基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法

本发明属于图像处理，具体涉及一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法。

背景技术：

1、合成孔径雷达(sar)是一种先进的微波遥感系统，它通过发射电磁波信号并处理接收到的地面回波信号，能够在全天时、全天候的条件下获得高分辨率的微波图像。sar技术在海洋、地球资源探测、自然灾害监测等领域具有重要应用价值。sar卫星通过发射大带宽信号来获得垂直航迹维的高分辨率，并利用合成孔径技术获得沿航迹维的高分辨率。这一过程包括发射调制信号、接收经地面反射的信号、以及进行下变频解调、数字化采样和精细成像的处理。sar图像中包含的是信号的幅度与相位信息，因而呈现出类似清晰黑白照片的效果。

2、现有技术主要依赖于软件平台(如matlab)进行数据处理和图像重建。软件平台在处理合成孔径雷达数据时能以高分辨率成像，这对详细地表观测、目标识别和变化检测等应用至关重要。软件平台也能够有效处理在多种环境条件下收集的数据，提供可靠的图像质量。软件平台通常提供多种数据处理选项和算法，可以根据具体应用需求进行调整，以优化图像质量和分析结果。

3、然而软件平台处理仍有很多局限性。比如：

4、sar数据通常具有高数据量和复杂性。软件平台在处理这些数据时可能会遇到效率问题，尤其是在需要快速处理和分析数据的场景中，如实时监测和应急响应。在处理大规模或复杂数据集时，软件平台可能需要显著的计算能力，这可能导致高能耗和需要高性能计算硬件。在某些情况下，为了提高处理速度，可能会牺牲图像的质量。例如，一些算法可能在减少噪声和提高图像清晰度方面表现不佳，尤其是在处理高分辨率数据时。由于sar数据的体积通常很大，因此数据存储和传输也成为一个问题。这可能限制了数据处理的地理位置和访问速度。传统的软件平台可能不易于适应新的算法和技术。随着sar技术的不断进步，更新和维护这些软件以适应新的数据处理需求可能是一个挑战。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法。

2、一方面，本发明提供一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统，包括：预处理模块，复数核算单元、低资源消耗dft模块、快速傅里叶变换模块、滤波器、存储单元、hdmi显示模块；

3、所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理；

4、所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算，以生成二维时域信号；

5、所述低资源消耗dft模块用于在硬件上实现高效的dft和idft；

6、所述滤波器用于优化数据流和减少延迟，确保实时数据处理；

7、所述快速傅里叶变换模块用于执行高速一维和二维fft运算，实现快速数据转换和成像；

8、所述hdmi显示模块用于对成像数据进行显示；

9、所述存储单元用于存储数据。

10、优选的，所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理，包括：

11、所述滤波器使用高斯滤波器，通过高斯滤波器对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行降噪滤波处理，并对数据进行校准，防止出现过大偏差。

12、优选的，所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算，包括：

13、对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行共轭处理；

14、提取共轭处理后的数据的复数特征信息；所述复数特征信息包括幅度和相位，幅度表示信号的强度，相位提供信号的时间和空间特征信息；

15、通过复数累加乘法对复数特征信息增强滤波效果，生成二维时域信号。

16、优选的，所述低资源消耗dft模块用于在硬件上实现高效的dft和idft，包括：

17、对二维时域信号进行dft2d，将时域信号转化为波数域信号，再次使用滤波器对得到的信号进行滤波；其中，dft2d表示二维傅里叶变换；

18、对滤波后的波数域信号进行idft2d处理，将波数域信号转换回时域成像数据；其中，idft2d表示二维离散傅里叶逆变换。

19、另一方面，本发明提供一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像系统实现方法，基于权利要求1～4任一项所述的基于fpga的高效合成孔径雷达图像系统，包括：

20、s1、系统上电启动后，接收合成孔径雷达的回波数据；

21、s2、利用预处理模块对接收到的回波数据进行预处理；

22、s3、利用复数核算单元对回波数据进行处理，生成二维时域信号；

23、s4、利用低资源消耗dft模块将二维时域信号转化为二维波数域信号，并利用滤波器对二维波数域信号进行滤波；

24、s5、对滤波后的二维波数域信号进行成像显示；

25、s6、将得到的图像通过hdmi接口传输传到hdmi显示模块输出显示。

26、本发明的有益效果：

27、1、提高处理速度：通过fpga硬件实现的优化，本系统能够显著提高数据处理速度，使得sar图像处理更接近实时或近实时性能。

28、2、降低功耗和成本：本发明利用fpga的高效计算能力，减少了对传统高功耗处理单元的依赖，从而降低整体系统的功耗和成本。

29、3、保持或提高图像质量：尽管本系统着重于提高效率和减少资源消耗，但它也能够保持或甚至提高sar图像的质量，这对于各种应用场景都至关重要。

技术特征：

1.一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统，其特征在于，包括：预处理模块，复数核算单元、低资源消耗dft模块、快速傅里叶变换模块、滤波器、存储单元、hdmi显示模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统，其特征在于，所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理，包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统，其特征在于，所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算，包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统，其特征在于，所述低资源消耗dft模块用于在硬件上实现高效的dft和idft，包括：

5.一种基于fpga的高效合成孔径雷达图像系统实现方法，基于权利要求1～4任一项所述的基于fpga的高效合成孔径雷达图像系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法，所述方法包括：系统上电启动后，接收合成孔径雷达的回波数据；利用预处理模块对接收到的回波数据进行预处理；利用复数核算单元对回波数据进行处理，生成二维时域信号；利用低资源消耗DFT模块将二维时域信号转化为二维波数域信号，并利用滤波器对二维波数域信号进行滤波；对滤波后的二维波数域信号进行成像显示；将得到的图像通过HDMI接口传输传到HDMI显示模块输出显示。本发明通过FPGA硬件实现的优化，本系统能够显著提高数据处理速度，使得SAR图像处理更接近实时或近实时性能。

技术研发人员：郭旭,黄超意,黄欢,吕天乐,陈国平,李英杰
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17