机载SAR实时多普勒中心估计原理及硬件实现_汪亮

(1 .Inst .of Electronics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China ; 2 .Graduate School , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China)
图 2 不同 f dc方位向功率谱函数关系图
1 .2 多普勒中心估计算法 多普勒 中心估计 算法分为图 像域估计 和原始 数据 域估
计两种 。在图像域进行估计 , 可以避免部分孔径效应 , 但需 要迭代运算 ,收敛速度不确定 , 无法满足实时处理要求 ;在 原始数据域进行估计 , 不需要迭代运算 , 处理速度快 , 能够 满足 SAR 实时成像处理的要求 。
向频率 。因此 , 当 fdc =0 时 , S (f , r0)为实对称函数 , 并与 天线增益图形状相似 , 设其对应的回波信号的自相关函数
为 r0(τ)。当 f dc ≠0 时 , 信号的功率谱函数与 f dc =0 时的 功率谱函数关系如图 2 所示 。根据维纳 -辛欣定理 , 随机
过程的功率谱函数与其自相关函数互为傅氏变换关系 , 有
①估计算法的精度 。相关函数法的估计方差上限为[ 1]
var {f dc}<
∫ PRF
PRF/2
G2(f )d f
-PRF/ 2
2π N a |r0(τ)|2
(5)
其估计标 准差为
std{f dc}= va r {f dc}
(6)
式(5)中 :Na ———估计长度 , G(f )———双向天线增益图的频 域表达式 ,当探测地面为均匀背景时 , 有
理论上 ,多普勒中心可由成像几何关系和载机飞行速 度确定 , 但实际中存在的各种误差 , 包括天线指向抖动误 差 ,天线功率增益图与设计不完全一致 、平台飞行轨迹偏离 方位向而产生其它方向上的速度分量等因素 , 都会造成实 际多普勒参数与理论值之间的误差 。因此 , 需要实时跟踪 多普勒中心 ,以调整方位向匹配滤波器 ,避免因此造成的图 像信噪比损失和分辨率降低 。
Abstract:To implement Doppler centroid real-time estimation for synthetic aperture radar (SAR), a scheme based on correlation algorithm is proposed , and the analysis on the factors that affect the estimation precision is given . The algorithm derives Doppler centroid by reckoning auto-correlation function of echo signal in azimuth bins , hence avoiding Fourier transform and reducing computation cost dramatically .T he scheme gets exact Doppler centroid change in the w hole sw ath by estimating in 4 different sub-swaths in range bins .The method to implement this scheme on TI TMS320C6415 chips is described in detail , and the estimation results of SAR detection data dem onstrate that the scheme satisfies the precision and real-time requirements .
相关函数的相位 , 得到多普勒中心 , 不需要进行傅氏变换 ,
计算量远低于前 3 种算法 。
综合考虑估计算法的计算量和精确度要求 ,本文采用相
关函数法进行多普勒中心估计 ,下面就对该算法作一介绍 。
设 SAR 方位向的回波信号为 s(t , r 0), 则变换到距离多普勒域后 ,信号的功率谱函数为 S (f -fdc , r0)。这里 , r0 是目标距飞行轨迹的垂直距离 , t 是方位向时间 , f 是方位
件实现方案框图 , 主要包括 :① 距离向累加平均模块 , 即对 每个回波数据做 4 个距离段平均 , 作为不同子条带的估计 数据 ;②多普勒中心估计模块 ,估计长度为 1 024 点 ;③多 普勒中心历史的更新和存储模块 , 由 4 个子条带上的多普 勒中心值平均得到 , 存储长度为 2 048 点 , 存储类型为16 bit 整数 ;④方位向功率谱计算 , 计算长度为 1 024 点 , 存储为 32 bit 无符号整数 。该模块是为了在估计中实时观测回波 信号方位向功率谱形状 ,以判断目标中是否有强反射点 。
2 实时多普勒中心估计的硬件实现方案
实时多普勒中心估计中 , 为了更准确地观察从测绘带 近端到远端多普勒中心的变化情况 , 发现某段测绘区域带 来的突变影响 ,方案中把测绘带在距离向上分为 4 个子条 带 ,分别对每个子条带进行估计 ,以得到准确的多普勒中心
估计值 , 从而调整天线波束指向和方位向匹配滤波函数 。 图 3 给出了基于相关函数法的实时多普勒中心估计硬
关键词 :合成孔径雷达 ;多普勒成像 ;相关函数算法 中图分类号 :TN957 文献标识码 :A
Doppler centroid real-time estimation and its hardware implementation for air-borne SAR
WAN G Liang1 , 2 , Y U Wei-dong1
下式成立 r(τ)=F -1{E [ S (f -f dc , r0)] }= r0(τ)·ex p {j2πfdcτ}
(3)
因此 , 可以通过计算 r(τ)的相位 ,得到多普勒中心频率
fdc
= arg
{r(τ)} 2πτ
(4)
1 .3 多普勒中心估计精度分析
多普勒中心的估计精度主要受以下三个因素的影响 。
第 28 卷 第 2 期 2006 年 2 月
文章编号 :1001-506X(2006)02-0184-04
系统工 程与电子技 术 Systems Engineering and Electronics
Vol .28 No .2 Feb .2006
机载 SAR 实时多普勒中心估计原理及硬件实现
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系统工 程与电子技 术
第 28 卷
的估计值基本相等 ;但当测绘带内地面反射率差异较大 , 则 不同条带上的 f dc估计值差别较大 。实际探测中 , 在相同数 据长度下 , 星载 SAR 测绘带覆盖面积大 , 其 f dc估计值方差 较小 ;而机载 SAR 的覆盖面积小 , 受地面反射率影响大 , fdc 的估计方差就比较大 。
G(f )=sin c2
πD f 2v
, f dc -PR2F ≤ f ≤ fdc +PR2F
(7)
式中 :D ———天线在方位向的长度 , PRF ———脉冲发射频率 。
②估计长度 。 估计的点数越多 , 计算量越大 , 则估计
精度越高 , 但平均效应也越大 , 时效性降低 , 无法实时跟踪
多普勒中心的变化情况 。 例如 , 在 PRF =2 000 Hz , v =
系统要求的斜视角有 Δθ的偏差 ;②载机飞行轨迹沿方位向
的运动不是理想的匀速直线运动 ,会在偏离方位向的 θv 方
向上有 Δv 分量 。这样 ,式(1)就成为
f dc
=-2λv sin
(θs +Δθ)-2
Δv λ
s
in
(θs -θv)
(2)
图 1 天线指向与飞行航迹几何模型
以上因素会影响实际的多普勒中心 , 使之偏离理论值 。 于是回波信 号的方位 向功率谱就 会随多普 勒中心 的不 同而 发生平移 , 如图 2 所示 。多普勒中心估计 , 就是从回波信号 方位向中得到多普勒中心的过程 。 还应注意到 , 式(2)中 3 个误差参量都是随着方位时间变化的 , 并且 fdc在测绘带内 随距离 r 而变化 , 因此多普勒中心估计应在不同距离单元 上分别进行 。
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1 多普勒中心估计原理
1 .1 多普勒中心计算几何模型
如图 1 所示 ,在理想情况下 ,载机沿方位向以速度 v 匀 速直线运动 ,天线的指向中心与航线垂直方向的夹角为 θs , 发射信号波长为 λ, 则多普勒中心 fdc的理论值为
fdc =-2λv sin (θs)
(1)
但在实际探测过程中 , 由于 :①天线指向会有抖动 , 与
在原始数据中估计多普勒中心的算法主要有[ 1] :能量 均衡法 、匹配相关法 、最大似然法 、相关函数法以及符号相
关法 。其中 ,前 3 种算法的思想是通过找出信号方位向功
Hale Waihona Puke 率谱的质心来得到多普勒中心 , 需要对信号进行傅氏变换 ,
计算量大 ;相关函数法和符号相关法则是利用方位向回波
信号的自相关函数中包含了多普勒中心信息 , 通过计算自
汪 亮1 , 2 , 禹卫东1
(1 .中国科学院电子学研究所 , 北京 100080 ;2 .中国科学院研究生院 , 北京 100039)
摘 要 :针对机载 SAR 多普勒中心实时估计问题 ,提出了基于相关函数算法的实现方案 ,分析了影响估计精 度的因素 。该算法通过计算回波信号的方位向自相关函数来得到多普勒中心值 , 避免了对回波信号功率谱的计 算 , 显著降低了运算量 。该方案对不同距离子条带的数据进行估计 , 获得了多普勒中心在测绘带内的变化情况 。 给出了基于 TI TMS320C6415 芯片的硬件实现方法 , 对实际探测数据的估计结果表明该方案满足了精确度和实 时性要求 。