基于多模式脉冲压缩的环扫合成孔径雷达设计与实现

摘要

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种高分辨率成像雷达，从20世纪50年代被提出后开始迅速发展，相比光学成像，合成孔径雷达可以实现全天候，全天时的成像，并在一定场景下可以穿透一定的厚度，例如植被，河流等，被广泛应用于机载导航、卫星测绘、监测统计等领域。相比实孔径雷达(Real Aperture Radar，RAR)，合成孔径雷达具有更好的分辨性能，在距离向上通过脉冲压缩实现高分辨率，在方位向上通过合成孔径实现高分辨率，并实现天线的小型化。圆迹环扫合成孔径雷达(Circular Trace Scanning SAR，CTSSAR)是一种典型的合成孔径雷达，与传统的直线条带合成孔径雷达不同，圆迹环扫合成孔径雷达天线按照圆形轨迹运动，天线波束方向始终背离旋转圆心，形成的成像带为环形形状。相比于直线合成孔径雷达，这种形式的合成孔径雷达可以实现成像带的重复测绘，并可以实现360度全方位视角，本文主要研究基于多模式脉冲压缩的圆迹环扫合成孔径雷达的设计与实现。 多种模式的合成孔径雷达提供了多种参数的发射波形，实现了不同的分辨率以及探测距离，可以适应于不同场景。在多模式圆迹环扫合成孔径雷达成像算法基础上，本文主要工作为其距离向部分的设计与实现，即通过脉冲压缩技术在FPGA硬件平台上实现距离向的成像。论文首先介绍了整个圆迹环扫合成孔径雷达的系统框架设计，包括了雷达波形参数设计，雷达前端设计以及雷达信号预处理的设计。在信号预处理部分，主要介绍距离向部分的设计与实现，其中主要实现的功能有数字下变频以及匹配滤波，首先通过MATLAB的系统仿真与分析，包括了主要功能模块的仿真，以及对实际噪声影响的仿真，并提出了噪声影响的容忍极限指标。再通过Intel公司的QuartusⅡ开发平台进行模块设计，并通过Mentor公司的Modelsim软件进行模块功能仿真，最后下载到实际信号处理板中Intel公司的EP4CGX110DF27I7N型号FPGA芯片进行板级测试。根据功能仿真和板级测试结果，初步验证了设计的可行性。在距离向成像处理板级测试之后，进行了雷达整体系统的闭环测试，包括了雷达前端的测试，信号处理板中ADC采样的测试，以及距离向结果的测试，方位向抖动情况的测试。文章最后，对测试结果进行了分析，并对存在的问题给出了解决思路以及方案。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．3论文结构安排

2环扫合成孔径雷达工作原理

2．1脉冲压缩原理

2．1．1基本原理

2．1．2实现方法

2．2环扫合成孔径雷达成像原理

2．3系统整体架构设计

2．3．1雷达波形参数

2．3．2前端部分设计

2．3．3信号预处理设计原理

2．4本章小结

3多模式脉冲压缩仿真

3．1发射信号仿真

3．2信号处理仿真

3．2．1数字下变频

3．2．2多模式脉冲压缩仿真

3．2．3噪声影响仿真分析

3．3本章小结

4多模式脉冲压缩FPGA硬件实现

4．1数字下变频

4．1．1正交混频

4．1．2 FIR滤波

4．1．3抽取

4．2频域多模式脉冲压缩

4．2．1 FFT模块

4．2．2频域混频

4．2．3 IFFT模块

4．2．4数据打包

4．3 FPGA功能仿真与板级测试

4．3．1 Modelsim功能仿真

4．3．2板级测试

4．4本章小结

5系统测试及结果分析

5．1前端测试

5．1．1微波源

5．1．2接收机前端测试

5．1．3发射机性能测试

5．2信号处理机测试

5．2．1 ADC信号采集测试

5．2．2距离向脉压实验结果分析

5．2．3方位向抖动测试

5．3本章小结

6总结与展望

6．1工作总结

6．2问题总结与展望

参考文献

致谢