合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種高分辨率微波成像雷達，可以全天候、全天時的利用微波照射獲得地面目標的散射信息，是獲取地面信息的重要手段，因而在軍用和民用領域中都獲得了廣泛的應用。合成孔徑雷達模擬技術是一種用模擬的方法來研究SAR的技術，在SAR的研究和研制工作中具有十分重要的作用。該技術能模擬出SAR的回波，用于SAR系統性能的檢驗以及測試，并能評估各種成像算法，分析出建立在不同模型上的算法的有效性。近年來，國內外許多院校和科研機構都投入了大量的人力和物力進行合成孔徑雷達模擬技術的研究。伴隨著SAR的研究與發展，與之相應的模擬器研制也取得了豐碩成果。其中，在硬件上實現高速數據處理是其關鍵技術之一。對于高分辨率、大測繪帶合成孔徑雷達模擬器來說，數據存儲器容量也是要面臨的另一個問題。針對合成孔徑雷達實時信號處理所要求的大數據吞吐能量、強數據計算能力，需要尋求一種基于高速數字電路的解決途徑。
TS101是美國AD公司最新推出的TigerSHARC系列DSP芯片，采用DMA引擎，主要針對嵌入式實時應用。TigerSHARC DSP有兩個獨立的32位處理器核，或者多指令多數據流(MIMD)結構。每個處理單元都能在單周期執行一次乘法，以及加法，對于300 MHz的ADSP TS101S，每個周期能產生6個FLOP，峰值處理器能力達到1800 MFLOPs。TigerSHARC為多種信號處理設計，提供了64位的共享系統總線和4個鏈路口。數據在外部總線上的傳輸率可以達到800 MB/s。此外，數據也可以通過鏈路口傳輸，每個鏈路口的傳輸率達到250 MB/s。整個TigerSHARC芯片的I/O帶寬達到1 800 MB/s。選用的實時信號處理板基于標準的CPCI總線，由4片TS101構成共享總線的并行處理器，DSP之間采用鏈路口通信。板上內存擴展到了2 GB，滿足了SAR信號模擬器要求的大存儲容量和強計算能力。
1 SAR回波模擬器的原理及實現
1.1 SAR回波信號模擬器的原理
從上述高分辨率SAR模擬系統的技術分析可以看出，高分辨率模擬器設計必須解決速度和容量的問題。本文提出基于DSP的系統實現方法，SAR回波模擬器的原理框圖如圖1所示。從原理框圖可以看出，本系統可分為四大部分：回波信號產生、D/A轉換、正交調制、上變頻。其中SAR回波信號產生是該系統的重要組成部分，利用CPU主板，可以通過連接顯示設備，利用人機界面，對各種場景參數進行實時設置，通過CPCI總線傳送至通用信號處理板上的DSP處理器，由DSP實時計算SAR回波脈沖，然后經過D/A變換、正交調制和上變頻到接收機。
1.2 SAR回波信號模擬器的系統硬件組成
SAR回波信號實時產生的重點在于實時信號處理機，在實時信號處理系統設計選型中，必須根據系統要求選擇合適的高速DSP處理器完成系統要求的任務。實時信號處理機主要硬件由多塊DSP信號處理板卡、CPU主板、DAC板卡、標準CPCI機箱和電源、顯示監視設備CRT等構成。針對合成孔徑雷達實時信號處理所要求的大數據吞吐能量、強數據計算能力，決定選用美國AD公司的TS101芯片作為實時信號處理機的DSP處理芯片。綜合各種因素，最終選擇的DSP信號處理板卡如圖2所示。
該板單板可以提供7.2 GFLOPs處理能力，2 GB的擴展內存;板卡形式是標準的CPCI 6U板卡，完全滿足SAR實時回波處理對實時處理能力和大內存的需求。
1.3 SAR回波信號模擬器的算法流程
實時SAR回波產生算法不同于事后處理算法，它必須在滿足指標要求的情況下，充分滿足實時性的問題。算法的設計同時需要考慮到硬件的結構，充分利用硬件平臺的結構設計算法。對于實時SAR回波產生算法還需要根據不同的平臺環境，要求合理選擇，簡化和優化算法，以便達到實時性的要求。在兼顧性能的基礎上，選擇了最合適的二維卷積回波產生算法，避免了繁雜的循環迭代。該算法流程圖如圖3所示。
2 SAR回波模擬器的系統仿真試驗
2.1 應用性能要求估算及系統運算速度測試
選定通用可編程實時信號處理機仿真了SAR回波信號產生算法。在1 m×1 m分辨率下，場景取8 192×4 096點，距離向取16 384點，方位向取4 096點。從雷達參數計算可以得到，方位向需處理的數據為2×4×8 192×4 096=256 MB。由此可以得到應用對系統內存的要求為：原始數據存儲256 MB。選擇的通用可編程實時信號處理機單板內存為2 GB，完全滿足需要。
在明確了系統滿足性能要求后，需要驗證系統是否滿足實時性的運算速度要求。SAR雷達信號產生算法主要運算是進行FFT運算，同肘在評估不同板卡性能的時候，FFT速度的比較也是衡量系統性能的主要指標之一。其速度如表1所示。運行速度均為讀取程序運行前后TS101片內CCNT時鐘寄存器的差值，運行3次，取均值的結果。對300 MHzTS101芯片來說，實際運行時間為：周期數×3.3ns。
為了驗證本系統對SAR信號產生算法整體運算時間性能的評估，測試了一次完成的時間。SAR回波產生算法主要內容：先距離向卷積、存儲，再方位向卷積。距離向按16 384點處理，方位向按4 096點處理，測試單板處理共花費的時間為2.146 963 s。從試驗結果可以看出，采用由一塊處理板卡組成的通用可編程實時信號處理機系統可以實現0.524 ms產生一個模擬回波脈沖，達到實時處理要求(要求1 ms產生一個模擬回波脈沖)。
2.2 實際試驗結果
采用本套系統對兩幅圖片進行了反演測試。圖4，圖5是對模擬的回波進行SAR成像的結果。
3 結語
SAR回波信號模擬器采用的板卡是標準CPCI 6U板，可裁減性和可擴充性好;而且單板內存已經擴展到了2 GB，大的內存意味著可以模擬更加復雜的場景，得到更好的模擬效果。采用基于DSP的通用處理板來實現模擬器，使得模擬器能夠實時、靈活、方便地產生所需的各種回波信號。該模擬器在對SAR信號處理機的調試過程中取得了良好的效果。