星载在轨成像高效处理系统硬件实现设计

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）在轨成像技术是灾害检测、军事侦察等高时效遥感应用场景的关键手段,以现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array,FPGA）+数字信号处理器（Digital Signal Processing/Processor,DSP）为处理核心是一种搭建星载SAR在轨成像系统的典型方案,在异构算力、能效比、灵活度等方面综合评价良好。但现有的FPGA+DSP系统在算法支持、大粒度处理、片上并行加速、复杂矩阵转置方面仍研究不足,成像性能仍然有较大提升空间。本文对支持大斜视、高分辨成像的非线性调频变标算法（Nonlinear Chirp Scaling Algorithm,NCS）算法进行分析,根据运算复杂度和类型将算法划分为主流程和辅助路程,以此为依据提出NCS算法在FPGA+DSP系统中的异构映射方案;针对多通道快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）处理后数据存储形式发生变换、难以流水处理的问题,提出基于时频抽取切换的多通道FFT协同处理方法,保证多通道FFT处理高效进行;针对不同粒度、不同并行度场景下转置需求复杂多变的问题,提出基于X-直接存储器访问（X-Direct Memory Access,XDMA）+片上分割转置的通用交叉转置方案。
本文采用2片VX690T FPGA和2片FT 6678 DSP为核心处理器研制了星载SAR成像板卡,实现了提出的系统设计方案。同时,本文搭建了基于模拟源+地检的验证环境,对条带/扫描/聚束/滑聚/TOPS模式的仿真点阵数据和条带/滑聚模式的实测数据进行处理。点阵数据的二维峰值旁瓣比约为-13.2 dB,二维积分旁瓣比约为-10.1 dB,成像质量良好;以条带模式为例,图像尺寸为32K×16K,基于NCS算法的平均成像时间为7.81 s,成像速度较现有方案大幅提升。