1、I羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆毕业设计说明书（论文）中文摘要合成孔径雷达（SYNTHETICAPERTURERADAR,SAR）是一种主动的高精度成像雷达，在地形测绘、海洋观测、环境保护等方面有广泛的应用。在研制高性能合成孔径雷达的过程中需要特定参数的回波数据，而使用机载合成孔径雷达去获取真实场景的回波数据成本高昂。因此，合成孔径雷达回波模拟技术一方面能够有效地降低回波数据的获取成本，另一方面可以用于干扰敌方SAR的工作。本论文研究的主要内容是机载合成孔径雷达回波信号的模拟。模拟出的SAR回波信号主要是用来实现对SAR的干扰。其中的关键工作是产生正确的幅度和相位调制信息，对基带雷达信号进行
2、调制。但是调制系数的产生和雷达信号的调制都具有很大的运算量和复杂度。为了快速生成SAR回波，本文改进了一种基于同心圆的快速生成回波系数的方法，整个系统的核心部分包括调制系数产生器和数字抽头延迟线，分别用来实现调制系数的产生和时域卷积。采用现场可编程门阵列（FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY，FPGA）作为主运算芯片。全文包括了SAR回波信号模拟技术的系统建模仿真和SAR回波合成器的硬件实现方案两大内容。关键词合成孔径雷达，回波信号模拟，同心圆，相位调制，幅度调制，现场可编程门阵列II毕业设计说明书（论文）外文摘要TITLESARECHOSIMULATIONBASEDONFPG
3、AABSTRACTASAHIGHRESOLUTIONIMAGINGRADARINACTIVEWAY,SYNTHETICAPERTURERADARSARHASBEENWIDELYUSEDINGEOLOGICALMAPPING,OCEANOBSERVATIONS,ENVIRONMENTALPROTECTIONINTHEDEVELOPMENTOFHIGHPERFORMANCESAR,ECHODATAOFSPECIFICPARAMETERSISREQUIREDHOWEVER,ITCOSTSHIGHTOGETTHEECHODATAOFREALENVIRONMENTBYUSINGAREALSARCARRI
4、EDBYPLANETHEREFORE,THESIGNALSIMULATIONTECHNOLOGYOFSARISOFGRAVEIMPORTANCEONONEHAND,ITREDUCESTHECOSTSOFGETTINGRELIABLEECHODATAOFSARONTHEOTHERHAND,ITPROVIDESANEFFECTIVEMETHODOFSARINTERFERENCETHEMAINCONTENTOFTHISTHESISISTHESIMULATIONOFSYNTHETICAPERTURERADARECHODATASARECHODATAGENERATEDBYSIMULATIONISMAINL
5、YUSEDFORSARDECEPTIONINORDERTOACHIEVEANEFFECTIVEDECEPTION,GENERATINGTHECORRESPONDINGAMPLITUDEANDPHASECOEFFICIENTANDTHENMODULATESTHERFSIGNALISTHEKEYPOINTHOWEVER,COMPUTATIONALCOMPLEXITYISHIGHINTHEGENERATIONOFMODULATIONCOEFFICIENTSINORDERTOGENERATESARECHODATAFAST,ANIMPROVEDMETHODBASEDONSAMECENTERCIRCLEI
6、SADOPTEDINTHEPAPERTHECOREPARTOFTHESYSTEMINCLUDESIMAGEMODULATIONCOEFFICIENTGENERATORWHICHISUSEDTOGENERATESARECHOCOEFFICIENTANDDIGITALTAPPEDDELAYLINESWHICHISUSEDTOREALIZECONVOLUTIONINTIMEDOMAINTHEFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAYFPGAISUSEDASTHEKERNELCHIPINTHEWHOLESYSTEMTHEPAPERINCLUDESSARECHOMODELINGANDSIMUL
7、ATIONANDSARECHODATAGENERATORHARDWAREIMPLEMENTATIONDESCRIPTIONKEYWORDSSYNTHETICAPERTURERADAR,ECHOSIMULATION,SAMECENTERCIRCLE,FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY（小4号黑体）目次毕业设计说明书（论文）中文摘要I毕业设计说明书（论文）外文摘要II1绪论111研究背景112国内外发展概况213研究平台414论文的主要结构52成像原理521线性调频脉冲622匹配滤波器722距离向压缩823方位向压缩1024SAR图像与光学图像的区别103回波信号模型与MATLA
8、B仿真1131SAR回波信号模型1232同心圆回波仿真算法1333仿真步骤1434MATLAB仿真结果154SAR回波信号合成器的FPGA实现1741雷达信号的数字化处理1842基于查找表的时域卷积实现1843锁相环2044仿真区域选择模块2145灰度图像存储器2246图像分割模块2347计算相位斜距模块2348合并模块2549计算相位幅度模块26410幅度相位调制模块27411系统数据位数的确定28412硬件仿真流程与结果29结论31致谢错误未定义书签。参考文献33本科毕业设计说明书（论文）第1页共35页11绪论11研究背景雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文RADAR的音译，为RADIOD
9、ETECTIONANDRANGING的缩写，意为无线电检测和测距，是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备。1887年，赫兹证实了麦克斯韦尔著名的电磁场理论，从此雷达开始慢慢发展起来。已经被证实的第一部雷达在德国由HULSMEYER于1904年制造出来1。这部雷达使用了一对稳定旋转的喇叭天线、一个闪烁发射器和一个相干接收机，主要用于防止海上舰船的碰撞。这个系统只有有限的距离向和方位向的分辨率，所以只停留在了试验阶段。在之后的很长一段时间内雷达都没有得到发展，直到受到第二次世界大战的刺激。二战时期具有代表性的雷达是位于英国东南海岸的19个链接在一起的雷达的开发与试验。这部雷达是RANDALL和BO
10、OT在1939年开发，对英国战役的胜利起到了关键作用。在战争的压力之下，雷达以不可思议的速度发展着，它被慢慢规范为一个传感器，能够全天候工作在大作用距离下而不需要考虑可能产生的性能恶化。因为战争，雷达在军用和民用方面都取得了长足的发展。高功率线性发射机的发展加上脉冲压缩信号处理技术的进步，使得雷达设计者能够在很大的作用距离上获得一米以下的距离分辨率。然而对于成像应用来说，人们需要得到在距离向和方位向上相当可观的分辨率，其中方位向分辨率严格地受限于雷达天线孔径的大小。为了获得足以辨认较大的远距离目标的形状所需的高分辨力，必须借助一个实际上不能实现的长天线，或者采用极短的波长，但是这样极短的波长又
11、必须对付大气层中严重的衰减。摆脱这种困境的答案是用合成法产生一个所需长度的天线，这种方法称作为合成孔径。SAR利用雷达的前向运动来产生等效的长天线。雷达每发射一个脉冲，便占据飞行路线上稍远的一个位置。如果把一副较小的天线指向一侧，并将连续脉冲的回波相加，就有可能合成出一个极长的侧视线性阵列。第一个用这样的原理做成的合成孔径雷达可以追溯到1953年。WILEY和CUTRONA以及其他工作人员提出了可以用频率分析的方法改善雷达的角分辨率。20世纪50年代和60年代，基于合成孔径雷达的民用遥感技术得到了发展，人们开始了大面积精细地表图像的应用研究。同时合成孔径雷达的成熟技术被立刻应用到了军事方面，比
12、如测绘和侦察成像等，从而对合成孔径雷达的电子对抗就应运而生了。本科毕业设计说明书（论文）第2页共35页2SAR利用微波遥感技术，不受气候和昼夜影响，能够全天候全天时工作，并具有多极化、视角可变、有穿透性的特点。目前SAR已广泛应用于军事侦察、地质普查、地形测绘和制图、灾情预报、海洋应用、科学研究等领域，具有广阔的研究和应用前景。未来的电子战系统必须工作在射频环境下来提供各层次的电子战防御，能够提供威胁鉴别和快速反应措施来对抗各种武器2。合成孔径雷达或逆合成孔径雷达（INVERSESYNTHETICAPERTURERADAR,ISAR）的成像技术为武器发射的目标确定和发射后的信息获取提供了技术支
13、持3。同时导弹的末端导航也是使用来自导弹自身的SAR系统，使导弹能够有效地对目标进行精确打击。为了避免遭受精确打击，军工工程师可以使用包括反识别、反目标的电子对抗技术。本论文介绍的就是其中的反识别对抗。反识别对抗技术使用假目标图像合成出一个虚假的目标回波，使得敌方SAR雷达获得一个虚假的目标图像，从而达到干扰敌方的目的。本文所阐述的系统就是这样一个能够由图像来模拟出SAR回波的数字系统。12国内外发展概况20世纪50年代末和60年代初研制的第一批合成孔径雷达系统采用光学信号处理器4。光学处理器可以产生高质量的地图，而且处理速度极快。但是迄今为止，输入和输出不得不用照相来记录。这种要求造成在处理
14、过程中时间滞后，而且使设备笨重且体积庞大。此外，由于光学设备必须精确调整，对振动敏感，安装在飞机上可能带来问题。因此在许多机载和所有星载应用中，是把雷达数据送回地面处理。20世纪70年代随着低成本高速固态集成电路的出现，信号处理板能被做得足够小。处理板能够被装入小型机载雷达，以数字方法实时地处理视频信号。这一进步大大扩展了合成孔径雷达的用途，除了解决速度和设备大小的问题外，数字处理还有极为精确和灵活的优点。雷达接收机接收到的视频信号被高速采样并存入大容量存储器内，信号处理板就能方便地对它进行处理以满足多种应用的需要。这样机载雷达就可以对感兴趣的区域进行测绘，获得详细的大比例地图，可以按要求方便
15、地提高或降低分辨率，并以各种不同格式显示地图。1978年美国发射了载有SAR的海洋卫星（SEASATA）5，向全世界展示了SAR获得高清晰度地表图像的能力。海洋卫星SAR工作在L波段、固定入射角、HH极化，其任务是检测全球表面波场和极地海冰的状态。现在正在使用的很多星载SAR都是基于SEASAT的系统结构。近期欧洲在2002年发射了能够提供高质量数据的第三颗SAR卫星6，在ERS1和ERS2的基础上增加了双极化模式、宽测绘带模式和SCANSAR模式。本科毕业设计说明书（论文）第3页共35页3还有一些在2005年左右发射的新的SAR卫星系统，包括加拿大的RADARSAT2（C波段）、欧洲的TER
16、RASARX（X波段）和日本的ALOS/PALSAR（L波段）。我国的合成孔径雷达研究起步于20世纪70年代中期7。中国科学院电子所建立了第一个以合成孔径雷达为主要研究方向的研究室，1979年获得我国第一批合成孔径雷达图像。在机载SAR方面，电子所实现了从单一波段到L、S、X和KU波段的系列发展。在星载SAR方面，2002年正式启动了环境与灾害监测小卫星星座雷达卫星HJ1C项目。近期中航607所研制成功了FALCON100型SAR/GMTI机载雷达。FALCON100型是一部高性能合成孔径雷达，用于全天候/全天时条件下的空地情报侦察监视、环境监测、灾害评估，可装备有人机或无人机。中国电子科技集
17、团公司第十四研究所研制的机载二维合成孔径雷达KLC9型，分辨率达到05M，处于国内领先水平，达到国际20世纪90年代末期水平。随着SAR成像技术的发展，SAR的回波模拟仿真技术已经成为研究SAR的重要方面和途径。关于回波模拟，国内外目前的研究大致分为两种情况8，一种是通过数字高程模块（DIGITALELEVATIONMODEL,DEM）模拟真实反射场景的三维地物结构，构造目标模型（主要是模拟雷达目标后向散射系数）来模拟雷达回波数据，可以称它为几何模型方法。此方法可以真实地模拟三维场景以及雷达图像特有的几何畸变现象，运用比较广泛，模拟的回波更加真实可靠。另一种是利用已有相近波段的雷达图像或光学图
18、片计算后向散射系数，进而模拟雷达回波，称之为灰度模型方法9。此方法虽然不能模拟雷达图像特有的几何畸变现象，但是可以作为几何模型方法的参考。比较以上两种方法，可以看出第一种方法需要消耗更多的硬件资源。考虑到硬件可实现性，本文主要研究第二种方法，即灰度模型方法。而在回波产生上有两种方法基于点目标的时域法，以及利用系统传递函数的二维频域法。第一种基于点目标的时域方法更加精确，但是，如果仿真区域很大的话，第一种时域仿真方法可实现性很低，因为时域法需要对图像中的每个点进行时域累加，不能满足实时性处理的要求。频域法实现更加可靠。目前国内在SAR回波仿真方面的研究落后于国外，主要有西安电子科技大学和北京理工
19、大学等高校在进行回波仿真的研究。实时SAR回波模拟器对硬件处理能力和数据吞吐量要求很高，需要高速并行处理板。西安电子科技大学雷达信号处理实验室2010年研制的回波信号处理板10选用了ALTERA公司STRATIXII系列的FPGA（EP2S90F1020I4）作为处理芯片。每块板卡包含4片FPGA作为主处理单元，每片FPGA都外接了1GB的DDRSDRAM。为实现FPGA之间的通信，FPGA之间通过高速低压差分信号（LOWVOLTAGEDIFFERENTIALSIGNAL,LVDS）两两互连。雷达信号带宽为100MHZ，所成图像的分辨率都只有米级。北京理工大学本科毕业设计说明书（论文）第4页共
20、35页42010年研制的信号处理系统11包括了5块T2FP6U板，每块板上有4个ADITS201处理单元。TS201的32BIT浮点处理速度为36GFLOPS（FLOATINGPOINTOPERATIONSPERSECOND,FLOPS），每块板上拥有144GFLOPS，两块板连接共享2GBSDRAM，板间传输拥有600MB/S的传输带宽。13研究平台在硬件实现时考虑到雷达信号实时处理的数据量庞大的特点，FPGA平台成为最好的选择12。硬件设计充分利用超大规模集成电路VERYLARGESCALEINTEGRATION，VLSI设计中的流水线技术与并行阵列技术，以及FPGA中内置的丰富资源。FP
21、GA是在一片集成电路（INTEGRATEDCIRCUIT,IC）上集成了由相同的逻辑单元组成的阵列和可编程连接模块。设计者可以通过对每一个逻辑单元及其连接进行编程来实现各种运算，就好像一个电路实验板被放进了一个芯片里。FPGA根本上改变了原型的设计方法。FPGA可重构编程的灵活性增强了设计的过程。与传统门阵列和掩膜可编程门阵列（MASKPROGRAMMABLEGATEARRAY,MPGA）相比，FPGA具有很多优点。传统门阵列可以用来设计任何电路，但是只能在工厂中一次性编程，而且还需要针对该电路的特定掩膜。因此，设计一块基于门阵列的IC需要几个月。FPGA是标准通用器件。如果设计人员用FPGA
22、代替MPGA，则设计时间将从几个月缩短至几小时，并且使设计的反复修改更加容易，显著地缩短了从设计到投放市场的时间。FPGA使设计纠错过程更加简单，从而减少了错误修改和设计指标变更的花费。小容量FPGA比MPGA要便宜，原型的费用也减少了。早期FPGA只是具有中低复杂度，集成了可编程I/O和接口的逻辑模块，现在FPGA门阵列非常多，可达百万门。它的可编程逻辑模块（CONFIGURABLELOGICBLOCK,CLB）中的逻辑门可多可少，功能可大可小，差异很大，非常灵活。而且，FPGA生产厂商开始把专用乘法器、专用存储器、数字信号处理器（DIGITALSIGNALPROCESSOR,DSP）、A/
23、D转换器等专用器件引入到FPGA中。这些专用器件的使用增加了FPGA的通用功能。雷达信号处理是一项具有高复杂度的任务，为了满足各项性能要求项目选用了XILINX公司的VIRTEX5系列芯片。VIRTEX5系列芯片在FPGA市场提供了最强大的性能，采用了第二代基于列的高级硅模块结构，系列中包括了五个独特的平台。在高效能的逻辑构造上，VIRTEX5FPGA内置了许多系统级硬IP核，包括36KB块RAM，第二代25BIT18BITDSP单元，带有内建数字控制阻抗的SELECTIO技术，增强的时钟管理单元和锁相环时钟产生器。这些特性允许使用者在基于FPGA系统中创建更高级的功能。本科毕业设计说明书（论
24、文）第5页共35页5本项目的数字设计主要使用芯片中的DSP48E运算单元。增强的DSP48E提高了应用效率，降低了整体功耗，提高了最大运行频率，并具有高可靠性。DSP48E提供很多独立的功能，包括三输入加法、乘法、乘法累加、乘法加、桶形移位、宽总线多路复用。另外VIRTEX5系列芯片支持级联多个DSP48E形成更加复杂的算术运算。14论文的主要结构第一章绪论，介绍了SAR的原理，成像技术以及发展历史，以及与SAR有关的回波信号仿真技术的发展概况和优缺点。通过对文献的总结与归纳，说明了本课题的研究背景与实际应用价值。第二章成像原理，首先叙述了雷达发射信号，即线性调频脉冲的波形及特点，然后阐述了S
25、AR的几种经典的成像算法和脉冲压缩技术，解释了SAR能在距离向和方位向都获得高分辨率的本质。第三章回波信号建模与仿真，根据电磁波在大气中的传播特性，对SAR回波的幅度和相位特性进行数学建模，得出数学表达式，同时利用MATLAB对建立的模型进行仿真，以验证模型的正确性。第四章SAR回波合成器介绍了上一章建立的回波合成的模型的硬件实现方法，使用FPGA作为主处理芯片。根据回波信号运算量巨大的特点，利用数字抽头延时线来实现时域卷积，以方便工程实际应用。2成像原理SAR雷达回波仿真是SAR雷达成像的逆过程，在研究回波仿真之前，先对SAR雷达的成像原理进行分析，有助于更好的理解SAR回波仿真的过程。机载
26、SAR雷达在飞行过程中，由发射机不断的向需要进行地形测绘的区域发射线性调频脉冲。被测绘的地面区域可以看作由大量的点目标构成。每个点目标对雷达发射脉冲来说都相当于是一个调制器。每个点目标对电磁波的反射能力不一样，因此，回波脉冲会有幅度上的区别。同时，每个点目标和雷达间的距离也不尽相同，因此，回波脉冲与发射脉冲相比会有相位上的区别。相当于是点目标对接收到的雷达脉冲进行了一次调制，然后返回雷达接收机。接收机在接收到回波脉冲以后从其中获取幅度和相位信息，并进行成像。SAR的成像算法有多种，比较经典的有距离多普勒（RANGEDOPPLER）算法，CHIRPSCALING算法，WAVENUMBERDOMA
27、IN算法等。其中最成熟，最常用的是RANGEDOPPLER算法13。本论文以RANGEDOPPLER算法为例分析SAR雷达的成像过程。本科毕业设计说明书（论文）第6页共35页6SAR在距离向上采用脉冲压缩技术实现高分辨处理,在方位向上则是通过处理由雷达与目标之间的相对运动产生的多普勒相位历程来合成远大于实际雷达尺寸的合成孔径,因而能够得到目标的二维高分辨图像。但由于存在距离徙动现象,SAR成像处理实际上是一个二维的移变相关过程。RANGEDOPPLER算法通过距离徙动校正，把成像处理分解成两个一维的处理过程,在距离上采用传统的匹配滤波处理。在方位处理时,把多普勒相位历程近似为它的二阶泰勒展开,
28、从而采用一个与距离向处理相似的匹配滤波器就可以完成方位向处理。21线性调频脉冲成像雷达如果要在保持高的距离分辨率的同时获得大的探测距离，那么必须发射高峰值功率的窄脉冲。但是实际情况下，所能利用的峰值功率电平是有限的。因此，在峰值功率电平有限的情况下，为了保证足够的探测距离，发射机发射脉冲的宽度要相当宽。假设发射脉冲的宽度为，则雷达的距离分辨率为21脉冲宽度增大以后，距离分辨率会随之下降。一般的解决方案就是对脉冲进行脉冲压缩处理。即发射足够宽的调制脉冲信号，保证在一定的峰值功率电平上提供足够的平均功率，然后，使用滤波器对回波脉冲进行压缩，处理为窄脉冲。早期雷达所采用的信号是最简单的单载频矩形脉冲
29、信号，这种信号用于雷达以后，测距精度和距离分辨力同测速精度和速度距离分辨力以及作用距离之间存在着不可克服的矛盾。为了解决这个矛盾，也是为了反雷达侦察的需要，人们开始研究复杂调制的雷达信号。最早获得实际应用的是线性调频脉冲信号，随后相继出现了频率编码、非线性调频、相位编码和相参脉冲串等大时宽带宽信号。SAR雷达的发射信号一般为线性调频脉冲。线性调频脉冲信号具有大的时宽带宽积，它解决了检测能力、距离分辨能力和测距精度之间的矛盾，因为决定这三个性能的参量可独立选取，同时也增强了系统的抗干扰能力；由于信号时宽大，发射机的平均功率得到了充分的利用，提高了发现目标的能力。但是线性调频脉冲信号也有一些问题，
30、首先信号的时宽大，因此雷达的最小作用距离增加。其次，处理系统输出相应存在不理想的旁瓣，需要加权处理抑制旁瓣。另外，距离和速度存在一定的测量模糊。总的来说，优点是主要的，随着数字技术在雷达中的应用，线性调频脉冲信号的应用越来越广泛，处理起来也越来越容易。线性调频脉冲串可以使用数字方法来产生。使用数字方式可以实现多种波形的捷变，还可以实现幅相补偿以提高波形的质量，具有良好的一致性和灵活性，加上数字电路的稳定性和可靠性，数字方式产生波形的方法应用的越来越广泛。数字方式有多种实现方法，以正交解调法为例阐述。本科毕业设计说明书（论文）第7页共35页7图21正交解调法原理框图如图21所示，I,Q两路数字基
31、带信号预先存放在ROM中，逻辑控制模块在时钟作用下产生地址和控制信号，送到ROM中寻址，ROM输出I,Q两路数字基带信号，通过DAC和低通滤波器，变成I,Q两路模拟基带信号，然后由模拟正交调制器将其调制到中频载波上。线性调频脉冲波形如图22所示，发射的线性调频脉冲表达式如式22图22线性调频脉冲信号的实部22其中是信号的相位，为时间变量，为信号载频，是线性调频的斜率。为矩形窗函数。22匹配滤波器1943年诺思NORTH提出匹配滤波器理论，大大推动了雷达目标检测能力的提高14。雷达发射的信号本身不包含任何信息，它只是信息运载的工具。当信号遇到目标时，目标就对这个信号进行调制，并将其反射，目标的全
32、部信息就存在于这个回波当中。设雷达发射线性调频脉冲串，在距离R处将遇到一个目标，并本科毕业设计说明书（论文）第8页共35页8散射回接收机，时延为。理想状况下，在过程中只有脉冲幅度的变化，那么接收机的输入为，其中是幅度增益，则是发射的线性调频脉冲信号，是噪声源，在这里不妨设为白噪声。假设接收机的传递函数为,在指定的距离处设置了目标，希望在时刻时，接收机输出功率足够高，即获得最大的信噪比。满足这样条件的滤波器被称为匹配滤波器。匹配滤波器的冲击响应函数为23从式中可以明显看出，匹配滤波器的冲击响应，与发射信号波形有着密切的关系。这样一个匹配滤波器的输出为输入信号与其冲击响应的时域卷积，即24将时域卷
33、积转换为频域相乘，再进行傅立叶逆变换，可得匹配滤波器的输出表达式25式25所表示的是一个以时延为中心，时间宽度为1/B的信号，具有的形式。B为原始信号带宽。由此可见，经过匹配滤波器之后的脉冲被压缩了。22距离向压缩对回波脉冲的距离向压缩处理有两种方式模拟方式和数字方式。模拟方式的原理是将接收到的回波脉冲通过一个匹配滤波器，该滤波器对通过它的信号波形进行延迟，高频信号对应小的延迟量，低频信号对应大的延迟，如图23所示。滤波器的系统传递函数为式26。滤波效果是使脉冲的头部赶上尾部，输出一个新的脉冲，幅度比输入时的幅度大，宽度窄。它的效果实际上就是均衡了线性扫频的斜率。26图23模拟脉冲压缩数字方式
34、又分时域和频域两种方法。本科毕业设计说明书（论文）第9页共35页9时域法脉冲压缩滤波器的输出为输入信号与滤波器的脉冲响应的时域卷积，即27按上式27原理构建的脉冲压缩滤波器的结构如图24所示，使用有限冲击响应FINITEIMPULSERESPONSE,FIR滤波器实现，代表AD采样的间隔。FIR滤波器的阶数取决于时宽和采样频率的乘积。它是一种实时处理操作，每输入一个数据就可以输出一个数据，全部数据进入滤波器以后就得到脉压峰值，处理方法直观、简单，在采样频率和时宽不大的情况下比较合适。图24数字脉冲压缩时域法频域法在频域实现数字脉冲压缩处理，本质是先对线性调频脉冲数字信号进行快速傅立叶变换FAS
35、TFOURIERTRANSFORM,FFT求得回波信号频谱，再将其与匹配滤波器的频率响应在频域相乘，相乘的结果进行快速傅立叶反变换INVERSEFASTFOURIERTRANSFORM,IFFT得到结果。其处理流程图如图25所示。ROM中存放的是匹配滤波器的频率响应。频域法是一种数据块处理方法，在一个周期的雷达信号输入以后才能进行傅立叶变换操作，因此，最后的输出结果一般会延时若干个周期后输出。图25数字脉冲压缩频域法本科毕业设计说明书（论文）第10页共35页10本课题中的回波仿真的最后一步是进行成像验证，利用MATLAB模拟一个雷达的工作过程，对仿真出来的回波信号进行成像，并与原始图像进行比对
36、，对实时性要求不高，并且频域相乘法在MATLAB里实现简单，因此使用频域法。23方位向压缩经过距离向压缩后的点目标相应是一个线性调频信号,可以用与距离向压缩相似的压缩滤波器来处理它,从而完成方位向压缩处理。方位向压缩滤波器的传递函数为28其中，与距离向压缩所不同的是，距离压缩对所有距离分辨单元采用同一个参考函数，而方位向压缩处理时，不同距离分辨单元采用不同的参考函数。另外，方位向压缩和距离向压缩的处理速度也有所不同，一般来说，方位向压缩所需要的时间比距离向压缩所需要的时间长的多。24SAR图像与光学图像的区别SAR的成像质量是令人满意的，但是作为一个观察者，对场景进行分析的时候，更倾向于使用光
37、学照片。其中一个原因是，光学照片往往是彩色的，而SAR图像却是单色的，这源于SAR测量的是目标的标量反射系数。而且，一般来说，光学图片的分辨率会比SAR图像高，而且更加细腻。SAR图像一般会表现出一种颗粒状的斑点，常被称为“椒盐”噪声，这种现象是相干成像所特有的，而光学图片作为一种非相干处理方式，没有这样的斑点。其次，SAR图像和光学图像的成像波长不一致，同一个目标点对这两种电磁波的反射能力也不一样，在SAR图像上两个点的明暗关系很有可能在光学图像上刚好相反。SAR的优势在于它的全天候工作能力，这是光学图像处理所不具备的。光学图片白天和晚上的差异是很大的，夜晚由于没有太阳光线，光学图片往往是一
38、片漆黑；即便在白天，如果云层很厚的话，光学图片上也有可能出现被云层遮挡的区域。而SAR是一种主动发射电波成像的装置，不依靠太阳光线，而且电磁波可以以很小的衰减穿过云层等物质。因此SAR图像白天和夜晚成像的结果基本一致，在有云层遮挡的情况下也能较好的成像，提供全天候观测的能力。如图27所示，SAR成像图片中地表的结构清晰可见。本科毕业设计说明书（论文）第11页共35页11图26卫星航拍的光学图片上出现了云层的遮挡图27SAR成像图片3回波信号模型与MATLAB仿真SAR雷达在距离向发射线性调频脉冲信号，在方位向利用雷达天线随载机的运动产生的等效天线阵列对回波信号进行积累15。雷达接收机分别在距离
39、向和方位向进行匹配滤波，得到高分辨率的SAR图像。回波仿真，即为成像的逆过程，由已知的SAR图像或者光学图片，根据雷达参数，在距离向和方位向进行逆匹配处理得到回波信号。光学图片相对而言更容易获得，但是并不能完全的代替SAR本科毕业设计说明书（论文）第12页共35页12图像，如24节所述，二者成像的波长不一致，在光学图片上明亮的点并不一定在SAR图像上明亮。31SAR回波信号模型合成孔径雷达是一种特殊的雷达系统，其回波信号通常被表示为一个二维信号的形式。本文论述的模型基于机载SAR模型，雷达相对与地面做直线飞行，工作于正侧视状态。SAR的发射信号可以是线性调频脉冲或者是相位编码信号。这里以线性调
40、频脉冲为例。设每个发射脉冲都为实信号，31其中是矩形窗函数，函数宽度即为脉冲宽度。是线性调频信号的瞬时相位,。连续的脉冲信号组成的脉冲串为32其中为脉冲重复周期，是发射脉冲数。在任意时间，对于斜距为的点目标来说，其回波信号为33其中是方位向的雷达天线增益，是目标的雷达反射截面积（RADARCROSSSECTION,RCS），是光速。接收的回波信号经过正交解调以后，得到的复基带信号形式为34在脉冲重复周期内，雷达天线方位向增益函数和目标斜距相对于发射信号来说都是慢变函数，雷达回波信号可表示为二维回波形式，此时可以用慢时间变量和快时间变量代替一维时间变量，慢时间变量和快时间变量分别对应着方位向和距
41、离向脉冲内时间变量。这样，使得回波由一维形式变为二维形式，以分别说明距离向和方位向对回波的影响。令,，其中为最小回波延迟时间，由雷达到目标的最小斜距决定。因此，对于单个目标而言，式34可以改写为35相应地，二维回波形式可写为本科毕业设计说明书（论文）第13页共35页1336令，其中X表示了时刻雷达的方位向位置，表示对应快时间变量的斜距方向上的空间位置。为雷达平台运动速度。于是，某一个点目标的回波信号可表示为37在式37中，幅度项表示了回波信号在方位和距离之间的耦合关系，形成了SAR雷达特有的距离徙动现象。距离延迟函数使方位向上的多个回波脉冲信号包络的距离延迟出现弯曲而形成距离徙动。是多普勒相位
42、项，距离延迟函数构成了目标回波方位向相位历程函数。是基带发射信号的延迟。特别的，当时，回波信号为雷达系统的脉冲响应函数，即38对于分布目标，回波信号是各个点目标回波的矢量叠加。回波表达式为39其中是输入的方位和斜距坐标，是输出方位坐标和斜距坐标。以上的模型从数学上解释了合成孔径雷达回波的特点，以及各个相位项之间的内在联系。基本工作步骤是接收一个脉冲的雷达信号，计算每个分辨单元在每个雷达位置的实时入射角和实时斜距，入射角和斜距用来估计从分辨单元返回到雷达的信号幅度、斜距产生的相位和多普勒频移带来的相位。根据幅度和相位信息生成系统脉冲响应函数。通过接收到的雷达信号和系统脉冲响应函数的卷积产生回波，
43、每个目标都要计算距离徙动偏移量，并对其实际的距离门进行判断。这样的运算过程对于较大的成像场景来说，SAR回波信号仿真的运算量将会十分巨大。32同心圆回波仿真算法为了有效的减小运算量，快速生成回波，考虑到距离雷达相同斜距的点位于同一个距离单元，本文提出一种相对快速的回波算法。在这里不妨设天线的增益为1，即由式22可知，线性调频信号的相位项为310其中是线性调频信号的调频率，表征频率变化的快慢。这里我们考虑一个有个像素的场景图像，把它分成若干个间距为的同心圆。记雷达平台在整个运动过程中到场景的最大距离为，最小距离为，同心圆数量为本科毕业设计说明书（论文）第14页共35页14311其中为同心圆数量，
44、为向下取整操作。同心圆划分数量越多，回波生成就越精确，但是运算量也越大。如果记图像中坐标的点目标的斜距为，那么有如下不等式成立312其中是第一个同心圆的距离，式312表明，每一个点目标有且只有一个同心圆的归属。对于第个距离圆内的所有点而言，在累加时都被归入第个同心圆进行累加。第个同心圆的散射系数可表示为313个点到第个同心圆的偏移量。为了表示方便，我们记，即314替换式36可得回波信号表达式为315注意到基带相位项和多普勒相位项都只与快时间变量有关，对式315进行改写有316式中为时域卷积运算。为冲击响应函数。由此式可以看出，卷积的第一项来自于基带发射信号，卷积的第二项来自于每个点目标对发射信
45、号的调制。回波信号就是这两者的时域卷积。33仿真步骤本科毕业设计说明书（论文）第15页共35页15图31MATLAB仿真流程图1天线接收雷达发射信号以后分析雷达平台的参数，其中包括雷达平台的速度，高度，工作频率，脉冲重复周期，脉冲持续时间，天线波束宽度，合成孔径时间，合成孔径长度。在本论文中，为了简化问题，略去这些参数的获取过程，在仿真过程中，这些参数是已知的。2根据已知参数确定需要仿真的目标区域范围。灰度图像的二进制灰度值作为该点目标的后向反射系数。3遍历雷达平台在整个回波过程中的每一个位置，计算目标区域到雷达平台的距离范围，按照给定的同心圆间隔划分目标区域。4在完成同心圆的划分以后，开始进
46、行回波的生成。考察那些能被雷达波束照射到的点的斜距，然后计算相位，由相位值查表计算得到同相正交两路信号。再与对应的点目标的灰度值相乘，乘法的结果对应到各个同心圆中进行累加操作。5重复34步骤直至遍历雷达平台的每一个位置，将累加的结果和基带雷达信号序列进行卷积，即完成了回波生成。MATLAB仿真流程图如图31所示。34MATLAB仿真结果本科毕业设计说明书（论文）第16页共35页16为了验证上述算法的可行性，按照上述步骤编写MATLAB程序，输入一个任意的100100像素点的灰度图，在生成回波以后用距离多普勒算法对回波进行成像。成像结果如图所示。算法验证时使用的参数如下所示。表31仿真参数参数值
47、参数值载频GHZ1距离向分辨率5脉冲重复频率HZ96方位向分辨率5飞行速度VM/S200测绘带中心距离3000脉冲宽度6采样频率MHZ60带宽BMHZ30发射脉冲数289测绘带长度495合成孔径时间540测绘带宽度M495合成孔径长度LM108单个脉冲采样点数576图32原始灰度图像本科毕业设计说明书（论文）第17页共35页17图33RANGEDOPPLER算法成像后的图像4SAR回波信号合成器的FPGA实现现如今算法的复杂度增加的速度比芯片性能的提高来的更快16。使用FPGA可以很好的弥补硬件的性能与算法的资源消耗之间的差距。FPGA是作为专用集成电路（APPLICATIONSPECIFIC
48、INTEGRATEDCIRCUIT,ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。它兼容了复杂可编程逻辑器件（COMPLEXPROGRAMMABLELOGICDEVICE,CPLD）和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC相比，它又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产一般在10,000件以下之中。几乎所有应用门阵列、CPLD和
49、中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA。它是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。目前FPGA的主要生产厂家有XILINX和ALTERA等几家。其中XILINX公司的VIRTEX芯片相较于ALTERA公司的STRATIX芯片在性能上有明显的优势，资源更丰富，速度更快，因此本课题中使用XILINX公司的VIRTEX5系列芯片。在上一部分的仿真中已经基本确定了合成回波信号的思路，就是将目标的响应函数（即目标对发射信号的调制）与接收到的基带雷达信号的卷
50、积。由于考虑到回波信号的运算量巨大，因此，FPGA的实现流程上与MATLAB仿真流程有一本科毕业设计说明书（论文）第18页共35页18定的不同。首先，前面推导的数学公式都是模拟信号，而硬件实现中用的是数字方法，并且，需要针对雷达信号的特点采用数字化同相正交两路处理。其次，时域卷积的实现方法上也有一定的差异。在MATLAB中时域卷积使用CONV函数实现，只有一行代码；在FPGA的硬件中，显然不能用简单的一行代码来实现。时域卷积可以在时域或者频域完成。由于SAR成像需要极大的信号带宽，就需要有很高的采样频率，这样采样下来的序列长度使得快速傅立叶变换的硬件实现变得极为困难，因此使用时域处理的方法。4
