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视频SAR迭代后向投影成像算法及其DSP实现技术研究

视频SAR迭代后向投影成像算法及其DSP实现技术研究

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作者：边颖超西安电子科技大学

学位级别：硕士

视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar,ViSAR)具有高帧率、全天候实时动态监测的优势,可广泛应用于军事和民用领域。该系统目前采用的成像处理算法主要有两类:极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,PFA算法)和后向投影算... 详细信息

视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar,ViSAR)具有高帧率、全天候实时动态监测的优势,可广泛应用于军事和民用领域。该系统目前采用的成像处理算法主要有两类:极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,PFA算法)和后向投影算法(Backprojection Algorithm,bp算法)。其中,bp算法具有序贯处理的优势,使其成为处理视频SAR数据的主流成像算法,但是该算法存在运算量大、对存储空间要求高的问题。针对以上问题,bp算法衍生出迭代后向投影算法(Recursive Backprojection Algorithm,迭代bp算法)不仅可以最大限度地节省重叠孔径处理所需的存储资源,而且在大孔径重叠率下能大幅提高运算效率。然而,在大场景下迭代bp算法的反向投影操作对硬件的浮点处理能力以及存储能力提出了很高要求。为了满足视频SAR系统实时性、低功耗、低成本和轻量化的需求,系统的成像处理模块嵌入式设计变得尤为重要。相较于其他微处理器,数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)具有每秒百亿级浮点操作能力、大容量数据存取能力和丰富的外部接口通信能力的优势,特别适合作为视频SAR成像处理模块的嵌入式硬件平台。工程中,如何将迭代bp算法与DSP硬件平台有效结合,输出高分辨实时动态帧图像是亟待解决的问题。本文主要研究视频SAR成像处理算法及其在DSP硬件平台上的实现技术。完成的主要工作概括如下:1)对视频SAR成像处理的几个代表性算法进行了细致的分析、仿真和比较。具体地说,探讨了PFA算法、bp算法和迭代bp算法的原理,并对它们在不同参数背景下进行了仿真。根据仿真结果,对这三种成像算法进行了优劣对比。最终选定迭代bp算法在DSP硬件平台上进行进一步技术验证与分析。2)对DSP硬件平台进行了详细的探讨。从芯片选型、TMS320C6678芯片处理器架构、SYS/BIOS的编程方式以及多核并行模式等角度分析讨论了DSP在视频SAR成像领域的适用性和高效性。3)设计并优化了基于TMS320C6678的迭代bp算法并行架构。对迭代bp算法在DSP上的实现流程及优化过程进行了详细探究。论述了在算法实现过程中SYS/BIOS架构配置,架构设计和Cache一致性三个方面起到的重要作用,并讨论了for循环、编译指示和关键字、内建函数、优化级别四个方面对算法优化结果的影响。4)对迭代后向投影算法在DSP硬件平台上的实现进行了实验验证。本文利用Gotcha数据集,对Gotcha成像结果中的角反和各类目标特性进行详细分析,等效验证了迭代后向投影算法在DSP硬件平台上的可行性。本文成功地将迭代后向投影成像算法与DSP硬件平台相结合。在单片8核DSP平台上得到了三阶迭代下,尺寸为512×512、成像分辨率为0.3 m的帧图像,为视频SAR实时成像处理提供了理论基础与实现思路。

关键词：合成孔径雷达视频SAR 成像算法后向投影算法迭代bp算法数字信号处理器 DSP应用

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