CN102221689A - 超宽带合成孔径雷达中的多通道校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超宽带合成孔径雷达中的多通道校正方法，应用于小时宽带宽积线性调频信号体制下的多通道UWB SAR/GMTI系统。技术方案包括以下步骤：第一步，利用谱修正技术构造匹配滤波器系统函数；第二步，对理想接收通道进行修正以获得参考通道；第三步，为每一个接收通道构造通道均衡器；第四步，完成通道不一致性的校正。本发明结合谱修正技术，在每一个接收通道中插入一个通道均衡器后，不仅校正了频率特性失配，完成了通道间的不一致性校正；而且有效提高了小时宽带宽积线性调频信号的脉冲压缩性能。

Description

超宽带合成孔径雷达中的多通道校正方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及多通道UWB SAR(Ultra Wide-bandSynthetic Aperture Radar，超宽带合成孔径雷达)的通道校正方法，尤其是小时宽带宽积线性调频信号体制下的多通道UWB SAR通道校正方法。

背景技术

近十几年的研究和战争实践表明，将UWB SAR和GMTI(Ground MovingTarget Indication，地面运动目标指示)相结合更能满足现代战场侦察的需要。它能更好地捕捉实际场景，提高情报的收集能力和情报的准确性。其中，杂波抑制是运动目标检测的首要问题，而通道校正是影响杂波抑制性能的一个重要因素。因此通道校正是多通道UWB SAR/GMTI雷达系统的一个重要课题。

在多通道UWB SAR/GMTI雷达系统中，每个通道都包括阵元和馈电线路、射频放大与变频、中频处理、同相/正交支路和模拟数字变换部件，任一环节有误差都会引起各通道间的不一致性。此外，由于模拟器件及其所构成的电路不可避免地存在特性上的差异，并且在工作中模拟电路的状态也会不断的变化，所以对于众多的接收通道要求其工作特性在任何时刻完全一致是不可能的。因此为保证雷达良好的检测性能，除了严格的硬件设计和加工外，利用一定的信号处理方法可以进一步减小幅相误差，提高各通道间的一致性。

各通道间频率响应的不一致性称为通道不一致。为保证所有通道的频率响应达到一致或匹配，需要在每一个通道中插入一个通道均衡器，实现与频率有关的幅度和相位的补偿，校正频率特性失配，完成通道间的不一致性校正。

当前，对于多通道雷达系统，实现通道校正有三种方案。这些方案的基本原理和技术特点如下：

一、选择一个带内最为平坦的、畸变最小的通道作为参考通道，其余各通道与其作比较，以取得一致的频率特性。但这样处理需要一个比较选择过程，增大了运算量。

二、简单地以任意一个通道作为参考通道，在其他各个通道中插入通道均衡器，使其他所有通道都与参考通道相一致。这样N个通道需要N-1个均衡器。但这样处理仅仅保证了各个通道频率特性相一致，由于参考通道选择的“任意性”，无法保证每一个通道都具有良好的频率特性。

三、以理想接收通道作为参考通道，所有通道中全部插入均衡器，使所有通道的频率特性尽可能接近理想状态。然而，当线性调频信号的时宽带宽积小于100(此时称为小时宽带宽积线性调频信号)，理想回波信号的幅度谱不具有近似矩形的特性，通带内有较严重的菲涅尔波纹，所以选取理想接收通道作为参考通道进行通道校正不能获得良好的脉冲压缩性能，不利于UWB SAR/GMTI后端系统的处理。

因此，如何对小时宽带宽积线性调频信号体制下的多通道UWB SAR/GMTI雷达系统进行通道校正是一个亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是，提供一种小时宽带宽积线性调频信号体制下的多通道校正方法，以经过修正的理想接收通道作为参考通道，在完成多通道间不一致性校正的同时，改善回波信号的脉冲压缩性能。

本发明的技术方案是，一种超宽带合成孔径雷达中的多通道校正方法，应用于小时宽带宽积线性调频信号体制下的多通道UWB SAR/GMTI系统，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用谱修正技术构造匹配滤波器系统函数。

由于时域压缩产生的距离旁瓣与频域上的边缘跃变以及带内菲涅尔波纹紧紧相关，不同时宽带宽积的线性调频信号具有不同的压缩性能。为抑制线性调频信号频谱的边缘跃变，降低距离旁瓣电平，在距离压缩时需要进行加窗处理。但小时宽带宽积信号频谱的菲涅尔波纹较为严重，影响了加窗的效果，所以与大时宽带宽积信号相比，小时宽带宽积信号脉冲压缩输出的峰值旁瓣比将会下降。因此，鉴于小时宽带宽积信号频谱的菲涅耳波纹对于距离旁瓣的突出影响，一种直观的方案是在距离压缩时，利用谱修正技术将小时宽带宽积线性调频信号频谱修正为矩形频谱。

线性调频信号频谱的修正通过修改匹配滤波器的系统函数来实现。本发明中构造的匹配滤波器系统函数M(f)为

$M\left(f\right)=\frac{U^{*}\left(f\right)I\left(f\right)I^{*}\left(f\right)}{{\left|U\left(f\right)\right|}^2}---\left(1\right)$

上式中f表示频率，U(f)表示理想接收通道输出信号的频谱，I(f)＝rect(f/B)表示频率宽度为B的矩形窗函数，B表示接收通道带宽，(g)^*表示共轭操作，|g|²表示模值的平方。

第二步，对理想接收通道进行修正以获得参考通道。

对理想接收通道进行修正，得到修正后的参考通道H_ref(f)为

H_ref(f)＝R_o(f)M(f)            (2)

上式中R_o(f)表示理想接收通道的系统函数，由雷达系统信号参数决定。

第三步，为每一个接收通道构造通道均衡器。

为补偿接收通道间的不一致性，需要在每一个接收通道中插入一个通道均衡器E_m(f)

E_m(f)＝H_ref(f)/R_m(f)，m＝1，2，L，L    (3)

上式中R_m(f)表示第m个接收通道的系统函数，L表示多通道UWB SAR/GMTI雷达系统的通道数目。

第四步，完成通道不一致性的校正。

校正后的接收通道H_m(f)为

H_m(f)＝R_m(f)E_m(f)，m＝1，2，L，L    (4)

由公式(3)和公式(4)可知，H_m(f)＝H_ref(f)，从而所有接收通道的频率响应达到了一致，完成了多通道间不一致性的校正。

采用本发明可以取得以下技术效果：

本发明结合谱修正技术，在每一个接收通道中插入一个通道均衡器后，不仅校正了频率特性失配，完成了通道间的不一致性校正；而且有效提高了小时宽带宽积线性调频信号的脉冲压缩性能。

附图说明

图1是本发明的通道校正方法流程图；

图2是通道校正前三通道实测数据的相对幅相误差；

图3是采用本发明通道校正方法后三通道实测数据的相对幅相误差；

图4是三通道实测数据回波信号脉冲压缩输出响应波形对比图。

具体实施方式

图1是本发明的通道校正方法流程图，具体实施方案分为四步：

第一步，利用谱修正技术构造匹配滤波器系统函数M(f)；

第二步，对理想接收通道进行修正以获得参考通道H_ref(f)；

第三步，为每一个接收通道构造通道均衡器E_m(f)，m＝1，2，L，L；

第四步，完成通道不一致性的校正。

图2至图4是在实验室利用实测数据进行实验的结果。使用的实际雷达系统的通道数为3。

图2是通道校正前三通道实测数据的相对幅相误差。失配通道相对幅相误差因子D_mn(f)定义为两个失配通道系统函数的比值，即

上式中d_mn(f)、

分别表示通道校正前的相对幅度误差和相对相位误差，j为虚数单位。图2中，CH1、2表示通道1和通道2间的相对幅相误差，CH1、3表示通道1和通道3间的相对幅相误差，CH2、3表示通道2和通道3间的相对幅相误差。(a)表示通道校正前三通道间相对幅度误差d_mn(f)，横坐标为频率值坐标，纵坐标为幅度值坐标；(b)表示通道校正前三通道间相对相位误差

横坐标为频率值坐标，纵坐标为角度值坐标。从图中可以看出，通道校正前三通道间具有较大的幅度不一致性和相对固定的相位差。

图3是采用本发明通道校正方法后三通道实测数据的相对幅相误差。校正后通道相对幅相误差因子G_mn(f)定义为两个校正后通道系统函数的比值，即

$G_{\mathrm{mn}}\left(f\right)=H_m\left(f\right)/H_n\left(f\right)=g_{\mathrm{mn}}\left(f\right)e^{j{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{mn}}\left(f\right)},m=\mathrm{1,2},L,\mathrm{Ln}=\mathrm{1,2},L,L---\left(6\right)$

其中，g_mn(ω)、ψ_mn(ω)分别表示通道校正后的相对幅度误差和相对相位误差，j为虚数单位。图3中，CH1、2表示通道1和通道2间的相对幅相误差，CH1、3表示通道1和通道3间的相对幅相误差，CH2、3表示通道2和通道3间的相对幅相误差。(a)表示通道校正后三通道间相对幅度误差g_mn(ω)，横坐标为频率值坐标，纵坐标为幅度值坐标；(b)表示通道校正后三通道间相对相位误差ψ_mn(ω)，横坐标为频率值坐标，纵坐标为角度值坐标。对比图2可以看出，采用本发明通道校正方法后，三通道间的幅度不一致性几乎被消除，相位差也得到大大降低。

图4是三通道实测数据回波信号脉冲压缩输出响应波形对比图。三幅图中，横坐标均为时间坐标，纵坐标均为归一化的幅度值坐标；CH1、CH2、CH3分别表示通道1、通道2和通道3回波信号脉冲压缩输出响应波形。(a)为通道校正前三通道回波信号脉冲压缩输出响应波形；(b)为采用常规通道校正方法(以理想接收通道作为参考通道)后的三通道回波信号脉冲压缩输出响应波形；(c)为采用本发明通道校正方法后的三通道回波信号脉冲压缩输出响应波形。从(a)中可以看出波形主瓣宽度为28ns，比理想值略高，峰值旁瓣比为20dB，这说明通道校正前三通道回波信号脉压性能较差；波形的不重合反映了三通道间的不一致性。(b)中，波形较好的重合反映了三通道间较好的一致性，但较高的旁瓣反映了较差的脉压性能，这说明在小时宽带宽积线性调频信号体制下，常规的通道校正方法仅能校正通道间的不一致性，而较差的脉压性能不利于UWBSAR/GMTI后端系统的处理。(c)体现了本发明通道校正方法的优势所在，从图中可以看出波形旁瓣基本消除，峰值旁瓣比低于40dB，主瓣宽度为27ns，这说明通道校正后三通道回波信号脉压性能得到较大的改善；波形较好的重合，反映了三通道间较好的一致性。实测数据的应用结果进一步证明了本发明通道校正方法的可行性和有效性。

Claims (1)

1.一种超宽带合成孔径雷达中的多通道校正方法，应用于小时宽带宽积线性调频信号体制下的多通道UWB SAR/GMTI(Ultra Wide-band SyntheticAperture Radar/Ground Moving Target Indication，超宽带合成孔径雷达/地面运动目标指示)系统，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用谱修正技术构造匹配滤波器系统函数；

构造的匹配滤波器系统函数M(f)为

上式中f表示频率，U(f)表示理想接收通道输出信号的频谱，I(f)＝rect(f/B)表示频率宽度为B的矩形窗函数，B表示接收通道带宽，(g)^*表示共轭操作，|g|²表示模值的平方；

第二步，对理想接收通道进行修正以获得参考通道；

对理想接收通道进行修正，得到修正后的参考通道H_ref(f)为

H_ref(f)＝R_o(f)M(f)            (2)

上式中R_o(f)表示理想接收通道的系统函数，由雷达系统信号参数决定；

第三步，为每一个接收通道构造通道均衡器；

为每一个接收通道构造的通道均衡器E_m(f)为：

E_m(f)＝H_ref(f)/R_m(f)，m＝1，2，L，L    (3)

上式中R_m(f)表示第m个接收通道的系统函数，L表示多通道UWB SAR/GMTI系统的通道数目；

第四步，完成通道不一致性的校正；

校正后的接收通道H_m(f)为

H_m(f)＝R_m(f)E_m(f)，m＝1，2，L，L    (4)。 

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