专利名称：合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法及转置装置的制作方法
技术领域：
本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar一SAR)领域,特别是一种合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法及该方法所用以FPGA (现场可编程门阵列)作为处理器的矩阵转置处理装置。
背景技术：
SAR是上个世纪50年代发展起来的，它是雷达发展的一个重要里程碑。与光学传感器相比，SAR具有全天候、全天时、远距离和宽广观测带以及易于从固定背景中区分运动目标的能力。同时由于其具有很高的分辨率，合成孔径雷达受到广泛重视。SAR成像处理过程是划分成两个一维的处理过程来实现的，因此在数据处理过程中需要对数据的维度进行转置处理。随着对SAR成像精度要求的不断提高，SAR回波信号的数据量也在不断增大，对数据存储器的容量和矩阵转置效率的要求也在不断提高。SDRAM (同步动态随机存取存储器)由于存储容量大，速度快，功耗低，成本低等优点，是目前应用最多的、最广泛的存储器。目前，在基于SDRAM (同步动态随机存取存储器)的实时SAR成像处理系统中，实现矩阵转置的方法主要两页式、三页式转置法，固定矩阵分割法等。两页式或三页式转置法是通过循环地对两片或三片SDRAM来实现矩阵数据的转置处理的。该方法实现起来比较简单，能较好地解决频繁换行时效率低下的问题，但占用的外部存储器较多，不能对单片SDRAM进行操作，同时系统的功耗也较大。而申请号为201110122834. 6的发明专利公开了一种《基于FPGA的SAR成像信号处理数据转置方法》，该方法是一种基于“固定矩阵分割”法来实现矩阵转置处理。该方法通过在FPGA内部占用一个大小为64X64的双口 RAM来实现矩阵的转置处理。矩阵转置处理的步骤为首先将原始矩阵数据分割成64X64的小块矩阵，接着将这些小块矩阵分为对角模式矩阵块、非对称对角模式矩阵块和非对称非对角模式矩阵块三个类型。然后将这些小块矩阵的数据依次读入到双口 RAM中，根据小块矩阵的不同类型对双口 RAM的读写地址进行不同操作，实现对不同小块矩阵的转置处理，最终实现了整个矩阵的转置处理。该方法充分利用了双口 RAM在读写地址频繁换行时效率不受影响的优点，通过对不同类型的小矩阵块的转置处理最终实现对原始输入矩阵数据的转置处理。该方法达到最优转置效率的前提是数据矩阵能够划分成若干个64X64固定大小的小块矩阵，一旦原始数据矩阵的大小发生变化，就不能进行最优分割，转置处理的效率也就会大大降低。因而该方法存在对待转置数据矩阵大小的适应性差、在输入矩阵大小不同时，矩阵转置的效率差等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法及转置装置，实现对不同合成孔径雷达(SAR)回波数据矩阵的‘最优分割’，以达到即使在输入矩阵大小不同的情况下、有效提高矩阵转置的效率等目的。本发明的技术方案采用FPGA (现场可编程门阵列)作为矩阵转置处理器，采用单片SDRAM (同步动态随机存取存储器)作为存取存储器；而合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法包括步骤1.合成孔径雷达回波矩阵数据的输入转置处理器中的通讯单元将PC机输入的待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵的大小以及同步动态随机存取存储器(SDRAM)最大行地址数和最大列地址数送入参数配置单元后，转步骤II ;(通讯单元)同时将PC机输入的合成孔径雷达回波矩阵数据陆续送入输入缓存单元后，转步骤III ;步骤I1.对输入回波数据矩阵的分割及读写地址的生成将待转置矩阵分割成行数个子矩阵，即将待转置矩阵中每一行的数据组成一个子矩阵，每个子矩阵的行数等于待转置矩阵的列数的平方除以SDRAM的最大列地址数后的平方根、子矩阵的列数等于SDRAM的最大列地址数的平方根；然后按照以下方法分别在写地址单元中生成写地址、在读地址单元中生成读地址后，转步骤III ;其中写地址生成首先从第一个子矩阵块的第一行的第一个地址开始依次至该行最后一个地址写完，再从该子矩阵块的第二行的第一个地址开始依次至该行最后一个地址写完，直至该子矩阵块的最后一行的最后一个地址写完；按以上方式再依次对二个子矩阵块、第三个子矩阵块，直到最后的一个子矩阵块进行写地址处理，以完成写地址；读地址生成首先从第一行子矩阵中第一个子矩阵块的第一行第一列的地址开始、依次至最后一个子矩阵块的第一行第一列的地址的读入，然后从第二行子矩阵中第一个子矩阵块的第一行第一列的地址开始、依次至该行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行第一列的地址的读入，按以上方式再依次从第三行子矩阵中第一个子矩阵块的第一行第一列的地址开始、依次至该行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行第一列的地址的读入，再依次进行直至最后一行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行第一列地址的读入，从而完成对各行子矩阵中各子矩阵块的第一行第一列地址的读入；按以上方式再依次完成对各行子矩阵中的各子矩阵块的第一行第二列、第一行第三列，至最后一行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行最后一列地址的读入；再按上述方式循环进行，依次完成对各行子矩阵中各子矩阵块第二行第一列、至第二行最后一列地址的读入；仍按以上方式直至对各行子矩阵中各子矩阵块最后一行最后一列地址的读入，从而生成读地址；步骤II1.将缓存的回波矩阵数据写入SDRAM :将由步骤I陆续存入输入缓存单元的矩阵数据由SDRAM控制单元按步骤II生成的写地址陆续经转置处理器上的输入/输出接口写入SDRAM中，写入的方法是将待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵的每一整行数据写入SDRAM内的一个子矩阵块中，一直到待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵全部写入SDRAM中后，存储待用并转步骤IV ；步骤IV.将回波矩阵数据读入输出缓存单元及回波矩阵数据的转置输出将步骤III存储待用的矩阵数据由SDRAM控制单元按步骤II生成的读地址，依次将每一个子矩阵块的第一个数据读出并经转置处理器上的输入/输出接口陆续读入输出缓存单元中，同时将读入输出缓存单元中的回波矩阵数据陆续输入并串转换单元，然后经并串转换单元进行并串处理之后依次输往成像处理器；待所有子矩阵块的第一个数据读出完成后，再陆续读出各子矩阵块的第二个数据，仍按以上方式陆续读入输出缓存单元，再经并串转换单元处理后输往成像处理器；接着读取各子矩阵块的第三个数据，一直到所有子矩阵块的最后一个数据读出并经并串转换单元处理后输往成像处理器；即完成对合成孔径雷达成像系统矩阵的转置处理。上述合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法所用转置装置，包括FPGA转置处理器，同步动态随机存取存储器(SDRAM)，成像处理器，关键在于FPGA转置处理器中还包括通讯单元，参数配置单元及写地址单元、读地址单元，输入缓存单元，SDRAM控制单元,输出缓存单元，并串转换单元；而随机存取存储器为单片SDRAM ;FPGA转置处理器中的通讯单元通过输入接口与PC机连接以接收待转置的合成孔径雷达回波数据、通过两个输出接口分别与输入缓存单元及参数配置单元的输入接口连接，参数配置单元则通过两个输出接口分别与写地址单元及读地址单元连接，而输入缓存单元及写地址单元、读地址单元的输出接口分别与SDRAM控制单元的输入接口连接，SDRAM控制单元通过其输出接口与输出缓存单元连接，输出缓存单元通过其输出接口与并串转换单元连接，而FPGA转置处理器则通过SDRAM控制单元的输入/输出接口与SDRAM连接、通过并串转换单元的的输出接口与成像处理器连接；以上所述各连接均为数据线连接。本发明由于采用FPGA (现场可编程门阵列)作为矩阵转置处理器，采用单片SDRAM(同步动态随机存取存储器)作为存取存储器；在合成孔径雷达成像系统的矩阵转置中则根据输入原始数据矩阵的大小自动配置子矩阵块的大小、进行最优分割，而不受输入矩阵大小变化的影响；从而具有在整个读写过程中SDRAM换行的次数最少、转置效率高，对待转置数据矩阵大小的适应性强等特点。
图1是合成孔径雷达成像系统的矩阵转置装置结构及转置方法流程示意图(方框图)。图中1. PC机，2. SDRAM (同步动态随机存取存储器)，3.成像处理器，4. FPGA转置处理器。
具体实施例方式本实施方式的转置装置中FPGA转置处理器4采用型号为Virtex_5XC5VFX130T的FPGA (现场可编程门阵列)，组成包含参数配置单元、时序控制单元、输入缓存单元、写地址发生单元、读地址发生单元、SDRAM控制单元、输出缓存单元、并串转换单元在内的转置处理器；同步动态随机存取存储器(SDRAM) 2型号为WINTEC公司的WD2RE512X809，其行地址位宽为14bit，列地址位宽为lObit，即最大行地址R为16384，最大列地址C为1024，与FPGA转置处理器相连的输入/输出接口为DIMM (双列直插式存储模块内存插座)；成像处理器3选用华力创通科技公司的型号为Apex-cPC1-5900的信号处理板卡；本实施方式的转置装置中FPGA转置处理器4与PC机1、SDRAM2、成像处理器3之间，以及FPGA转置处理器内部各单元之间的连接方式如本发明解决方案所述。为了方便本实施方式转置方法的叙述，待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵大小MXN为1024父1024，分割后的各子矩阵块的大小为3父13，子矩阵块的总数为11^11，子矩阵块的序号用k表不。本发明的具体实施步骤为步骤1. 合成孔径雷达回波矩阵数据的输入
转置处理器中的通讯单元将PC机输入的待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵的大小MXN以及SDRAM (同步动态随机存取存储器)最大行地址数R和最大列地址数C送入参数配置单元后，转步骤II ;通讯单元同时将PC机输入的合成孔径雷达回波矩阵数据陆续送入输入缓存单元后，转步骤III ;步骤I1.对输入回波数据矩阵的分割及读写地址的生成将待转置矩阵分割成每行数个子矩阵，即M=1024个子矩阵，每个子矩阵的行数a = = 、每个子矩阵的列数6 = ^ = 、总共有mXn子矩阵块；其中，m = ^/M2/C=32, = # = 32;然后按照以下方法分别在写地址单元中生成写地址、在读地址单元中生成读地址后，转步骤III ;其中写地址生成首先从k=l的子矩阵的第一行的第一个地址开始，即列地址C_addr=0、行地址R_addr=0,列地址C_addr递增1，当列地址C_addr增加到31时，行地址R_addr加1，列地址C_addr返回到0，直至行地址R_addr=31、列地址C_addr=31，写完了 k=l的子矩阵的地址；按以上方式再依次对k=2子矩阵块、k=3子矩阵块，直到k=1024子矩阵块进行写地址处理，以完成与地址；读地址生成首先从k=l的子矩阵的第一行的第一个地址开始(即列地址C_addr=0、行地址R_addr=0)依次至k=32子矩阵块的第一行第一列的地址的读入(即列地址C_addr=992、行地址R_addr=0);然后从k=33的子矩阵块的第一行第一列的地址开始(即列地址C_addr=0、行地址R_addr=32 )依次至k=64子矩阵块的第一行第一列的地址的读入(即列地址C_addr=992、行地址R_addr=32 ) ;按以上方式再依次从k=65子矩阵块的第一行第一列的地址开始、依次至k=96子矩阵块的第一行第一列的地址的读入，再依次进行直至k=1024子矩阵块的第一行第一列地址的读入(即列地址C_addr=992、行地址R_addr=992);从而完成对各行子矩阵中各子矩阵块的第一行第一列地址的读入；按以上方式再依次完成对k=l, 2，3. . . 1024子矩阵块的第一行第二列、第一行第三列，至第一行最后一列地址的读入；再按上述方式循环进行，依次完成对k=l，2，3. . . 1024子矩阵块第二行第一列、至第二行最后一列地址的读入；仍按以上方式直至对k=l，2，3. . . 1024子矩阵块最后一行最后一列地址的读入，从而生成读地址；当完成读地址生成后，转到步骤III ；步骤II1.将缓存的回波矩阵数据写入SDRAM :将由步骤I陆续存入输入缓存单元的矩阵数据由SDRAM控制单元按步骤II生成的写地址陆续经转置处理器上的输入/输出接口 DIMM写入SDRAM中，写入的方法是将待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵的每一整行数据写入SDRAM内的一个子矩阵块中，一直到待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵全部写入SDRAM中后，存储待用并转步骤IV ；步骤IV.将回波矩阵数据读入输出缓存单元及回波矩阵数据的转置(输出)将步骤III存储的矩阵数据经SDRAM控制单元按步骤II生成的读地址，依次读出每一个子矩阵块的第一个数据，由输入/输出接口 DIMM、依次读入输出缓存单元中；同时将读入输出缓存单元中的回波矩阵数据陆续输入并串转换单元，然后经并串转换单元进行并串处理之后依次输往成像处理器Apex-cPC1-5900 ;待所有子矩阵块的第一个数据读出完成后，再陆续读出各子矩阵块的第二个数据，仍按以上方式陆续读入输出缓存单元，再经并串转换单元处理后输往成像处理器；接着读取各子矩阵块的第三个数据，一直到所有子矩阵块的最后一个数据读出并经并串转换单元处理后输往成像处理器Apex-cPC1-5900 ;SP完成对合成孔径雷达成像系统矩阵的转置处理。
权利要求
1.合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法，包括 步骤1.合成孔径雷达回波矩阵数据的输入转置处理器中的通讯单元将PC机输入的待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵的大小、以及SDRAM最大行地址数和最大列地址数送入参数配置单元后，转步骤II ;通讯单元同时将PC机输入的合成孔径雷达回波矩阵数据陆续送入输入缓存单元后，转步骤III ; 步骤I1.对输入回波数据矩阵的分割及读写地址的生成将待转置矩阵分割成行数个子矩阵，即将待转置矩阵中每一行的数据组成一个子矩阵，每个子矩阵的行数等于待转置矩阵的列数的平方除以SDRAM的最大列地址数后的平方根、子矩阵的列数等于SDRAM的最大列地址数的平方根；然后按照以下方法分别在写地址单元中生成写地址、在读地址单元中生成读地址后，转步骤III ;其中 写地址生成首先从第一个子矩阵块的第一行的第一个地址开始依次至该行最后一个地址写完，再从该子矩阵块的第二行的第一个地址开始依次至该行最后一个地址写完，直至该子矩阵块的最后一行的最后一个地址写完；按以上方式再依次对二个子矩阵块、第三个子矩阵块，直到最后的一个子矩阵块进行写地址处理，以完成写地址； 读地址生成首先从第一行子矩阵中第一个子矩阵块的第一行第一列的地址开始、依次至最后一个子矩阵块的第一行第一列的地址的读入，然后从第二行子矩阵中第一个子矩阵块的第一行第一列的地址开始、依次至该行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行第一列的地址的读入，按以上方式再依次从第三行子矩阵中第一个子矩阵块的第一行第一列的地址开始、依次至该行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行第一列的地址的读入，再依次进行直至最后一行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行第一列地址的读入，从而完成对各行子矩阵中各子矩阵块的第一行第一列地址的读入；按以上方式再依次完成对各行子矩阵中的各子矩阵块的第一行第二列、第一行第三列，至最后一行子矩阵中最后一个子矩阵块的第一行最后一列地址的读入；再按上述方式循环进行，依次完成对各行子矩阵中各子矩阵块第二行第一列、至第二行最后一列地址的读入；仍按以上方式直至对各行子矩阵中各子矩阵块最后一行最后一列地址的读入，从而生成读地址； 步骤II1.将缓存的回波矩阵数据写入SDRAM :将由步骤I陆续存入输入缓存单元的矩阵数据由SDRAM控制单元按步骤II生成的写地址陆续经转置处理器上的输入/输出接口写入SDRAM中，写入的方法是将待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵的每一整行数据写入SDRAM内的一个子矩阵块中，一直到待转置的合成孔径雷达回波数据矩阵全部写入SDRAM中后，存储待用并转步骤IV; 步骤IV.将回波矩阵数据读入输出缓存单元及回波矩阵数据的转置输出将步骤III存储待用的矩阵数据由SDRAM控制单元按步骤II生成的读地址，依次将每一个子矩阵块的第一个数据读出并经转置处理器上的输入/输出接口陆续读入输出缓存单元中，同时将读入输出缓存单元中的回波矩阵数据陆续输入并串转换单元，然后经并串转换单元进行并串处理之后依次输往成像处理器；待所有子矩阵块的第一个数据读出完成后，再陆续读出各子矩阵块的第二个数据，仍按以上方式陆续读入输出缓存单元，再经并串转换单元处理后输往成像处理器；接着读取各子矩阵块的第三个数据，一直到所有子矩阵块的最后一个数据读出并经并串转换单元处理后输往成像处理器；即完成对合成孔径雷达成像系统矩阵的转置处理。
2.按权利要求1所述合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法所用转置装置，包括FPGA转置处理器，SDRAM,成像处理器，关键在于FPGA转置处理器中还包括通讯单元，参数配置单元及写地址单元、读地址单元，输入缓存单元，SDRAM控制单元，输出缓存单元，并串转换单元；而随机存取存储器为单片SDRAM ；FPGA转置处理器中的通讯单元通过输入接口与PC机连接以接收待转置的合成孔径雷达回波数据、通过两个输出接口分别与输入缓存单元及参数配置单元的输入接口连接，参数配置单元则通过两个输出接口分别与写地址单元及读地址单元连接，而输入缓存单元及写地址单元、读地址单元的输出接口分别与SDRAM控制单元的输入接口连接，SDRAM控制单元通过其输出接口与输出缓存单元连接，输出缓存单元通过其输出接口与并串转换单元连接，而FPGA转置处理器则通过SDRAM控制单元的输入/输出接口与SDRAM连接、通过并串转换单元的的输出接口与成像处理器连接；以上所述各连接均为数据线连接。
全文摘要
该发明属于合成孔径雷达成像系统的矩阵转置方法及转置装置。其方法包括合成孔径雷达回波矩阵数据的输入，回波数据矩阵的分割及读写地址的生成，将回波矩阵数据写入SDRAM，回波矩阵数据读入输出缓存单元及回波矩阵数据的转置输出；转置装置包括含通讯单元，参数配置单元及写地址单元、读地址单元，输入缓存单元，SDRAM控制单元，输出缓存单元，并串转换单元在内的FPGA转置处理器，单片SDRAM，成像处理器。该发明在转置处理中可根据输入回波原始数据矩阵的大小配置子矩阵块的大小、进行最优分割；从而具有转置装置结构简单、可靠，在整个读写过程中SDRAM换行的次数最少、转置效率高，对待转置数据矩阵大小的适应性强等特点。
文档编号G01S13/90GK103048644SQ201210553860
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者易勇军, 宗竹林, 郑侃, 张军, 何訸, 王超 申请人:电子科技大学