弹载SAR 预处理存储系统研究

张 猛，高 静，全英汇

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009;2.西安电子科技大学，西安 710126)

0 引言

合成孔径雷达(简称SAR）是一种具有二维高分辨率成像能力的雷达系统，在军事和民用领域有着广泛的应用。SAR 作为一种主动式微波有源系统，通过波束辐照地物，能够实现全天时、全天候、远距离的对地观察，获得大面积的高分辨率雷达图像。随着星载和机载SAR 在战场侦察、目标识别、地形测绘、海洋观测、灾情预报、农作物评估、天体观测等方面取得的成功应用，弹载SAR的研究也越来越被重视，成为SAR技术应用的又一重要方面［1］。由于在实际工程应用中弹载SAR信号处理系统工作条件特殊，成像算法复杂，对硬件平台的处理速度、存储速度、存储容量等都有很高的要求。针对这一要求，本文提出一种以FPGA为核心的预处理存储系统，能够实现快速数据处理及大容量高速度的数据存储，并具有回放功能，在脱机条件下实现成像功能。

1 预处理存储整体设计

在SAR信号处理方案中，一般采用两种结构，一种是以DSP为主的信号处理方案，另一种是以FPGA为主的信号处理技术。

用DSP 进行信号处理的优势是基于软件编程(C/汇编）实现，修改容易，适合于实现复杂的信号处理算法。但是，DSP 是基于串行结构实现的，所以其瓶颈在于运算能力有限，对于运算量巨大的SAR 成像算法一般需要多片DSP、多块板卡并行处理实现，这在空间十分宝贵的弹载条件下往往不太适合。而且，当选用高端的DSP时，如业界浮点能力最强的ADI 公司的TS201，其功耗相当大，需加散热措施，否则长时间工作后DSP 可能出现异常。这个问题可通过传导、风冷来解决。

以FPGA为主的信号处理技术能大大提高系统的信号处理能力，其优势是基于硬件电路，并行结构实现，高端的FPGA 集成了大量的存储模块、乘法器、加法器，而且集成了丰富的存储器接口以及通信接口，非常适合于大运算量的场合，如实现SAR算法(典型运算如FFT、乘加等运算）。FPGA的功耗是与设计的硬件电路有关的。一般来讲，资源用的越多功耗会越大，但是在实现同等任务之下，其功耗比DSP 要小得多［2-3］。

综合考虑功耗、弹载空间、散热及实时处理能力等方面，在本系统中采用以FPGA为主的信号处理方案。系统框图如图1所示。

图1 系统结构图

根据信号处理流程，可分为预处理存储和信息处理两部分。预处理存储部分采集芯片选用的是ADI公司的AD9626 对雷达回波信号进行采样。该芯片单通道的最高采样速度达到250 MHz，采样位数为12位;FPGA 选 用 Altera 公 司的 Stratix II 系 列EP2S90F1020I4N 芯片，将采样数据进行降采样滤波、场景截取、脉冲压缩等处理，并将处理结果分发到DSP中;同时，对AD 采样的原始数据送入FLASH中进行存储，便于保存数据，作深一步的算法研究;另外，还定义了接收惯导信息的RS422 接口、与上位机通信的USB 接口及FPGA 下载调试用JTAG 接口等。信息处理部分，其DSP 选用两片ADI 公司的TS101 芯片方位向脉压及后续Dechirp算法，完成实时成像［4-5］。

2 FPGA 系统功能

作为强大的并行处理可编程器件，FPGA 在本系统中完成了降采样滤波、距离向脉冲压缩、FLASH 存储控制、惯性导航参数接收解算等功能，其主要工作结构如图2所示。

图2 FPGA 系统功能结构图

系统接收2 路带宽为25 MHz的正交I，Q雷达回波信号，采样率为100 MB/s，系统重频为2 kHz，这样每个重频周期的采样点数为1006*500－6=50000 点。采样数据送入FPGA 之后，首先进行2 倍滤波抽取，每个重频的采样点数也减少为25000 点。同时，也将AD输出的12 bit 数据通过高位补零方式，将位宽扩展为16 bit，再通过去均值运算将无符号数据转换为有符号数，适应后续信号处理运算的需要。其次，因为在每个重频开头时信号不稳定及重频结束时有其他回程信号的干扰，所以舍掉开头和结尾4308 点采样数据，截取每个重频数据中间部分的16384 点，这也是和后续脉冲压缩点数需要2的整次幂相关。最后，对16384 点做FFT，通过匹配滤波器、加汉明窗等操作完成距离向的脉冲压缩。系统根据惯导参数计算出场景中心位置，以其为中心截取2048 点长度的距离向场景信息，在满足算法要求的基础上再一次降低数据量，并将处理结果存入DSP的外部存储器，供DSP 进行读取，完成后续算法。同时，将转换为16 位的AD 数据存入FLASH 阵列中，实现原始数据存储。当系统试验完毕后，通过上位机发出回放指令，将FLASH中的数据读入FPGA中，进行数据处理，可以实现脱机成像，方便后续算法的深入研究。

2.1 脉冲压缩

在雷达信号处理中，脉冲压缩技术解决了测距精度和距离分辨力、测速精度和速度分辨力以及作用距离之间存在的不可调和的矛盾。在工程应用中，一般是将线性调频脉冲信号通过匹配滤波来实现［6-7］。设信号带宽为B，脉宽为τ，幅度为A，则调频斜率为

时宽带宽积为

线性调频信号的频率特性可表示为

式中K为比例常数，使幅频特性归一化。在D≫1时，线性调频信号通过匹配滤波器的输出的信号为

匹配滤波器的输出信号的包络可以表示为

脉冲压缩模块在FPGA中实现所占用的资源及运算时间如表1所示。

从表1中可以看出，运算时间是390.4 μs，系统的重频周期为500 μs，在下一个重频的数据达到之前有充足的时间完成上次重频数据的运算。

2.2 存储功能

存储功能由FLASH 存储阵列和FPGA 存储控制模块两部分组成，下面进行简要介绍。

表1 FFT 内核资源和时间占用情况

2.2.1 存储单元

存储部分采用 32 片 SAMSUNG 公司的K9WBG08U1M 型芯片搭建了一个总存储容量128GB的固态FLASH 存储阵列，稳定运行的数据率达到在160 MB/s。根据芯片资料，单片K9WBG08U1M 型芯片的位宽为8 bit，其单片存储容量为4 GB，内部由两个2 GB 存储容量的小芯片组成，每一个小片由8192个块组成，每块分为64 页，每页又细分为4096*8 bit的存储区和128*8 bit的空闲区。该存储阵列由32块芯片组成，每8 块芯片采用并行操作进行位宽拓展，总存储容量可达128 GB，其实现结构如图3所示。

图3 FLASH 存储阵列结构

存储阵列要根据FPGA中阵列管理器发出的操作命令的不同完成不同操作，包括读数据、读无效块信息、页编程、块擦除等。芯片执行具体操作的时间也有所不同，而这正是考虑采用怎样的芯片组合来实现存储阵列的关键。根据芯片资料，最短25 ns 可以写入一个字节。因此，芯片接口的写入速度最高可达40 MB/s，最短页编程时间为102.4 μs。另外，芯片快速写周期的页编程典型值为200 μs，最大值为700 μs，块擦除时间为1.5 ms。上述页编程时间与存储速度运算关系为:以页编程典型值200 μs为例，每页容量为4096*8 bit，其典型存储速度为4096*8 bit/200 μs=20.48 MB/s。为减小数据在存储过程中的出错概率，通常将存储速度控制在典型页编程速度以内。

考虑到系统采样率、存储过程中地址与数据切换时间及接口的最高写入速度，以接口速度160 MB/s 进行设计。由于两路采样数据均是16 bit 位宽的，单片K9WBG08U1M 是8 bit 位宽，采用8 片并行操作的方法来进行位宽拓展将数据位宽变为8*8=64 bit。存储过程中，通过FIFO 控制时序，每两组IQ 数据进行一次存储操作，按照160MB/s 接口速度进行存储，每个FLASH 芯片所分担的速度为160 MB/s/8=20 MB/s。相对于K9WAG08U1M 芯片接口的最高写入速度(40 MB/s）和典型写入速度(20.48 MB/s），这样的设计目标完全可以满足。

2.2.2 存储控制模块

该系统的存储控制模块是在FPGA中实现，根据系统需要，分别对FLASH 进行读坏块信息、写操作、读操作、擦除操作等［8］。FPGA 通过FIFO、状态机首先送入操作命令，然后送入地址指令，最后就是根据操作的不同，读取数据或者写入数据，具体操作时序请参考该芯片资料。需要注意的是，无效块信息在擦除的时候也是能被擦掉的，所以系统必须要能识别无效块，保证无效块信息的完整，特别是要注意擦除操作。这里给出存储操作及坏块列表更新简要流程，如图4所示。

图4 存储操作及坏块列表更新简要流程

3 结束语

针对弹载条件下SAR 系统的高处理速度、高数据存储率、大容量存储等要求，本文提出了一种基于FPGA的弹载SAR 预处理存储系统。该系统采用以FPGA为主处理器的处理方案，完成降采样滤波、距离向脉冲压缩、场景截取、数据分发、FLASH 读写控制等功能，资源占用率仅为40%，功耗约为0.78 W，最终能够实现5 幅/s的实时成像速度，相比DSP为主处理器的方案具有显著优势。另外，该系统能够实现16 位数据128 GB的大容量存储，稳定运行的数据率达到在160 MB/s，能够进行脱机工作，为成像算法作深一步研究有重要的意义。

［1］秦玉亮，王建涛，王宏强，等.弹载合成孔径雷达技术研究综述［J］.信号处理，2009，25(4）:630-634.

［2］苏涛，何学辉，吕林夏，等.实时信号处理系统设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2006.

［3］周振安，范良龙，王秀英，等.数据采集系统的设计与实践［M］.北京:地震出版社，2005.

［4］肖忠祥.数据采集原理［M］.西安:西北工业大学出版社，2007.

［5］马明建.数据采集与处理技术［M］.西安:西安交通大学出版社，2005.

［6］保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术〔M〕.北京:电子工业出版社，2005.

［7］Merrill I.Skolnik.Radar Handbook［M］.2nd Edition.北京:电子工业出版社，2003.

［8］汪志刚，吕幼新.基于FPGA和SMT387的SAR数据采集与存储系统［J］.电子设计工程，2010，18(7）:167-169，172.