基于FPGA+DSP的SAL实时信号处理研究

摘要

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)利用合成孔径原理和脉冲压缩技术对远距离目标进行成像，相比真实孔径雷达获得了更高的空间分辨率。相对于SAR采用微波波段探测目标，合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar，SAL）采用波长更短的光波波段探测目标，从而可实现更高分辨率，因此SAL被越来越广泛地应用于军事和民用的各个领域中。而实时信号处理技术是雷达在工程实现中的关键环节。
　　本文在此背景下，在国家重大专项《××××成像算法和大气影响研究》和《合成孔径激光雷达技术研究》项目支持下，开展了机载 SAL高性能实时信号处理板卡的设计与算法实现的研究。本文主要工作总结如下：
　　1.阐述了SAR的成像原理，该原理同样适用于SAL，并在此基础上对成像算法——距离-多普勒（简称R-D）算法进行了描述。由于本项目中SAL采用振镜扫描提供二次相位的方式产生信号，而振镜扫描非线性，在成像过程中直接采用R-D算法距离脉压无法完成，所以本项目采用了插值算法对回波数据先行处理。因此，阐述了插值算法的概念并提出了适用于本SAL信号处理板卡的成像算法。
　　2.分析比较了当前较为成熟并可应用在SAL中的硬件器件，并根据本项目中SAL的性能要求选择了基于FPGA+DSP搭建信号处理板卡的硬件设计架构。进而论述了信号处理板卡的硬件设计过程，其中首先阐述了核心芯片的选型过程并重点论述了FPGA与DSP间及DSP与上位机间通信接口模块的设计，两个模块分别采用SRIO和千兆以太网接口，其传输速率分别可达到6.25Gpbs和200Mbps；之后详细论述了FPGA和DSP的外围设备设计及配置加载；最后给出了本SAL信号处理板卡的实物设计结果。
　　3.详细论述了成像算法在信号处理板卡中的任务分配及软件实现过程。任务分配中FPGA负责实现距离向数据的插值和脉压处理以及方位向数据的匹配滤波处理，DSP负责实现数据矩阵的转置处理。将仿真数据导入板卡，经处理最终得到的成像结果可通过千兆以太网传送至上位机进行显示。通过与MATLAB算法仿真所得图像的对比，验证了成像算法在信号处理板卡中实现的可行性。计算各功能模块的处理耗时，经分析可知板卡满足项目中SAL的实时性要求。
　　本文完成了基于FPGA+DSP的SAL实时信号处理板卡的硬件设计和算法实现等方面的工作。本信号处理板卡具有极强的数据处理能力，能够满足项目中SAL的性能要求，具有一定的工程应用价值。

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缩略语对照表

第一章绪论

1.1 论文研究背景

1.2 论文主要内容

第二章成像算法

2.1 引言

2.2 成像原理

2.3 匹配滤波与解线频调

2.4 R-D算法

2.5 插值算法

2.6 应用于本项目中的成像算法

第三章 SAL实时信号处理系统硬件设计

3.1 引言

3.2 信号处理系统的硬件选择

3.3 系统硬件架构

3.4 信号处理板卡核心芯片选型

3.5 高速接口设计

3.6 FPGA和DSP的外围设备设计及配置

3.7 硬件设计结果

第四章 SAL实时成像算法实现

4.1 引言

4.2 FPGA的算法处理

4.3 DSP的转置处理

4.4 MATLAB仿真与板卡处理对比

4.5 板卡实时性分析

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

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