0 引言

    彈載SAR制導(dǎo)是將SAR技術(shù)應(yīng)用于主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭，可有效提高全天候,、全天時(shí)的探測(cè)能力,。相對(duì)于其他模式的制導(dǎo)技術(shù)，彈載SAR成像制導(dǎo)技術(shù)所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和計(jì)算量大,，導(dǎo)致其硬件成本,、功耗、體積等都難以實(shí)現(xiàn),，從而制約了其在精確制導(dǎo)武器裝備中的應(yīng)用^[1]。隨著微電子技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,，F(xiàn)PGA和DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力,，解決了彈載SAR制導(dǎo)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題，SAR制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用成為近年來(lái)精確制導(dǎo)技術(shù)研究的熱點(diǎn),。彈載SAR成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大,、信號(hào)處理復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高,。實(shí)時(shí)成像要求信號(hào)處理系統(tǒng)能夠在一定的時(shí)間內(nèi),，完成對(duì)回波數(shù)據(jù)的處理，信號(hào)處理的速度必須高于回波信號(hào)的數(shù)據(jù)率,。由于DSP應(yīng)用靈活,、處理精度高，早期的信號(hào)處理主要采用DSP技術(shù),。近年來(lái),，由于FPGA采用硬件并行處理架構(gòu)，數(shù)據(jù)速率高,、資源豐富,，易于實(shí)現(xiàn)高度并行、流水處理的特點(diǎn)，采用FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)處理取得了飛速發(fā)展^[2-5],。本文針對(duì)彈載SAR成像技術(shù)難點(diǎn),，提出了一種基于FPGA+DSP彈載SAR成像信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該方法解決了數(shù)據(jù)量大的前端處理和算法實(shí)時(shí)成像的問(wèn)題,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    信號(hào)處理單元是彈載SAR信號(hào)處理系統(tǒng)的核心單元,。系統(tǒng)采用 FPGA+DSP的信號(hào)處理硬件結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA和DSP分別完成回波數(shù)據(jù)的預(yù)處理和成像算法的實(shí)現(xiàn),，所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,，系統(tǒng)由信號(hào)處理主板和數(shù)據(jù)采集子板構(gòu)成。信號(hào)處理主板主要實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)的預(yù)處理,、成像算法處理和數(shù)據(jù)傳輸接口的擴(kuò)展,，數(shù)據(jù)采集子板主要完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出任務(wù)。系統(tǒng)通過(guò)AD對(duì)線性調(diào)頻收發(fā)機(jī)輸出的差頻信號(hào)以100 MS/s的采樣率進(jìn)行采樣,，將采樣后的差頻信號(hào)傳送給FPGA進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理,，F(xiàn)PGA主要完成對(duì)差頻信號(hào)的數(shù)字低通濾波，濾除差頻信號(hào)不規(guī)則區(qū)的高頻分量,，并對(duì)低通濾波后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字正交變換,，得到正交的I、Q兩路信號(hào),。DSP接收到FPGA預(yù)處理后的差頻信號(hào),，對(duì)其進(jìn)行SAR信號(hào)處理，主要完成對(duì)SAR信號(hào)的剩余相位項(xiàng)補(bǔ)償,、距離徙動(dòng)校正,、距離向匹配濾波和方位向匹配濾波。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

    A/D轉(zhuǎn)換電路是信號(hào)處理系統(tǒng)的重要組成部分,，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以同時(shí)接收兩路中頻模擬信號(hào),。系統(tǒng)選用AD6645模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD6645是一款高速,、高性能,、14 bit單芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片上集成了采樣保持器和基準(zhǔn)電壓源,，其最大采樣速率可達(dá)到105 Mb/s,。由于信號(hào)會(huì)通過(guò)衰減和增益級(jí)進(jìn)行處理，AD6645的差分輸入不僅改善了片內(nèi)性能,，而且使前端信號(hào)輸入電路具有高共模抑制性能,，能夠極大抑制接地和電源噪聲等雜聲信號(hào)。AD6645的差分輸入阻抗為1 ,，模擬輸入功率僅要求為-2 dBm,，從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì),。因此，數(shù)據(jù)采集子板采用ADT4-1WT射頻變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)AD6645的差分模擬輸入,，并在變壓器副邊上使用串聯(lián)電阻 ,，將變壓器與A/D隔離開來(lái)，以限制從A/D流回到變壓器次級(jí)的動(dòng)態(tài)電流量,，通過(guò)射頻變壓器作為驅(qū)動(dòng)輸入不僅不消耗功率,，而且所產(chǎn)生的噪聲可以忽略不計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示,。

1.2 FPGA模塊設(shè)計(jì)

    FPGA模塊設(shè)計(jì)的電路如圖3所示,，系統(tǒng)采用Xilinx公司Virtex II Pro系列的XC2VP30作為數(shù)據(jù)的預(yù)處理。XC2VP30集成了2個(gè)32位的PowerPC405處理器硬核,、8個(gè)I/O Bank,、8個(gè)DCM、30 186個(gè)Logic Cells,、136個(gè)18×18 bit乘法器模塊,、13 696個(gè)Slice和136個(gè)18 KB的Block RAM。系統(tǒng)采用50 MHz外部晶振作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘源,，利用XC2VP30內(nèi)部的時(shí)鐘管理器DCM,，分別為AD6645、異步FIFO和DSP提供時(shí)鐘源,。DCM輸出的CLKFX的80 MHz時(shí)鐘信號(hào)分為兩路,，一路通過(guò)射頻變壓器ADT4-1WT交流耦合到和引腳，作為AD6645采樣時(shí)鐘信號(hào),，保證14位AD輸出的精度和低相位噪聲,。另一路直接送入WR_CLK引腳，作為異步FIFO的寫周期,。DCM輸出的50 MHz的CLK0時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)DSP的內(nèi)部PLL的12倍頻為DSP提供600 MHz時(shí)鐘^[6-8],。

1.3 DSP與FPGA接口電路設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用TI公司32位TMS320C6416作為信號(hào)處理主板的核心處理器,，其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)SAR成像算法。為了實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA數(shù)據(jù)高速無(wú)誤的傳輸,，系統(tǒng)通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)異步FIFO把從A/D寫入到FPGA的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤地傳送到DSP的EMIF接口^[9],。圖4所示為TMS320C6416與FPGA的接口連接圖，DSP通過(guò)EMIF接口與FPGA實(shí)現(xiàn)的異步FIFO進(jìn)行通信,，通過(guò)設(shè)置EMIF控制的存儲(chǔ)器為SRAM類型,，將FPGA作為DSP的外部SRAM。EMIF為TMS320C6416的外部存儲(chǔ)器接口,，由EMIFA和EMIFB兩個(gè)端口組成,。系統(tǒng)選取FIFO的寬度為32 bit,，深度為192 000，高16位存正交I路信號(hào),，低16位存正交Q路信號(hào),，采用異步方式傳輸數(shù)據(jù)。為設(shè)計(jì)FIFO的讀寫使能信號(hào),。圖5所示為DSP讀異步FIFO的時(shí)序圖,。當(dāng)FIFO緩存達(dá)到半滿時(shí)，HALF_FULL上升沿觸發(fā)DSP外部中斷EXP-INT5,，DSP啟動(dòng)DMA以PDT傳輸模式讀取FIFO數(shù)據(jù),，通過(guò)PDT操作，可以實(shí)現(xiàn)SDRAM與FIFO之間直接傳輸數(shù)據(jù),，而不需要執(zhí)行2次EMIF操作,，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

2 成像算法實(shí)現(xiàn)

    原始回波數(shù)據(jù)按PRF依次以距離線的形式順序存入DSP的存儲(chǔ)器中，形成一個(gè)N_a×N_r的數(shù)據(jù)矩陣,，成像算法對(duì)數(shù)據(jù)的處理可分別在距離向和方位向進(jìn)行,。回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FPGA預(yù)處理后,，算法處理的第一步由于需要對(duì)線性距離走動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,，并對(duì)方位向子孔徑內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，因此需要首先對(duì)輸入距離向的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)置存儲(chǔ),。同時(shí),，由于DSP在成像處理之后按距離線方式將成像結(jié)果保存到SDRAM，實(shí)現(xiàn)圖像顯示,，因此方位向處理之后還需要增加一次對(duì)輸出結(jié)果的轉(zhuǎn)置存儲(chǔ),，這樣整個(gè)處理過(guò)程中共需要四次轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)處理。在算法處理流程中,，需要進(jìn)行多次的相位因子復(fù)乘操作,，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，最大限度進(jìn)行同類運(yùn)算合并,，對(duì)距離向處理和方位向處理的補(bǔ)償因子,，可以采用查表的方式得到相應(yīng)的結(jié)果，從而減少成像處理的運(yùn)算量,，提高計(jì)算效率^[10],。算法中采用子孔徑處理實(shí)際上是將方位向數(shù)據(jù)分成二維的數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行處理操作，實(shí)際操作中,，DSP可以通過(guò)DMA對(duì)存儲(chǔ)區(qū)中數(shù)據(jù)塊進(jìn)行二維操作,，這樣可以減小數(shù)據(jù)重組所消耗的時(shí)間，提高程序的執(zhí)行效率,。SAR成像系統(tǒng)是典型的數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng),，處理過(guò)程中不需要數(shù)據(jù)的反饋,，彈載SAR聚束成像算法實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

    系統(tǒng)利用設(shè)計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行外場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試,，測(cè)試平臺(tái)如圖7所示,，平臺(tái)由線性調(diào)頻收發(fā)前端、信號(hào)處理系統(tǒng),、運(yùn)動(dòng)軌道和測(cè)試目標(biāo)四部分組成,。收發(fā)前端安裝在軌道小車上，收發(fā)前端可以發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào),，調(diào)制周期在1~10 μs范圍內(nèi)可調(diào),，回波信號(hào)可調(diào)衰減在0~40 dB范圍內(nèi)可調(diào)。小車可沿軌道以0~10 m/min速度勻速直線運(yùn)動(dòng),，通過(guò)收發(fā)前端沿軌道勻速直線運(yùn)動(dòng)模擬彈載SAR平臺(tái),。

    在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，通過(guò)發(fā)射信號(hào)的同步脈沖信號(hào)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行間斷采樣并存儲(chǔ),，如圖8所示,，圖8(a)為發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系曲線，圖8(b)為發(fā)射信號(hào)的同步脈沖信號(hào),。系統(tǒng)開始測(cè)試時(shí),，選取任一同步脈沖作為方位向起始時(shí)間，存儲(chǔ)此后一個(gè)脈沖寬度T的回波信號(hào),；然后利用同步脈沖記錄已發(fā)射信號(hào)的個(gè)數(shù),，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)置的方位向采樣頻率，確定下一個(gè)需要保存的回波信號(hào)起始時(shí)間,，再存儲(chǔ)下一個(gè)脈沖寬度的回波信號(hào),；重復(fù)上述操作，直到采樣結(jié)束,。如圖8(b)所示,，灰色標(biāo)記的同步脈沖為信號(hào)采樣時(shí)刻，代表方位向采樣點(diǎn),，預(yù)設(shè)的方位向采樣頻率為f_as,，由圖可知，f_as=1/T_r,，則相鄰兩個(gè)方位向采樣點(diǎn)之間的脈沖個(gè)數(shù)N=1/Tf_as。

    為了獲取斜視聚束SAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),，測(cè)試過(guò)程中,，以三角錐反射器作為場(chǎng)景中心目標(biāo)，其距離軌道垂直距離為50 m,，SAR平臺(tái)天線與軌道垂直方向夾角為30°,，模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)參數(shù)如表1所示,。

    測(cè)試平臺(tái)采集的回波信號(hào)如圖9(a)所示，經(jīng)低通濾波后的差頻信號(hào)進(jìn)行正交變換,，然后送至DSP進(jìn)行二維組合,，最后在DSP中對(duì)處理后的信號(hào)分別進(jìn)行距離向和方位向聚焦處理，成像結(jié)果如圖9(b)所示,。由圖可知,，除去系統(tǒng)固有延遲造成的距離向誤差，目標(biāo)成像位置與場(chǎng)景設(shè)計(jì)的基本一致,。

    由于實(shí)驗(yàn)室條件限制,，模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試僅能取一般斜視成像場(chǎng)景下目標(biāo)的回波信號(hào)，未能獲取實(shí)測(cè)的具有俯沖運(yùn)動(dòng)彈載SAR回波數(shù)據(jù),，但從原理上驗(yàn)證了本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的可行性和正確性,。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了基于FPGA+DSP的彈載SAR成像信號(hào)處理系統(tǒng)，通過(guò)采用協(xié)同處理的硬件結(jié)構(gòu),，一方面解決并行性和速度的問(wèn)題,，另一方面提高了DSP數(shù)據(jù)處理的能力。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性,，既滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高,、數(shù)據(jù)量大的要求，又解決了復(fù)雜算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,。

參考文獻(xiàn)

[1] Yao Di,，Li Congxin，Jie Long,，et al.The squinted-looking SAR real-time imaging based on multi-core DSP[C].IET International Radar Conference,，2015.

[2] Xu Jianqing，Ma Yuntong,，Li Junbao,，et al.Optimizing CFAR-based SAR target detection algorithm for DSP platform[C].International Conference on Instrumentation & Measurement，2016.

[3] GORCHAKOVA N,，KUZNETSOV L,，YARYGIN V，et al.Progress in hypersonic studies using electron-beam-excited x-ray detection[J].Aiaa Journal,，2015,，40(4)：593-598.

[4] Zeng Letian，Liang Yi,，Li Zhenyu,，et al.A novel twodimensional autofocus technique for high-resolution spotlight SAR[J].IET Signal Processing，2016,，10(6)：699-707.

[5] 陳術(shù)濤,，沈志,，王春聯(lián)，等.多核DSP與FPGA高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2018,，44(12)：40-43.

[6] 孫暢，繆思恩.基于DSP+FPGA的高速采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),，2018,，37(9)：47-49.

[7] 王占超，張耀天.一種基于FPGA+DSP的處理機(jī)硬件架構(gòu)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào),，2018,，16(5)：902-906.

[8] 呂清松，許宜申.基于FPGA的目標(biāo)識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2018,，41(18)：12-16.

[9] PRATHAP J A，ANANDHI T S,，SIVAKUMARAN T S.Xilinx Spartan 3A DSP FPGA based DC voltage regulators for PV systems[J].Materials Today：Proceedings,，2018，5(1)：1348-1358.

[10] YU J H,，GE L,，LI X.Rada rgrammetry for digital elevation model generation using envisat reprocessed image and simulation image[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2014,，11(9)：1589-1593.

作者信息:

陳  勇1,，2

(1.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安223300,；

2.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,，江蘇 南京210094)