专利名称：多用途全实时数字预处理器的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号处理，特别涉及一种多用途全实时数字预处理器。
为实现上述目的，多用途全实时数字预处理器包括DDR存储器，用于存储原始数据；增益控制和通道平衡矫正单元；IMU传感器运动补偿单元，用于补偿方位向数据；自适应FIR滤波单元，用于跟踪杂波中心。
本发明使用SOPC，使得原来需要大量硬件完成的处理工作，只需要辅助一定容量的外部存贮器，就完全集成到了一个芯片上加以完成。从而极大缩小了处理器的体积，重量和功耗。而且利用SOPC内部的CPU可以对片上系统运行实施管理和监控。利用PLD的灵活性，可以方便地修改片上系统的硬件结构，以适应不同体制的SAR和其他领域对信号处理的要求。
发明的
具体实施例方式
SAR在飞行中，载机不可避免地要受到各种干扰的影响，从而造成载机的飞行状态以及实际飞行轨迹和理想的情况有偏差。此外，实际的信号接收处理系统，特别是模拟信号通路上，与理想系统之间存在各种误差。所有这些偏差将直接带入到SAR的原始数据中，表现为在实际回波信号种附加的各种形式的相位误差和幅度误差。所有这些误差，多需要在原始数据阶段加以矫正，使得送入成像处理系统的信号最大限度地接近理想的回波信号，这是高分辨率SAR信号处理系统得到高质量图像的一个关键。此外，在机载SAR实时成像系统中，由于信号在方位向的处理带宽远小于方位向的采样频率PRF，因此，方位向总是过采样的。适当降低系统方位向的采样频率，不仅不会对成像质量造成大的影响，相反还有助于降低数据率，保证成像系统的实时性。但是直接的降采样将造成方位功率谱的混叠，因此有必要在降采样之前，对方位信号加以滤波，限制其带宽，从而保证降采样后的成像质量。
简洁实用的预处理器的结构见
图1。这是一个基于可编程片上系统SOPC(System on Programmable Chip)的方案。它将数据接口单元、大容量数据乒乓缓存接口单元、CPCI总线接口单元、增益控制和正交双通道平衡矫正单元、基于惯性元件(IMU)传感器误差消除和传感器运动补偿单元、自适应FIR方位向降采样滤波单元，杂波锁定单元以及数据发送单元全部集成在了一个SOPC芯片上。而且各部分由嵌入在SOPC芯片内部的CPU和运行在CPU上的软件统一管理。上述各单元全部利用硬件描述语言(HDL)完成逻辑功能的设计。这些模块被称为SOC的IP内核。
图1的工作原理是，SAR的原始数据到达后，首先由SOPC芯片上，自己设计的数据接收单元加以接收，并输入大容量的高速的DDR存贮器上，进行乒乓式缓存。通常缓存的容量是按照一个合成孔径时间内数据矩阵大小来决定的。乒乓缓存的容量，应该至少是一个合成孔径时间内，一个数据矩阵容量的两倍以上。在这种情况下，要求所有的补偿要在一个合成孔径时间内完成。由于SOPC芯片上，首先是可编程逻辑芯片，因此，各处理过程可以完全并行和独立。这与利用DSP芯片实现不同。在DSP芯片上实现处理，是需要串行完成的。因此，只要能在一个合成孔径时间内，完成处理时间最长的任务，就可以了。假设增益控制与通道平衡矫正(AGC)，IMU运动补偿，自适应FIR滤波所使用的时间分别是tAGC、tIMU和tFIR，并假设一个合成孔径时间为Ts。那么为了能够实时处理，只需要满足max[tAGC，tIMU，tFIR]＜Ts(1)在数据的接收过程中，自动增益控制和通道平衡矫正单元就可以随着数据的到达，同步地估算通道数据的几个重要参数。即两个通道数据的均方根值。增益控制和通道平衡由下面两个式子给出GI=AσQ^---(2)]]>GQ=σ^IAσ^Q2---(3)]]>其中 和 是正交双通道信号的I路和Q路均方根的估值。这两个式子同时完成自动增益控制和正交通道矫正的任务。相应的处理单元结构见图2。由此可见，在具有通道平衡矫正的系统里，增益控制是对两个通道分别实施的基于惯性单元的传感器运动补偿是在接收完一个孔径数据，并得到该孔径内所有方位样本点上的运动传感器单元数据后，开始补偿的。当运动传感器的数据率低于雷达方位向采样率的时候，需要对传感器数据加以内插。传感器运动补偿单元的结构见图3。
在这个图中，运动传感单元(IMU)的数据首先被接收，并按照大地坐标到载机运动补偿坐标系的变换关系，首先得到载机前进方向和天线中心指向测绘带中心斜距方向的两个加速度。利用高通滤波器，消除这两个加速度里面包含的系统误差，然后将两个加速度送入积分器。对前向加速度的一次积分得到前进方向的速度分量。利用这个速度分量可以控制自适应的脉冲发生单元，使得雷达的脉冲重复频率PRF与前进方向的速度分量vf成正比PRF＝Kvf(4)对斜距方向加速度，经过高通滤波器消除运动误差后，进行两次积分得到斜距方向的位移增量。利用这个位移增量，可以实时地调整雷达的回波窗口，使得回波窗口开启时间始终对应着理想测绘带的近距端。调整关系可以表述为twindow=t0+2cΔS=t0+2c∫th2HPF(t)⊗{∫th1HPF⊗A·R|R|dt}dt---(5)]]>其中c是光速，R是天线相位中心指向测绘带中心的向量。由于误差角和斜距位移增量成正比，因此经过高通滤波，误差角的估值可以表示为φ^err=4πλΔS=4πλ∫Th2HPF(t)⊗{∫th1HPF⊗A·R|R|dt}dt---(6)]]>假设x(t)为回波信号，传感器运动误差消除的算法可以表示为s(t)=x(t)·exp{-φ^err}---(7)]]>最后就是自适应的预滤波和降采样单元。该单元是一个自适应的FIR滤波器。其结构如图4所示。该滤波器利用杂波锁定的方法跟踪杂波中心，从而无论载机飞行姿态如何变换，都能保证滤波后的信噪比不降低。这有利于改善自动聚焦的性能，并消除方位黑白条带的影响。在这个单元中，FFT运算既可以利用SOPC芯片自带的CPU加以解决，也可以在PLD单元内自己搭建FFT模块来完成。图中还有两个模块，一个是CPCI接口模块，我们已经掌握了其全部源代码。另外一个是数字发送单元，这个单元因总线协议不同而不同。目前我们使用的是CAB总线接口。
上面所述的方案最大的特点是，增益控制、参数解算、运动补偿和自适应方位预处理等单元是完全并行的。而且，我们前面说过，在原始数据的写入期，增益控制的累加运算可以和数据的到达同步进行，一帧数据后，增益也就算出，因此增益控制时间不计入孔径的延迟时间。而且，在各部分运算完全独立的条件下，完成一次预处理所需要的时间就变成了所有并行处理过程时间中最长的那个，而不是各部分所需要时间的代数叠加。下面就对这个问题加以分析。
根据前面的分析，SAR的所有算法都是按照孔径的概念组织的。因此，上述的信号预处理方案，对原始数据的缓存，存贮器容量的大小，也是按照孔径的概念设计的。在实时处理条件下，所有的预处理补偿都应该在孔径延迟期内完成。根据上面的分析，由于增益控制可以做到与数据到达同步，因此，增益控制不占用孔径延迟期。下面假设，SAR脉冲重复频率为PRF，一个孔径时间为Ts，孔径时间内，数据矩阵方位向样本数为Na，距离向样本数为Ng，那么一个孔径的延迟时间Td可以表示为Td＝Ts＝Na/PRF (8)假设运动补偿的时间设为Tcmp，那么它包含了如下一些运算。首先是对3个长度为Na的加速度向量做坐标变换运算，然后对传感器数据进行积分并做低通滤波运算，最后对原始数据进行复数乘法。运动补偿向量的生成，平均需要的乘法累加次数为11×Na次。补偿的复数乘法的次数是Na×Ng次复乘。从图3可以看出，复乘是利用硬件完成的。同时，增益控制的乘法也是在硬件上完成，并与运动补偿并行。而增益控制所需要的乘法次数仍然是Na×Ng次复乘。这两部分时间是几乎重叠的，见图5。我们假设运动传感器的数据与雷达的回波数据在方位向是同步的。也就是，传感器数据率就是PRF(通常传感器数据率低于PRF，这时需要做插值)。这样相当于方位向上每条距离线，对应一个传感器数据。显然这个数据率是很低的。在几百到2000Hz之间。与数据同步地完成(5)、(6)和(7)式规定的运动补偿任务显得绰绰有余的。因此，运动补偿的向量计算，也是可以与数据到达同步的，这个时间可以不计入孔径延迟。设增益控制和运动补偿所需要的时间其实就是完成Na×Ng次复数乘法所需要的时间为TAGC。由于采用并行复乘单元，这个乘法可以在大规模逻辑系统的一个片上时钟周期内完成。假设这部分所需要的时间就是Tcomp。真正计入孔径延迟的是自适应预滤波的系数解算。这需要1条到几条方位线，并做FFT和平均等运算。显然，这需要接收完一个孔径的数据后才能开始。假设，完成系数解算的任务需要的时间是Tcoe。系数解算完后，就需要在适当地时机加载系数到滤波器，这个时间可以忽略。滤波器的工作也是跟大规模逻辑系统时钟同步的。滤波器所需要的复乘法累加次数是Nacc=NaNgNM---(9)]]>如果再考虑到滤波器中有Nmult个乘法器同时工作，并满足Nmult·M≤N。那么所需要的时间只是一个乘法累加器完成滤波时间的1/Nmult。假设这部分对应的时间是TFIR。由于这个部分与增益控制和运动补偿仍然是有很大的重叠的，因此，要实时完成一次预处理过程需满足MAX[TFIR,Tcom,TAGC]+Tcoe<PRFNa---(10)]]>图5是图1的工作时序示意图。上下两个部分对应的是乒乓式存贮过程。
权利要求
1.一种多用途全实时数字预处理器，包括DDR存储器，用于存储原始数据；增益控制和通道平衡矫正单元；IMU传感器运动补偿单元，用于补偿方位向数据；自适应FIR滤波单元，用于跟踪杂波中心。
2.按权利要求1所述的预处理器，其特征在于所述的增益控制和通道平衡矫正单元包括求模单元，对分为两路的原始信号进行求模；均方根值估计单元，对求模后的两路信号进行均方根值估计；增益产生单元，对均方根值估计后的两路信号产生增益。
3.按权利要求1所述的预处理器，其特征在于所述的IMU传感器补偿单元包括坐标变换单元，用于得到载机前进方向和天线中心指向测绘带中心斜距方向的两个加速度；误差矫正单元，用于消除两个加速度包含的系统误差；积分器，对高通滤波器输出的信号进行积分，并使用一次积分信号控制自适应脉冲发生器，使用二次积分信号得到斜距方向的位移增量。
4.按权利要求1所述的预处理器，其特征在于所述的自适应FIR滤波单元包括FFT，对方位数据样本进行FFT处理；回波方位功率谱估计单元，对FFT处理后的数据进行回波方位功率谱估计；功率谱能量中心搜索单元，对回波方位功率谱估计后的信号进行功率谱能量中心搜索；自适应系数产生单元，从功率谱能量中心搜索产生自适应系数，并将产生的系数送到乘法器。
5.按权利要求1所述的预处理器，其特征在于还包括CPU内核，用于管理系统软件并辅助完成SAR信号预处理工作。
6.按权利要求1至5任一权利要求所述的预处理器，其特征在于所述的各处理过程并行同步工作。
全文摘要
一种多用途全实时数字预处理器，包括DDR存储器，用于存储原始数据；增益控制和通道平衡矫正单元IMU传感器运动补偿单元，用于补偿方位向数据；自适应FIR滤波单元，用于跟踪杂波中心。本发明使用SOPC，使得原来需要大量硬件完成的处理工作，只需要辅助一定容量的外部存贮器，就完全集成到了一个芯片上加以完成。从而极大缩小了处理器的体积，重量和功耗。而且利用SOPC内部的CPU可以对片上系统运行实施管理和监控。利用PLD的灵活性，可以方便地修改片上系统的硬件结构，以适应不同体制的SAR和其他领域对信号处理的要求。
文档编号H04B1/12GK1430071SQ01145128
公开日2003年7月16日 申请日期2001年12月30日 优先权日2001年12月30日
发明者陈冰冰, 王贞松, 张晓振 申请人:中国科学院计算技术研究所