基于SAR系統(tǒng)的高速數(shù)據采集和存儲系統(tǒng)

　合成孔徑雷達(SAR)是主動式微波成像雷達，近年來隨著合成孔徑雷達的高速發(fā)展，對作為重要部分的數(shù)據采集和存儲系統(tǒng)的要求越來越高，比如對數(shù)據采集系統(tǒng)的采樣率、分辨率、存儲深度、數(shù)字信號處理速度、抗干擾能力等方面提出更高要求。SAR系統(tǒng)的數(shù)據采集和存儲處理需要滿足正交兩路(I/Q)雷達回波信號數(shù)據同時采集，并實現(xiàn)高速傳輸和大容量長時間實時存儲。根據這一要求，結合采集存儲的發(fā)展趨勢，設計并實現(xiàn)了一種應用于SAR，基于SATA硬盤的高速數(shù)據采集和存儲系統(tǒng)。采用FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)工作時序控制，DSP功能模塊完成信號的處理和對硬盤的操作。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)脫機，長時間，高速大容量的數(shù)據存儲。

　　1 系統(tǒng)構成及設計原理

　　本系統(tǒng)由模數(shù)轉換模塊、采集存儲控制模塊、DSP功能模塊和數(shù)據存儲器(硬盤)組成。其中模數(shù)轉換模塊和采集存儲控制模塊位于電路板1，數(shù)據存儲接口模塊位于電路板2，板間按照SHB接口協(xié)議通信。系統(tǒng)實現(xiàn)思路為：首先采集正交輸出的I/O兩路模擬正交信號，經過并在雷達回波有效時間內將數(shù)據送入DSP功能模塊轉化數(shù)據格式。在兩次回波有效窗的間隔時間內，將數(shù)據存入SATA硬盤中，系統(tǒng)結構如圖l所示。

　　1.1 數(shù)據采集模塊

　　模數(shù)轉換模塊主要功能是：在120 MHz的采樣時鐘下，將I/O兩路模擬正交信號轉換成12位數(shù)字信號，送給后端的采集存儲控制模塊。該模塊由信號調理器和A/D轉換器2部分構成。信號調理器主要完成對輸入信號的幅度和共模電壓的調整，A/D轉換器將調整后的模擬信號均勻采樣得到其量化的數(shù)字信號。根據系統(tǒng)要求，運算放大器選用AD8351，該器件是用于RF和IF頻段的低功耗差分運放，其輸出放大增益和差分共模電壓均可通過調整片外相應電阻阻值實現(xiàn)。A/D轉換器選用AD9430，該器件分辨率為12位，最高轉換速度為170百萬次/秒，輸入信號模擬帶寬為710 MHz，輸出模式可靈活配置。

　　1.2 采集存儲控制模塊

　　采集存儲控制模塊是整個系統(tǒng)運行控制的核心部分之一，其內部框圖如圖1的FPGA部分。該采集控制模塊的主要功能是：前端采集的數(shù)字信號在輸出控制模塊的控制下(編碼等處理)，經SHB送到DSP功能模塊，DSP通過基于紐曼-皮爾遜準則的滑窗檢測算法計算出有效信號的具體位置，并得到這些參數(shù)(CalEnd、Start、Hold、Error、Pause、Delay、CalPRF、PRF-INCRS和Full)，然后經過編碼將這些參數(shù)傳送給采集控制模塊，采集控制模塊通過譯碼模塊，恢復這些參數(shù)并通過這些參數(shù)控制時序，就可以采集信號的有效部分。最后通過SHB把這些有效信號傳給DSP功能模塊，存儲在SATA硬盤中。該采集存儲控制模塊的時鐘為120 MHz。

　　根據設計要求，采集存儲控制模塊的最高工作頻率為240 MHz，由于該模塊的主要功能是對系統(tǒng)中各子模塊的接口連接和控制，所以其外部接口較多，還涉及到多電平模式間的轉換和兼容。通過最后的仿真綜合分析，本方案設計選用Virtex 4系列的FPGA器件XC4VFXl2。

　　如圖1中的FPGA框圖，采集存儲控制模塊包括4個主要的功能模塊，其中總體時序控制模塊是核心模塊。按照系統(tǒng)工作要求，本系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了如下工作：系統(tǒng)開機后，外部硬件電路將對系統(tǒng)進行自動復位。復位信號有效后，總體時序控制部分將進人狀態(tài)“0001”，對總體時序控制所有參數(shù)進行初始化配置。參數(shù)配置結束后，將自動從狀態(tài)“0001”跳轉至狀態(tài)“0010”。狀態(tài)“0010”是總體時序控制部分的狀態(tài)跳轉中樞，該狀態(tài)根據譯碼產生的控制信號跳轉至相應的下一個工作狀態(tài)。根據系統(tǒng)工作方案，需要FPGA在接收到START(開始傳送數(shù)據)信號后，向后端傳送單個完整的PRI內的采樣信號。此時CalEnd信號為系統(tǒng)初始化時，所賦予的初始值‘0’。當FPGA接收到START信號后，將檢測CalEnd是否為其初始值‘0’，當條件“CalEnd=‘0’and START=‘1’”成立時，總體時序控制部分將從狀態(tài)“0010”跳轉至狀態(tài)“001 1”?？傮w時序控制部分跳轉至“0011”狀態(tài)后，將在下一個PRF上升沿到來后，通過PCI輸出管理部分開啟SHB輸出通道，傳送一個完整PRI內的采樣數(shù)據。數(shù)據傳送完畢后，自動由狀態(tài)“0011”跳轉回狀態(tài)“0010”，并關閉SHB輸出通道。至此，F(xiàn)PGA對計算結束前接收的一次START命令執(zhí)行完畢。當信號檢測部分一旦檢測到有效回波位未能完整落入采樣PRI內時，將通過SHB輸入端口向FPGA傳送DEIAY信號。在總體時序控制部分接收到輸入信號譯碼產生的DElAY信號后，將在下一個PRF上升沿到來后，由狀態(tài)“0010”跳轉至狀態(tài)“0100”，當延時完成后自動由狀態(tài)“0100”跳轉回狀態(tài)“0010”。當信號檢測結束后，后端模塊將通過SHB輸入單元把PRF延遲量傳送至FPGA，同時將總體時序控制中的Ca-lEnd信號置高。當總體時序控制部分檢測到CalEnd信號為高時，將在下一個PRF上升沿到來后，由狀態(tài)“0010”跳轉至狀態(tài)“0101”。在狀態(tài)“0101”中，根據計算的PRF延遲結果，對采樣PRF的位置進行一次延遲。延遲結束后，將自動跳轉至狀態(tài)“0110”。狀態(tài)“0110”中?？傮w時序控制部分將通過SHB輸出控制模塊關閉SHB通道。同時等待數(shù)據傳送開始信號START。

　　2 DSP功能模塊

　　DSP功能模塊主要由SMT387模塊完成。本設計利用TMS320C6415型DSP完成了對回波信號采集數(shù)據的分析處理，并為前端數(shù)據模塊提供相應計算結果，使信號采集模塊得以準確完成對回波信號的有效采集。同時，利用SMT6087的文件操作系統(tǒng)將采樣數(shù)據轉換為FAT32文件系統(tǒng)下的數(shù)據格式，并將數(shù)據存人SATA硬盤中。

　　SMT387是一款專門用于數(shù)據硬盤存儲的DSP功能模塊。其主要特點有：

　　1)雙SATA硬盤接口，采用Silicon Image Serial ATALink 3512;

　　2)600 MHz工作頻率的TMS320C6415DSP;

　　3)Virtex-ⅡPro FPGA;

　　4)1組60針的SHB接口;

　　5)8 MB的Flash為脫機工作提供配置，其中數(shù)據傳輸采用的SHB協(xié)議是一種高速數(shù)據傳輸協(xié)議，其傳輸速率可達240 MB/s。

　　SHB總線由兩組相互獨立的SunDance數(shù)據總線(SunDance Digital Bus，SDB)單元SDBl和SDB2構成，每組SDB單元含有16根數(shù)據線，3根控制信號線WEN，REQ，ACK和1根時鐘線CLK。每組SDB單元均可獨立地配置為單向收發(fā)或雙向收發(fā)的工作模式。

　　在本系統(tǒng)中，采用滑窗檢測的方法對有效回波進行檢測?；皺z測器在PRI內對N個采樣樣本點求平方和，其檢測變量數(shù)學表達式：

　　式中，Gn為檢測變量的初始值;xi，xj為A/D輸出采樣樣本點，i，j=0為單個完整PRI內采樣數(shù)據的起始點，i，j=M-1為該PRI內采樣數(shù)據的終止點;M為單個完整PRI內采樣點總數(shù)，N為檢測滑窗寬度。當Gj超過所設定門限β(Gj>β)時，則認為此時信號有效。

　　根據輸出的噪聲采樣樣本點xi，可計算得到xi的均值、方差和門限：

　　其檢測具體流程如下圖2所示。

　　下面是DSP中的的部分代碼(其中很多函數(shù)是SMT6087操作系統(tǒng)自帶的)：

　　3 測試結果

　　本系統(tǒng)的主要功能就是檢測有效信號的位置并對有效信號進行存儲。測試方案：利用Tektronix AWG420信號源輸出30 MHz中頻，10 MHz帶寬，10 us脈寬的線性調頻信號模擬實際工作中的線性調頻信號。PRF為1 kHz，系統(tǒng)采樣率為120 MHz。用示波器(Tektronix TDS505Z)進行觀察，信號檢測結果如圖3所示，圖3(a)無輸入信號，所以沒有有效回波信號，只有數(shù)據采集窗;由圖3(b)可見，當有信號輸入時，開機后數(shù)據采集窗迅速鎖定有效信號位置，有效信號在采樣窗內，說明DSP功能模塊正確地鎖定了信號的有效位置。圖4和圖5是整機現(xiàn)場測試結果，輸入脈沖壓縮信號。圖4是輸入的I/O信號頻譜，圖5是從硬盤中讀出的信號經傅里葉變換后的頻譜，因此本采集存儲系統(tǒng)能夠成功完成數(shù)據的采集和存儲功能。

　　4 結論

　　該系統(tǒng)運用紐曼-皮爾遜準則的滑窗檢測算法檢測回波信號中有效信號的位置，達到只存儲有效信號，大大降低了對存儲速度的要求。該系統(tǒng)還設計了一套基于SMT6087操作系統(tǒng)的數(shù)據格式轉換軟件，可以不通過計算機直接將數(shù)據轉換為FAT32格式，大大提高了系統(tǒng)在野外工作的能力。但紐曼-皮爾遜準則存在一定漏檢概率，也就是會丟失一些有效信號，使得采集的信號不夠完整。為了提高存儲數(shù)據的準確性，設計一套完全不丟失數(shù)據的采集存儲系統(tǒng)其有重大意義。