摘　要：多普勒相位作為被測目標(biāo)信息獲取的重要來源，其計算精度成為基于FPGA實現(xiàn)合成孔徑雷達實時回波模擬技術(shù)的關(guān)鍵要素。本文針對多普勒相位計算過程中存在的數(shù)值開方運算以及FPGA中專用開方器件的缺失性問題，在保證原始數(shù)據(jù)的仿真精度以及滿足大位寬數(shù)據(jù)的仿真需求基礎(chǔ)下，以Xilinx Virtex6 sx315t 為硬件平臺，使用兩種FPGA常用的近似方法——泰勒級數(shù)展開和CORDIC算法，對于多普勒相位的定點求解進行了程序設(shè)計與實現(xiàn)，并將仿真結(jié)果與MATLAB雙精度理論數(shù)據(jù)進行對比，驗證了精度的有效性。

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１　引言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar ，簡稱SAR）作為一種高分辨微波成像雷達［１］，是地面信息獲取的重要手段，它在國土測量、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。為確保所設(shè)計的SAR系統(tǒng)能夠滿足各個用戶的具體需求，原始數(shù)據(jù)仿真和成像處理以及圖像指標(biāo)的評估已經(jīng)成為SAR系統(tǒng)研制前的必需步驟。除此之外，在SAR實時成像系統(tǒng)研制以及地面處理的過程中，我們同樣需要大量的模擬回波數(shù)據(jù)［２］。因此，SAR回波模擬技術(shù)能夠為我們提供基本的研究手段和研究工具，它在SAR的發(fā)展和應(yīng)用中，具有及其重要的作用。

作為雷達與目標(biāo)相對運動的直觀反映，多普勒相位是SAR回波模擬的原理依據(jù)，同樣也是回波模擬精度的重要影響因素。在多普勒相位計算過程中存在數(shù)值開方運算，這使得其在FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）實現(xiàn)中存在兩種主要限制因素：其一，F(xiàn)PGA硬件中不存在專門的開方器件；導(dǎo)致了開方運算在FPGA實現(xiàn)中的復(fù)雜性。其二，為了保證原始數(shù)據(jù)的仿真精度及適應(yīng)大斜距數(shù)據(jù)的仿真，導(dǎo)致SAR回波模擬對FPGA定點運算中的斜距動態(tài)范圍要求大［３］。

因此，本文針對SAR回波模擬中回波信號多普勒相位在FPGA實現(xiàn)中存在的限制，采用泰勒級數(shù)展開和CORDIC算法兩種常用方法對其進行實現(xiàn)與仿真。

２　SAR回波模擬信號中的多普勒相位

SAR的空間幾何關(guān)系如圖１，其中SAR飛行路徑的地面航跡方向稱為方位方向，與其垂直的方向稱為距離方向［４］。

圖１　SAR的空間幾何關(guān)系

SAR在運動過程中，以特定的脈沖重復(fù)周期
（Pulse Repetition Time，簡稱PRT）發(fā)射并接收脈沖串，雷達天線波束照射到地面以后，照射區(qū)域內(nèi)的各個點目標(biāo)（又被稱作散射元）對入射波進行后向散射。發(fā)射信號經(jīng)過目標(biāo)和天線方向圖的調(diào)制，成為攜帶目標(biāo)信息和環(huán)境信息的SAR回波。

SAR的發(fā)射脈沖串一般為線性調(diào)頻（chirp）信號，設(shè)定SAR的發(fā)射脈沖串：

在本文中，要求斜距的近似誤差最大為1/8波長，由表格１可見，目標(biāo)點到SAR平臺的斜距量級為106，動態(tài)范圍很大；由于FPGA內(nèi)部沒有專用開方器件，使得多普勒相位運算過程復(fù)雜、速度低，在此使用泰勒級數(shù)展開與CORDIC算法。

３　基于泰勒級數(shù)展開的多普勒相位計算方法

泰勒級數(shù)是冪級數(shù)的一種，如果有了某一函數(shù)的冪級數(shù)展開式，則我們就可用它進行近似計算，即在展開式有效的區(qū)間范圍上，我們可按照已知精確度要求，利用這個冪級數(shù)展開式將該函數(shù)值近似地計算出來。