基于DSP和FPGA的相控阵机载SAR运动补偿系统的实现(1)

第32卷 第3期2009年6月电子器件Ch inese Jo urnal O f Electro n D evicesVol.32 No.3Jun.2009收稿日期:2009-03-02基金项目:国防科研项目资助作者简介:李欣伟(1985-),女,山东人,工学硕士,主要从事机载SA R 运动补偿的研究,lix inwei19850215@y aho o.co 张 平(1949-),男,北京人,博士生导师,研究员,主要从事SA R 测控系统研究.Design and Implementation of Motion Compensation System of Phased ArrayAirborne SAR Based on DSP and FPGA*L I X inw ei,ZH A N G Ping *,L I Fei,WEI Yunlong(I nstitute of Electronic s,Chinese A cade my of S cience s,Beij ing 100190,China)Abstract:Phased ar ray r adar is the main direction of airborne SA R,and the motion com pensatio n system is essential to the air bor ne SAR sy stem.Acco rding to the phased array theory,a mo tion compensation algo -r ithm using phase scanning to control beam is presented.The algo rithm is im plemented by using ADSP-TS201S and FPGA.It w as tested in an airborne SAR and g ot a g ood experiment result.Key words:T igerSH ARC DSP ;Navigation System;phased array;airborne SAR EEACC :6320基于DSP 和FPGA 的相控阵机载SAR 运动补偿系统的实现*李欣伟 张 平* 李 飞 魏云龙(中国科学院电子学研究所,北京100190)摘 要:机载SA R 采用相控阵天线是一个重要发展方向,而运动补偿对机载SA R 系统至关重要。

根据相控阵原理,提出了采用相位扫描控制波束指向的机载SA R 运动补偿算法,并采用AD I 公司的T ig erSH ARC 系列第二代超高性能DSP 芯片ADSP -T S201S 和FP GA 实现了该算法,在某机载雷达上进行了测试,获得了较好的实验结果。

关键词:T iger SHA RC DSP;组合导航系统;相控阵;机载SA R 中图分类号:TP273.5文献标识码:B 文章编号:1005-9490(2009)03-0711-05机载合成孔径雷达(SA R)是一种高分辨率成像雷达。

其能成像的前提条件是天线相对于成像地域作匀速直线运动,然而实际载机飞行时,存在着绕机体三坐标的摆动,即存在偏航、俯仰、横滚的角运动[1]。

这些不理想的状况都将对机载SAR 的工作带来影响,严重时甚至不能成像,所以运动补偿系统是必不可少的。

传统的运动补偿方法主要是基于运动传感器的运动补偿和基于回波数据的运动补偿。

基于运动传感器的运动补偿主要是通过载机上的主惯导或GPS 的输出,结合Kalman 滤波器来修正IM U (惯性测量单元)的系统误差[2];基于回波数据的运动补偿主要是从回波数据获取运动误差,通过杂波锁定或自聚焦进行运动补偿[3]。

本方案首先采用组合导航系统获取运动误差,然后结合本文给出的算法对获得的运动误差进行处理,采用电扫描方式中的相位扫描法进行波束控制。

所谓电扫描是指利用电磁波的相干原理,通过计算机控制输往天线各阵元电流相位的变化来改变波束的方向。

与传统的机械扫描雷达相比,相控阵雷达的天线无需转动,波扫描更灵活,能跟踪更多的目标,抗干扰性能好。

中科院电子所用相控阵天线实现了合成孔径雷达的多种工作模式,并研制了SAR 多功能波控机[4],但基于相位扫描的运动补偿方法在以往的文献中少见。

1 相控阵雷达运动补偿系统理论基础1.1 相位扫描系统组成相控阵雷达的相位扫描系统由天线阵、移相器、波束指向控制器和波束形成网络组成。

波束控制器产生相移指令,控制天线子阵中每个阵元的相位,然后通过波束形成网络完成波束形成。

图1 有源相控阵雷达结构框图1.2 二维相位扫描法原理[5]设二维平面相控阵天线在图2所示的x y 平面上,共有M @N 个天线单元,单元间距为d 1(沿x 轴方向)和d 2(沿y 轴方向),天线波束指向为OB ,其中(H ,U )为波束指向。

根据相邻单元之间信号的/空间相位差0与移相器提供的/阵内相位差0相等的原理,则阵列中第(k,i)单元相对于第(0,0)单元的相位为P k,i =k @d 12P K sin H cos U+i @d 22P Ksin H sin U(1)图2 平面相控阵方向图这就是每一单元的移相器的理论移相值。

在实际应用中为了得到所需的波束形状,较低的副瓣还需通过天线近场测试进行波程校正,改变波控码修正移相值。

因此,实际的公式应为:P k,i =k @d 12P K sin H cos U +i @d 22P Ksin H sin U +C(k,i)(2)其中C k,i 为修正值。

1.3 基于相位扫描的运动补偿算法本算法的核心思想是将偏航、俯仰和横滚三种姿态角对波束指向的影响映射到波束方位角和距离角上,即把在方位向和距离向上偏的角度从相反的方向补过来。

设波束方位预置角为A 、距离预置角为B 、天线法向角为C ;偏航角A a _d ,俯仰角A p _d ,横滚角A r _d ;两个中间变量T 1和T 2;计算所得最终方位扫描角为(、距离扫描角为5。

如图3所示,FD 是航迹方向(即方位向),N BOD =N COF =A a _d ,N OAB =N OA D =B ,N CA B =N F AD =A 。

AB 为无方位预置角时的波束指向,A C 为有方位预置角时的波束指向,AF 为偏航A a _d 后的波束指向。

根据本算法思想,应从F 点补到C 点。

则N DAE 为方位向补偿角,N G AO -C 为距离向补偿角。

由此可类推俯仰向和横滚向。

最终公式如下:(=arctan (tan T 1@p +cos T 2@q)(3)5=arctan ((co s T 2@p -tan T 1@q)/sin T 2)-C +A r _d(4)其中:T 1=arctan (sin B @n+tan A @m)T 2=arctan ((sin B @m +tan A @n)/cos B )co s A a _d =m,sin A a _d =nco s Ap _d =p ,sin A p _d =q 将式3,式4代入式2可得移相器的移相码。

图3 方位偏航的波束扫描示意图2 系统硬件设计硬件平台要求具有实时处理大数据量的能力。

如图4所示,整个系统主要由DSP 和FPGA 构成,FPGA 和DSP 的加载芯片是独立的,各处理芯片之间互相连通,FPGA 和DSP 的数据交换通过FPGA 内置的嵌入式双口RAM 来完成。

在该系统中,DSP 主要负责数字波束运算,FPGA 则负责整个波束形成系统的管理、命令、控制等功能,这样可以充712电 子 器 件第32卷分发挥它们各自的优势,加快处理速度。

图4 系统总体框架信号流程为:从阵列天线阵接收的射频信号经数字下变频、中频直接采样和正交形成后的I 、Q 数字信号经LVDS(低压差分信号)高速串行总线送至波束形成模块,接口电路将高速串行LVDS 信号转换为并行T TL 信号后送FPGA 后进行接收校正、DBF 运算。

校正系数、波束形成系数由DSP 提供。

在FPGA 中形成波束后,将幅相数据存至FPGA 的双口RAM 中,DSP 在外部中断的控制下从RA M 中取数算出幅相值送入波控系统。

另外,在FPGA 中设计主机接口用于接收上位机对系统工作方式、信号参数设置的控制。

FPGA 接收并锁存来自组合导航系统的方位向、横滚向、俯仰向的误差角,将其传送给DSP 。

DSP 将波束预置角和误差角数据进行整合,根据本文所提出的算法,计算出补偿后的波束方位角和距离角,进而转化为波控码,最终通过驱动电路控制T/R 组件。

从图中可以看出,该系统分为数据采集模块、信号处理模块和波束形成模块。

2.1 数据采集模块数据采集模块主要来自于组合导航系统。

组合导航系统采用云海科技公司的YH -9000/9600GI [6]。

YH -9000/9600GI 融合了GPS 和INS 的测量,可得到所有的导航状态,达到最优的性能。

GI 内部的计时器与GPS 的时间同步。

在每个数据周期中,在读取内部计时器之前和之后,分别对两组惯性测量数据进行采样,然后通过内置A/D 、滤波,将得到的数据做捷联导航处理并封装;导航状态和计时器通过YH -9000/9600GI 的RS232口送出。

FPGA 与主控计算机通过PCI 接口完成通信,其中PCI 接口芯片采用PCI9054.FPGA 与组合惯导系统之间通过RS -232串口通信,采用M AX3221作为RS -232的驱动器。

2.2 信号处理模块信号处理模块的核心器件采用ADI 公司的T-i ger SharcDSP201[7]。

ADSP -T S201是一款高性能的处理器,支持32bit 和40bit 浮点和64bit 定点处理,每周期能够执行多达4条指令、24个16bit 定点运算和6个浮点运算。

运行在600M H z 时,对于32bit 算法,可以达到12@108MA C/s 的峰值性能。

由于本系统需要大量的浮点数计算,且机载雷达的运动补偿系统对实时性要求较高,故TS201很适合该系统的开发。

ADSP -T S201拥有6M bit 片上SRAM 存储器,该存储器被分为3个2Mbit 的块。

每个存储块-BANK 0,BANK 1,BANK 2-能够存储程序、数据或同时存储程序和数据。

在DSP 系统中通常都需要将应用程序存放在片外存储器中,这是一种很经济的解决方案。

常用的系统加载采用EPROM 或FLASH 加载[8]。

本系统采用FLASH 实现系统加载。

其中FLASH 存储器为AM D 公司生产的am29LV 008。