（计算机系统结构专业论文）机载sar实时嵌入式成像系统设计研究.pdf

中科院计算技术研究所博士学位论文 总线桥接的方式实现集合之间的互连。它有别于传统的以控制流为中心的设 计 ， 具 有 很 高 的 可 扩 展 性 ， 并 易 于 在 各 种 复 杂 应 用 中 实 现 。 汁一一 3 )以s a r实时成像为例，从模型分析和系统结构两个方面分析了系统设 计方法在实际工程中的应用。 休文 采用r d算 法设 计 机 载s a r实 时 成像系 统， 根据 该 算 法 抽象出 系 统 中的 基本功能模块，并利用 e p g m 图分析得到系统设计中各个功能模块的设 计规范。在系统结构的设计中采用了双总线结构。这种将数据流和控制流分开 的方式有效提高了系统实时地处理高速数据流的性能。而各个单元的互连则采 用扩展共享总线，即利用桥接的方法增加专用数据总线可连接的设备数量。同 时， 结合s a r成像的特点， 将总线桥接和转置板 ( c o m e r t u rn mo d u l e , c t m ) 所需的大容量存储合并在一个模块中实现，从而简化了设计，有效提高了系统 的 可 扩 展 性 。 厂 y 4 )本文研究了t p c 6 2 0 1芯片存储结构对算法性能的影响 计时合理地组织数据存储空间可以有效地缩短算法的执行时间 ，指出在算法设 提出了改进距离多普勒 ( r a n g e - d o p p l e r , r d ) 成像算法的方法 李 以此为依据 另外，还分 析了成像系统中多个芯片并行工作的机制，研究了距离向和方位向处理的并行 策 略 。 卜 5 )本文阐述了定点计算在嵌入式环境中的重要作用，指出截尾误差是影 响 定 点 运 算 精 度 的 主 要 因 素 冬 了 提 高 机 载 s a r 实 时 嵌 入 式 成 像 系 统 的 计 算 精度， 提出了改进移位、 增大数据幅值等方法。 另外还提出 一种自 适应移位f f t 算法，它能够取得数据精度和执行性能的折衷，并根据 t p c 6 x的体系结构特 点 给 出 该 算 法 执 行 代 码 的 优 化 方 法 。卜 一 关 键 词 : 合 成 孔 径 雷 达 走 s a r 犷 卖 时 嵌 入 式 系 统 ， 距 离 多 普 勒饮 r d ) ， 算 法 ， 快 速 傅 立 叶 变 换 f f t ) - 增 强 处 理 图 模 型改 e p g m 犷 机载 s a r实时嵌入式成像系统设计研究 s t u 勿o n d e s i g n o f r e a l t i m e e m b e d d e d s a r i m a g i n g s y s t e m ab s t r a c t r a n j i - z h o n g ( c o m p u t e r a r c h i t e c t u r e ) d ire c t e d b y : h a n c h e n g - d e ( r e s e a r c h e r ) 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 ) i s a n i m p o r t a n t t o o l f o r t h e c o l l e c t i o n o f a l l - w e a t h e r i m a g e d a t a . f u rt h e r m o r e , t h e s e d a t a c a n b e m a d e a t e x t r e m e l y h i g h re s o l u t i o n b y s i g n a l p r o c e s s i n g . t h e s a r a c h i e v e s t h e h i g h r e s o l u t i o n o f r a d a r i m a g e b y t h e t e c h n o l o g y o f p u l s e - c o m p r e s s i o n i n r a n g e a n d b y t h e p r i n c i p l e o f s y n t h e t i c a p e r t u r e i n a z im u t h . i t i s w i d e l y u s e d in t h e fi e l d s o f d i s as t e r f o re c a s t i n g , m i l i t a ry i n s p e c t i n g , t e r r a i n m a p p in g a n d re s o u r c e s i n v e s t i g a t i n g , e t c . a i r c r a ft s a r i m a g i n g s y s t e m s a r e f i x e d o n t h e p l a n e , in w h i c h s a r s i g n a l s c a n b e c o l le c t e d , p r o c e s s e d , s t o r e d a n d i m a g e d i n r e a l - t i m e . t h e s e s y s t e m s a r e a l w a y s c o n s i s t e d o f m u l t i p le e m b e d d e d s i g n a l p r o c e s s o r s , a n d a r e t h e t y p i c a l e x a m p le o f e m b e d d e d s y s t e m s a p p l ie d o n h i g h - p e r f o r m a n c e r e a l - t i m e c o m p u t i n g . d i f f e r e n t fr o m m as s i v e l y p a r a l l e l p r o c e s s i n g s y s t e m s , d a t a a r e m a n a g e d a n d p r o c e s s e d a s d a t a f l o w i n e m b e d d e d s y s t e m s . t h e a r c h i t e c t u re o f t h e s e s y s t e m s i s d i s t r i b u t e d a n d h e t e r o g e n e o u s . i n o r d e r t o s t u d y t h e d e s i g n m e t h o d o f a i r c r a ft s a r r e a l - t i m e e m b e d d e d im a g i n g s y s t e m s , t h e c h a r a c t e r s o f h i g h - p e r f o r m a n c e r e a l - t i m e e m b e d d e d s y s t e m s a r e a n a l y z e d i n t h i s p a p e r . 1 . mo d e l a n a l y s i s i s i m p o r ta n t t o d e s i g n o f e m b e d d e d s y s t e m s . t h i s p a p e r p r o v i d e s t h e e n h a n c e d p g m m o d e l , w h i c h i s a d a t a fl o w g r a p h m o d e l a n d s u i t e d t o a n a l y z e d i s t r i b u t e d h e t e ro g e n e o u s r e a l - t i m e e m b e d d e d s y s t e m s . f i r s t l y , b as e d o n t h e a n a ly s i s o f q u e u e s i n t h e m o d e l , t h r e e p a t t e r n s a r e p r o v i d e d t o d e s c r i b e t h e t h r o u g h p u t c h a r a c t e r s o f e m b e d d e d s y s t e m s . t h e s e p a t t e rn s i n c l u d e s l i d i n g w i n d o w , d a t a i n c r e a s i n g m o d e , a n d d a t a d e c re a s i n g m o d e . s e c o n d ly , e m b e d d e d s y s t e m s a r e c a t e g o r i z e d i n t o t h r e e p a r t s b y t h e r e a l - t im e c h a r a c t e r s : s t a n d a r d m o d e l , h a r d t h r o u g h p u t m o d e l a n d h a r d e n d - t o - e n d l a t e n c y m o d e l . a t la s t , a n o v e l m e t h o d i s p r o p o s e d t o u s e e n h a n c e d p g m t o c o m p u t e t h r o u g h p u t a n d e n d - t o - 中科院计算技术研究所博士学位论文 e n d l a t e n c y o f e m b e d d e d s y s t e m s 2 . i n t h i s p a p e r , t h e a r c h i t e c t u r e o f e m b e d d e d s y s t e m s f o r h i 沙- p e r f o r m a n c e r e a l - t i m e c o m p u t i n g i s d is c u s s e d . m o r e o v e r a n o v e l d e s i g n m e t h o d t h a t o r g a n i z e s c o m p o n e n t s o n t h e b a s is o f t h e d a t a - fl o w c h a r a c t e r s i n t h e s y s t e m s is p r o p o s e d . s e v e r a l n o d e s a r e u s e d t o b u i l d a c l u s t e r , w h i c h c a n r e a l i z e s p e c i f i c f u n c t i o n s , s u c h a s c o m p u t i n g , c o m m u n i c a t i o n a n d s t o r a g e . mo r e o v e r , s p e c ia l b u s e s a n d b r i d g e s a r e u s e d t o c o n n e c t t h e s e c l u s t e r s . d i ff e r e n t f ro m t h e t r a d i t i o n a l a r c h i t e c t u r e s , t h e n o v e l o n e h a s b e tt e r p e r f o r m a n c e s o n s c a la b i li ty a n d c a n b e i m p l e m e n t e d e a s i e r i n c o m p l e x a p p l i c a t io n s 3 . t h e m o d e l a n a l y s i s a n d a r c h i t e c t u r e d e s i g n m e t h o d s a r e a p p li e d t o i m p l e m e n t t h e a i r c r a ft r e a l - t i m e e m b e d d e d s a r i m a g i n g s y s t e m f i r s t l y , b a s i c f u n c t i o n m o d e l s a r e a b s t r a c t e d o n t h e b a s i s o f r d a l g o r it h m. i t i s p o i n t e d o u t t h a t s a r i m a g i n g s y s t e m c a n b e d e s c r i b e d b y d e te r m i n i s t i c t h r o u g h p u t m o d e l . t h e n , e n h a n c e d p g m m o d e l i s s u c c e s s f u l l y u s e d t o c o m p u t e t h e d e s i g n p a r a m e t e r s o f e a c h f u n c t i o n m o d e l . s e c o n d l y , t w o b u s e s a re a d o p t e d in t h e a r c h i t e c t u r e o f s a r i m a g i n g s y s t e m . b e c a u s e d a t a fl o w a n d c o n t r o l s i g n a l s a r e s e p a r a t e d , t h e p e r f o r m a n c e o f s y s t e m s i s u p g r a d e d d r a m a t i c a l l y . s p e c ia l b u s b r i d g e s m a k e t h e n u m b e r s o f c o n n e c t e d d e v i c e s o n t h e b u s e x p a n d e d e a s i l y . e s p e c i a l ly , t h e c t m m o d u l e a n d b u s b r i d g e a r e c o m b i n e d t o i n c r e a s e t h e s c a l a b i l i t y o f s y s t e m . 4 . t h e i n fl u e n c e s o f s t o r a g e a r c h i t e c t u r e o f t f c 6 2 0 1 o n r u n - t i m e p e r f o r m a n c e o f a l g o r i t h m s a r e d i s c u s s e d in t h i s p a p e r . i n o r d e r t o d e c r e a s e t h e l a t e n c y o f c o m p u t i n g n o d e s , m e m o ry h ie r a r c h y o f c h i p s m u s t b e c o n s id e r e d c a r e f u l l y . mo r e o v e r , s e v e r a l m e t h o d s o f i m p r o v in g p e r f o r m a n c e o f r d a lg o r it h m a r e p r o p o s e d . f u r t h e r m o r e , t h e p a r al l e l a l g o r i t h m s o n r a n g e c o m p r e s s i o n a n d a z i m u t h c o m p r e s s i o n a re a n al y z e d . 5 . i n t h e e n d , t h e r o u n d - o ff e r r o r s o f fi x e d - p o i n t e d c o m p u t i n g a r e d i s c u s s e d in h i s p a p e r . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e p r e c i s i o n o f t h e s a r im a g i n g s y s t e m , a f e w m e t h o d s a n d a n o v e l a d a p t i v e s h i ft f f t a l g o r i th m a r e p r o v i d e d . a c c o r d i n g t o t h e a r c h i t e c t u r e o f t p c 6 2 0 1 , a n e w m e t h o d i s p r o p o s e d t o o p t i m i z e t h e c o d e o f t h e n o v e l f f t a l g o r i t h m . k e y wo r d s : s y n t h e t i c a p e rt u r e r a d a r ( s a r ) ， r e al - t i m e e m b e d d e d s y s t e m s , e n h a n c e d p ro c e s s i n g g r a p h m o d e ls ( e p g m ) , r a n g e d o p p l e r ( r d ) a l g o r i t h m , f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ( f f t ) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意口 签 名 : 朴冀 中 日 期 : 2 0 0 /. 、 。 关于论文使用授权的说明 中国科学院计算技术研究所有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅;并可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存该论文。 签 名 : 牟冀 十导 师 签 名 日期 : -2 0 叮 . 6 . 1 0 致谢 本文的完成得益于我的导师韩承德研究员的悉心指导，是导师多年来对我 的谆谆教诲，引导我一步步走进学术的殿堂。导师严谨的治学态度，渊博的专 业知识，一丝不苟的工作作风，兢兢业业的敬业精神都深深地影响着我，使我 受益非浅。在三年的求学生活中，无论是学习、科研还是日 常生活上，导师都 给予了无私的教导和关怀，特别在本论文的撰写过程中，导师倾注了大量的时 间和精力， 提出了许多宝贵的意见，在本论文完成之际， 特向导师致以 最诚挚 的敬意和最衷心的感谢。 在这里，我要向王贞松研究员、侯紫峰研究员、唐志敏研究员、冯昭华研 究员表示衷心的感谢，感谢他们的关心和帮助。王老师多次给予我细心而热情 的指导，使我能够顺利克服在工作和学习中所遇到的困难。侯老师和唐老师在 科研上的启发和指导也使我获益良多。冯老师在生活上无微不至的关怀是我得 以顺利完成学业的基础。 我非常庆幸能够在一个充满民主和学术氛围的环境中从事科研工作，在我 的课题研究和论文准备过程中，得到了师兄弟们大力的支持和合作。特别要感 谢章立生副研究员和谢应科博士对我的帮助， 他们坚实的理论基础、丰富的实 践经验和热诚的待人方式使我受益良多。 还要感谢章军、 李舒、 史云涛、 任刚、 宋建平、冯秀山、史岗、徐永健、陈冰冰、丁丁、姚萍，在生活和学习中，他 们也给予我许多帮助，在此向他们表示谢意。 感谢计算所教育处各位老师的辛勤工作。 最后还要感谢辛勤养育我的父母，他们一直是我求学的坚强后盾。 机载s a r实时嵌入式成像系统设计研究 食 宣 堪 纷 己i 侣 j 月了.井f.j . j 1 . 1 合成孔径雷达发展概况 合成孔径雷达 ( s y n t h e t i c a p e rt u r e r a d a r , s a r ) 是一 种高 分辨率的 微波成 像雷达【 1 5 , 9 0 , 1 0 1 , 1 0 2 ， 它突 破了 雷达物理实现上的限 制， 通过信号处理的方 法合成出一个等效的大尺寸天线阵列，使得获取测绘地域的高分辨率图象成为 可能。因为它具有全天候、远距离、不受大气传播和气候影响、穿透力强等优 点，在国防、地质、自 然资源勘探与监测、地形测绘、制图学、海洋研究、农 林生态监控、污染和灾害估计等领域都有重要应用。合成孔径雷达的思想最早 在本世纪五十年代被提出。近年来，随着大规模和超大规模集成电路技术以及 计算机技术的飞速发展，使得获取和实时记录高分辨率合成孔径雷达图象成为 可能，并成为衡量 s a r技术发展的一种重要标志。 合成孔径雷达被安装在飞机或者卫星上，雷达将微波脉冲发射向地球表 面，地面目 标将部分散射回波反射回雷达天线。将这些回波能量记 录下来，经 过处理，就能够产生清晰的表达地表特征的雷达图象。合成孔径雷达形成的是 二维图象，沿雷达运动的方向被称为方位向 ( a z i m u t h ) ，在这个方向上的高分 辨率通过提高雷达的角分辨率即利用合成孔径原理来获得:与方位向垂直的方 向 称为距离向( r a n g e ) ， 在此方向 上的高分辨率依靠提高 雷达的斜距向 分辨 率来获得。 最早的聚焦式光学处理机载合成孔径雷达系统在 1 9 5 7年被研制成功。以 后，随着电子技术，特别是v l s i 技术的飞速发展，到七十年代初期，已经开 始采用数字信号处理器实现实时成像处理。进入八十年代，美国成功研制了一 系列多频、多级化、 多入射角机载s a r ， 其他一些国家也先后开展了机载s a r 技术的研究，国外主要的机载s a r系统有美国的a n / a p d - 1 0 , e r i m x i s i r , e r i m i c c r s ,德国的e - s a r ，丹麦s a r系统等。 因为合成孔径雷达在国防军事上的重要意义，国外的先进技术很难引进， 中科院计算技术研究所博士学位论文 因此研究我国独立自 主的 s a r高分辨率成像系统具有非常重要的现实意义。 我国于七十年代后期开始进行机载合成孔径雷达应用技术的研究工作，并取得 了 一系列重要的 技术进步 9 7 ,9 8 . 1 9 7 9年中国 科学院电 子学研究所成功地研 制出 s a r样机，并获得我国第一幅合成孔径雷达图象。此后先后经历了单通 道、单极化、单侧视机载 s a r系统，机载 s a r回波信号的非实时数字成像处 理，多条带、多极化、双侧视机载s a r系统，机载s a r实时数据传输系统， x波段、多级化、多通道、1 0米分辨率机载 s a r及其实时数字成像处理器系 统， 2 . 5米分辨率机载 s a r及其实时数字成像处理器系统等阶段。到目 前为 止，国内机载s a r应用技术研究已经达到了9 0 年代初期国际同类产品的先进 水平。但是，与国外先进系统相比，依然存在很大的差距。 为了提高我国机载 s a r实时成像系统的分辨率，在国家自 然科学基金的 支持下，由中科院计算所、电子所、软件所、地理所联合研制分辨率为1 米面 向地学处理的高分辨率机载 s a r实时成像系统。本文将主要针对系统的设计 方法展开研究。 1 .2系统设计面临的挑战 在 s a r成像系统中，随着分辨率的提高，所要处理的数据量和计算量将 成倍增长。如果要实时地完成高分辨率的 s a r成像工作，就需要将多个专用 的信号处理芯片组织起来，使之协同工作以获得高性能的计算能力，同时还需 解决芯片间大量数据的传输和存储问题。这种采用分布异构式结构来完成高性 能实时计算的嵌入式系统在设计过程中面临着许多挑战。 首先，系统由多个完成不同功能的处理单元组成，在设计过程中通常根据 设计规范同步实现各个处理单元并不断合成与验证，当它们各自 满足规范所要 求的实时特征时，整个系统也能够满足应用的需求。如何在设计最初阶段确定 各个处理单元的设计规范，即将整个系统的端到端延迟和吞吐量延迟进行合理 划分是系统设计的一个难题。 另外，分布和异构特征也使得传统的系统结构不能适应设计的要求。传统 通用并行计算机大多采用同构计算单元，通信与 1 1 0机制具有单一性和规范 性，而利用异构节点的多计算机系统大多采用松散祸合的结构，不适用于嵌入 机载s a r实时嵌入式成像系统设计研究 式系统的应用环境。同时，以前的嵌入式系统的结构设计也很难满足高性能实 时计算在高吞吐量、海量数据存储以及宽带 u o方面的要求。因此，要适应高 性能实时计算的应用环境，就需要采用一种新的系统结构设计方案。 最后，实时高分辨率 s a r成像系统的设计需要综合考虑性能和精度的关 系，通过软件优化等方法使得在保证系统实时性的前提下， 最大程度地减少结 果数据的误差。在不影响应用性能的条件下，有时可以采用牺牲精度的方法， 提高系统的实时性，以 达到降低价格和功耗的目 的。因此，在 s a r成像系统 的软件设计中需要采取相应的策略来取得系统实时性和精度的折衷。 1 . 3 研究的主要内容与意义 本文致力于研究用分布异构的嵌入式系统实现高分辨率机载 s a r实时成 像系统的设计方法，从模型分析、系统结构、软件实现以及精度与性能等方面 探讨并解决系统设计中存在的问题。因为 s a r成像系统是嵌入式系统在高性 能实时计算中的一个典型应用， 所以本文的分析围 绕着嵌入式系统与高性能实 时计算的特征展开，研究所得到的结论和方法同样适用于设计大多数高性能实 时嵌入式系统，具有一定普遍性。 本论文的主要贡献是: i ) 提出一种嵌入式系统设计的分析模型e p g m 图，并研究使用该模 型确定系统设计规范的方法; 模型分析是嵌入式系统设计的重要方法，高性能实时计算应用的复杂性使 得设计者需要在设计的最初阶段建立模型以制订系统的规范，并以此为依据进 行系统的合成及验证。p g m 图是一种分析嵌入式系统的常用模型，但是传统 的 p g m 图不能有效地描述分布异构的嵌入式系统在高性能实时计算中的特 点。因此，本文提出一种e p g m图，并以此为模型对系统规范设计进行分析。 2 ) 提出一种以数据流为中心的分布式系统结构 传统的实现技术缺乏可扩展性， 不能适应高性能实时嵌入式计算中高速u o 与大量数据存储的特性，因此， 本文通过分析i i o和存储在系统结构中的作用， 提出了一种以数据流为中心的系统结构设计，它具有很高的可扩展性，能很好 中科院计算技术研究所博士学位论文 地解决数据存储的问题，并易于在各种复杂应用中实现。 3 )以上述理论为基础，提出合成孔径雷达 ( s a r )高分辨率实时成像系 统的设计方法 本文在理论分析的基础上，研究了 s a r实时成像的设计方法。首先，指 出 s a r成像应用是一种典型的吞吐量固定实时模型，并计算得到各个子系统 的设计规范。其次，应用以数据流为中心的系统结构设计思想，按照扩展共享 总线的互连方式连接各个单元，并使用总线桥接的方法提高系统的可扩展性。 4 )分析了嵌入式软件设计中算法精度与执行性能的关系，结合应用提出 一种自适应移位f f t算法，并探讨了算法实现的优化方法。 定点和浮点计算在高性能实时计算应用中各有其优缺点.而采用定点计算 的嵌入式系统在计算精度和执行性能上存在权衡，本文以具体应用为例，分析 在 s a r实时成像系统中如何解决精度对算法执行性能的影响，并提出了一种 自适应移位 f f t算法，能够在保证精度的前提下，尽可能地提高算法的运算 性能。同时还根据嵌入式芯片体系结构的特点提出了提高该算法执行性能的方 法。 1 .4 论文的组织 本文系统地从以下几个方面研究了机载高分辨率 s a r实时成像系统的设 计，第二章介绍了 s a r成像的基本原理，阐述并分析了嵌入式系统的概念和 特征;第三章讨论了利用模型设计成像系统的方法;第四章提出了一种以数据 流为中心的系统结构;并以此为基础在第五章完成了 s a r成像系统的结构设 计;第六章具体讨论了r d成像算法在系统中的实现;第七章分析嵌入式环境 中算法的执行性能与精度的关系，并研究算法设计中的相关问题;最后进行总 结。 一杯. 一 - - - - - 一 ， n . 而 而 ， - - ， -一 一- 一-一 为.，尸 机载 s a r实时嵌入式成像系统设计研究 第二章s a r实时成像与嵌入式系统 2 . 1 s a r的工作原理 合成孔径雷达 ( s a r )是一种工作在微波波段的能够以图像形式显示目 标 特征的成像雷达系统。把 s a r装载在卫星、航天飞机、航空飞机等航天、航 空飞行器上，s a r将微波脉冲发射向地球表面，地面目 标将部分散射回波反 射回雷达天线。将这些回波能量记录下来，经过处理， 就能产生清晰的表达地 表特征的雷达图像。这种成像方式具有全天候全天时数据获取能力， 对一些地 物具有穿透性，对多云、多雾、多阴雨以及多植被覆盖等困难地区的测图，具 有光学摄影和光电传感器无法比 拟的优越性 1 5 ,9 0 , 1 0 1 , 1 0 2 . s a r一般发射一个一定脉宽的线性调频信号，信号可使用任何一个频率的 无线电波，载频的频率会影响到成像算法和计算量的大小。众所周知，当雷达 与目 标的相对运动是线性等速运动时，雷达的多普勒频移也是一个线性调频信 号。s a r信号的成像处理实际上是处理一个带有二种不同速度变化的线性调 频信号。( 有些人将这种信号称为二维的线性调频信号，这就s a r的信号讲是 可以的，但不是一般都通用的) 。在这里特别要说明的是，在快时间尺度上的 线性调频信号是由雷达发射的线性调频斜率的线性调频信号，在慢时间尺度上 的线性调频信号则与运动着的雷达的波束指向，速度、高度、波长都有关。 其成像过程可归结为解式 ( 2 . 1 )的二维卷积的过 程1 8 8 f (x ， ra . ) 二 。 ( x , r ) . h ( x , r ) = v ( . , r ) o a ( . , r ) . h 2 ( x , r ) ( 2 . 1 ) 其 中 、 (一 ，一 、 (x )ex p- j 4 nri (./ ,v ,5, 一 。 (x 11 h 2 (x ,r ) 一 、 (x (r e x p j (d (2 r )1 中科院计算技术研究所博士学位论文 其中f ( x , r ) 是 s a r的回波信号，a ( x , r ) 是目 标散射系数。h ( x , r ) 是点目 标的 响 应，h , ( x , r ) 是 距离向 响 应，h z ( x , r ) 是方 位向 响 应。 简而言之，合成孔径雷达回波信号通过匹配滤波处理以获取最大的信号噪 声比，实现距离向的脉冲压缩来获取对回波时间上的高分辨率，即距离方向一 一测距的分辨率或称作图像距离向分辨率。而方位向则通过多普勒锐化即合成 孔径来获取方位方向即角度方向分辨率。显然合成孔径雷达的回波信号经处理 可产生一个二维的高分辨率图像。当然这是最最基本的，它所包含的信息远不 止于此。 s a r实时成像处理具有数据量大、计算量大、时间要求严的特点。数据率 的范围在数十兆比特每秒到数百兆比特每秒之间，当分辨率提高时。数据量和 计算量呈几何级数增长。在早期计算机速度不够快时，合成孔径雷达采用声表 面波器件完成距离向的脉冲压缩， 然后采用阴极射线管一光学胶片的办法纪录 下回波信号。再经过光学处理器来完成方位向的匹配滤波处理获取二维图像。 随着计算技术的进步，开始有用高密度磁带机，记录下 s a r回波信号，再使 用计算机进行成像处理获取s a r图像。到了八十年代，随着数字技术的发展， 存储器容量、处理器速度等都有了很大的提高，使得 s a r数字实时成像成为 现实。由于数字技术所具有的灵活性和精确性，并能有效地实现成像过程中的 各种补偿和校正操作，使它几乎代表了s a r成像处理技术的发展方向 1 5 0 下面，我们从几个方面来阐述使用计算机实现 s a r数字实时成像的几个 主要特征: ( 1 )预滤波:在机载环境中，为了减少 s a r数据的冗余，常常采用预滤 波的办法以减少数据率，预滤波中常被采用的滤波器有f i r ; ( 2 )对雷达回波信号常采用二次一维的处理来完成二维处理的要求，即将 距离向和方位向分开处理; ( 3 )快速傅里叶变换 一逆变换，由 于它的计算上的快速和他本身原理上 继 承傅里叶变换完美和谐，自 然成为s a r成像处理中的核心算法; ( 4 )雷达信号中有各种畸变引 起图 像的畸变，因此成像处理器中可有各种 相应的校正算法和校正器。 机载 s a r实时嵌入式成像系统设计研究 ( 5 ) s a r成像处理器还带有图像显示器和图 像数据的记录器。 2 .2成像算法的选择 s a r 原始数据s a r 原始数据 距离向f f t方位向f f t 距离向参考函数c h i r p s c a l i n g 因子 距离向i f f t距离向f f t 距离补偿冈子 距离向i f f t 方位向参考函数 1久、 方 位 补 偿 因 子 lx 片卜 - 方位向工 f f t s a r 图象数据s a r 图象数据 ( a ) r d 算法 ( h ) c s 算法 图2 . 1 s a r成像过程 如图2 . 1 所示， r d ( r a n g e d o p p l e r ) 算法和c s ( c h i r p s c a l i n g ) 算法是 常 见的两种s a r成像算法 8 8 1 . c s 算法是先在方位向 进行f f t变化， 把原始数 据变换到距离多普勒域 ( r d域) ， 通过与 c h i r p s c a l in g因了 相乘，把所有距 离门的距离位移曲 线校正到某个预选的参考曲线上，从而使所有距离门的距离 位移曲线相同。然后，进行距离向f f t ，把数据变换到二维频域，通过与距离 补偿因子相乘，完成距离位移校正， 距离压缩;再由距离向 工 f f t ，变回距离 中科院计算技术研究所博士学位论文 多 普勒域。又与方位补偿因子相乘， 经方位i f f t 得到s a r图 像。 而 r d算法则将距离向和方位向分开处理，先进行距离向f f t ，把数据在 频域与距离向参考函数相乘，再经过距离向 i f f t转换成时域信号，然后，通 过方位向f f t在频域完成距离迁移矫正和相乘，再经方位i f f t得到s a r图 象数据。 在成像算法中，直接进行二维的卷积运算，其结果最精确，但需要很大的 存储容量来保存中间结果。通常 s a r信号在沿距离向和方位向的变化程度不 同，沿距离向变化快，沿方位向变化慢，因此 s a r信号在距离向和方位向是 可分离的，所以可以利用r d算法将二维计算问题转换为两个一维计算，从而 大大减少了计算量和存储空间。r d 算法被大多数机载 s a r成像系统采用， 因此，本文将以该算法为基础讨论机载s a r实时成像系统设计。 2 . 3 嵌入式系统概述 如今，嵌入式系统的应用己经深入到工业制造、商务办公、军事科技以及 日常生活中的方方面面。 在嵌入式技术的推动下， 计算机逐步向其他行业渗透， 并促使人们采用以应用为中心的计算机分类方法。传统的计算机分类方法按照 系统结构、处理性能、适用领域的不同将计算机分为大型机、中型机、小型机 和微机，并以此来组织学科和产业分工。 而以应用为中心的分类方法根据嵌入 式应用和非嵌入式应用的不同将计算机分为嵌入式计算机和通用计算机 9 4 , 9 5 , 9 6 0 嵌入式系统，顾名思义，是作为一个更大系统的组成部分存在，完成特定 的功能并且不为用户所知。我们称这个外在系统为 “ 外部环境” ，其中嵌入式 系统所处理的对象通过输入/ 输出节点以信息流的形式与系统进行交互，主控 模块则负责管理和协调嵌入式系统内部各个处理单元的工作，其基本结构如图 2 .2 所示 2 3 1 . 一 . 一 一 一 一 一 - - 一 一 一 ， 帅 ， 种 . . . . ， 种一 机载s a r实时嵌入式成像系统设计研究 2 .3 .2 高性能实时嵌入式系 统与科学计算系 统的区别 随着更多的应用需要高性能计算单元以嵌入式的形式存在，高性能实时计 算成为嵌入式系统发展的一个重要趋势，同时，芯片集成技术的飞速发展以及 设计工具和方法的成熟也使得这种复杂嵌入式系统的实现成为可能。但是，高 性能实时计算不同于科学计算，它们之间有很大差异，主要体现在设计模型， 异 构支 持， 和系统利用率等几 个方 面 2 0 ,2 1 ,3 2 ,4 9 ,6 0 ,7 1 a 首先，传统的超级计算机 ( 比如向量机与m p p )是为科学应用而设计的。 这些应用的大多数通常在数学上称为 “ 初始值问题” 。在这些应用中，数据仅 仅以初始值的形式一次性给出，然后按照科学模型进行转变。每一个转变的步 骤都经历复杂的操作。因此， 程序员往往以“ 控制流” 的形式看待他们的问题， 这里 “ 控制流”包括程序循环，同步栅栏和锁来形成一个循环的科学模型。 高性能嵌入式系统解决实时问题，通常基于传感器，信号和图象处理等应 用。 与科学计算相比， 实时应用不断地接收新的数据。 因此， 程序员需要以“ 数 据流” 和带宽管理来看待问题。数据流从传感器输入， 通过一系列的变换后， 输出的结果使人能够干预或做进一步的处理。与控制流不同，在数据流问题中 的软件同步机制必须保持从传感器来的数据能得到及时处理，而不会发牛过 载。 其次，用于科学计算的并行计算机中的处理芯片通常采用同构的体系结 构，它们的通信与v 0具有规范性。与此相反，实时应用需要各种不同的低延 迟 1 1 0接口，诸如模数转换器 ( a i d ) 。而嵌入式应用更要求以异构的处理芯 片来组成系统，比如 d s p , r i s c以及传统处理芯片。 最后，与在科学计算中所采用的高可扩展性的计算机系统不同，嵌入式系 统的配置存在物理上和经济上的限制，这就是说，系统不仅要尽可能小型化， 而且存在成本的上限。例如，在机载或星载雷达信号处理应用中，对系统硬件 的高利用率就有很高的需求，而医学成像等面向市场的应用，对成本有苛刻的 限定。这意味着，科学领域中建造的系统即使在可以接受的利用率 卜 ，对十嵌 入式应用的环境也显得过于庞大和昂贵了。 在嵌入式领域中，在软件和硬件设计中提高系统利用率可以使得生产成本 中科院计算技术研究所博士学位论文 的降低，从而令先期的投资得到回报。这就是为什么科学计算的编程工具往往 不能被嵌入式系统的编程者所使用。这些工具过多偏重于程序的可读性而宁愿 牺牲效率。另外，这也是为什么嵌入式系统经常包含各种异构的处理芯片，诸 如f f t d s p ，和微处理器的原因。 2 .4 嵌入式系统实时性分析 嵌入式系统的实时性是指它必须在规定的时间限制中与环境进行交互。一 卜 面，本文从三个方面加以介绍: 2 .4 . 1几个基本概念 如上一节所介绍的，嵌入式系统是被放在一个更大的系统中，作为该系统 的子系统而存在的，而嵌入式系统本身也可能是结构化的，由许多更小的子系 统组成。由图 2 .2所示，外部环境可以分为两个大的部分，一部分称为控制对 象，负责控制和管理嵌入式系统的运行和操作;另一部分称为处理对象，是嵌 入式系统所要与之交互并进行处理的单元 2 3 1 0 嵌入式系统通常是与状态相关的。系统在 t时刻的状态是指系统在时n j t 时所包含的所有信息，在t t 时刻的系统输出仅与这些信息在 t 时刻系统的输 入有关 川。 而系统的 状态则定 义了 在诸多时间点上 系统的 行为 特征。 并 且， 系统的一个状态包含了系统许多特征，其中任何一个特征都可以被称为是一个 状态变量。通常在某个时刻，只有一部分状态变量表现出明显的特征可以 被考 察和使用。此时，通常称这些状态变量为实体，表现为实体的状态变量是不固 定的，随时刻的变化而有所不同。 事件是一个基本的概念，用来描述系统中状态的改变或者是时间片的发 生。因此，事件