CN102323570A - 一种雷达目标回波信号模拟器的幅相特性估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种雷达目标回波信号模拟器的幅相特性估计方法，技术方案包括：将理想线性调频信号经过模拟器发射通道形成发射信号；由发射信号得到闭环失真信号；将上述闭环失真信号与所述理想线性调频信号进行相关运算，得到时域脉冲压缩信号；对上述时域脉冲压缩信号处理得到模拟器相频特性估计值和幅频特性估计值；将所述理想线性调频信号进行自相关运算，对自相关运算结果进行处理得到幅频响应修正函数；将所述模拟器相频特性估计值、幅频特性估计值和幅频响应修正函数相乘，得到模拟器该闭环通道的幅相特性估计值。本发明提供的模拟器幅相特性估计方法更加高效、准确，估计结果可直接用于设计模拟器实时校正数字滤波器系数。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及一种干涉合成孔径雷达目标回波信号模拟器的幅相特性估计方法。
背景技术
干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称InSAR)是全天候、全天时、高效率获取全球高精度无缝隙三维地球数字模型的优选手段，在国民经济和军事领域都有着十分广泛和迫切的使用需求。目标回波信号模拟器(以下简称模拟器)是构建InSAR半实物仿真测试环境必备的地面设备之一，能够模拟InSAR发射电磁波与地面场景的作用过程和空间传播过程，按照InSAR实际工作时序，实时同步地产生InSAR射频回波信号。
由于模拟器硬件链路中模拟滤波器、数模转换器和模数转换器等器件的非理想幅相特性，会恶化InSAR单幅图像距离向脉冲压缩响应性能，影响对InSAR成像性能的准确测试。特别是模拟器通道之间幅相特性的不一致性，会降低InSAR两幅图像之间的相干性，引入干涉相位偏差，影响对InSAR干涉性能的准确测试，例如，未校正前，模拟器典型的通道幅度一致性误差为1dB，相位一致性误差为10度，最大将引入干涉相位偏差为3度，干涉相位标准差为1度，已经大于InSAR载荷间的通道不一致、时间和相位同步误差等小量误差源对InSAR干涉测高精度的影响。因此，准确估计和校正模拟器幅相误差对于提高InSAR半实物仿真测试结果的可信度具有重要意义，其中高精度幅相特性估计方法是模拟器幅相误差校正的基础。
目前，针对模拟器的幅相特性提取方法主要有两种：
第一种方法是利用仪器进行测量。如利用频谱分析仪或矢量网络分析仪直接测量得到模拟器通道幅相特性，这种方法的特点是简单直接，但仪器测量不可避免地存在由仪器自身通道幅相误差引入的测量误差。
第二种方法是信号估计方法。本类方法只需利用模拟器自身发射并接收的闭环信号，如理想线性调频信号，便可估计出模拟器通道幅相特性。这种方法的特点是不包含测量仪器引入的额外误差，测量精度较高。目前，提取模拟器通道幅相特性的常用方法是，用模拟器闭环失真线性调频信号的频谱除以理想线性调频信号的频谱得到模拟器幅相特性估计值。现有方法估计出的幅相特性包含噪声和杂散等不属于模拟器幅相特性的误差，当直接用于模拟器实时校正的数字滤波器系数设计时，实际应用效果不理想，甚至可能会在时域出现较大冲击，使得实时校正方法失效。
发明内容
为解决现有InSAR模拟器的幅相特性估计精度不高的问题，本发明提供一种精度较高的InSAR模拟器幅相特性估计方法。
本发明的技术方案是，一种InSAR模拟器幅相特性估计方法，将模拟器的任意一个发射通道和接收通道连接形成闭环，然后进行下述步骤：将理想线性调频信号经过模拟器发射通道形成发射信号；由模拟器接收通道接收上述发射信号得到闭环失真信号；将上述闭环失真信号与所述理想线性调频信号进行相关运算，得到包含模拟器自身幅相特性的时域脉冲压缩信号；对上述时域脉冲压缩信号加矩形窗截断，通过补零傅里叶变换计算得到模拟器相频特性估计值；对所述时域脉冲压缩信号加布莱克曼窗截断，通过补零傅里叶变换计算得到模拟器幅频特性估计值；将所述理想线性调频信号进行自相关运算，对自相关运算结果加布莱克曼窗截断，通过补零傅里叶变换和倒数运算计算得到幅频响应修正函数；将所述模拟器相频特性估计值、幅频特性估计值和幅频响应修正函数相乘，得到模拟器该闭环通道的幅相特性估计值。
本发明的有益效果是：与传统仪器测量方法相比，本发明利用模拟器自身闭环失真信号估计模拟器幅相特性，不存在测量仪器引入的测量误差。与现有的信号处理估计方法相比，本发明通过将闭环失真信号与理想线性调频信号进行相关运算，在时域将反映模拟器幅相特性的信号分量与噪声杂散分量区分开来；对相关后的信号在时域加窗截取，相当于滤除了频域噪声和杂散对应的幅相特性快变分量，仅保留了反映模拟器幅相特性的缓变分量。因此，本发明提供的模拟器幅相特性估计方法更加高效、准确，估计结果可直接用于设计模拟器实时校正数字滤波器系数。
附图说明
图1是本发明涉及的InSAR模拟器形成通道闭环的硬件连接图；
图2是本发明具体实施方式涉及的形成通道闭环后的步骤示意图；
图3是本发明InSAR模拟器闭环失真信号的信号模型；
图4是现有幅相特性估计方法的估计结果；其中，子图(a)为模拟器幅频特性估计结果，子图(b)为模拟器相频特性估计结果；
图5是本发明幅相特性估计方法的估计结果；其中，子图(a)为模拟器幅频特性估计结果，子图(b)为模拟器相频特性估计结果。
具体实施方式
图1是本发明涉及的InSAR模拟器形成通道闭环的硬件连接图。所述模拟器包括两个发射通道和一个接收通道，用电缆将两个发射通道分别与接收通道相连，形成通道1闭环和通道2闭环，下面以模拟器通道1闭环的幅相特性估计为例说明本发明具体实施方式。
图2是本发明具体实施方式涉及的形成通道闭环后的步骤示意图。
图3是本发明InSAR模拟器闭环失真信号的信号模型。
首先参照图2，在步骤S102中，理想线性调频信号经过模拟器发射通道形成发射信号。所述理想线性调频信号p0(t)经过模拟器通道1闭环的发射通道1的射频上变频、模数转换器等硬件单元，其本身会随着在硬件单元间的传输而产生幅频和相频特性畸变。
在步骤S103中，由模拟器接收通道接收上述发射信号得到闭环失真信号。所述发射信号经过模拟器接收通道的射频下变频、数模转换器等硬件单元，其本身也会随着在硬件单元间的传输而产生幅频和相频特性畸变，因此录取的闭环失真信号pe(t)反映了模拟器通道1闭环的幅相特性。参照图3，所述闭环失真信号pe(t)可看做理想线性调频信号p0(t)经过模拟器通道1闭环所代表的系统传递函数He(f)的输出。设理想线性调频信号p0(t)在频域的表达式为p0(f)＝A(f)exp{jP(f)}，其中，A(f)为理想线性调频信号p0(t)的幅频信号，P(f)为理想线性调频信号p0(t)的相频信号。设模拟器通道1闭环的系统传递函数He(f)在频域的表达式为He(f)＝Ae(f)exp{jPe(f)}·exp{-j2πt0f}exp{jP0}，其中，Ae(f)为模拟器通道1闭环的幅频特性，Pe(f)为模拟器通道1闭环的相频特性，t0是模拟器通道1闭环系统延迟引入的常数时延，P0是调制解调过程引入的常数相位。设噪声和杂散信号n(t)的频谱为N(f)。参照图3，所述闭环失真信号pe(t)的频谱为Pe(f)＝P0(f)He(f)+N(f)。
在步骤S104中，将上述闭环失真信号与所述理想线性调频信号进行相关运算，得到包含模拟器自身幅相特性的时域脉冲压缩信号。将所述闭环失真信号pe(t)与理想线性调频信号p0(t)进行相关运算，即将闭环失真信号pe(t)的频谱Pe(f)与理想线性调频信号p0(t)对应频谱的共轭相乘，再进行傅立叶反变换，得到包含模拟器自身幅相特性的时域脉冲压缩信号r(t)。上述时域脉冲压缩信号r(t)的表达式为其中F-1{·}表示傅里叶反变换。所述时域脉冲压缩信号r(t)反映了模拟器通道1闭环的幅相特性。
在步骤S105中，对上述时域脉冲压缩信号加矩形窗截断，通过补零傅里叶变换计算得到模拟器相频特性估计值。对所述时域脉冲压缩信号r(t)加矩形窗截断，矩形窗的截断长度是主瓣分辨单元长度的60倍，所述主瓣分辨单元长度为c/2B，其中，c＝3×108，为光速，B为理想线性调频信号p0(t)的带宽，然后对截断后的时域脉冲压缩信号进行补零傅里叶变换得到模拟器通道1闭环的相频特性估计值，本步骤中补零傅里叶变换的点数通常取16384点。
在步骤S106中，对所述时域脉冲压缩信号加布莱克曼窗截断，通过补零傅里叶变换计算得到模拟器幅频特性估计值。对所述时域脉冲压缩信号r(t)加布莱克曼窗截断，布莱克曼窗的截断长度也是主瓣分辨单元长度的60倍，然后对截断后的时域脉冲压缩信号进行补零傅里叶变换计算得到模拟器通道1闭环的幅频特性估计值，本步骤中补零傅里叶变换的点数通常取16384点。
在步骤S107中，将所述理想线性调频信号进行自相关运算，对自相关运算结果加布莱克曼窗截断，通过补零傅里叶变换和倒数运算计算得到幅频响应修正函数。将所述理想线性调频信号p0(t)进行自相关运算，对自相关运算结果加布莱克曼窗截断，布莱克曼窗的截断长度也是主瓣分辨单元长度的60倍，然后对截断后的信号先进行补零傅里叶变换，再进行倒数运算得到幅频响应修正函数，本步骤中补零傅里叶变换的点数通常取16384点。
在步骤S108中，将所述模拟器相频特性估计值、幅频特性估计值和幅频响应修正函数相乘，得到模拟器该闭环通道的幅相特性估计值。
图4和图5是利用现有方法和本发明分别在相同的实验条件下得到的估计结果。
图4是现有幅相特性估计方法的估计结果。其中，子图(a)为模拟器幅频特性估计结果，横坐标为频率(单位：MHz)，纵坐标为幅度(单位：dB)，受闭环失真信号中噪声和杂散的影响，幅频特性估计结果的误差值超过0.5dB，估计精度较低；子图(b)为模拟器相频特性估计结果，横坐标为频率(单位：MHz)，纵坐标为相位(单位：度)，受闭环失真信号中噪声和杂散的影响，相频特性估计结果的误差值超过2.5度，估计精度较低。
图5是本发明幅相特性估计方法的估计结果。其中，子图(a)为模拟器幅频特性估计结果，横坐标为频率(单位：MHz)，纵坐标为幅度(单位：dB)，从图中几乎观察不到由噪声和杂散引起的幅频特性估计误差，可见所述幅频特性估计方法有效抑制了噪声和杂散，估计精度较高；子图(b)为模拟器相频特性估计结果，横坐标为频率(单位：MHz)，纵坐标为相位(单位：度)，从图中几乎观察不到由噪声和杂散引起的相频特性估计误差，可见所述相频特性估计方法有效抑制了噪声和杂散，估计精度较高。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种干涉合成孔径雷达模拟器幅相特性估计方法，首先，将模拟器的任意一个发射通道和接收通道连接形成闭环，其特征是，然后进行下述步骤：将理想线性调频信号经过模拟器发射通道形成发射信号；由模拟器接收通道接收上述发射信号得到闭环失真信号；将上述闭环失真信号与所述理想线性调频信号进行相关运算，得到包含模拟器自身幅相特性的时域脉冲压缩信号；对上述时域脉冲压缩信号加矩形窗截断，通过补零傅里叶变换计算得到模拟器相频特性估计值；对所述时域脉冲压缩信号加布莱克曼窗截断，通过补零傅里叶变换计算得到模拟器幅频特性估计值；将所述理想线性调频信号进行自相关运算，对自相关运算结果加布莱克曼窗截断，通过补零傅里叶变换和倒数运算计算得到幅频响应修正函数；将所述模拟器相频特性估计值、幅频特性估计值和幅频响应修正函数相乘，得到模拟器该闭环通道的幅相特性估计值。
2.根据权利要求1所述的干涉合成孔径雷达模拟器幅相特性估计方法，其特征在于，矩形窗的截断长度是主瓣分辨单元长度的60倍，所述主瓣分辨单元长度为c/2B，其中，c＝3×108，为光速，B为理想线性调频信号的带宽。
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