小卫星SAR实时成像技术研究

论文摘要

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）系统具有全天时、全天候、分辨率高、作用距离远的优点,近年来,被广泛应用于海洋监测、资源勘探、战场侦察等各种军事以及民用领域。目前星载SAR采用下传原始数据,在地面进行成像处理的方式,使得快速响应的时效性差,制约了雷达的在轨工作时间。与大卫星SAR相比,小卫星SAR具有体积小、质量轻、研制周期短、发射灵活等优点,可以被用于组网编队飞行、应急响应等方面,同时小卫星SAR的幅宽有限、模式较少、性能降低、成像点数较少,更易达到实时成像的效果。但是小卫星SAR成像算法也存在计算量大、算法复杂等问题,在小卫星复杂的环境下,难以保证实时性。本文采用多模式SAR技术,生成不同分辨率与测绘带宽的图像,主要从小卫星SAR成像算法的优化和算法的FPGA快速开发两方面进行研究。首先给出了小卫星SAR的成像几何模型和回波信号模型,分析了条带、聚束、滑动聚束、TOPS等不同模式下回波信号的多普勒历程、方位分辨率、距离分辨率,在此基础上,研究了小卫星多模式SAR的系统参数,并给出了一组小卫星多模式SAR的参数设计方案。然后在上述设计的系统参数下,对现有的距离多普勒算法、Chirp-Scaling算法、后向投影算法等三种星载SAR成像算法进行了仿真分析,比较了三种成像算法的峰值旁瓣比与计算量。针对小卫星SAR成像点数适中、工作模式多的特点,星上处理拟选取工程实现相对简单、多种模式通用的后向投影算法,但是用原始后向投影算法处理小卫星SAR回波仍然存在计算量大,难以满足实时性的需求,需要对其进行改进。接着对后向投影算法在并行性改进方面进行研究,利用直角坐标系融合时无需插值、无需逐点投影的特点,在子图像融合阶段采用基于尺度不变特性变换的方法,将复数子图像进行融合,提出了一种基于尺度不变特性变换SIFT（Scale Invariant Feature Transform）子图像融合的直角坐标快速后向投影方法,通过实测数据验证了该方法的有效性。最后研究了上述成像算法在工程上的实现方案。针对后向投影算法的特点,分析了后向投影算法成像计算过程中的脉冲并行性和网格点并行性,另外本文设计了一种在距离向分块的方式来提高后向投影算法成像的实时性。在分析了传统FPGA开发的弊端之后,选取基于MATLAB高级语言向FPGA低级开发语言自动转换代码的方式,研究了后向投影算法在Simulink中的建模过程,并将模块仿真结果与MATLAB结果进行了对比,验证了Simulink仿真结果的正确性。对后向投影算法的Simulink模块进行定点化分析与优化之后,将模块转换为FPGA的Verilog代码,并在Virtex-7 690t芯片上进行验证,完成在FPGA上实现后向投影算法的研究。基于MATLAB进行FPGA的快速开发方式有助于SAR实时成像系统的研究,并为今后建设SAR成像算法专用模块库,为FPGA的快速开发奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 合成孔径雷达概述
•   1.2 研究背景与意义
•   1.3 论文主要研究内容及安排
• 2 多模式小卫星SAR系统参数设计
•   2.1 引言
•   2.2 SAR成像模型
•     2.2.1 几何模型
•     2.2.2 回波模型
•     2.2.3 二维高分辨率
•   2.3 多模式SAR信号特征
•     2.3.1 成像几何模型特征
•     2.3.2 多普勒历程
•     2.3.3 方位向分辨率
•   2.4 多模式SAR系统参数设计
•   2.5 本章小结
• 3 适用于小卫星SAR实时成像算法研究
•   3.1 引言
•   3.2 距离-多普勒算法（R-D算法）
•   3.3 chirp-scaling算法（CS算法）
•   3.4 后向投影算法（BP算法）
•   3.5 仿真结果分析
•   3.6 本章小结
• 4 改进的FBP算法设计
•   4.1 引言
•   4.2 改进的FBP算法流程
•     4.2.1 直角坐标FBP原理
•     4.2.2 自聚焦处理
•     4.2.3 结合SIFT的子图像融合
•   4.3 仿真以及实测数据结果
•     4.3.1 点目标仿真结果
•     4.3.2 实测数据处理结果
•   4.4 本章小结
• 5 基于MATLAB的后向投影算法的FPGA实现
•   5.0 引言
•   5.1 与传统FPGA开发流程的对比
•   5.2 BP算法并行性分析
•     5.2.1 BP流水线并行性
•     5.2.2 成像计算中的脉冲并行性
•     5.2.3 成像计算中的网格并行性
•     5.2.4 本文在并行性上的改进
•   5.3 基于MATLAB实现FPGA快速开发
•     5.3.1 总体设计思路
•     5.3.2 数据源产生模块
•     5.3.3 距离脉压模块
•     5.3.4 成像计算模块
•   5.4 仿真结果
•   5.5 硬件验证
•     5.5.1 Simulink模型定点化
•     5.5.2 Verilog代码生成与模型优化
•     5.5.3 FPGA资源评估与结果
•   5.6 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 研究生期间工作总结
•   6.2 未来研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张佳琪

导师: 李凉海

关键词: 快速后向投影,并行处理

来源: 中国运载火箭技术研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 中国运载火箭技术研究院

分类号: P237

DOI: 10.27096/d.cnki.ghtdy.2019.000039

总页数: 100

文件大小: 6412K

下载量: 111