基于FFT降维与亚bin补偿的SAR成像算法及硬件实现

摘要

合成孔径雷达在近场高分辨率成像领域具有广泛应用前景,尤其在自动驾驶、工业无损检测及安防安检等场景中展现出独特优势.然而,传统高分辨率合成孔径雷达(SAR)成像依赖大点数二维快速傅里叶变换(FFT)(如1 024×1 024),导致计算复杂度高,内存带宽需求大,难以在资源受限的嵌入式平台(如FPGA或SoC)上实现实时处理.针对这一挑战,本文提出了一种低复杂度毫米波SAR成像算法,并给出了其FPGA实现方案.该方案首先将前端距离维与方位维FFT点数由1 024降至512,显著降低计算负载;随后在频域对匹配滤波结果进行中心对齐零填充,实现无乘法开销的图像上采样;最后引入三点抛物线距向亚bin补偿技术,补偿因降维引入的栅格失配误差.为验证所提方法的有效性,基于TI的AWR1843毫米波雷达芯片,搭建了一套完整的近场SAR数据采集系统,涵盖雷达控制、机械扫描、数据采集与传输等模块,并在真实金属目标上开展成像实验.实验结果表明,与1 024×1 024全分辨率基准方法相比,本文方法在FPGA实现中可将DSP48资源消耗降低55.9%, DDR带宽需求减少50%;同时在相同像素网格下实现高度一致的视觉效果与结构相似性,峰值旁瓣比(PSLR)退化小于0.25 dB,结构相似性(SSIM)达0.96.本工作为资源受限平台上的高性能毫米波SAR成像提供了可行的工程解决方案.

关键词

毫米波SAR / 低复杂度成像 / 降维FFT / 频域零填充 / 亚bin插值 / FPGA实现