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传统的脉冲体制合成孔径雷达一般系统复杂,比较昂贵,既不适用于低成本的国民经济领域的应用,也不适用于小型载机的有效载荷。调频连续波合成孔径雷达(FMCW SAR)结合了调频连续波技术和合成孔径技术,它既可以满足高分辨率成像的要求,又可以做到小型化、经济化,非常适合无人机等小型飞行平台的遥感和侦察,具有广阔的应用前景。
与常规脉冲体制SAR相比,调频连续波SAR作为小型飞行平台的有效载荷,其体积、功耗和重量受到严格制约。机上实时成像处理作为轻小型调频连续波SAR实用化的关键,其小型化设计将面临着诸多挑战,主要体现在两个方面:一是适合调频连续波SAR的高精度高效率的成像处理算法；二是适合该成像算法的高性能高集成度的成像处理平台。论文将针对以上两个问题,围绕调频连续波SAR实时信号处理系统的小型化设计开展调频连续波SAR系统误差估计、高精度高效率的成像算法、高性能信号处理平台设计等关键技术的研究。论文的主要研究内容和贡献如下:
论文从调频连续波SAR成像模型和系统结构出发,讨论调频连续波SAR关键参数的设计准则,分析建立了存在系统误差的调频连续波SAR系统回波信号模型,深入研究了系统误差对调频连续波SAR系统性能的影响。针对在去调频接收模式下,系统误差随目标斜距而变化,相位误差估计和校正困难的问题,提出了一种基于二次差分的多项式拟合的估计方法。该方法充分考虑了信号传输过程中由于系统非理想特性所引入的相位误差的影响,通过对两次定标信号进行差分消除了与距离无关的相位误差的影响,通过多项式拟合的方法消除了缠绕相位的影响。实验仿真分析表明,该方法可以对系统误差进行了较为精确的估计。
论文针对在去调频接收模式下,系统误差对调频连续波SAR成像处理性能的影响,提出了一种适合调频连续波SAR实时成像处理的非线性距离-多普勒算法。该方法解决了调频连续波SAR系统“stop-and-go”假设不成立所引入的多普勒效应的补偿问题,通过残留视频相位(RVP)误差滤波器消除系统误差的距离相关性,利用非线性误差滤波器通过复乘运算完成对系统误差进行补偿。与非线性频率变标算法相比,该方法中的非线性误差滤波器与方位多普勒无关,可以大大减少实时生成非线性误差滤波器所需的时间开销。在整个算法实现中,只有多普勒校正项和方位参考函数跟方位多普勒频率有关,需要实时生成,其他补偿因子都可以根据系统参数或定标信号预先生成,直接在实时成像处理中调用,不占用系统时间开销。在考虑系统误差影响的情况下,该算法计算量小、处理精度高,算法流程简单,适合实时成像处理。
论文针对小型无人机载调频连续波SAR系统对实时成像处理系统体积、重量及功耗的限制,对高性能并行处理系统架构进行了深入的研究,分析了调频连续波SAR实时成像处理系统对成像处理器的处理能力、IO带宽、存储能力以及对外接口的需求,针对国际高性能处理模块在SAR实时成像处理领域的不足,并结合调频连续波SAR实时成像处理流程,提出了一种新的适合于SAR实时成像处理的共享存储器的分布式耦合系统架构,并针对SAR系统对成像处理的短延时约束要求,设计了一种适合于调频连续波SAR实时成像处理的基于cPCI(Compact PCI)体系架构的多DSP(ADSP-TS201)的嵌入式并行处理系统。与国际上典型的基于ADSP-TS201的高性能处理模块相比,该处理模块具有单节点处理能力高(可提供21.6GFLOPS的峰值处理能力)、共享存储器容量大(最大集成8GB DDR SDRAM共享存储器),平均处理器访问带宽高、对外接口丰富等特点,更适合于SAR实时成像处理。
论文针对调频连续波SAR实时成像处理系统的对实时运动补偿功能的需求,设计了一种基于cPCI架构的高性能实时运动补偿平台。并对调频连续波SAR实时成像处理算法的实现、成像处理硬件平台以及软件平台的构建方法、运动补偿系统与实时成像处理系统同步问题等展开研究。最后给出了调频连续波SAR实时成像处理的验证系统。