CN102565773A - 一种合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，包括：按照合成孔径雷达成像参数要求、实时处理器的处理时间及数据量大小的要求设置滤波器的阶数，按照设置好的阶数选择适合的滤波器，对经过采样后的接收信号进行预滤波，对预滤波后的数据进行抽取，对于抽取后的数据进行高性能滤波，进行距离压缩。利用本发明，通过降低滤波器的阶数，能够降低数据量和处理时间，并且利用数字滤波器代替模拟滤波器，大大提高系统的灵活性和方便性。

Description

一种合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(SAR)信号处理领域，尤其是一种合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法。

技术背景

合成孔径雷达(SAR)是一种对地面目标进行成像观测的微波遥感手段。具有能够全天时全天候工作的优点，因而广泛应用于国防、自然资源勘探、灾害监测等领域。实时成像处理器通过对SAR系统采集到的目标回波信号进行处理实时形成雷达图像，对于具有时效性要求的应用而言是SAR系统必不可少的重要组成部分。在通常的机载SAR系统中，获取接收信号的方法是先进行模拟滤波，然后进行AD采样，之后进行距离压缩等处理。当根据需要改变成像模式时，涉及到改变模拟滤波器带宽等雷达硬件设备，带来了雷达设备复杂、缺少灵活性等问题。随着数字芯片和电路技术的发展、AD采样速率的提高，可以采用数字滤波器将AD采样后的数据直接进行数字滤波的方法来代替模拟滤波器，从而大大提高系统的灵活性和易用性，降低系统复杂度。

传统的SAR实时成像处理器中，考虑到运算和缓存量的限制，滤波器阶数的选择一般都会比较适中。一方面，阶数不能过大，以免增加过多的计算量和数据缓存量；另一方面，还要在有限的阶数条件下，设计尽可能优化的滤波器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，以实现合成孔径雷达距离压缩处理快速、灵活、高效的要求。

为实现上述目的，本发明提供的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其主要步骤为：

1)按照合成孔径雷达成像参数要求、实时处理器的处理时间及数据量大小的要求设置滤波器的阶数；

2)按照设置好的阶数选择相应的滤波器；

3)对经过采样后的接收信号进行预滤波；

4)对预滤波后的数据进行抽取；

5)对于抽取后的数据进行高性能滤波；

6)对滤波后的数据进行距离向压缩；

上述步骤1中，还包括：假设实时处理系统要求的预滤波总时间不能超过T，而滤波器每增加一阶所需多消耗的计算时间为N，则预滤波器的阶数不能超过T/N。

上述步骤2中，还包括：根据对滤波器类型的要求、对滤波器截止频率的要求、对滤波器阶数的要求、对滤波器的通带起伏以及阻带衰减的要求，选择响应的频域滤波器。

上述步骤3中，还包括：假设距离向的采样间隔为Δx，每次回波用r(nΔ_x)来表示，用y(mΔ_x)表示滤波器的系数，则预处理滤波器的输出为：

$q\left(k{\mathrm{\Δ}}_x\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(k{\mathrm{\Δ}}_x-m{\mathrm{\Δ}}_x)y\left(m{\mathrm{\Δ}}_x\right)$

上述步骤4中，还包括：在得到预滤波输出后，通过对信号进行抽取的方法进行降采样，得到降采样信号q(nγΔ_x)，其中γ为降采样系数。

上述步骤5中，还包括：对数据量减小后的离散信号，选择高阶的滤波器进行再次滤波，提取有效信号，为后续处理提供高质量的数据。

上述步骤6中，还包括：根据雷达数据的获取方式以及飞行参数，继续进行距离向的压缩处理。

本发明的有益效果是：

1)利用本发明，通过两级滤波实现了对合成孔径雷达回波的大量数据的快速有效的处理。

2)利用本发明，提高了合成孔径雷达实时处理器的灵活性、降低了系统的复杂度。

附图说明

图1是传统距离压缩前的信号处理过程示意图；

图2是改进后的基于两级滤波的距离压缩前信号处理过程示意图；

图3是本发明提供的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法的流程图；

图4a、b是两个不同阶滤波器的频谱示意图；

图5a、b是降采样后两个不同阶滤波器的频谱示意图；

图6a、b是某次处理中使用的滤波器的频谱示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是传统的SAR回波信号采集方式。受到A/D采样速率的限制经接收机接收的信号先经过模拟滤波器进行滤波，降低带宽，然后进入A/D采样器进行采样。经过采样和量化后的信号经过降采样后直接进行距离向处理。这种方法的缺点是如果接收信号有不同的带宽，则需要调整第一级的模拟滤波器的通带宽度，这样涉及的硬件的调整，比较麻烦且灵活性不高。

如图2所示，图2是本发明提供的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法的框图。由于A/D采样的提高，可以将接收的数据直接送入A/D采样器进行采样，然后采用两级滤波的方法将采样后的数据进行预滤波、下采样、高性能滤波。这样做可以根据不同的接收信号带宽很容易的调整滤波器的参数，大大的增加了滤波的灵活性和简易性。

如图3所示，图3是本文发明提供的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法的流程图，该方法包括：

步骤1：按照合成孔径雷达成像参数要求、实时处理器的处理时间及数据量大小的要求设置滤波器的阶数；

步骤2：按照设置好的阶数选择相应的滤波器；

步骤3：对经过采样后的接收信号进行预滤波；

步骤4：对预滤波后的数据进行降采样；

步骤5：对于滤波后的数据进行高性能滤波；

步骤6：对高性能滤波后的数据进行距离压缩处理；

上述步骤1所述按照成孔径雷达成像参数要求、实时处理器的处理时间及数据量大小的要求设置滤波器的阶数，具体包括：假设实时处理系统要求的预滤波总时间不能超过T，而滤波器每增加一阶所需多消耗的计算时间为N，则预滤波器的阶数不能超过T/N。

上述步骤2所述按照设置好的阶数选择相应的滤波器，具体包括：根据对滤波器类型的要求、对滤波器截止频率的要求、对滤波器阶数的要求、对滤波器的通带起伏以及阻带衰减的要求，选择响应的频域滤波器。

上述步骤3所述对经过采样后的接收信号进行预滤波，具体包括：假设距离向的采样间隔为Δx，每次回波用r(nΔ_x)来表示，用y(mΔ_x)表示滤波器的系数，则预处理滤波器的输出为：

$q\left(k{\mathrm{\Δ}}_x\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(k{\mathrm{\Δ}}_x-m{\mathrm{\Δ}}_x)y\left(m{\mathrm{\Δ}}_x\right)$

上述步骤4所述对预滤波后的数据进行降采样，具体包括：在得到q(kΔ_x)的预滤波输出后，通过对信号进行抽取的方法进行降采样，得到降采样信号q(nγΔ_x)，其中γ为降采样系数。

上述步骤5所述对于抽取后的数据进行高性能滤波，具体包括：对数据量减小后的离散信号，选择高阶的滤波器进行再次滤波，提取有效信号，为后续处理提供高质量的数据。

上述步骤6所述对高性能滤波后的数据进行距离压缩处理，具体包括：根据雷达数据的获取方式以及飞行参数，进行距离压缩处理。

下面给出实际SAR系统中滤波器选择的过程。

1、滤波器处理效果与阶数的关系：如图4所示，海明窗是信号处理中常用的一种滤波器，其性能良好，实现也不复杂。图示的为55阶海明窗和9阶海明窗的频谱图。由图中可见，9阶海明窗的衰减带远远高于55阶海明窗，从而使其滤波效果插于55阶海明窗，经过抽样以后，阶数高的滤波器混叠影响比较小，阶数低的滤波器混叠影响比较大。但是，若使用55阶海明窗，要存储55个采样点后才能进行滤波，从处理效率上来看不高。所以又希望选择阶数较低的滤波器，于是数据量和滤波效果之间就产生了矛盾。

2、进行降采样，以某机载SAR系统为例，雷达的信号采样点数为32k字节，考虑到雷达中频解调后为I、Q两路信号，每次采集的一条距离线的数据量就有32*2＝64K个字节。如果每秒钟采集2000次回波，数据量就有128M字节。这样的数据率对于处理器来说负担很重，于是要进行降采样。以1/2降采样为例，采样后的数据率为64M字节/秒，有了很大的减少。降采样后的滤波器频谱如图5所示。

3、然而，分析图5a和图5b还可以发现，如果有效信号的频带宽度在0.1以内时，则尽管滤波器的阶数比较低，但图5b中混叠带来的对有用信号的影响也比较小。

通常，理想的距离预处理滤波器的频域特性为

$H_d\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{e}^{-\mathrm{j\ω\α}},& & -{\mathrm{\ω}}_c\≤\mathrm{\ω}\≤{\mathrm{\ω}}_c\\ 0,& {\mathrm{\ω}}_c\≤\mathrm{\ω}\≤1,& -1\≤\mathrm{\ω}\≤-{\mathrm{\ω}}_c\end{array}\right.$

而本发明提出的二级滤波处理方法中，对第一级滤波器的理想频域特性要求可以表示为

$H_d\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{e}^{-\mathrm{j\ω\α}},& & -{\mathrm{\ω}}_c\≤\mathrm{\ω}\≤{\mathrm{\ω}}_c\\ 0,& {1-\mathrm{\ω}}_c\≤\mathrm{\ω}\≤1,& -1\≤\mathrm{\ω}\≤-{1+\mathrm{\ω}}_c\end{array}\right.$

可以看出在(ω_c，1-ω_c)和(-1+ω_c，-ω_c)的区间里并没有提出要求，这相当于大大放松了对滤波器的设计要求。也为滤波器阶数降低的可能提供了理论依据。

从上面的分析可以看出，进行两级滤波需要一定的条件，一方面要求采样频率相对于信号带宽要足够大，能够满足低阶滤波处理和降采样要求，同时不对有效信号形成比较大的影响；另一方面。要求在第二级滤波和后续处理中能够有效剔除有效信号频谱之外的无用信号。

4、根据以上分析，在某机载SAR成像处理中采用如图6的9阶的布拉克曼滤波器进行第一级滤波。图6a为布拉克曼滤波器的幅度频谱，图6b为对应的滤波器1/2重抽样后的频域幅度谱。对于航空SAR系统而言，信号的采样频率可以远大于SAR雷达的信号带宽，如图6b所示。

5、经过滤波重抽样以后，在有效信号带宽以内的混叠影响甚至要小于图4a中的高阶数滤波器的混叠影响。后续的处理继续进行距离向的滤波处理。

Claims (7)

1.一种合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其特征在于，该方法包括：

1)按照合成孔径雷达成像参数要求、实时处理器的处理时间及数据量大小的要求设置滤波器的阶数；

2)按照设置好的阶数选择相应的滤波器；

3)对经过采样后的接收信号进行预滤波；

4)对预滤波后的数据进行抽取；

5)对于抽取后的数据进行高性能滤波；

6)对滤波后的数据进行距离向压缩；

2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其中，步骤1包括：

实时处理系统要求的预滤波总时间不超过T，滤波器每增加一阶所需多消耗的计算时间为N，则预滤波器的阶数不能超过T/N。

3.根据权利要求1所述的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其中，步骤2包括：

按照合成孔径雷达成像参数对滤波器类型的要求、对滤波器截止频率的要求、对滤波器阶数的要求、对滤波器的通带起伏以及阻带衰减的要求，选择相应的滤波器。

4.根据权利要求1所述的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其中，步骤3包括：

假设距离向的采样间隔为Δx，每次回波用r(nΔx_x)来表示，用y(mΔ_x)表示滤波器的系数，则预处理滤波器的输出为：

$q\left(k{\mathrm{\Δ}}_x\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(k{\mathrm{\Δ}}_x-m{\mathrm{\Δ}}_x)y\left(m{\mathrm{\Δ}}_x\right)$

5.根据权利要求1所述的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其中，步骤4包括：

在得到的预滤波后，通过对信号进行抽取的方法进行降采样，得到降采样信号q(nγΔ_x)，其中γ为降采样系数。

6.根据权利要求1所述的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其中，步骤5包括：

对数据量减小后的离散信号，选择高阶的滤波器进行再次滤波，提取有效信号，为后续处理提供高质量的数据。

7.根据权利要求1所述的合成孔径雷达高速数据抽取的两级滤波实现方法，其中，步骤6包括：

根据雷达数据的获取方式以及飞行参数，继续进行距离向的滤波处理。

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