CN101833082A - 一种基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法，该方法用于实现调频步进信号各子脉冲的相干合成，实现高分辨率成像，所述的方法包含如下步骤：1)将线性调频信号的各子脉冲分别进行全去斜处理和剩余相位补偿；2)根据子脉冲间的频率步进值，将步骤1)得到的时域信号进行时间搬移；3)对时间搬移后的时域信号，经过去重叠、幅度均衡和相位补偿后，在时域进行相干合成；4)最后进行傅立叶变换便可实现调频步进信号的压缩处理，得到高分辨一维距离像。本发明方法简单明了，易于实现，且对频率线性步进和非线性步进的情况都适用，对于实际系统有重要的现实意义。

Description

一种基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法。

背景技术

高分辨率雷达为获得距离向的高分辨率，通常采用宽带信号。在宽带雷达信号中，线性调频脉冲信号(Chirp)因其优良的性能，例如高信噪比、低副瓣等，成为广泛应用的宽带雷达信号之一。近年来随着数字技术的迅速发展，数字Chirp技术得到了越来越广泛的应用。它可以有效地克服模拟Chirp信号的困难，即难以实现更大的带宽、信号的高线性度和对使用环境的高要求等。然而，随着Chirp信号带宽的不断增加，将给接收机的I/Q检波带来更大的压力，此时需要更高速的A/D转换器以及更高速的数据存储，因此给星载应用带来巨大的困难。调频步进信号(stepped frequency chirpsignal，SFCS)的提出，为实现超大带宽的雷达信号提供了新的技术途径，成为一种重要的高分辨率雷达信号形式。它是线性调频信号和频率步进信号的结合，兼有两者的优点，既保留了频率步进信号低采样率以及窄带处理的优点，又具备线性调频信号大时宽和大带宽的特性，近年来得到了较多的研究和应用。

为了得到高分辨率，我们需要把调频步进信号的各个线性调频子脉冲合成为一个大宽带线性调频信号。现有的调频步进信号处理方法存在明显缺点，Lord R.T.提出的通过采样、频移、相位校正、时移等步骤后实现频域和时域拼接的处理方法，过程非常复杂(LORD R T.INGGS M R.High resolution SAR processing usingstepped-frequencies，IGARSS′97Proceedings，1997，1：15-17)。龙腾提出的二次脉压方法只适用于频率线性步进的情况，而对于频率非线性步进的情况则不适用(龙腾，毛二可，何佩琨.调频步进雷达信号分析与处理.电子学报，1998，26(12)：84-88)。我们曾提出两种新的简单易行的调频步进信号处理方法，分别是匹配滤波法和去斜法(Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings，2005，APMC 2005，Volume 1，4-7Dec，2005，Suzhou)，前者对采样率要求相对较高但可以实现宽刈幅，适用于SAR；后者刈幅较窄但对采样率的要求较低，适用于ISAR中。但这里的去斜法仍然存在缺陷：只适用于步进频率等于子脉冲带宽，即子脉冲频带无重合的情况，且没有考虑剩余相位(RVP)的补偿。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有的调频步进信号处理方法存在的明显缺点，从而提供一种基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法。

为实现上述目的，本发明在分析调频步进信号模型的基础上，提出一种基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法，该方法用于实现调频步进信号各子脉冲的相干合成，实现高分辨率成像，所述的方法包含如下步骤：

1)将线性调频信号的各子脉冲分别进行全去斜处理和剩余相位补偿；

2)根据子脉冲间的频率步进值，将经过步骤1)得到时域信号进行时间搬移，第i个子脉冲的时移量为(i-1)(T_r-Δf/K)。；

3)对时间搬移后的时域信号，经过去重叠、幅度均衡或相位补偿后，在时域进行相干合成；

4)最后进行傅立叶变换便可实现调频步进信号的压缩处理，得到高分辨一维距离像。

其中，所述的步骤1)具体包含如下子步骤：

1-1)将线性调频信号的各子脉冲分别进行全去斜处理，即将一个与发射脉冲的调频斜率相同但时宽大于发射脉冲时宽的本振信号与回波信号进行混频，并取下边带滤波

1-2)对去斜后的信号在频域进行剩余相位补偿，补偿相位为φ＝exp(jπf²/K)。

所述的步骤3)具体包含如下子步骤：

3-1)对时移后相邻子脉冲的波形重叠部分进行处理，有以下三种处理方式：(1)取平均；(2)只保留一边的波形，舍弃另一边；(3)在左右两个子脉冲中各取一半；

3-2)当子脉冲间的幅度不平衡时，将各子脉冲的幅度以各自的最大值归一化，实现子脉冲间的幅度均衡；

3-3)为了保证合成信号的相位是连续的，求出相邻子脉冲的连接处相位差，并将这个相位差补偿在下一个子脉冲上：

3-4)对上述处理后的所有时域子脉冲信号进行相干叠加得到合成信号。。

作为本发明的一个改进，步骤3)所述的相干合成信号还可进行加窗处理，以降低旁瓣。

上述方案的各个步骤原理解释如下：

1)子脉冲全去斜

将线性调频信号的各子脉冲分别进行全去斜处理，即将一个与发射脉冲的调频斜率相同但时宽大于发射脉冲时宽的本振信号与回波信号进行混频，并取下边带滤波。若此时对各子脉冲去斜后的回波进行傅立叶变换，从而完成时间信息到频率信息的转换，可以得到低分辨率一维距离像，此时不同的目标点对应于不同的频率，频谱分辨率便对应距离分辨率。而要得到高分辨率像，需要进一步的合成处理。

2)剩余相位补偿

在去斜处理后的信号中，不同距离的目标回波在时间上是错开的，即在频域中有相位的差别，称为剩余相位，为后续处理带来不便。为使不同距离的目标回波在距离上取齐，需要进行剩余相位补偿，这一步在频域完成，补偿相位为φ＝exp(jπf²/K)，(K为调频斜率)

3)时间搬移

前两步完成后，步进脉冲串中后一个子脉冲的去斜回波与前一个子脉冲的去斜回波有相同的信号形式，只多了一个时间偏置Δt＝T_r-Δf/K。(T_r为子脉冲重复间隔，Δf为频率步进值)。将后一个脉冲的时域回波时移Δt后，相邻两个子脉冲就能够在时域完整地连接起来，也就是说每一个点目标的回波得到了更长的时间观察，进行傅立叶变换后频谱分辨率提高了，也即距离分辨率提高了。照此方法可以将所有去斜处理后的子脉冲进行时间搬移，第i个子脉冲的时移量为(i-1)Δt

4)去重叠

若在调频步进信号设计中，相邻子带有一定的重合，则在时间搬移后，上一个子脉冲的波形末端与下一个子脉冲波形前端会重叠，每段重叠部分时长为(T_p-Δf/K)。对重叠部分可以有以下三种处理方式：(1)取平均；(2)只保留一边的波形，舍弃另一边；(3)在左右两个子脉冲中各取一半。第三种处理方式最佳。

5)幅度均衡

硬件系统失真和信道失真会带来子脉冲间的幅度不平衡，将各子脉冲的幅度以各自的最大值归一化，实现子脉冲间的幅度均衡

6)相位连续性补偿

为了保证合成信号的相位是连续的，求出相邻子脉冲的连接处相位差，并将这个相位差补偿在下一个子脉冲上。

7)时域相干合成并加窗

将所有子脉冲信号在时域进行相干叠加得到合成信号，从而获得所期望的合成带宽B+(N-1)Δf.(B为子脉冲带宽)为降低旁瓣，可以对合成信号加窗。

8)获得一维距离像

对合成信号进行傅立叶变换，即可完成调频步进信号的压缩处理，得到高分辨一维距离像。

本发明的优点在于，该方法简单高效、对频率线性步进和非线性步进都适用、并且当子脉冲频带有重叠时也适用，易于实现且能得到高分辨率的成像，对于实际系统有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明的基于全去斜的调频步进信号处理方法流程图；

图2为本发明的调频步进信号频率-时间关系示意图；

图3为本发明针对子带重合部分的不同处理方式的比较；

图4为本发明的宽带调频步进信号处理方法的仿真结果；

图5为本发明的宽带调频步进信号处理方法的实测数据处理结果；

图6为本发明的仿真结果与实验结果的分辨率比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图1的流程对本发明的实施方式作进一步的描述。

调频步进信号的频率-时间关系示意图如图2所示。它的数学模型表示如下：

u_i(t)＝exp{j2πf_i[t-(i-1)T_r]+jKπ[t-(i-1)T_r]²}

$f_i=f_0+(i-1)\mathrm{\Δf},-\frac{T_p}{2}\≤[t-(i-1)T_r]\≤\frac{T_p}{2},i=1~N---\left(1\right)$

i为子脉冲编号，f₀为第1个子脉冲的载频，f_i为第i个子脉冲的载频，Δf为频率步进值，T_r和T_p分别为子脉冲重复间隔和脉冲宽度，K为调频斜率，N为子脉冲数目。则距离r处的第i个子脉冲回波信号为

sr_i(t)＝exp{j2πf_i[t-(i-1)T_r-τ]+jKπ[t-(i-1)T_r-τ]²}

$\mathrm{\τ}=2r/c,-\frac{T_p}{2}\≤[t-(i-1)T_r-\mathrm{\τ}]\≤\frac{T_p}{2}---\left(2\right)$

τ为回波时延。对回波信号进行全去斜处理：即利用一个与发射信号调频斜率相同但时宽大于发射脉冲时宽的参考信号与回波信号进行混频，然后取下边带滤波。参考信号可写为

sref_i(t)＝exp{j2πf_i[t-(i-1)T_r-τ₀]+jKπ[t-(i-1)T_r-τ₀]²}

τ₀＝2r₀/c                                                  (3)

混频并滤波后得到

${\mathrm{sb}}_i\left(t\right)=\exp \{j2\mathrm{\π}{f}_0(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)-\mathrm{jK\π}({\mathrm{\τ}}^2-{{\mathrm{\τ}}_0}^2)+j2\mathrm{K\π}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)[t-(i-1)(T_r-\frac{\mathrm{\Δf}}{K})\left]\right\}$

$-\frac{T_p}{2}\≤[t-(i-1)T_r-\mathrm{\τ}]\≤\frac{T_p}{2}---\left(4\right)$

若对(4)进行傅立叶变换，就完成普通chirp信号的全去斜处理，得到低分辨率像，要得到高分辨率像，需要进一步的合成处理。

接下来需要对去斜后的信号补偿剩余相位，即(4)中的平方项exp(-jKπτ²)，这一项也可用频率可表示为exp(-jπf²/K)。所以剩余相位补偿可以方便的在频域完成，补偿相位为φ＝exp(jπf²/K)，补偿后的信号为

${\mathrm{sc}}_i\left(t\right)=\exp \{j2\mathrm{\π}{f}_0(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)+\mathrm{jK\π}{{\mathrm{\τ}}_0}^2+j2\mathrm{K\π}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)[t-(i-1)(T_r-\frac{\mathrm{\Δf}}{K})\left]\right\}$

$-\frac{T_p}{2}\≤[t-(i-1)T_r-\mathrm{\τ}]\≤\frac{T_p}{2}---\left(5\right)$

对sc_i(t)进行时间搬移，搬移量为(i-1)Δt：

st_i(t)＝sc_i(t+(i-1)Δt)＝exp{j2πf₀(τ-τ₀)+jKπτ₀ ²+j2Kπ(τ-τ₀)t}

$\mathrm{\Δt}=T_r-\frac{\mathrm{\Δf}}{K}$

$(i-1)\frac{\mathrm{\Δf}}{K}+\mathrm{\τ}-\frac{T_p}{2}\≤t\≤(i-1)\frac{\mathrm{\Δf}}{K}+\mathrm{\τ}+\frac{T_p}{2}---\left(6\right)$

此时所有子脉冲的表达式完全相同，只是脉冲出现时间不同，相当于每个子脉冲占据同一个信号的不同时间段。若选取合适的采样频率f_s，满足f_s·Δt为整数，当Δf＝T_p·K，时移后相邻子脉冲在时间上刚好相连。当Δf＜T_p·K，时移后的相邻子脉冲会有部分波形重叠，每段重叠部分时长为(T_p-Δf/K)，对重叠部分可以有以下三种处理方式：(1)取平均；(2)只保留一边的波形，舍弃另一边；(3)在左右两个子脉冲中各取一半。对这三种处理方式分别仿真，仿真结果说明，第三种处理方式副瓣最低，如图3所示。此时，信号变为

sd_i(t)＝exp{j2πf₀(τ-τ₀)+jKπτ₀ ²+j2Kπ(τ-τ₀)t}

$(i-\frac{3}{2})\frac{\mathrm{\Δf}}{K}+\mathrm{\τ}\≤t\≤(i-\frac{1}{2})\frac{\mathrm{\Δf}}{K}+\mathrm{\τ}---\left(7\right)$

当子脉冲间的幅度不平衡，将各子脉冲的幅度以各自的最大值归一化，实现子脉冲间的幅度均衡：

sa_i(t)＝sd_i(t)/max(abs(sd_i(t)))                    (8)

为使相邻子脉冲的连接处(即

处)的相位是连续的，求出这个相位差，并补偿在下一个子脉冲上：

${\mathrm{sp}}_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{sa}}_i\left(t\right),i=1\\ {\mathrm{sa}}_i\left(t\right)\·\exp \left\{j\right[\mathrm{Rs}{p}_{i-1}((i-\frac{3}{2})\frac{\mathrm{\Δf}}{K}+\mathrm{\τ})-\mathrm{Rs}{a}_i((i-\frac{3}{2})\frac{\mathrm{\Δf}}{K}+\mathrm{\τ})\left]\right\},i=2~N\end{array}\right.---\left(9\right)$

此时，所有子脉冲可以进行相干合成

$\mathrm{ss}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{sp}}_i\left(t\right)---\left(10\right)$

并且可以对合成信号整体加窗以降低旁瓣

ss(t)＝ss(t)·win(t)                    (11)

win(t)为窗函数。最后对合成信号进行傅立叶变换即可得到高分辨率像。

g(ω)＝FFT{ss(t)}                       (12)

图4和图5分别给出了以上所述的宽带调频步进信号处理方法的仿真结果和实测数据处理结果。两者所用的系统参数为：f₀＝33GHz，B＝120MHz，Δf＝100MHz，T_p＝6μs，T_r＝8μs.从图中可以看到随着子脉冲个数N从1到20的增加，分辨率逐渐提高。图6给出了仿真结果与实验结果的分辨率比较，两者有高度一致性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法，该方法用于实现调频步进信号各子脉冲的相干合成，实现高分辨率成像，所述的方法包含如下步骤：

1)将线性调频信号的各子脉冲分别进行全去斜处理和剩余相位补偿；

2)根据子脉冲间的频率步进值，将经过步骤1)得到的时域信号进行时间搬移；

3)对时间搬移后的时域信号，经过去重叠、幅度均衡和相位补偿后，在时域进行相干合成；

4)最后进行傅立叶变换便可实现调频步进信号的压缩处理，得到高分辨一维距离像。

2.根据权利要求1所述的基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包含如下子步骤：

1-1)将线性调频信号的各子脉冲分别进行全去斜处理，即将一个与发射脉冲的调频斜率相同但时宽大于发射脉冲时宽的本振信号与回波信号进行混频，并取下边带滤波；

1-2)对去斜后的信号在频域进行剩余相位补偿，补偿相位为φ＝exp(jπf²/K)。

3.根据权利要求1所述的基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法，其特征在于，步骤2)所述的时移量，对于第i个子脉冲，时移量为(i-1)(T_r-Δf/K)。

4.根据权利要求1所述的基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包含如下子步骤：

3-1)对时移后相邻子脉冲的波形重叠部分进行处理，有以下三种处理方式：(1)取平均；(2)只保留一边的波形，舍弃另一边；(3)在左右两个子脉冲中各取一半；

3-2)当子脉冲间的幅度不平衡时，将各子脉冲的幅度以各自的最大值归一化，实现子脉冲间的幅度均衡；

3-3)为了保证合成信号的相位是连续的，求出相邻子脉冲的连接处相位差，并将这个相位差补偿在下一个子脉冲上：

3-4)对上述处理后的所有时域子脉冲信号进行相干叠加得到合成信号。

5.根据权利要求1或4所述的基于全去斜的宽带调频步进信号处理方法，其特征在于，步骤3)所述的相干合成信号还可进行加窗处理，以降低旁瓣。

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