机载SAR DPCA技术的实时实现
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摘要
本文结合电子所某型号工程项目，以机载双通道DPCA算法为理论基础，重点研究了该算法用于运动目标检测工程实现的方案设计和高速信号处理板的研制。
首先介绍了运动目标检测系统的发展和现状，目前常用的多通道运动目标检测算法DPCA、ATI、STAP的基本工作原理，并对三种算法的硬件复杂性、检测性能等做了简单的比较。提出了机载双通道DPCA技术的设计方案，详细介绍了其中预处理、距离压缩、转置存储、CFAR检测及后处理等各个处理步骤的工作原理，为运动目标检测系统的硬件实现提供了理论依据。
本文成功开发了基于XILINX Virtex2系列FPGA的距离向预处理板和基于FPGA和AD公司TS101的运动目标检测实时处理板。并对各处理板的工作原理、具体实现步骤和设计过程中的实时性、功耗、设计优化、调试等问题做了比较详细的研究。重点分析了作为预处理系统核心的FIR滤波器设计中参数的选取、基于查找表(LUT)结构的并行分布式算法(PDA)的原理和实现；多种预处理工作模式的设计和切换：与DSP实现预处理系统的其它设计方案的比较：运动目标检测实时实现的硬件系统结构设计、算法各个处理步骤的软件设计流程；基于ISA总线的DSP链路口加载；降低硬件系统功耗、提高系统可靠性的措施。设计的处理板处理能力强、结构紧凑、效率高，具有一定的通用性和实用价值，其相关设计思路为其他硬件系统开发具有一定的借鉴意义。
最后分析了设计中的不足之处和今后的工作任务和改进方法。针对我国GMTI技术工程实现方面的研究较少的现状，希望本文能为我国SAR／GMTI系统的研制起到一定的参考价值。
This dissertation is based on a project of Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences (IECAS). Study is carried out on the development of high-speed signal processing boards based on the airborne two-channel Displaced Phase Center Antenna (DPCA).
First, the history and development of GMTI is briefly reviewed, the principles of multi-channel algorithm including DPCA, ATI, STAP arc provided and compared in the aspects of complexity of hardware in practical engineering applications and the performance of each method. An airborne two-channel DPCA scheme is proposed, and the steps including preprocessing, range compression, CTM and CFAR are discussed in detail.
A range direction preprocessing board based on XILINX Virtex2 series FPGAs and a MTI processing board based on FPGA and AD TS101s are successfully developed. The principles of each board, the approach of realization, real-time requirements, power consumption, methods of program optimization and debugging techniques are studied in detail.
The dissertation focuses on the design of the key component of preprocessing system -FIR filter, investigated the considerations of the parameter selection; principles of Parallel Distributed Arithmetic (PDA) based on Look-Up Table (LUT); the design of multi-mode preprocessing system; comparisons with other scheme; the hardware structure to implement DPCA and software design flow; DSP link program based on ISA bus; methods to reduce the power consumption and improve the reliability of the system. The boards have the advantage of powerful processing capacity, compact structure and high efficiency. The design methods are generic and can be applied to other hardware systems.
Lastly the deficiencies of the dissertation and the future work are listed. At present the research of GMTI in practical engineering need to be strengthened in China, and wish the work in this paper will benefit the future design of SAR/GMTI system.
首先介绍了运动目标检测系统的发展和现状，目前常用的多通道运动目标检测算法DPCA、ATI、STAP的基本工作原理，并对三种算法的硬件复杂性、检测性能等做了简单的比较。提出了机载双通道DPCA技术的设计方案，详细介绍了其中预处理、距离压缩、转置存储、CFAR检测及后处理等各个处理步骤的工作原理，为运动目标检测系统的硬件实现提供了理论依据。
本文成功开发了基于XILINX Virtex2系列FPGA的距离向预处理板和基于FPGA和AD公司TS101的运动目标检测实时处理板。并对各处理板的工作原理、具体实现步骤和设计过程中的实时性、功耗、设计优化、调试等问题做了比较详细的研究。重点分析了作为预处理系统核心的FIR滤波器设计中参数的选取、基于查找表(LUT)结构的并行分布式算法(PDA)的原理和实现；多种预处理工作模式的设计和切换：与DSP实现预处理系统的其它设计方案的比较：运动目标检测实时实现的硬件系统结构设计、算法各个处理步骤的软件设计流程；基于ISA总线的DSP链路口加载；降低硬件系统功耗、提高系统可靠性的措施。设计的处理板处理能力强、结构紧凑、效率高，具有一定的通用性和实用价值，其相关设计思路为其他硬件系统开发具有一定的借鉴意义。
最后分析了设计中的不足之处和今后的工作任务和改进方法。针对我国GMTI技术工程实现方面的研究较少的现状，希望本文能为我国SAR／GMTI系统的研制起到一定的参考价值。
This dissertation is based on a project of Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences (IECAS). Study is carried out on the development of high-speed signal processing boards based on the airborne two-channel Displaced Phase Center Antenna (DPCA).
First, the history and development of GMTI is briefly reviewed, the principles of multi-channel algorithm including DPCA, ATI, STAP arc provided and compared in the aspects of complexity of hardware in practical engineering applications and the performance of each method. An airborne two-channel DPCA scheme is proposed, and the steps including preprocessing, range compression, CTM and CFAR are discussed in detail.
A range direction preprocessing board based on XILINX Virtex2 series FPGAs and a MTI processing board based on FPGA and AD TS101s are successfully developed. The principles of each board, the approach of realization, real-time requirements, power consumption, methods of program optimization and debugging techniques are studied in detail.
The dissertation focuses on the design of the key component of preprocessing system -FIR filter, investigated the considerations of the parameter selection; principles of Parallel Distributed Arithmetic (PDA) based on Look-Up Table (LUT); the design of multi-mode preprocessing system; comparisons with other scheme; the hardware structure to implement DPCA and software design flow; DSP link program based on ISA bus; methods to reduce the power consumption and improve the reliability of the system. The boards have the advantage of powerful processing capacity, compact structure and high efficiency. The design methods are generic and can be applied to other hardware systems.
Lastly the deficiencies of the dissertation and the future work are listed. At present the research of GMTI in practical engineering need to be strengthened in China, and wish the work in this paper will benefit the future design of SAR/GMTI system.
引文
[1] 孙娜，周萌清，李景文，三孔径天线DPCA实现星载SAR动目标检测的方法，雷达科学与技术，2004，6
[2] 杨凤凤，郭汉伟，二单元DPCA在机载相控阵雷达AMTI中的应用，现代雷达，2004，3
[3] 郑明洁．张焕胜，牛晓锋．杨汝良，合成孔径雷达地面动目标检测方法研究．遥感技术与应用．2005，20(1)
[4] 王永良，陈建文，吴志文，现代DPCA技术研究，电子学报，2000，28(6)
[5] Chang Chee Hang, Wong Char Ming, Liu Weixian and Jeffrey S Fu, Radar MTI/MTD Implementation and Performance, International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings, 2000:674～678
[6] N.J.S. Stacy. M.P. Burgess. M.R. Muller and R. Smith, Ingrara:an integrated airborne imaging radar system, Geoscience and Remote Sensing Symposium, 1996:1618～1620
[7] 赵志钦，刘醒凡等，两种自适应杂波抑制技术的比较—AMTI及ADPCA技术性能的分折和比较，电讯技术．1993，12
[8] H.S.C.Wang, Mainlobe Clutter Cancellation by DPCA for Space-based Radars, IEEE. Aerospace Applications Conference, 1991
[9] 林水生，吴井红，黄顺吉，超高速DSP在SAR成像处理中的应用研究．信号处理，1999，6
[10] 朱岱寅，朱兆达，叶少华，张昆辉．机载SAR成像信号处理研究和实践，南京航空航天大学学报，2003，12
[11] 朱锡兴，荆麟角，黄声根，李建雄，黄玲，两种自适应杂波抑制技术的比较—AMTI及ADPCA技术性能的分折和比较，电子科学学刊．1995，3
[12] 陈冰冰，王贞松，一个实用化的机载SAR实时成像处理系统和在其他信号处理中的应用，电子与信息学报，2002，11
[13] 何学辉，苏涛，邢孟道，一种机载SAR实时成像信号处理系统的设计，雷达科学与技术，2003，10
[14] 陈冰冰，王贞松，张晓振，李明峰，一种全实时SAR方位向数字预处理滤波器的设计，计算机研究与发展，2002，39(8)
[15] 靖岗，王虹现，沈福民．方位降采样滤波器设计和FPGA实现，航空计算技术，2004，34(4)
[16] 任维政．陈凌霄，梁菁．基于FPGA的动态分布式算法的研究与应用，电子器件，2005，28(1)
[17] 徐锋，禹卫东，唐红，谢东东．基于FPGA的SAR预处理器中FIR滤波器的实现，遥感技术与应用．2004，19(4)
[18] Syed Shahzad Shah, Saqib Yaqub, Faisal Suleman, Distributed Arithmetic for the Design of High Speed FIR Filter using FPGAs, Department of Electrical Engineering, COMSATS Institute of Information Technology, 2001
[19] 吴淑梅，禹卫东，用ADSP21062实现机载L-SAR实用系统的预处理，电子与信息学报，2001，23(9)
[20] 张矩，王岩飞，谭湘莹，采用可编程器件的合成孔径雷达实时成像处理器方位预处理电路的设计和实现，电子与信息学报，2002，24(11)
[21] 张德锋，高速DSP板的开发及其在合成孔径雷达实时信号处理中的应用研究，中国科学院博士学位研究生学位论文，2001年6月
[22] 卢世祥，SAR实时处理器预处理和转置存储技术的研究与实现，中国科学院硕士学位研究生学位论文，2004年6月
[23] 陈冰冰，SAR实时信号预处理和高分辨率实时成像处理系统的研究，中国科学院研究生院博士学位论文，2001年6月
[24] 刘宇，王岩飞，扬汝良，基于TMS320C6701高速并行信号处理平台的设计，现代雷达，2003，3
[25] 罗文平，王子旭，李忠民，刘晓，基于ADSP-TS101S的自适应动目标显示系统设计，集成电路应用，2004，12
[26] 禹卫东，吴淑梅，ADSP21062高速信号处理系统实现机载SAR实时成像处理器的方位向处理，电子与信息学报，2002，24(8)．
[27] 杜政，朱宇，朱近康，卫国，一种新的对称FIR内插滤波器结构及其在WCDMA中的应用，电子与信息学报，2002，24(4)
[28] John G. Ackenhusan, Real-Time Signal Processing: Design and Implementation of Signal Processing Systems
[29] 张澄波，综合孔径雷达：原理、系统分析与应用，科学出版社，1989
[30] 禹卫东，合成孔径雷达信号处理研究，南京航空航天大学博士学位论文，1997
[31] 王琦，SAR运动目标成像与检测方法研究，中国科学院博士学位研究生学位论文，2005年4月
[32] 康雪艳，机载SAR地面运动目标检测成像技术研究，中国科学院博士学位研究生学位论文，2004年6月
[33] 杨贤林，机载双通道SAR地面运动目标检测成像技术研究，中国科学院硕士学位研究生学位论文，2005年4月
[34] J. Meyer-Hilberg, B. Bickert, K.P Schmitt, Results of flight tests of a two-channel radar system with real-time MTI processing, IEEProc. Radar Sonar Navig., 2003, 150(1): 23～26
[35] Tim J. Nohara, Comparison of DPCA and STAP for Space-Based Radar, IEEE INTERNATIONAL RADAR CONFERENCE, 1995:113～119
[36] Shen Chiu, Chuck Livingstone, a Comparison of displaced phase center antenna and along-track interferometry techniques for RADARSAT-2 ground moving target indication, Can.J.Remote Sensing, 1995，31(1)：37～51
[37] 刘书明，苏涛，罗军辉，TigerSHARC DSP应用系统设计，电子工业出版社，2004
[38] 王诚．薛小刚，钟信潮，FPGA／CPLD设计工具XILINX ISE6.X使用详解，人民邮电出版社，2004
[39] 马晓岩，向家彬，朱裕生，秦江敏，雷达信号处理，湖南科学技术出版社，1999
[40] 徐锋，星载SAR高速FPGA预处理板的研制，中国科学院硕士学位研究生学位论文，2004年7月
[41] 张德峰，王岩飞，杨汝良，运动目标成像处理器及其实现研究，遥感技术与应用，2001，16(3)
[42] 郑明洁，合成孔径雷达运动目标检测和成像研究，中国科学院博士学位研究生学位论文，2003年6月
[43] 吕宇，吴嗣亮，DSP+FPGA实时信号处理系统中FPGA设计的关键问题，微计算机信息，2005，21 (5)
[44] Vikram M. Gadre, DSP APPLICATIONS IN RADAR, M. Tech Credit Seminar Report, Electronic Systems Group, EE Dept, IIT Bombay, 2002
[45] 冯维昭，吴顺君，苏涛，基于ISA总线的ADSP21160链路口加载，电子设计应用，2004
[46] Nick Sawyer, Analog Devices TigerSHARC Link, XILINX, 2004
[47] 李秀良，龙笔虎，王亚莉，俞育新，MTI处理技术及功能评定，舰船电子对抗，2001，2
[48] J. Ender, Dipl. Math, R. Klemrn, DrElEng, Airborne MTI via digital filtering, IEE PROCEEDINGS, 1989, 136 (1) :22～28
[49] 郑明洁，杨汝良，基于DPCA和干涉技术的SAR动目标检测，电子与信息学报，2003，25(11)
[50] 秦于华，刘畅，机载SAR实时成像处理器方位向处理及DSP实现，测控技术，2004，23
[51] 陈冰冰，邵洁，王贞松，赵荣彩，低功耗Clock-Gating技术在SAR实时成像处理中的应用，电子与信息学报，2005，27(3)
[52] Albonesi D H., An architectural and circuit-level approach to improving the energy eficiency of microprocessor memory structures, 10th International Conference on VLSI (VLSI'99), Hyderabad, India, December 1999: 192～205.
[53] Xilinx, Databook 2003
[54] TigerSHARC DSP Microcomputer ADSP-TSI01S Preliminary Technical Data. Analog Devices Inc, 2003
[55] FRANCIS G WOLFF, MICHAEL J. KNIESER, DAN J. WEYER, CHRIS A. PAPACHRISTOU, High-level low power FPGA design methodology, National Aerospace and Electronics Conference, 2000:554～559
[56] Morteza Saheb Zamani, Ehsan Esmaili, Reducing power consumption in FPGA routing, IEEE CCECE 2003. Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2003:9～12
[57] Jason H. Anderson, Farid N. Najm, Active Leakage Power Optimization for FPGAs, IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS, 2006,25 (3):423～437
[58] Oswaldo Cadenas, Graham Megson, Power performance with gated clocks of a pipelined Cordic Core, The 5th Int. Conference on ASIC, 2003:1226～1230
[59] 丁鹭飞，耿富录，雷达原理(第三版)，西安电子科技大学出版社，2002，6
[60] 张直中，机载和星载合成孔径雷达导论，电子工业出版社，2004年1月
[61] 李景文，合成孔径雷达运动目标检测与成像，北京航空航天大学博士学位论文，1999
[62] 刘畅，牛晓丽，王岩飞，基于微处理器的SAR成像处理转置存储，现代雷达，2005，27(4)
[63] 肖欣，SAR实时处理机的FPGA实现，电子科技大学硕士学位论文，2004，6
[64] John C Coriander, Robert N McDonough, Synthetic Aperture Radar-Systems and Signal Processing, New York :John Wiely&Sons, INC, 1991
[65] Donald R. Wehner, Artech House, High Resolution Radar, 1987
[66] 王贞松，合成孔径雷达实时成像处理技术，信息技术快报，2003，7
[67] 毕占坤，吴伶锡，FIR数字滤波器分布式算法的原理及FPGA实现，电子技术应用，2004，7
[68] 刘宇，杨汝良，基于SDRAM实时转置存储的实现，电子与信息学报，2003(8)
[69] 刘畅，机载SAR／GMTI实时信号处理技术研究与实现，中国科学院博士学位研究生学位论文，2006年6月
[2] 杨凤凤，郭汉伟，二单元DPCA在机载相控阵雷达AMTI中的应用，现代雷达，2004，3
[3] 郑明洁．张焕胜，牛晓锋．杨汝良，合成孔径雷达地面动目标检测方法研究．遥感技术与应用．2005，20(1)
[4] 王永良，陈建文，吴志文，现代DPCA技术研究，电子学报，2000，28(6)
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[12] 陈冰冰，王贞松，一个实用化的机载SAR实时成像处理系统和在其他信号处理中的应用，电子与信息学报，2002，11
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[16] 任维政．陈凌霄，梁菁．基于FPGA的动态分布式算法的研究与应用，电子器件，2005，28(1)
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[21] 张德锋，高速DSP板的开发及其在合成孔径雷达实时信号处理中的应用研究，中国科学院博士学位研究生学位论文，2001年6月
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[26] 禹卫东，吴淑梅，ADSP21062高速信号处理系统实现机载SAR实时成像处理器的方位向处理，电子与信息学报，2002，24(8)．
[27] 杜政，朱宇，朱近康，卫国，一种新的对称FIR内插滤波器结构及其在WCDMA中的应用，电子与信息学报，2002，24(4)
[28] John G. Ackenhusan, Real-Time Signal Processing: Design and Implementation of Signal Processing Systems
[29] 张澄波，综合孔径雷达：原理、系统分析与应用，科学出版社，1989
[30] 禹卫东，合成孔径雷达信号处理研究，南京航空航天大学博士学位论文，1997
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[32] 康雪艳，机载SAR地面运动目标检测成像技术研究，中国科学院博士学位研究生学位论文，2004年6月
[33] 杨贤林，机载双通道SAR地面运动目标检测成像技术研究，中国科学院硕士学位研究生学位论文，2005年4月
[34] J. Meyer-Hilberg, B. Bickert, K.P Schmitt, Results of flight tests of a two-channel radar system with real-time MTI processing, IEEProc. Radar Sonar Navig., 2003, 150(1): 23～26
[35] Tim J. Nohara, Comparison of DPCA and STAP for Space-Based Radar, IEEE INTERNATIONAL RADAR CONFERENCE, 1995:113～119
[36] Shen Chiu, Chuck Livingstone, a Comparison of displaced phase center antenna and along-track interferometry techniques for RADARSAT-2 ground moving target indication, Can.J.Remote Sensing, 1995，31(1)：37～51
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[38] 王诚．薛小刚，钟信潮，FPGA／CPLD设计工具XILINX ISE6.X使用详解，人民邮电出版社，2004
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[63] 肖欣，SAR实时处理机的FPGA实现，电子科技大学硕士学位论文，2004，6
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[66] 王贞松，合成孔径雷达实时成像处理技术，信息技术快报，2003，7
[67] 毕占坤，吴伶锡，FIR数字滤波器分布式算法的原理及FPGA实现，电子技术应用，2004，7
[68] 刘宇，杨汝良，基于SDRAM实时转置存储的实现，电子与信息学报，2003(8)
[69] 刘畅，机载SAR／GMTI实时信号处理技术研究与实现，中国科学院博士学位研究生学位论文，2006年6月
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