《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TX2的微型SAR實時成像信號處理技術(shù)
電子技術(shù)應(yīng)用 11期
姚森1，2，李和平1，白浩琦1，2
（1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）
摘要： 微型合成孔徑雷達實時成像處理系統(tǒng)使用GPU實現(xiàn)，該系統(tǒng)以波數(shù)域成像算法為基礎(chǔ)，采用兩步運動補償方法補償無人機平臺的運動誤差，然后使用相位梯度自聚焦算法補償殘留相位誤差?；贜VIDIA公司TX2開發(fā)板對實時成像處理系統(tǒng)進行了算法開發(fā)與驗證，結(jié)合GPU特性對成像算法并行化處理，在18.5 s內(nèi)實現(xiàn)了16k×8k點的數(shù)據(jù)處理。試驗結(jié)果驗證了實時成像處理系統(tǒng)的有效性。
中圖分類號：TN957.5
文獻標(biāo)志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233949
引用格式： 姚森，李和平，白浩琦. 基于TX2的微型SAR實時成像信號處理技術(shù)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(11)：160-164.
Real-time imaging signal processing technology of miniature SAR based on TX2
Yao Sen1，2，Li Heping1，Bai Haoqi1，2
(1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；2.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China)
Abstract： The mini-SAR real-time imaging processing system uses GPU to implement the wave number domain imaging algorithm. It adopts a two-step motion compensation method to compensate for the motion error of the unmanned aerial vehicle platform, and then uses the phase gradient autofocus algorithm to compensate for the residual phase error. Based on the NVIDIA TX2 development board, this paper develops and verifies the real-time imaging processing system algorithm, and combines the GPU characteristics to parallelize the imaging algorithm. The system achieved data processing of 16k×8k points in 18.5 seconds. Experimental results have verified the effectiveness of the real-time imaging processing system.
Key words : mini-SAR radar；wavenumber domain algorithm；GPU；real-time imaging processor

【引言】

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）憑借其全天時、全天候、穿透能力強和探測距離遠等優(yōu)點，在災(zāi)害監(jiān)測、民用勘探、應(yīng)急救援等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的機載SAR，微型合成孔徑雷達（Miniature Synthetic Aperture Radar，Mini-SAR）使用無人機平臺，這使其整體體積遠小于傳統(tǒng)機載SAR，因此它具有使用更加靈活、成本更低的優(yōu)點，是一種高效的信息獲取平臺[1-2]。Mini-SAR技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)階段雷達研究的熱點之一。

微型SAR的數(shù)據(jù)處理主要分為兩類：一類是離線處理，即將微型SAR只采集數(shù)據(jù)而不作處理，將采集的數(shù)據(jù)儲存到硬盤中[3-5]，待采集結(jié)束后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦進行數(shù)據(jù)處理，這種方式在生成圖像過程中不考慮體積、功耗、時間等問題，可以采用高性能處理器進行批量處理，處理速度較快。但是這種處理方式不能實時查看雷達成像結(jié)果，如果雷達系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)故障，容易造成回波數(shù)據(jù)錯誤，而這種錯誤不能立即被發(fā)現(xiàn)。另一類處理方式是實時處理，雷達回波數(shù)據(jù)不僅儲存在硬盤中，還通過實時成像處理器實時處理回波數(shù)據(jù)，并將處理后的圖像通過Wi-Fi或者無線鏈路傳輸?shù)降孛嬲?。文獻[6]最早設(shè)計了適用于無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）的SAR實時成像處理板卡，該板卡使用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）實現(xiàn)，使用波數(shù)域算法（Wavenumber Domain Algorithm, WKA）處理SAR圖像數(shù)據(jù)，峰值功耗為15 W。文獻[7]使用FPGA和DSP設(shè)計了重量為700 g、功耗小于16 W的微型SAR實時成像與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r生成800 m測繪帶范圍的圖像。文獻[8-9]使用Xilinx V7 FPGA設(shè)計實現(xiàn)了SAR實時成像處理系統(tǒng)，處理8k×4k采樣點的圖像數(shù)據(jù)需要5.1 s。文獻[10]使用Jetson TK1設(shè)計實現(xiàn)了實時成像處理器，處理4k×4k點的SAR圖像數(shù)據(jù)需要3 104.84 ms。文獻[11]使用NVIDIA Jetson TX2設(shè)計了實時成像SAR處理器，通過該處理器可以獲得10 m分辨率的SAR圖像。文獻[12]設(shè)計了基于FWCM的低成本微型SAR，使用NVIDIA Jetson Nano生成場景大小為120 m×100 m的SAR圖像，并通過5 GHz Wi-Fi鏈路將圖片傳送到地面站。

本文基于NVIDIA Jetson TX2設(shè)計了用于微型SAR的實時成像處理器。本文首先分析了無人機平臺對于硬件選擇與算法選擇的要求，然后研究了成像算法在GPU中的實現(xiàn)，最后給出了試驗結(jié)果。


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【作者信息】

姚森1，2，李和平1，白浩琦1，2

（1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）




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