基于FPGA与二维电扫实现SAR实时运动补偿

• 作 者: 曲路正
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2010年期

高分辨率成像是机载合成孔径雷达(SAR)的一个重要发展方向。载机在飞行时受大气扰动会偏离理想的匀速直线运动，导致雷达平台的运动误差，这将造成SAR成像的困难，并导致SAR图像散焦。随着分辨率要求的提高，运动补偿几乎成了制约机载SAR提高分辨率的主要因素。因此运动补偿对机载SAR系统至关重要，研究机载SAR系统的运动补偿技术具有重要的现实意义。　　
本文主要完成以下几部分工作：　　
第一，研究了SAR的基本理论和机载SAR几何关系模型，并在此基础上详细分析了SAR运动误差的分类及不同形式的误差对成像造成的影响，重点研究了由载机偏航、俯仰、横滚三个姿态角运动引起的雷达天线波束指向不稳定对成像质量的影响。　　
第二，研究了机载SAR运动补偿的内容，主要包括：机载SAR运动补偿原理，基于运动传感器(IMU)的运动补偿和基于回波数据的运动补偿。　　
第三，相控阵天线波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，这为机载SAR的运动补偿提供了一种新的方法。本文结合机载SAR工作的几何模型和相控阵原理，提出了一种基于FPGA与二维电扫相控阵天线实现SAR实时运动补偿的设计方案。该方案通过实时波束控制，实现了载机在姿态发生变化时依然保证波束稳定地指向测绘带中心，从而得到高分辨率的图像。　　
第四，完成了实时波束稳瞄系统在FPGA中的实现。实现了FPGA与PC机及导航系统的UART接口电路，并支持数据位宽、传输速率、数据发送顺序的自定义；实现了高精度的三角函数、反三角函数及开方函数的实时计算，用于处理载机的姿态角；通过矩阵乘法实现了坐标变换模块，把大地坐标系下的波束指向映射到相控阵天线阵面坐标系下，从而得到相控阵天线的扫描角；根据扫描角进行计算，实时产生天线阵元的相位偏移量，通过LVDS接口完成波束控制。通过在Xilinx FPGA硬件平台的测试，验证了软、硬件的正确性。最终完成了基于FPGA与二维电扫相控阵天线的机载SAR运动补偿方案的设计、实现与测试验证。