高分辨SAR/InSAR实时信号处理通信系统及数据预处理设计与实现

作     者：张涛 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：索志勇;于海峰

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：合成孔径雷达 DEM RocketIO 高速串行总线 SRIO FPGA RS-422串口 实时信号处理 

摘      要：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种能够对目标场景进行探测成像的遥感设备。它不同于光学成像受限于云层,或者白天黑夜等的影响,可以全天时、全天候的对目标场景进行探测成像,得到二维高分辨图像。干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR),是在SAR的基础上增加了一个天线,在高速运动平台飞行过程中利用两个天线分别接收信号回波,得到两幅具有相干性的SAR图像。然后经过图像配准、滤波、相位解缠等算法处理得到高精度的数字高程图(Digital Elevation Model,DEM),将二维测量拓展到了三维测量。SAR/InSAR处理系统相较于其他遥感设备具有其独特优势,所以在军事和民用领域应用极广。SAR/InSAR技术具有很高的研究价值,而SAR/InSAR实时信号处理系统更是其中的焦点。SAR/InSAR算法实现复杂,处理数据量和运算量也随着照射场景、分辨率和DEM精度的提高不断增加,而常规的SAR/InSAR处理系统动辄几十秒或分钟级的处理时间,难以满足一些对实时性要求比较高的应用场景。考虑到实时处理的需求,本文通过信号采集系统和信号处理系统为核心以及一些其他辅助子系统完成SAR/InSAR实时信号处理系统设计。其中信号采集系统主要由一块AD9680BCPZ-1250和一块Xilinx公司的FPGA芯片xcku040-ffva1156-2-i作为核心完成模拟信号的采集,并根据SAR/InSAR成像处理的特点在FPGA上实现一些数据预处理算法。与此同时,因为整个实时处理系统有大量数据需要通信,所以一个高效稳健的通信系统是其正常稳定工作的基础。本文的主要研究内容及创新点如下:1.本文深入研究SAR/InSAR实时信号处理系统。针对实时处理过程中的大量数据的存储问题,通过增加一个存储系统来解决实时成像过程中的数据存储问题,本文提出使用串行连接收发器(RocketIO)作为信号采集系统与数据存储系统之间的主控接口,从而实现数据的实时通信、跨时钟域传输、位宽转换和实时响应控制,设计开发了实时处理系统的数据存储和回放模块;同时搭建一个上位机,使用相应的配置命令,通过RS-422串口对回放模块进行配置,以适用更多场景。2.针对InSAR成像双路数据并行处理后难以快速发送影响后续实时处理的问题,本文提出了一种基于有限状态机的数据快速发送方法,利用单路SRIO(Serial Rapid Input Output,SRIO)接口开发信号采集系统和数据存储系统的通信模块,解决了InSAR双路大量数据难以快速发送的问题,使得InSAR双路数据可以迅速完成数据封装、响应和发送,并在实时处理系统中得以验证。3.完成了高分辨率InSAR主辅图像双路实时信号预处理,针对InSAR双通道AD四路数据采集造成的与实时处理时钟不匹配的问题,提出通过四路AD低采样频率进行数据采集后,再并行进行数字下变频处理获得高重频采样数据的InSAR双路高速数据采集方法,解决采样频率与实际处理时钟的不匹配问题,之后再进行距离向脉冲压缩处理。针对SAR/InSAR实时信号处理过程中实际成像带宽大于成像所需多普勒带宽的问题,结合算法特点和FPGA流水处理方式,将预滤波和降采样两个步骤有机结合,解决了SAR/InSAR实时处理过程中方位向数据量过大的问题,实现了InSAR主辅图像双路成像处理,提升了系统成像效率。4.对实时处理系统预处理模块和通信系统进行测试。与雷达系统前端进行联合调试,使SAR/InSAR实时信号处理系统可以稳定高效地工作。通过实际挂飞实验,验证了SAR/InSAR实时信号处理通信系统和数据预处理的有效性。