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回波实时模拟器基于TS101的SAR回波信号模拟器设计与实现

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种高分辨率微波成像雷达,可以全天候、全天时的利用微波照射获得地面目标的散射信息,是获取地面信息的重要手段,因而在军用和民用领域中都获得了广泛的应用。合成孔径雷达模拟技术是一种用模拟的方法来研究SAR的技术,在SAR的研究和研制工作中具有十分重要的作用。该技术能模拟出SAR的回波,用于SAR系统性能的检验以及测试,并能评估各种成像算法,分析出建立在不同模型上的算法的有效性。近年来,国内外许多院校和科研机构都投入了大量的人力和物力进行合成孔径雷达模拟技术的研究。伴随着SAR的研究与发展,与之相应的模拟器研制也取得了丰硕成果。其中,在硬件上实现高速数据处理是其关键技术之一。对于高分辨率、大测绘带合成孔径雷达模拟器来说,数据存储器容量也是要面临的另一个问题。针对合成孔径雷达实时信号处理所要求的大数据吞吐能量、强数据计算能力,需要寻求一种基于高速数字电路的解决途径。
TS101是美国AD公司最新推出的TigerSHARC系列DSP芯片,采用DMA引擎,主要针对嵌入式实时应用。TigerSHARC DSP有两个独立的32位处理器核,或者多指令多数据流(MIMD)结构。每个处理单元都能在单周期执行一次乘法,以及加法,对于300 MHz的ADSP TS101S,每个周期能产生6个FLOP,峰值处理器能力达到1800 MFLOPs。TigerSHARC为多种信号处理设计,提供了64位的共享系统总线和4个链路口。数据在外部总线上的传输率可以达到800 MB/s。此外,数据也可以通过链路口传输,每个链路口的传输率达到250 MB/s。整个TigerSHARC芯片的I/O带宽达到1 800 MB/s。选用的实时信号处理板基于标准的CPCI总线,由4片TS101构成共享总线的并行处理器,DSP之间采用链路口通信。板上内存扩展到了2 GB,满足了SAR信号模拟器要求的大存储容量和强计算能力。

1 SAR回波模拟器的原理及实现
1.1 SAR回波信号模拟器的原理
从上述高分辨率SAR模拟系统的技术分析可以看出,高分辨率模拟器设计必须解决速度和容量的问题。本文提出基于DSP的系统实现方法,SAR回波模拟器的原理框图如图1所示。从原理框图可以看出,本系统可分为四大部分:回波信号产生、D/A转换、正交调制、上变频。其中SAR回波信号产生是该系统的重要组成部分,利用CPU主板,可以通过连接显示设备,利用人机界面,对各种场景参数进行实时设置,通过CPCI总线传送至通用信号处理板上的DSP处理器,由DSP实时计算SAR回波脉冲,然后经过D/A变换、正交调制和上变频到接收机。

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1.2 SAR回波信号模拟器的系统硬件组成
SAR回波信号实时产生的重点在于实时信号处理机,在实时信号处理系统设计选型中,必须根据系统要求选择合适的高速DSP处理器完成系统要求的任务。实时信号处理机主要硬件由多块DSP信号处理板卡、CPU主板、DAC板卡、标准CPCI机箱和电源、显示监视设备CRT等构成。针对合成孔径雷达实时信号处理所要求的大数据吞吐能量、强数据计算能力,决定选用美国AD公司的TS101芯片作为实时信号处理机的DSP处理芯片。综合各种因素,最终选择的DSP信号处理板卡如图2所示。

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该板单板可以提供7.2 GFLOPs处理能力,2 GB的扩展内存;板卡形式是标准的CPCI 6U板卡,完全满足SAR实时回波处理对实时处理能力和大内存的需求。

1.3 SAR回波信号模拟器的算法流程
实时SAR回波产生算法不同于事后处理算法,它必须在满足指标要求的情况下,充分满足实时性的问题。算法的设计同时需要考虑到硬件的结构,充分利用硬件平台的结构设计算法。对于实时SAR回波产生算法还需要根据不同的平台环境,要求合理选择,简化和优化算法,以便达到实时性的要求。在兼顾性能的基础上,选择了最合适的二维卷积回波产生算法,避免了繁杂的循环迭代。该算法流程图如图3所示。

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2 SAR回波模拟器的系统仿真试验
2.1 应用性能要求估算及系统运算速度测试
选定通用可编程实时信号处理机仿真了SAR回波信号产生算法。在1 m×1 m分辨率下,场景取8 192×4 096点,距离向取16 384点,方位向取4 096点。从雷达参数计算可以得到,方位向需处理的数据为2×4×8 192×4 096=256 MB。由此可以得到应用对系统内存的要求为:原始数据存储256 MB。选择的通用可编程实时信号处理机单板内存为2 GB,完全满足需要。

在明确了系统满足性能要求后,需要验证系统是否满足实时性的运算速度要求。SAR雷达信号产生算法主要运算是进行FFT运算,同肘在评估不同板卡性能的时候,FFT速度的比较也是衡量系统性能的主要指标之一。其速度如表1所示。运行速度均为读取程序运行前后TS101片内CCNT时钟寄存器的差值,运行3次,取均值的结果。对300 MHzTS101芯片来说,实际运行时间为:周期数×3.3ns。

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为了验证本系统对SAR信号产生算法整体运算时间性能的评估,测试了一次完成的时间。SAR回波产生算法主要内容:先距离向卷积、存储,再方位向卷积。距离向按16 384点处理,方位向按4 096点处理,测试单板处理共花费的时间为2.146 963 s。从试验结果可以看出,采用由一块处理板卡组成的通用可编程实时信号处理机系统可以实现0.524 ms产生一个模拟回波脉冲,达到实时处理要求(要求1 ms产生一个模拟回波脉冲)。
2.2 实际试验结果
采用本套系统对两幅图片进行了反演测试。图4,图5是对模拟的回波进行SAR成像的结果。

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3 结语
SAR回波信号模拟器采用的板卡是标准CPCI 6U板,可裁减性和可扩充性好;而且单板内存已经扩展到了2 GB,大的内存意味着可以模拟更加复杂的场景,得到更好的模拟效果。采用基于DSP的通用处理板来实现模拟器,使得模拟器能够实时、灵活、方便地产生所需的各种回波信号。该模拟器在对SAR信号处理机的调试过程中取得了良好的效果。

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