 ， 这 种 处 理 方 法为可分离的二维处理 ( 相当于两个一维处理) 。 这样便简化了 运算量，使实 时并行处理成为可能，其前提是距离维信号是时间的快变化函数，而方位维 信号是时间的慢变化;在考虑信号快变化时， 慢变化为零， 两者可以 分开。 但在星载情况下，雷达与目 标之间的斜距变化可能超过一个距离分辨单元， 使得来自同一目 标的回波信号在距离向分布于不同的距离单元产生距离迁移 效 应( r a n g e i m m i g r a t i o n ) 。 所以h , ( x , r ) 不再是一维的，而是二维函 数， 所 以，在进行方位压缩之前，应先进行距离迁移校正，以使其满足一维处理的 条件。 由此可得到 s a r 信号处理的模型如下: 方位 压缩 图2 - 7 s a r 信号处理的模型 由上图可见，s a r 发射线性调频脉冲串，其回波信号可以认为是在方位维 和距离维均是线性调频信号， 在距离维靠线性调频脉冲压缩技术得到高的分 辨力，得到方位回波信号的两个多普勒参数后，构造成方位匹配滤波器，用 以方位压缩。在方位压缩之前，还必须先提取参考函 数，再完成方位压缩。 ? . 5 . 1 s a r 信号的可分离 处理 由前论述可知s a r 处理的系统响应为: h . ( )c , r ) = h - ( x , r ) = h .- ( x , r ) - h r ( x , r ) 则 。 (x , r ) = a (x , r ) 0 h . (x , r ) * h - (x , r 加h r (x , r ) * h ; (x , r ) ( 2 . 6 2 ) ( 2 . 6 3 ) 式 中 h r (x , r ) 称 为 方 位 向 参 考 函 数 ， 它 只 与x 有 关 考 函 数 ， 它 只 与r 有 关 。 h r ( x , r ) * h ; ( x , r ) 为 距 离 压 缩 位压缩。 h , (x , r ) 称 为 距 离 向 参 h . ( x 小 h - ( x , r ) 为 方 电子 科技大学硕士论文 山前而讨论 可知， 若雷达发射信号为 一线性调频脉冲信号 ， 则其回波信号 可表示为: s (x , r ) = 几 q (x , r )w (，一 ， 如 。 (x 一 二 )re s t 2 (r - x (x ) ，4 ; r , ，韶 、 、 u n p t ./ 了k r 一 八 “ ) 十 j4trac 1 (r - r (- ) ,id , .d , ( 2 . 6 4 ) 其中“ 。 ” 表示波束所照射的区域，* 。 ()为方位向的天线增益函数， 、()为距离向的天线增益函数，r ( x ) 表示平台离目 标的距离。由 ( 2 . 6 3 ) , ( 2 . 6 4 )式可得: (一 ，一 x)expj 誓 r (x ) 5(r 一 r (x) ( 2 . 6 5 ) h r (t, r ) 一 。 ee l 2 r iivr(r )ex p b 粤r ,+ ) ll c 1 ( 2 . 6 6 ) 根据前述匹配滤波器的性质，忽略距离向和方位向的窗函数可得 hr (x, r) = exp 其时域表达式为:h i- 一 2 ;t f ，1 2 飞 ) j 一 】 hr 一 - u r i ? lz c j ( 2 . 6 7 ) (t)= exp j2trcfot- i at211 (0tr;) (2.68) 其中 为发射线性调频脉冲的多 普勒斜率，,f a 为 发射脉冲的 频率中 心，是时间 的快变化函数，经距离压缩后的信号为: 6 9 ) 7 0 ) (2.忆 s r ( x , r ) = v ( x , r ) . h . ( x , r ) 0 . i b rr ，2 1, l1 1 l“又 丁 声 ) b r 二 同样，方位向的参考函数为: h p (x , r ) = e x p f j 4 r r (一 : 介 l凡1 电子科技大学硕士论文 对 应 的 时 域 表 达 式 为 : h .-(t) = ex p . j . 杯 、 一 粤 j dr t z 沐(0 t t ) (2 . 7 1) t又/ h .- (1 ) 是 时 间 的 慢 变 化。 经方位压缩后的输出信为: ci ( x , r ) = s q ( x , r ) 二 。 ( x , r ) . s in n b- , x 超o x ( 2 . 7 2 ) 其中b r 为发射信号带宽，b a 为方位向频谱宽度。 以上的分析都是基于时域，它可以通过储存器的移位相乘，相加来完成卷 积运算， 对距离压缩， 如果距离向 采样点 数为n r ， 方 位向 数据为n a = p r f x t s , 回波均为复数，则在时域完成距离压缩所需的运算量为: 复乘数 复加数: n o n , ( n 二 一 ) . n o - n , 完成方位压缩所需的运算量为: 复 乘 数:n j n , 复 加 数 : ( n 。 一 1 ) . n o - n 随着数字信号处理技术的发展，利用f f t 技术在频域实现s a r 成像处理， 无论在运算速度，运算量，以及对距离迁移校正方面都较时域处理有更大的 优越性。其处理过程可表示为: 一习 f f t s ( x , r )一 l一 一 止 转 置 卜 州 f f t , h 一 ,( x , r ) fft 月 一 、一 f f t 一h 一 ( x , r )一输出 图2 一 8二维可分离处理在频域上的流程图 电 子科技大学硕士论文 它所需的运算量为: 距离向: 复 乘 数;n p - n , - lo g , n , 复 加数:n o .n , l o g , n , 方位向: 复 乘数:n , n , l o g , n q 复 加数:n q n ; lo g , n , 与时域实现法相比，频域实现法的计算量大为减少，并且它易于进行距离 迁移校正， 在距离压缩后进行距离走动的校正， 在f f t 后， 进行弯曲 校正。 一 一 一 一- 曳 子 科 h 大 学 硕 士 论 文 2 . 5 . 2 s a r 成像处理的总框图 总结以上各章节，s a r 成像处理的流程如图2 - 9 所示。 读入原 始数据 距离维信号 作f f t 又 距离参考函 数的产生 距离参考函 数作f f f 由星历表或 i n s参数预置 多普勒参数 作i f f t 转置矩阵 多普勒参数的估计 方位维信号 作f f t 方位参考函数的产生 距离弯曲 校正 方位参考函 数作f f t 方位向作f f t 幅度检测 成像显示 图2 - 9 s a r 成像处理的流程图 电子科 技大学硕士论文 第三章 专用d s p 芯片 ; 3 . 1 专用d s p 芯片概述 d s p是伴随着微电 子学、 数字信号处理技术、计算技术等学科的发展而 产生的体现这三个学科综合科研成果的高 速、高运算密集形、 可编程集成电 路。 d s p可分为两大类， 一类为通用d s p ，由 运算器、 程序存储器、 数据存 储器、 u o接口 、程序计算器、 程序状态寄存器、 条件分支逻辑、中断逻辑和 定时器/ 计数器以及时钟产生器等部件组成， 其主要特点有:改进的哈佛结构; 扩大的流水线;硬件运算功能单元;快速的指令周期;特殊的数字信号处理 专用指令等。 典型的产品 有t e x a s 仪器公司的定点d s p 系列: t m s 3 2 0 c 2 4 x , t ms 3 2 0 c 5 4 x, t ms 3 2 0 c 6 2 x 等，以及浮点 d s p系列:t ms 3 2 0 c 3 x, t ms 3 2 0 c 4 x , t ms 3 2 0 c 6 7 x等。 另一类专用 d s p 将专用硬件集成在一个芯片上，专用于某类数字信号处 理的算法，如 f i r滤波、卷积、快速傅立叶变换、图 象处理等，它们在制造 时，其内部结构己符合这些算法的流程，只需要按要求输入数据即可，无需 再编程。实现相应算法时比通用 d s p速度快的多，又有一定的可编程性， 可 置不同系数，进行结构、功能的某种组合，因而具有一定的适应性。但这一 类芯片缺少标准的开发工具。可能会使使用者花费较多的时间进行开发和调 试。 专用d s p 领域繁多，如适合f i r滤波的a 1 0 0 , a 1 1 0 芯片， 适用于阵列 处理的p s c , s a p 芯片，以 及图 形系统处理器的t m s 3 4 0 1 0 , t m s 3 4 0 2 0 等。 在专用f f t 方面， 目 前国内 常见得有美国t r w公司的t m c 2 3 1 0 、 美国a u s t e k 公 司的a 4 4 1 0 2 、 美国 阵 列 微 系统公司 的a 6 6 1 1 0 / a 6 6 1 1 1 ， 美国p le s s e y 半导 体 公司的p d s p 1 6 1 5 0 ，以 及日 本s h a r p 的l h 9 1 2 4 y 4 0 等。本节将对上面 提到 的专用f f t芯片做一个简单介绍，而l h 9 1 2 4 会在下一节做比较详细的说明。 电子科技大学硕士论文 3 . 1 . 1 美国t r w 公司的t m c 2 3 1 o f f t 处理器 ( 一) 一般概述 t mc 2 3 1 0 的内部框图如图3 - 1所示。 wi ndo w f i l t e r c oe f f i c i e nt p o r t ( w 1 6 - 0 ) r a m s e l a d g -0蔽 而 图3 - 1 t m c 2 3 1 0 内 部结构框图 一一一一一一一 vd -t * b 学 9 士 论 文 t mc 2 3 1 0是一个有数据或无数据加窗情况下完成直到 1 0 2 4点的正、反 复 数快速傅立叶变换 ( f f t ) 的 先进集成电 路。 该器 件支持 采用非 条 件或