基于TS101的SAR回波信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)SAR系統(tǒng)的測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了一套基于DSP處理器TS101的SAR回波模擬器。該模擬器采用標(biāo)準(zhǔn)的CPCI 6U板。利用CPCI總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能夠根據(jù)目標(biāo)回波參數(shù)生成所需的SAR回波數(shù)據(jù)，并通過DSP的鏈路口輸出兩路正交回波信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明，該模擬器生成的回波信號(hào)質(zhì)量高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠滿足SAR系統(tǒng)測(cè)試的需求，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：SAR；回波信號(hào)模擬器；TS101；CPCI總線

0 引言
    合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種高分辨率微波成像雷達(dá)，可以全天候、全天時(shí)的利用微波照射獲得地面目標(biāo)的散射信息，是獲取地面信息的重要手段，因而在軍用和民用領(lǐng)域中都獲得了廣泛的應(yīng)用。合成孔徑雷達(dá)模擬技術(shù)是一種用模擬的方法來(lái)研究SAR的技術(shù)，在SAR的研究和研制工作中具有十分重要的作用。該技術(shù)能模擬出SAR的回波，用于SAR系統(tǒng)性能的檢驗(yàn)以及測(cè)試，并能評(píng)估各種成像算法，分析出建立在不同模型上的算法的有效性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多院校和科研機(jī)構(gòu)都投入了大量的人力和物力進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)模擬技術(shù)的研究。伴隨著SAR的研究與發(fā)展，與之相應(yīng)的模擬器研制也取得了豐碩成果。其中，在硬件上實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理是其關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于高分辨率、大測(cè)繪帶合成孔徑雷達(dá)模擬器來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量也是要面臨的另一個(gè)問題。針對(duì)合成孔徑雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理所要求的大數(shù)據(jù)吞吐能量、強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算能力，需要尋求一種基于高速數(shù)字電路的解決途徑。
    TS101是美國(guó)AD公司最新推出的TigerSHARC系列DSP芯片，采用DMA引擎，主要針對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用。TigerSHARC DSP有兩個(gè)獨(dú)立的32位處理器核，或者多指令多數(shù)據(jù)流(MIMD)結(jié)構(gòu)。每個(gè)處理單元都能在單周期執(zhí)行一次乘法，以及加法，對(duì)于300 MHz的ADSP TS101S，每個(gè)周期能產(chǎn)生6個(gè)FLOP，峰值處理器能力達(dá)到1800 MFLOPs。TigerSHARC為多種信號(hào)處理設(shè)計(jì)，提供了64位的共享系統(tǒng)總線和4個(gè)鏈路口。數(shù)據(jù)在外部總線上的傳輸率可以達(dá)到800 MB／s。此外，數(shù)據(jù)也可以通過鏈路口傳輸，每個(gè)鏈路口的傳輸率達(dá)到250 MB／s。整個(gè)TigerSHARC芯片的I／O帶寬達(dá)到1 800 MB／s。選用的實(shí)時(shí)信號(hào)處理板基于標(biāo)準(zhǔn)的CPCI總線，由4片TS101構(gòu)成共享總線的并行處理器，DSP之間采用鏈路口通信。板上內(nèi)存擴(kuò)展到了2 GB，滿足了SAR信號(hào)模擬器要求的大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)計(jì)算能力。

1 SAR回波模擬器的原理及實(shí)現(xiàn)
1．1 SAR回波信號(hào)模擬器的原理
    從上述高分辨率SAR模擬系統(tǒng)的技術(shù)分析可以看出，高分辨率模擬器設(shè)計(jì)必須解決速度和容量的問題。本文提出基于DSP的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，SAR回波模擬器的原理框圖如圖1所示。從原理框圖可以看出，本系統(tǒng)可分為四大部分：回波信號(hào)產(chǎn)生、D／A轉(zhuǎn)換、正交調(diào)制、上變頻。其中SAR回波信號(hào)產(chǎn)生是該系統(tǒng)的重要組成部分，利用CPU主板，可以通過連接顯示設(shè)備，利用人機(jī)界面，對(duì)各種場(chǎng)景參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)置，通過CPCI總線傳送至通用信號(hào)處理板上的DSP處理器，由DSP實(shí)時(shí)計(jì)算SAR回波脈沖，然后經(jīng)過D／A變換、正交調(diào)制和上變頻到接收機(jī)。

1．2 SAR回波信號(hào)模擬器的系統(tǒng)硬件組成
    SAR回波信號(hào)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的重點(diǎn)在于實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)，在實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型中，必須根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的高速DSP處理器完成系統(tǒng)要求的任務(wù)。實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)主要硬件由多塊DSP信號(hào)處理板卡、CPU主板、DAC板卡、標(biāo)準(zhǔn)CPCI機(jī)箱和電源、顯示監(jiān)視設(shè)備CRT等構(gòu)成。針對(duì)合成孔徑雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理所要求的大數(shù)據(jù)吞吐能量、強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算能力，決定選用美國(guó)AD公司的TS101芯片作為實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)的DSP處理芯片。綜合各種因素，最終選擇的DSP信號(hào)處理板卡如圖2所示。

    該板單板可以提供7．2 GFLOPs處理能力，2 GB的擴(kuò)展內(nèi)存；板卡形式是標(biāo)準(zhǔn)的CPCI 6U板卡，完全滿足SAR實(shí)時(shí)回波處理對(duì)實(shí)時(shí)處理能力和大內(nèi)存的需求。
1．3 SAR回波信號(hào)模擬器的算法流程
    實(shí)時(shí)SAR回波產(chǎn)生算法不同于事后處理算法，它必須在滿足指標(biāo)要求的情況下，充分滿足實(shí)時(shí)性的問題。算法的設(shè)計(jì)同時(shí)需要考慮到硬件的結(jié)構(gòu)，充分利用硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法。對(duì)于實(shí)時(shí)SAR回波產(chǎn)生算法還需要根據(jù)不同的平臺(tái)環(huán)境，要求合理選擇，簡(jiǎn)化和優(yōu)化算法，以便達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。在兼顧性能的基礎(chǔ)上，選擇了最合適的二維卷積回波產(chǎn)生算法，避免了繁雜的循環(huán)迭代。該算法流程圖如圖3所示。

2 SAR回波模擬器的系統(tǒng)仿真試驗(yàn)
2．1 應(yīng)用性能要求估算及系統(tǒng)運(yùn)算速度測(cè)試
    選定通用可編程實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)仿真了SAR回波信號(hào)產(chǎn)生算法。在1 m×1 m分辨率下，場(chǎng)景取8 192×4 096點(diǎn)，距離向取16 384點(diǎn)，方位向取4 096點(diǎn)。從雷達(dá)參數(shù)計(jì)算可以得到，方位向需處理的數(shù)據(jù)為2×4×8 192×4 096=256 MB。由此可以得到應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的要求為：原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)256 MB。選擇的通用可編程實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)單板內(nèi)存為2 GB，完全滿足需要。
    在明確了系統(tǒng)滿足性能要求后，需要驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足實(shí)時(shí)性的運(yùn)算速度要求。SAR雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生算法主要運(yùn)算是進(jìn)行FFT運(yùn)算，同肘在評(píng)估不同板卡性能的時(shí)候，F(xiàn)FT速度的比較也是衡量系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一。其速度如表1所示。運(yùn)行速度均為讀取程序運(yùn)行前后TS101片內(nèi)CCNT時(shí)鐘寄存器的差值，運(yùn)行3次，取均值的結(jié)果。對(duì)300 MHzTS101芯片來(lái)說(shuō)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為：周期數(shù)×3．3ns。

    為了驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)SAR信號(hào)產(chǎn)生算法整體運(yùn)算時(shí)間性能的評(píng)估，測(cè)試了一次完成的時(shí)間。SAR回波產(chǎn)生算法主要內(nèi)容：先距離向卷積、存儲(chǔ)，再方位向卷積。距離向按16 384點(diǎn)處理，方位向按4 096點(diǎn)處理，測(cè)試單板處理共花費(fèi)的時(shí)間為2．146 963 s。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用由一塊處理板卡組成的通用可編程實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0．524 ms產(chǎn)生一個(gè)模擬回波脈沖，達(dá)到實(shí)時(shí)處理要求(要求1 ms產(chǎn)生一個(gè)模擬回波脈沖)。
2．2 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果
    采用本套系統(tǒng)對(duì)兩幅圖片進(jìn)行了反演測(cè)試。圖4，圖5是對(duì)模擬的回波進(jìn)行SAR成像的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)
    SAR回波信號(hào)模擬器采用的板卡是標(biāo)準(zhǔn)CPCI 6U板，可裁減性和可擴(kuò)充性好；而且單板內(nèi)存已經(jīng)擴(kuò)展到了2 GB，大的內(nèi)存意味著可以模擬更加復(fù)雜的場(chǎng)景，得到更好的模擬效果。采用基于DSP的通用處理板來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬器，使得模擬器能夠?qū)崟r(shí)、靈活、方便地產(chǎn)生所需的各種回波信號(hào)。該模擬器在對(duì)SAR信號(hào)處理機(jī)的調(diào)試過程中取得了良好的效果。