劉興釗 高葉盛

(上海交通大學(xué)電子工程系，上海, 200240)

基于光電協(xié)同的雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)

劉興釗 高葉盛

(上海交通大學(xué)電子工程系，上海, 200240)

隨著雷達(dá)系統(tǒng)在通道數(shù)量、帶寬和分辨率上的不斷提升，對(duì)于數(shù)據(jù)處理能力和處理速度提出更高的要求。在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)合，體積、功耗等也是數(shù)據(jù)處理機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。單純依靠數(shù)字技術(shù)的雷達(dá)信號(hào)處理模式已經(jīng)或者即將暴露出在運(yùn)算能力、運(yùn)算速度和功耗等方面的局限性。本文立足于新型信息處理理論和方法的研究，提出了光電協(xié)同信息處理技術(shù)。該技術(shù)將光學(xué)復(fù)雜運(yùn)算與電子學(xué)邏輯控制相結(jié)合，利用空間光學(xué)信息處理完成高密度、海量數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算，利用電子學(xué)處理完成傳輸控制、邏輯運(yùn)算等操作。光電協(xié)同處理具有高速并行的處理特點(diǎn)，而且處理主要依靠光學(xué)無(wú)源器件，功耗極低。最后給出了光電協(xié)同信息處理技術(shù)在合成孔徑雷達(dá)成像處理和陣列雷達(dá)波束形成處理上應(yīng)用的實(shí)例。

光電協(xié)同處理;實(shí)時(shí)信息處理;雷達(dá)信號(hào)處理;合成孔徑雷達(dá)成像;波束形成

引 言

實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)是現(xiàn)代信息處理的關(guān)鍵，是由信息獲取向決策制定轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，尤其在如今信息膨脹和大數(shù)據(jù)的時(shí)代，信息處理的時(shí)效性至關(guān)重要[1-3]。雷達(dá)是信息化武器裝備的“千里眼”，隨著雷達(dá)多功能、一體化和超寬帶等發(fā)展趨勢(shì)的日益深化，實(shí)時(shí)信息和信號(hào)處理的需求迫切，而器件在處理能力和處理功耗等方面的局限日顯突出[4-7]?，F(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展離不開數(shù)字技術(shù)和微波技術(shù)的進(jìn)步，隨著雷達(dá)系統(tǒng)在高分辨率、多功能和智能化等諸多方面的技術(shù)需求，陣列雷達(dá)系統(tǒng)將提供多達(dá)上萬(wàn)甚至更多的接收通道，而且每個(gè)通道的信號(hào)帶寬高達(dá)幾十甚至幾百兆赫茲。如此大帶寬、海量數(shù)據(jù)傳輸和處理對(duì)于現(xiàn)階段的數(shù)字技術(shù)而言都是極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，傳輸速率、處理速率、噪聲損耗和功耗等都是下一代雷達(dá)系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[8,9]。

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic aperture radar, SAR)是一種高分辨率微波成像雷達(dá)，也是雷達(dá)譜系中對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理有較高要求的系統(tǒng)。在軍用和民用領(lǐng)域，對(duì)星載SAR系統(tǒng)都有高分寬度的需求，勢(shì)必帶來(lái)海量數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題。同時(shí)，SAR系統(tǒng)作為一種傳感器，為信息和情報(bào)的傳遞服務(wù)，處理的時(shí)效性往往會(huì)成為決策制定的關(guān)鍵要素。相控陣體制是雷達(dá)技術(shù)的重要發(fā)展方向，大型寬帶相控陣?yán)走_(dá)在收發(fā)通道數(shù)量、信號(hào)帶寬等方面對(duì)于系統(tǒng)能力都是極大的提升，與之相對(duì)的，對(duì)信號(hào)處理而言是極大的挑戰(zhàn)。高速、海量和實(shí)時(shí)信號(hào)處理需求的出現(xiàn)，使得現(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)所提供的處理能力“捉襟見肘”，同時(shí)外部工作環(huán)境和裝備總體對(duì)信號(hào)處理機(jī)的約束也使得很多數(shù)字器件無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，甚至根本無(wú)法使用。近些年，光電子技術(shù)被引入雷達(dá)領(lǐng)域，微波光子學(xué)成為研究熱點(diǎn)[10-12]。微波光子學(xué)是將微波技術(shù)與光子學(xué)技術(shù)相融合的新興交叉學(xué)科，其主要研究?jī)?nèi)容包括：微波信號(hào)和毫米波信號(hào)的光子學(xué)產(chǎn)生方法，微波信號(hào)在光纖鏈路中的傳輸與分配，以及微波信號(hào)通過(guò)光子學(xué)方法進(jìn)行信號(hào)處理等。雷達(dá)作為一種主動(dòng)式探測(cè)和感知的工具，回波數(shù)據(jù)攜帶各類目標(biāo)信息而且數(shù)量巨大，而現(xiàn)階段的微波光子學(xué)尚不能提供回波數(shù)據(jù)的信息和信號(hào)處理的解決方案。微波光子學(xué)的興起對(duì)于雷達(dá)技術(shù)是重大的革新，系統(tǒng)帶寬能提升至十幾甚至幾十千兆赫茲，而如此大量數(shù)據(jù)的接收、采樣和處理以目前數(shù)字處理水平無(wú)法滿足要求,新型雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)的需求十分迫切。

本文提出了基于光電協(xié)同的雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)。事實(shí)上，早已有利用光學(xué)技術(shù)解決雷達(dá)信號(hào)處理問(wèn)題的成功先例。20世紀(jì)60年代，美國(guó)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室(Environmental Research Institute of Michigan, ERIM)的研究人員利用斜平面處理技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)了SAR數(shù)據(jù)的聚焦成像[13]。長(zhǎng)春光機(jī)所于1986年研制成功斜平面光學(xué)處理器，在1∶10萬(wàn)比例尺下，地面分辨率可達(dá)1.7 m，系統(tǒng)指標(biāo)達(dá)到美國(guó)當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的UC-3光學(xué)處理器水平。隨著大型甚至巨型相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究與發(fā)展，龐大通道數(shù)和大帶寬所需要的數(shù)據(jù)處理能力對(duì)于現(xiàn)階段數(shù)字技術(shù)而言是巨大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，光學(xué)處理本身具有的高速并行能力和高密度數(shù)據(jù)承載能力使其重新獲得雷達(dá)領(lǐng)域研究人員的重視，具備為未來(lái)雷達(dá)系統(tǒng)提供快速海量數(shù)據(jù)處理的潛力。而且，光學(xué)處理系統(tǒng)還具有體積小、重量輕、功耗小和抗宇宙輻照等特點(diǎn)。

從2008年開始，加拿大國(guó)家光學(xué)研究所(National Optics Institute, INO)聯(lián)合歐空局(European Space Agency, ESA)研制了實(shí)時(shí)星上SAR光學(xué)處理原型系統(tǒng)[14,15]。該系統(tǒng)是針對(duì)ENVISAT搭載的ASAR載荷的專用處理器。目前從公開報(bào)道的內(nèi)容看該光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量為17.7 kg，體積為630 mm × 207 mm × 140 mm (長(zhǎng)×高×寬)，功耗為15.6 W。

在通用型的光電協(xié)處理器方面，以色列LENSLET公司作為這一領(lǐng)域的先驅(qū)提出了若干通用處理器件的構(gòu)型。其中2003年提出了代號(hào)為EnLight256光學(xué)向量矩陣乘法器作為通用半導(dǎo)體處理器的協(xié)處理器。EnLight256是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用光學(xué)DSP協(xié)處理器，能夠在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)向量與向量和向量與矩陣乘法。256個(gè)元素的向量，每個(gè)元素8 bit。該處理器可實(shí)現(xiàn)256×256矩陣與1×256向量的乘法。其數(shù)據(jù)處理流量為256×256×125 MHz=8 000 GB。該系統(tǒng)在定位上是針對(duì)通用處理而設(shè)計(jì)的，完成的功能相對(duì)單一。其主要存在的問(wèn)題是：(1)光電數(shù)字接口所能提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換量化精度十分有限，光學(xué)處理的結(jié)果無(wú)法滿足后續(xù)數(shù)字運(yùn)算的精度；(2)光電轉(zhuǎn)換的速率過(guò)低,無(wú)法與數(shù)字系統(tǒng)匹配。雖然光計(jì)算很快,但數(shù)據(jù)的輸入與輸出效率過(guò)低，因此頻繁的利用光協(xié)處理器將導(dǎo)致系統(tǒng)的效率下降。

本文立足于新型信息處理理論和方法的研究，提出了光電協(xié)同信息處理技術(shù)(Optics-electronics cooperative information processing,OPECIP)。該技術(shù)將光學(xué)復(fù)雜運(yùn)算與電子學(xué)邏輯控制相結(jié)合，利用空間光學(xué)信息處理完成高密度、海量數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算，利用電子學(xué)處理完成傳輸控制、邏輯運(yùn)算等操作。光電協(xié)同處理具有高速并行的處理特點(diǎn)，而且處理主要依靠光學(xué)無(wú)源器件，功耗極低。

1 光電協(xié)同信息處理理論和方法

1.1 物理含義

圖1 光電對(duì)偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of counterpart proce-ssing of electronics and optics

光電協(xié)同處理的物理學(xué)含義可用光對(duì)偶來(lái)解釋。將接收到的回波中的微波波段載波替換為光載波，從而形成微波系統(tǒng)與光系統(tǒng)之間的一種對(duì)偶結(jié)構(gòu)。由于采用了光載波，則可以利用光學(xué)元件對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于DSP的運(yùn)算。圖1中給出了一個(gè)光電對(duì)偶結(jié)構(gòu)的示意圖，顯示了將X波段的陣列微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為532 nm波長(zhǎng)的綠光調(diào)制的對(duì)偶結(jié)構(gòu)。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，光電協(xié)同處理是基于調(diào)制理論的,它是一種把帶有目標(biāo)信息的射頻信號(hào)調(diào)制到光頻率上，在光域進(jìn)行信息處理的方法。同時(shí)，進(jìn)行光電對(duì)偶運(yùn)算研究，在光域運(yùn)用光學(xué)元件完成相應(yīng)處理運(yùn)算的過(guò)程。很多數(shù)字信號(hào)處理中的復(fù)雜運(yùn)算在光學(xué)系統(tǒng)中則可以通過(guò)少數(shù)簡(jiǎn)單的透鏡結(jié)構(gòu)完成，因此利用光電對(duì)偶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以將電信號(hào)的處理問(wèn)題轉(zhuǎn)換為光信息的處理問(wèn)題,而在光學(xué)系統(tǒng)中信號(hào)處理的時(shí)間等于光束通過(guò)整個(gè)光路的時(shí)間。光處理系統(tǒng)與電處理系統(tǒng)之間的對(duì)偶性是指兩者在物理上的等效性而非數(shù)學(xué)運(yùn)算過(guò)程的一致。

1.2 光電協(xié)同信息處理方法

圖2 光電協(xié)同處理思想示意圖 Fig.2 Sketch of OPECIP

圖3 光電協(xié)同處理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì) Fig.3 Design of OPECIP platform

光電協(xié)同處理理論的基本思想是將待處理的雷達(dá)信號(hào)調(diào)制在激光上，利用激光波前的空間分布實(shí)現(xiàn)信息的高密度承載，再將激光束通過(guò)各類光學(xué)元件以完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而最終的結(jié)果經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換器件完成數(shù)字化采樣，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有裝備一致的數(shù)據(jù)接口。在信號(hào)處理的過(guò)程中主要的時(shí)序控制、反饋控制采用以電為主的技術(shù)手段，從而形成運(yùn)算以空間光學(xué)系統(tǒng)為主、控制及接口以電子系統(tǒng)為主的光電協(xié)同處理基本架構(gòu)。圖2中給出了這一思想的基本示意圖。

基于光電協(xié)同信息處理的理論和方法，進(jìn)一步給出光電協(xié)同信息處理平臺(tái)體系架構(gòu)方法。光學(xué)處理的特點(diǎn)在于高速并行，處理速度與數(shù)據(jù)量無(wú)關(guān)，而只與光波傳播的距離有關(guān)，數(shù)字處理的控制和運(yùn)算靈活，邏輯運(yùn)算便捷。本文給出了光學(xué)處理器和數(shù)字處理器“雙核”協(xié)同工作的架構(gòu)方案，如圖3所示。

光電協(xié)同處理技術(shù)將電信號(hào)形式的時(shí)變信號(hào)通過(guò)光電對(duì)偶系統(tǒng)和光電時(shí)空轉(zhuǎn)換技術(shù)使之以光信號(hào)的形式在空間中呈現(xiàn)一定的分布，進(jìn)而利用光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)承載在光載波的電信號(hào)進(jìn)行處理，達(dá)成信號(hào)處理目標(biāo)。根據(jù)以上分析，該技術(shù)可以總結(jié)如下。

(1)其主要特點(diǎn)是信號(hào)處理的時(shí)間與信號(hào)的數(shù)據(jù)量基本無(wú)關(guān)，僅與光束通過(guò)光學(xué)元件和全部光路所需時(shí)間有關(guān)。

(2)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算均利用光束透過(guò)和光束反射過(guò)程實(shí)現(xiàn)，在模擬信號(hào)的層面解決，不需要高速的采樣和高精度量化器件。

(3)系統(tǒng)的重要功率需求僅為激光器功率，因此在功耗、散熱等方面極低。又由于采用的半導(dǎo)體器件和數(shù)字器件較少，系統(tǒng)的抗輻照性能極好，可以適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)境和系統(tǒng)約束。

(4)由于運(yùn)算過(guò)程是以空間光的模擬信號(hào)形式完成的，因此運(yùn)算過(guò)程中動(dòng)態(tài)范圍的變化對(duì)最終結(jié)果的精度幾乎沒有任何影響。

(5)由于系統(tǒng)處理性能提升以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，允許技術(shù)人員采用更加有效和復(fù)雜的算法以進(jìn)一步提升雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

(6)光電協(xié)同處理技術(shù)在系統(tǒng)構(gòu)成方面將是針對(duì)某一特定處理需求而構(gòu)建的系統(tǒng)，其目標(biāo)是技術(shù)方面通用化而在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面則是針對(duì)專門的需求而設(shè)計(jì)。

2 光電協(xié)同SAR成像處理

2.1 處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成 Fig.4 System design of optronic SAR processing

光電協(xié)同SAR成像處理系統(tǒng)的基本組成和數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖4中所示。圖4所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要利用空間光調(diào)制器將SAR回波數(shù)據(jù)調(diào)制到平行相干的激光束上，帶有SAR回波信息的激光束通過(guò)透鏡成像系統(tǒng)聚焦成為SAR圖像。CCD相機(jī)被置于透鏡成像與伺服系統(tǒng)的像平面上，采集聚焦后的SAR圖像并進(jìn)行數(shù)字化。為使得光學(xué)SAR成像處理系統(tǒng)具有良好的成像適應(yīng)性，聚焦后的SAR圖像將送至控制器對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行分析以校正聚焦透鏡系統(tǒng)的焦距和其他成像參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于反饋的精細(xì)聚焦處理。

由圖4中可見系統(tǒng)可以劃分為以下組成部分。

(1) 光源子系統(tǒng)。提供系統(tǒng)中的相參光源，具有高度的頻率穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性。

(2) 數(shù)據(jù)調(diào)制子系統(tǒng)。將SAR原始數(shù)據(jù)加載在激光束上，這里主要是利用相位和幅度型的空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)幅度和相位數(shù)據(jù)向激光束的調(diào)制。

(3) 運(yùn)算與成像處理子系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心之一，由透鏡和相位型空間光調(diào)制器構(gòu)成，完成全部的成像及所需運(yùn)算。

(4) 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。利用光電轉(zhuǎn)換器件對(duì)成像后的光信號(hào)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

(5) 數(shù)字運(yùn)算與控制器。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流程控制，并根據(jù)成像結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)整，同時(shí)擔(dān)負(fù)光學(xué)成像系統(tǒng)的輸入輸出接口以及完成必要的緩沖。

2.2 關(guān)鍵運(yùn)算的光學(xué)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 光學(xué)匹配濾波

如圖5所示,令透鏡的最大厚度為Δ0，在坐標(biāo)(x,y)處的厚度為Δ(x,y)。它與會(huì)聚球面透鏡的不同之處在于它只在軸一個(gè)維度上成弧形，從而在平面上看上去是一個(gè)矩陣而不是圓形。仍然將透鏡劈成3部分，如圖6所示。注意它和會(huì)聚透鏡的厚度函數(shù)非常相似，只是所有函數(shù)只和y有關(guān)，而與x無(wú)關(guān),總的厚度為

(1)

式中Δ0=Δ01+Δ02+Δ03。

圖5 柱面透鏡厚度函數(shù)

Fig.5 Function of the cylindrical lens

Fig.6 Transform function of the cylindrical lens

同樣做傍軸近似，僅僅考慮足夠小的和值，使得下述公式近似成立,有

(2)

在這些近似下，厚度函數(shù)變成

(3)

將式(3)代入式(1)得到

(4)

類似地，將n，R1和R2組合為該透鏡的焦距參數(shù)

(5)

忽略常相位因子，柱面透鏡的相位變換改寫為

(6)

從式(6)的形式來(lái)看，它可以作為二維圖像其中一維(這里是y方向)的匹配濾波，而二次相位的系數(shù)可以通過(guò)調(diào)整焦距f的大小(f也可以是負(fù)數(shù))來(lái)調(diào)節(jié)。

2.2.2 光學(xué)距離徙動(dòng)校正

距離徙動(dòng)校正是高分辨率SAR所必須的處理步驟[16]，在本文中實(shí)現(xiàn)這一處理的主要思路就是利用空間光調(diào)制器的乘法功能，配合以光學(xué)系統(tǒng)的傅里葉變換實(shí)現(xiàn)在頻域內(nèi)的相位補(bǔ)償，進(jìn)而完成時(shí)域內(nèi)的距離徙動(dòng)校正，徙動(dòng)校正量可以根據(jù)成像參數(shù)經(jīng)由空間光調(diào)制器加以調(diào)整，使系統(tǒng)具有較高的靈活性。

設(shè)SAR雷達(dá)系統(tǒng)采用脈沖線性調(diào)頻信號(hào)，調(diào)頻斜率為k，發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)為λ，去掉載波頻率后的點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)形式可以寫為

(7)

圖7 光學(xué)距離徙動(dòng)校正流程圖Fig.7 Flow chart of optical RCMC

式中：a(·)為發(fā)射信號(hào)包絡(luò)函數(shù)；τ為發(fā)射信號(hào)內(nèi)時(shí)間(快時(shí)間或稱距離時(shí)間)。

由于條帶SAR信號(hào)具有方位移不變的特性，所以對(duì)條帶模式下SAR信號(hào)的分析以及處理一般均在Doppler域展開。SAR信號(hào)方位向的特性是與目標(biāo)所在的距離門直接相關(guān)的，所以在距離時(shí)域、方位Doppler域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理十分理想。信號(hào)在距離-Doppler域內(nèi)的形式,有

(8)

其中

(9)

3 陣列雷達(dá)光電協(xié)同波束形成處理

3.1 處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陣列雷達(dá)光電協(xié)同波束形成處理總體設(shè)計(jì)方法如圖8所示。由圖8可見，陣列雷達(dá)光電協(xié)同波束形成處理由5個(gè)功能模塊組成，分別為：數(shù)據(jù)緩存模塊，電光轉(zhuǎn)換模塊，波束形成運(yùn)算模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊和輸出演示模塊。每個(gè)模塊的功能簡(jiǎn)述如下。

(1) 數(shù)據(jù)緩存白塊。用于暫存N個(gè)通道的雷達(dá)回波數(shù)據(jù),后面將提到選用數(shù)字微鏡陣列(Digital micromirror device,DMD)作為電光調(diào)制器件，其板上有4～8 Gbits的存儲(chǔ)空間，將其作為雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的緩存空間，能有效地提高DMD加載速率。

(2) 電光轉(zhuǎn)換模塊。用以輸入數(shù)字信號(hào)與光學(xué)DBF處理器的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。演示驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中選用DMD來(lái)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。值得指出的是，DMD本質(zhì)上是由機(jī)械結(jié)構(gòu)控制的許多反射鏡構(gòu)成的陣列，其本身只具備光強(qiáng)調(diào)制的能力，通常用于投影、顯示等領(lǐng)域。這里將利用超像素技術(shù)(Superpixel)，使得DMD具備高速、高精度幅度和相位調(diào)制的能力。另外，波束形成運(yùn)算中的FIR濾波處理涉及各階延時(shí)樣本，DMD具有陣列式結(jié)構(gòu)，所以利用DMD進(jìn)行電光調(diào)制同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了32個(gè)通道延時(shí)樣本的光輸出。

(3) DBF運(yùn)算模塊。用以加載濾波器權(quán)值以及求和運(yùn)算。完成包括幅相加權(quán)、時(shí)延濾波和均衡濾波的權(quán)值加載。這里依然利用DMD超像素技術(shù)得到幅度和相位調(diào)制結(jié)果，來(lái)完成對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的復(fù)數(shù)加權(quán)處理。

(4) 光電轉(zhuǎn)換模塊。用以光學(xué)處理得到的DBF結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，以便后續(xù)的輸出和顯示。這里選用高速CCD來(lái)完成對(duì)圖像的采集工作。

圖9 DMD及其開發(fā)板Fig.9 DMD and its develop-ment kit

(5) 輸出與演示模塊。將由光電轉(zhuǎn)換模塊得到的模擬電信號(hào)量化為數(shù)字信號(hào)，以及把DBF運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行整體展示。通過(guò)改變空間導(dǎo)向矢量使得波束在空間形成掃描，從而利用采集的幅度數(shù)據(jù)來(lái)逐一描繪出天線波瓣圖。

3.2 高精度幅度相位聯(lián)合調(diào)制

針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和器件性能，本文提出了基于超像素技術(shù)的數(shù)字微鏡陣列幅度和相位調(diào)制方法。利用這個(gè)方法，能有效地解決高速高精度幅度相位調(diào)制的問(wèn)題。DMD器件及其開發(fā)板如圖9所示。

為了在大多數(shù)苛刻環(huán)境條件下提供高質(zhì)量的圖像，大屏幕投影系統(tǒng)轉(zhuǎn)向發(fā)展數(shù)字式光處理(Digital light processing， DLP)技術(shù)。DLP是基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system,MEMS)的器件，被稱為DMD，由美國(guó)TI公司在1987年發(fā)明。DLP投影顯示技術(shù)的核心是數(shù)字微鏡器件，它是一種基于半導(dǎo)體制造技術(shù)，由高速數(shù)字式光反射開關(guān)陣列組成的器件，采用二進(jìn)制脈寬調(diào)制技術(shù)能精確地控制光的灰度等級(jí)，加上圖像處理、存儲(chǔ)器、光源和光學(xué)系統(tǒng)便組成DLP系統(tǒng)，能投射大屏幕、高亮度、無(wú)縫的以及高對(duì)比度彩色圖像。DMD光開關(guān)是被稱為MEMS的一個(gè)組件，是采用CMOS工藝的單片制造方式集成在CMOS存儲(chǔ)器上面。每一個(gè)光開關(guān)有一片微鏡子，它能轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)方向：其中一個(gè)方向能將入射光反射到投射透鏡，投射到銀幕上；另一個(gè)方向可將入射光反射到吸收平面，由吸收平面把光吸收。

DMD本質(zhì)上是眾多反射鏡構(gòu)成的器件，具備對(duì)光強(qiáng)調(diào)制的能力，并不能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)光束波前或者相位調(diào)制的能力。而在雷達(dá)信號(hào)處理中大量需要相位調(diào)制，對(duì)于寬帶DBF演示驗(yàn)證系統(tǒng)極需要一種高速、高精度的幅度和相位調(diào)制的方法。本文提出了一種基于超像素合成技術(shù)的DMD幅度和相位聯(lián)合調(diào)制方法。其基本原理如圖10所示。

圖11給出利用DMD 4×4(保留3位小數(shù))像素融合形成的相位調(diào)制曲線。結(jié)果比較來(lái)看，4×4超像素具有更好的線性度，并且相位調(diào)制的種類更多，更加均勻地分布在0～2π之間。

圖10 基于DMD的幅度相位聯(lián)合調(diào)制原理圖

Fig.10 Schematic diagram of amplitude and phase modulation based on DMD

Fig.11 Phase modulation curve of the amplitude and phase modulation(4×4)

4 試驗(yàn)系統(tǒng)與性能分析

4.1 光電協(xié)同SAR成像處理

光電協(xié)同SAR成像處理試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖12所示。核心器件包括：Holoeye相位型空間光調(diào)制器，分辨率為1 920像素×1 080像素，像素尺寸8 μm；Holoeye幅度型空間光調(diào)制器，分辨率為1 920像素×1 080像素，像素尺寸8 μm；焦距300 mm透鏡；Basler avA1900-60km CCD相機(jī)。利用圖12所示的試驗(yàn)臺(tái)裝置，對(duì)國(guó)內(nèi)1 m機(jī)載SAR數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖13所示。同時(shí)，對(duì)加拿大RADARSAT-1數(shù)據(jù)光電協(xié)同處理結(jié)果如圖14所示。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)實(shí)物展示

Fig.12 Experiment setup of optronic SAR processing

Fig.13 Result of optronic SAR processing of airborne SAR real data

圖14 RADARSAT-1數(shù)據(jù)光電協(xié)同處理結(jié)果

Fig.14 Result of optronic SAR processing of RADARSAT-1 real data

以上對(duì)光電協(xié)同信息處理理論進(jìn)行了驗(yàn)證，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的處理系統(tǒng)完成SAR數(shù)據(jù)的聚焦實(shí)驗(yàn)。由于商用SLM分辨率的限制(1 920像素×1 080像素)，所以上述兩個(gè)成像結(jié)果是利用多個(gè)聚焦后的子圖拼接而成(機(jī)載結(jié)果由55個(gè)子圖拼接，星載結(jié)果由60個(gè)子圖拼接而成)。需要指出，每一個(gè)子圖聚焦處理的時(shí)間僅與光束傳播距離有關(guān)，在上述實(shí)驗(yàn)中整個(gè)光路的長(zhǎng)度約800 mm。

4.2 陣列雷達(dá)光電協(xié)同波束形成演示驗(yàn)證系統(tǒng)

陣列雷達(dá)光電協(xié)同波束形成演示驗(yàn)證系統(tǒng)選用TI公司DLP9500，分辨率1 920像素×1 080像素，像素尺寸10.8 μm。演示驗(yàn)證系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)裝調(diào)照片如圖15所示。

圖15 陣列雷達(dá)光電協(xié)同波束形成演示驗(yàn)證系統(tǒng)裝調(diào)現(xiàn)場(chǎng)Fig.15 Experimental setup of PAR optronic beamforming

利用32通道回波數(shù)據(jù)開展波束形成試驗(yàn)。試驗(yàn)的輸入為模擬生成的32個(gè)通道的回波復(fù)數(shù)據(jù)，利用3.2節(jié)介紹的基于DMD的幅度相位聯(lián)合調(diào)制方法將其加載到激光上。同時(shí)，濾波器復(fù)系數(shù)利用另一組DMD加載，與前者完成相關(guān)運(yùn)算，最終利用透鏡完成聚焦運(yùn)算。單一波束形成結(jié)果與同時(shí)八波束結(jié)果用COMS相機(jī)記錄如下。圖16給出的是固定波束指向的結(jié)果。將波束不同指向結(jié)果逐一描繪，可得到對(duì)應(yīng)的波瓣圖，圖17給出的是波束指向法線的波瓣圖，其主副比為13.35 dB，這與數(shù)值分析的結(jié)果一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了光電協(xié)同信息處理理論和方法，該技術(shù)將光學(xué)復(fù)雜運(yùn)算與電子學(xué)邏輯控制相結(jié)合，利用空間光學(xué)信息處理完成高密度、海量數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算，利用電子學(xué)處理完成傳輸控制、邏輯運(yùn)算等操作，該方法和技術(shù)具有高速并行信息處理的能力，同時(shí)具備低功耗的特點(diǎn)。本文基于光電協(xié)同信息處理技術(shù)，分別給出光電協(xié)同SAR成像處理系統(tǒng)和陣列雷達(dá)光電協(xié)同波束形成演示驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)結(jié)果。

圖16 光電協(xié)同波束形成結(jié)果(單波束和同時(shí)八波束)

Fig.16 Results of optronic beamforming

Fig.17 Lobe pattern of the broadside direction

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Real-Time Radar Signal Processing Based on Optics-Electronics Cooperative Information Processing

Liu Xingzhao, Gao Yesheng

(Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China)

With the increase of the number of channels, bandwidth and resolution, it makes greater demands on data handling capacity and speed. In some specific applications, the volume and power consumption are important factors to consider when designing a data processor. The radar signal processing mode, which relies solely on digital technology, has exposed limitations in computing power, computing speed and power consumption. Based on the research of new information processing theory and method, this paper puts forward the optics-electronics cooperative information processing. The technology combines optical computing operations with electronic logic control, utilizes the spatial optical information processing to complete the high-density and massive data arithmetic operations, and applies the electronic processing to the transmission control, logic operations and other operations. Photoelectric co-processing has high-speed parallel processing characteristics and the processing relies heavily on optical passive devices with very low power consumption. This paper provides the examples of applications about the optics-electronics cooperative information processing in synthetic aperture radar image formation and array radar beamforming.

optics-electronics cooperative information processing; real time processing; radar signal proceesing; SAR image formation; beamforming

國(guó)家自然科學(xué)基金(61601285)資助項(xiàng)目。

2017-05-10；

2017-06-20

TN957

A

劉興釗(1962-)，男，博士，教授，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)、新體制微波遙感技術(shù)，E-mail:xzhliu@sjtu.edu.cn。

高葉盛(1983-)，男，博士，助理研究員，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理，E-mail:ysgao@sjtu.edu.cn。