图像溯源算法（SAR成像的距离多普勒算法）

通过集成数字前端(DFE)，66AK2L06 SoC将所有的高通量数字处理集成到一个优化的软件可编程处理单元中，该单元包括控制、基带和DFE。因此，SoC能够在芯片上完成各种功能，从基本信号处理(包括信道化/抽取和重采样)到指数复乘法、滤波和FFT/IFFT，这些都是合成雷达处理算法所必需的。

雷达系统的设计者现在可以从片上数字上/下变频、滤波和高效的高速连接以及最新的高速ADC/DAC中获益。

DFE的主要特点：

信道化和数据转换器接口功能，是大多数应用必须具备的信号处理功能：

•符合频谱发射的载波滤波

•单频和通道的聚合和分发

•TI高速ADC和DAC的JESD204B SerDes接口

•基带(BB)模块提供：

每个通道传输数据的可编程复增益

数据传输的可编程环路限幅器

接收数据的可编程后端自动增益控制(BeAGC)

TX和RX通道的可编程功率测量选项

最多支持24个接收通道和24个发送通道

提供闭环功能

•数字上/下变频(DDUC)：

多通道上/下变频

灵活的输入/输出采样率

可编程重采样选项

可编程FIR，以满足频谱滤波要求

每个通道的增益、相位和分数延迟调整

FFTC

FFTC模块可在66AK2L06 SoC上的所有四个C66x核上访问，该模块可用于加速各种应用中所需的FFT和IFFT计算，从而为其他处理腾出DSP核心周期。

FFTC提供了以下特性：

•IFFT和FFT可处理的大小：

2a×3b，2≤a≤13, 0≤b≤1 最大为8192

12×2a×3b×5c ，12到1296之间

•16位I/Q输入和输出

•吞吐量根据FFT大小略有变化。例如4096点的FFT，对于1.2 GHz设备，它可以由单个FFTC以525 Msps的吞吐量进行处理。

•信噪比从84dB到100dB，取决于FFT的大小

•动态和可编程配置模式

•动态配置模式可返回块参数

•支持“FFT移位”(可选左/右半部分)

•支持循环前缀(添加和删除)

•乒乓输入、输出缓冲区

•输入数据随移位可配置

•输出数据可配置

•可补零

合成孔径雷达(SAR)

SAR系统通常安装在一个移动平台上，如飞机或航天器，通过发射一串脉冲信号来工作，接收机收集反射回雷达的每个脉冲的回波并记录下来。

SAR系统利用SAR天线在目标区域上移动的距离来“合成”更大的天线孔径(天线的“尺寸”)，比传统的波束扫描雷达提供更高的空间分辨率。然后，对记录的雷达回波进行信号处理，将来自多个天线位置的记录合成起来，以生成图像。

由于雷达的波长比可见光或红外光的波长长得多，因此SAR可以透过云层、烟雾、湿度和黑暗而“看到”。选择合适的频段，可生成穿透树叶的图像，从而绘制树丛下面土地的像，或者穿透地表以下或浅水。

SAR数据在时间域采集，变换到频率域和距离多普勒域，并应用匹配滤波。SAR处理方法有多种，但各有优缺点。

距离多普勒算法(RDA)是一种一维傅立叶变换。另一种类似于RDA方法的是chirp scaling算法(CSA)。第三种方法是二维傅里叶变换算法，称为波动方程(WE)算法。这种二维WE算法同时处理距离和方位数据，而距离多普勒处理算法先进行距离压缩处理，再进行方位压缩处理。在SAR处理系统中，最常用的算法是RDA，这是本文的研究重点。

距离多普勒算法(RDA)

RDA适合低斜视场景成像，其主要步骤是：

1. 距离FFT

2. 距离压缩

3. IFFT

4. 方位FFT

5. 距离单元徙动校正(RCMC)

6. 方位压缩(方位滤波)

7. 图像重建

距离和方位压缩都是相关处理，进行了二次一维匹配滤波运算。第一次匹配滤波作用于各个脉冲的雷达回波，第二次匹配滤波作用于多普勒维。图4显示了基于距离多普勒处理算法的合成孔径雷达处理的基本概念，该算法是在C66x DSP多核上实现的低功耗合成孔径雷达。

距离压缩

数据被采集并使用JESD204B的RX接口装载到66AK2L06 SoC中。设S0(τ，η)为接收数据，其中：

•η=k/fa是“方位时间”(脉冲之间的慢时间)，fa是方位采样率；

•τ=m/fr是“距离时间”(脉冲内的快时间)，fr是距离采样率；

数据存储在内部共享存储器(MSMC)中，直到一个触发信号发送到66AK2L06平台，以表示单个脉冲采集的结束。一旦接收到完整的脉冲序列，就会触发距离压缩处理。

距离压缩是将接收到的脉冲沿距离方向压缩，将主要能量集中到较窄的持续时间内。它通过在频率(距离)-时间(方位)域中原始数据和参考信号之间的快速卷积来执行。因此，首先沿距离向执行FFT，然后执行匹配滤波的乘法和距离IFFT。匹配滤波在频域中实现为复数相乘。

距离压缩在66AK2L06平台上的步骤：

1. 用(“行”)执行“距离”FFT来变换数据，在一个C66x内核(浮点操作-约28us处理4K点 FFT)或在FFTC加速器上(块浮点操作-约8us处理4k FFT)得到的数据是Sr(fτ,η)矢量，fτ是距离频率。

2. 使用C66x数字信号处理器内核应用距离匹配滤波器：

3. 执行“距离”IFFT变换到时域中，得到的数据是S2(τ,η)向量。

转置

转置用于重新排列压缩数据，使其可以按方位线顺序读取，以便沿方位向进行处理。存储器中的距离压缩数据被按块分组，最好是平方大小，这是因为当加载/写入数据的行大小不小于行数时，存储器访问可实现更高的效率。

为了有效地在外部存储器和内部存储器(L2)之间加载/写入数据，66AK2L06 SoC上的增强直接存储器访问(EDMA3)可应用于服务数据传输。EDMA3是TI KeyStone架构的独特设计，其特征在于在三个维度上具有完全正交传输，可实现二维同步、灵活传输定义、多DMA通道和存储器保护。

距离单元徙动校正(RCMC)

距离单元徙动是由平台运动引起的距离变化导致(遵循双曲线规律)。距离单元徙动校正是将存储器中的数据重新排列，使轨迹变直，从而可以沿每个平行的方位线进行方位压缩。RCMC可以通过基于插值核的距离插值操作来实现，例如sinc函数或样条曲线。

在TI公司的TMS320C6678多核DSP上，采用16组8抽头sinc滤波器作为内插滤波器。16组滤波器的系数按常数存储。选择哪种滤波器的索引由小数部分决定。每个距离单元使用相同的滤波器。TMS320C66x利用DSP独特的双浮点加载、写入和运算指令，提高了插值计算效率。

RCMC在66AK2L06平台上使用的步骤：

•沿方位方向(“列”)执行“方位”FFT，以在DSP或FFTC上将数据变换为距离多普勒域。

•得到的数据是Sa(τ ,fη)向量，fη是方位频率。

•在估计多普勒频率fD后，“sinc”函数适应于信号(驻定相位原理)

方位压缩

方位压缩是将轨迹中的扩展能量压缩到方位向上的单个单元。此过程与距离压缩类似，只是方位参考函数与距离有关。也就是说，每一条距离线的方位参考函数是不同的，这导致了比距离压缩更复杂的过程。与RCMC类似，方位压缩也是在距离多普勒域进行的。通过将方位压缩后的信号变换回时域，再进行后续处理，得到最终的图像。

1. 在66AK2L06平台上使用C66x数字信号处理器内核应用方位匹配滤波器：

2. 执行“距离”IFFT变换，得到的数据是S3(τ,η)向量。

本文英文来源TI，前半部分《基于TI的66AK2L06芯片，优化合成孔径雷达设计(上)》。需要英文全文的请给“雷达通信电子战”发送“0206”查看。更多SAR相关内容可以点击“阅读原文”查看。2020年度铁杆会员可直接进入更新文件夹查看中文完整版。

距离多普勒算法在66AK2L06片上的实现

在66AK2L06 SoC中，利用四个C66x的DSP核，每个核处理不同部分的数据，可以实现距离多普勒算法的并行计算，可以使用openMP在不同的内核上高效地部署处理任务，以实现负载平衡并最小化处理延迟。

利用66AK2L06 SoC上的硬件加速器提供了多种好处，从释放DSP核上的额外处理周期到减少应用程序总延迟。在处理SAR算法之前，DFE可以减少多种类型的处理。

从ADC接收到的信号是实信号，可以在SAR处理的第一阶段之前进行调理。在高达368Msps的流处理下，DFE可以使用其R2C模块以18位精度的输入和输出将实信号转换为复信号。使用可编程滤波器，DFE可以执行复FIR滤波，最多有79个系数。

对于SAR算法本身，距离/方位压缩需要很多FFT和IFFT。这些功能可以分到66AK2L06 SoC的两个FFTC加速器上。有文献指出在单个DSP核上执行SAR算法以处理4K×4K图像的延迟将耗费1404 ms，其中假设50%的延迟是由于FFT/IFFT。在处理4K点时，FFTC的吞吐量为525Msps，处理延迟降为约8us。

文献中的方位FFT由4096个4K点的FFT组成，当用浮点数在DSP核上执行时，占总延迟（252ms）的18%。如果使用66AK2L06 SoC中的两个FFTC，同一方位FFT将花费约16ms延迟。

考虑到访问外部存储器的影响，在本SAR算法实现实验中，使用两个FFTC可以使FFT/IFFT处理延迟至少提高5倍。这使得总延迟从1404ms下降到842ms，下降了40%。延迟的减少将释放大量的周期资源来处理其他算法，从而提高最终SAR成像的性能。

另外两种SAR处理方法CSA和WE也是信号处理驱动的算法，其中需要大量的FFT/IFFT运算、滤波和复乘法运算，这表明66AK2L06 SoC是处理这些算法的适合平台。

5 三倍速开发

合成孔径雷达（SAR）系统和专用软件开发工具已被广泛应用于军事和非军事领域，包括探测、监测、绘制地图和测量陆地、海洋、冰以及地球和其他行星大气中的现象。

现代雷达设计在雷达系统前端（激励器/接收器）集成了信号处理功能，包括波形生成、滤波、矩阵逆/转置操作、FFT/IFFT和信号相关。雷达系统中也有数学函数，包括指数复数乘法和其他数学运算。

许多设计者在基于C的处理器中实现了这些功能（定点/浮点操作）。这些类型的设计可以利用66AK2L06 SoC中提供的小尺寸和四个定点和浮点C66x DSP核来满足系统需求，同时减少延迟和提高系统功耗。

基于TI的高通量KeyStone II架构，新的66AK2L06 SoC是一个可扩展的低功耗解决方案，集成了DFE和高速JESD204B接口，满足更严格的系统成本和航空电子和国防（包括雷达）应用的要求。这个集成的系统解决方案可以将开发时间从几周缩短到几天，从几天缩短到几小时。

开发人员可以利用TI设计的优势，使用多个ADC、DAC和AFE对66AK2L06 SoC进行预验证。所有这些都能加快时间，让开发人员的开发速度提高三倍。

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