论文总字数：21031字

目 录

1 绪论 1

1.1论文研究背景和意义 1

1.2 SAR雷达的发展 1

1.3本文研究内容与结构安排 2

2 SAR雷达理论知识 3

2.1 合成孔径基本模型 3

2.2 脉冲压缩原理 4

2.2.1 脉冲压缩理论与仿真 5

2.2.2 距离压缩处理 6

2.2.3 时域方位处理 7

2.3 实时成像高分辨率实现 7

2.3.1 距离向高分辨率实现 8

2.3.2 方位向高分辨率实现 8

2.4 具体实时成像处理算法及matlab仿真 9

3 SAR成像系统硬件介绍 11

3.1 总体方案设计 11

3.1.1 系统参数指标 12

3.1.2 系统总体方案介绍 12

3.2 外围电路设计 13

3.2.1 数据采集模块 13

3.2.2 相关接口简介 13

3.3 FPGA硬件电路 15

4 SAR成像系统主要模块FPGA的程序设计与仿真 16

4.1 仿真软件ISE 16

4.2 距离向脉压处理 17

4.2.1 FFT模块实现 17

4.2.2 复乘模块实现 20

4.3转置存储模块实现 21

4.4方位向脉压处理 22

4.4.1 sinc插值模块实现 23

5 结论 26

参考文献 27

致 谢 28

基于FPGA的SAR实时成像系统设计

卓齐刚

,China

Abstract: Synthetic aperture radar (SAR) has characteristics such as high resolution,real-time,it is widely applied in various aspects,with advance of technical requirements,SAR real-time imaging system cannot run up to the technical standards.Firstly,basic theory of SAR imaging system is explained in the article,including simulations of pulse compression and Chirp Scaling (CS) algorithm by matlab, then basing on formulating scheme and understanging hardware of SAR imaging system,Verilog is used to complete FPGA programme of CS algorithm in ISE, realizing main modules is the main research of the article, thus preparing for the design of overall system.

Key words: synthetic aperture radar; CS algorithm; FPGA; module

1 绪论

1.1论文研究背景和意义

SAR雷达是一款主动式、性能较高的对地探测系统，具有高分辨率的特点，从而可以得到大范围的高分辨率遥感影像，相比于其他雷达探测目标，它具有不能超越的优势与长处，并且它不仅可以探测裸露在地表的物体，而且可以勘测浅层地下的物体与资源^[1]。早在二次世界大战时军队为了追踪监测恶劣天气和黑暗中的飞机和船只，雷达系统被创造发展起来。当科学家们认识到雷达的巨大作用后，不断的对雷达技术进行研究探索，但是在研究过程时中发现，普通雷达所能够探测的目标距离和成像的分辨率受到雷达天线的约束。后来威利通过实验测试发现多普勒频移（Dopper shift）可以提高目标方位分辨率，随之合成孔径雷达技术诞生。由于SAR雷达具有其他很多雷达没有的优点，因此SAR雷达技术正在迅速发展，目前已经在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘探、农作物产量估算、测绘与军事等方面运用，因为它拥有其他遥感手段难以发挥的作用，所以越来越受到世界各地的关注。

与其他雷达不同，SAR雷达是在匀速运动中向物体发射脉冲，然后通过在不同位置接收物体反射的脉冲完成对物体的探测。SAR雷达从距离和方位向对数据进行处理从而形成二维图像，为了实现距离向高分辨率，可以通过发射大频带宽度的脉冲，因为距离向分辨率与频带宽度成正比，另外要通过脉压处理使接收端接收窄脉冲；为了实现方位向高分辨率，可以通过增长雷达天线，因为方位向分辨率与天线长度成正比，但是过长的天线无法搭载在探测平台上，所以要通过合成孔径技术相干处理不同位置的回波从而等效为长天线。随着科学技术的发展与需求，当前大多数雷达都要对接收的数据进行实时处理，并且要将数据保存在成像系统内存中用于以后的实验探究。因为雷达的实时性对于各方面的应用都至关重要，所以近年来科学家们一直在努力研究出实时性强的雷达。如今随着科学技术的发展，SAR实时成像被广泛应用在无人机上，那么对SAR雷达的体积、重量、功耗、成本、分辨率、实时性等方面要求越来越高。微电子技术的快速发展为解决上述问题提供了有力支撑，高性能的FPGA门阵列芯片能够减少SAR的体积，减轻SAR的重量，降低SAR的功耗与成本，最重要的是能够提升成像分辨率以及解决SAR对数据处理的的实时性问题。那么本课题的研究意义就是通过了解SAR成像系统的理论知识，实现脉冲处理和CS算法的matlab仿真，在研究SAR雷达的高分辨率和实时性基础上制定成像系统总体方案，采用Verilog HDL硬件描述语言在ISE软件平台上完成成像系统主要模块的设计仿真，为开发出高性能成像系统做准备。

1.2 SAR雷达的发展

随着二战时期的技术发展和军事需求，在这个时候雷达应运而生，主要用来跟踪监测敌机和船只，之后随着信号处理和天线技术的成熟，使雷达技术能够得到更为深层的研究和更加普遍的使用。随着Dopper shift可以提升目标方位分辨率理论的提出，并且SAR雷达可以对数据进行距离向和方位向分别处理，科学家们发现SAR雷达能够探测显示物体的清晰二维图像。合成孔径雷达思想发展的起源就是通过信号分析技术来构造一个等效长天线。合成孔径雷达概念提出后，许多研究学者多次分析了这种原理的可行性，开始的时候合成孔径技术被军方所掌控，后来民用领域得到军方的技术以后，民用领域的遥感技术得到了长足发展，尤其在航空摄影方面，人们也开始在飞机和卫星上使用具有光学频带的数字扫描仪，进行大面积精密的地表图像的应用研究。在SAR雷达技术发展的起初时期，大多问题通过雷达搭载平台进行研究，直到美国的第一台SAR雷达飞行并得到第一张全聚焦图像，才宣布SAR雷达技术走向现实，走向旺盛^[2]。

在国际上，1978年美国成功完成第一颗携带SAR雷达的海洋卫星Seasat-A的研制与发射，这个海洋卫星工作在1-2GHz频率波段，采用HH极化方式，并且发射相同方向的电磁波脉冲。Seasat卫星向世界显示了SAR雷达能够得到高清地面图像的能力，它的发射加快了许多遥感领域技术的发展，如SAR数字处理器的应用研究。除了美国，其他国家也在对SAR进行探究，加拿大发射完雷达卫星1号后，在2001年又发射具有全极化测量能力的雷达卫星2号。1999年，欧洲航空局发射了能够工作在同极化和交叉极化两种模式的ASAR，之后在2002年又发射了包含干涉测量和扫描模式工作在L波段多极化的LightSAR。与此同时日本也发射了多极化、多工作模式的ALOS/PALSAR^[3]。

与国外相比，国内对SAR雷达的研究的起步时间晚很多，直到上世纪70年代末才开发出第一个模型，并且基于这个模型进行飞行实验得到第一幅SAR目标成像。虽然我国对SAR雷达技术的研究时间没有国外久，但是国内科学家们对此做出的努力使S合成孔径技术在我国迅猛发展，逐渐在各方面得到成熟的应用，特别是21世纪初研究出首台L/X波段雷达以及分辨率超高的SAR成像系统。

近些年数字处理呈现了许多优点：性能强、适应性好、容易移植等，随着信号处理技术和数字器件FPGA、信号处理器(DSP)专用集成电路（ASIC）的快速发展，人们逐渐开始使用这些数字器件来开发新型的SAR成像系统。

1.3本文研究内容与结构安排

本文的主要研究内容是：介绍SAR成像系统的基本原理，比较距离多普勒（RD）、CS和WK三种算法并重点分析CS算法以及实现它的matlab仿真，另外给出系统总体框架和系统参数需求，了解分析系统的硬件结构，最后完成成像系统主要模块的FPGA实现。

本论文的结构安排是：第一章简单介绍课题背景与现状；第二章介绍SAR成像系统基础理论，重点讨论CS算法的框架和matlab仿真；第三章了解成像系统的硬件平台与主要外围硬件模块；第四章简单介绍主要模块的理论，完成它们的FPGA时序仿真，并给出系统硬件调试的期望；第五章总结本文完成的工作以及需要改善的地方。

2 SAR雷达理论知识

2.1 合成孔径基本模型

为了能够清晰明了的理解SAR成像系统的基本理论，首先分析系统的简要几何模型。如图2.1所示，携带雷达的平台以恒定均匀的速度Vs在固定的轨道内沿直线运动，运动方向与波束方向垂直，并且此时雷达发射的波束正好向下指向平坦的地面。此时平台和地球之间的相对速度是Vst，从图2.1中的几何关系可知，相对于垂线的指向角γ就等于入射角η，即雷达脉冲方向与目标物体法线的夹角。SAR雷达通过发射电磁脉冲，电磁波到达目标物会形成回波脉冲，然后SAR雷达对回波信号进行采样以便对回波信号进行处理，从而获取实时图像。

从图2.2可知，可以看出天线高度Wa不仅决定了雷达波束的距离扩展地面成像区域带W_g，并且还决定了垂直波束宽度，其中波束宽度。如果R_m是雷达到成像中心的距离，那么

(2.1)

雷达的分辨率为从物体反射脉冲回波获取的物体成像中能够区分出来的最小实际距离。如果位于远离雷达附近的回波脉冲的前沿到达时间晚于雷达附近的回波脉冲的后沿到达时间，那么每个点上观测到的目标雷达回波时间就可以区分开。如果脉冲时间是，则可以分辨出来的最小间隔为

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