CN103107965B - 一种机载干涉sar多通道宽带接收机幅相补偿方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿方法和装置，提高多通道宽带射频接收机的幅相一致性。在多通道宽带射频接收机中每个接收通道的相同位置设置温度传感器；在多通道宽带射频接收机的机箱内均匀布置加热部件；实时监控各接收通道的实际工作温度，生成对应的温度补偿码，每个温度补偿码对应一组预测得到的幅相补偿码；信号处理机调用当前温度补偿码对应的宽带幅相补偿码对每个接收通道的信号进行幅相补偿；同时，判断所述各接收通道的实际工作温度是否达到所述最佳工作温度，根据判定情况对不同位置上的加热部件进行区别化的调整控制，使得各接收通道的实际工作温度趋于一致，且达到设定的最佳工作温度。

Description

一种机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿方法和装置

技术领域

本发明涉及一种多通道宽带射频接收机不同温度下幅相一致性补偿方法，属于射频电路与射频组件技术领域。

背景技术

随着雷达技术与雷达体制的发展，越来越多的雷达系统采用多通道收发的工作模式，例如单脉冲雷达、干涉式合成孔径雷达、极化雷达、相控阵雷达等。在多通道机载干涉SAR雷达系统中，为不影响雷达系统性能，要求各个通道间具备良好的幅相一致性，即各个通道的幅频特性与相频特性是一致的。然而，实际雷达系统中却很难实现不同通道间良好的幅相一致性。主要原因包括：

(1)元器件自身性能偏差；

(2)模数转换的量化误差；

(3)温度变化造成的偏差；

(4)宽频带带内幅相偏差。

由于以上原因引起的通道间幅相不一致无法通过硬件电路的设计予以完全消除，必须结合系统层面的设计并选择适当的方法进行通道间的幅相补偿。在部分雷达系统中，发射端可以通过将单个大功率发射通道的信号进行无源功分之后得到多路发射信号，从而有效的避免了发射通道间的幅相不一致。例如使用射频和差网络的单脉冲雷达系统以及干涉式合成孔径雷达系统等。而在接收端，却必须采用多个通道分别同时接收。在这种情况下，就需要预先检测各个接收通道间的幅相差异，之后通过合适的方法予以补偿。常用的幅相补偿方法包括：

(1)在各个接收通道中设置可控衰减器与移相器，根据测得的通道间幅相差异对各个衰减器及移相器赋值，实现幅相补偿；

(2)在对各接收通道中的信号进行模数转换之后，在数字信号处理环节，进行数字幅相补偿。

对比以上两种方法，数字幅相补偿方法具备明显的优势，包括以下几点：

(1)增加可控衰减器与移相器增加了电路的复杂度和成本；

(2)增加的可控衰减器与移相器引入了新的幅相误差来源；

(3)可控衰减器与移相器补偿精度受到选用器件调节步进的影响，难以在全部的补偿范围内达到理想的补偿精度；

(4)可控衰减器与移相器只能对接收通道在全频带内进行定值补偿，而实际应用中接收通道在带内不同频点处的补偿值并不相同，因此幅相补偿过程中实际应按照特定的幅频、相频曲线进行补偿。

虽然多通道雷达系统均在保证通道间幅相一致性方面设计了补偿方法，但是，由于雷达工作环境的变化，尤其是温度的剧烈起伏，雷达系统难以在不同温度条件下实现良好的接收通道幅相一致性补偿结果。这一点在宽带雷达系统，如高分辨合成孔径雷达系统中尤为明显。接收机带宽的扩展增加了幅相一致性补偿的难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了提高多通道宽带射频接收机的幅相一致性，提供一种在不同温度条件下均适用的机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明具体方法如下：

一种机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿方法，包括：

步骤1、在多通道宽带射频接收机中每个接收通道的相同位置设置温度传感器；在多通道宽带射频接收机的机箱内均匀布置加热部件；预先设置最佳工作温度，所述最佳工作温度为多通道宽带射频接收机幅相一致性最为理想的工作温度；

步骤2、实时监控各接收通道的实际工作温度；

步骤3、根据所述各接收通道的实际工作温度生成各接收通道的当前温度补偿码，每个温度补偿码对应一组预测得到的幅相补偿码；温度补偿码与幅相补偿码的对应关系是预先测试得到的多通道宽带接收机在不同温度条件的幅相差异值；信号处理机调用当前温度补偿码对应的宽带幅相补偿码对每个接收通道的信号进行幅相补偿；

同时，判断所述各接收通道的实际工作温度是否达到所述最佳工作温度，根据判定情况对不同位置上的加热部件进行调整控制，使得各接收通道的实际工作温度趋于一致，且达到设定的最佳工作温度。

优选地，所述预先设置最佳工作温度为：

基于射频元器件特性随温度变化的特性，分析接收机中各种误差来源器件的温度特性曲线，假设分析接收通道中N个误差来源器件,每个器件的温度特性曲线为f_n(t)，n=1至N，t为温度；则按下列方式计算权值K：

$K=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{df}}_n\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{\ΔT}$

其中，ΔT为温度变化范围的值，当温度为T₀时K具有极小值，则 $\left[\begin{array}{cc}{T}_0-\frac{\mathrm{\ΔT}}{2}& T_0+\frac{\mathrm{\ΔT}}{2}\end{array}\right]$ 为理想工作温度区间；当满足要求的T₀多于一个时，选择其中较高的一个作为理想工作温度区间；

将该理想工作温度区间作为所述最佳工作温度；或者结合多通道宽带射频接收机不同温度条件下的幅相一致性实验测试数据，在所述理想工作温度区间内确定幅相一致性最为理想的工作温度，作为所述最佳工作温度。

本发明还提供了一种机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿装置，在多通道雷达系统中，包括具有多个接收通道的多通道宽带射频接收机、多通道高速A/D采集卡、信号处理机和定时与控制单元；

本发明设计的所述补偿装置包括：温控装置、补偿模块、控制模块以及与接收通道数量相同的温度传感器；温控装置包括多个加热部件；

温度传感器布置在各接收通道中的相同位置；控制模块设置在定时与控制单元中，控制模块连接各温度传感器、温控装置中的温控模块和补偿模块；温控模块连接各加热部件，加热部件均匀布置于多通道宽带射频接收机机箱内；补偿模块设置在信号处理机中；

所述温度传感器，监控各接收通道的实际工作温度；

定时与控制单元中的所述控制模块，根据所述各接收通道的实际工作温度生成各接收通道的当前温度补偿码，发送给信号处理机中的补偿模块；

而且，控制模块还判断所述各接收通道的实际工作温度是否达到预先设定的最佳工作温度，根据各接收通道的实际工作温度与所述最佳工作温度的差值，结合各加热部件在机箱内的位置以及加热部件与各接收通道的位置关系，对不同位置上的加热部件进行调整控制，使得各接收通道的实际工作温度趋于一致，且达到所述最佳工作温度；所述最佳工作温度为多通道宽带射频接收机幅相一致性最为理想的工作温度；

所述补偿模块，在信号处理机对A/D采样结果进行处理之前，根据定时与控制单元发来的温度补偿码调用预存的幅相一致性补偿表中与温度补偿码对应的幅相补偿码对各个通道的幅相一致性进行补偿；其中，温度补偿码与幅相补偿码的对应关系是预先测试得到的多通道宽带接收机在不同温度条件的幅相差异值。

有益效果：

本发明的机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿方案，具有以下优点：

（1）采用数字基带处理的方法对多通道宽带射频接收机的幅相一致性差异进行补偿。该方法提高了幅相一致性的补偿精度，降低了设备的复杂度与成本，避免了由新增器件引入的幅相差异，补偿了温度对幅相特性的影响，同时由于各个通道位置上的差异可能处于不同环境温度下，因此本发明还能够补偿各通道温度差异对幅相一致性的影响，而非全频带按照统一定值进行补偿。

（2）增加了多个温度传感器，实现对关键节点处实际工作温度的实时监测。

（3）增加了温控装置，能够实现接收机及信号处理机等装置工作于最佳工作温度的恒温环境，从而确保各个单元及组建的最佳性能。

附图说明

图1为本发明的机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿方法中涉及的各部分组成及互连关系图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明以机载干涉SAR多通道宽带合成孔径雷达接收机为应用背景，在多通道宽带射频接收机的每个接收通道中设置温度传感器，实时监控接收通道的工作环境温度，汇总各个接收通道的温度参数，生成各个通道的温度补偿码，每个温度补偿码对应一组预测得到的宽带幅相补偿码，信号处理机调用当前温度补偿码的宽带幅相补偿码对每个接收通道的信号进行幅相补偿。

进一步的，本发明提出了一种制定接收机最佳工作温度的策略。基于射频元器件特性随温度变化的特性，分析接收机中各种器件，主要是各种误差来源器件（例如放大器、混频器、滤波器）的温度特性曲线，提取不同温度条件下的特性抖动或变化参量，对多个级联射频元器件的温度特性抖动或变化参量进行分析，得出多通道宽带射频接收机幅相一致性最为理想的工作环境温度区间。

假设接收通道中使用了N个元器件,每个元器件的温度特性曲线为

f_n(t)，n=1至N，t为温度。

按下列方式计算权值：

$K=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{df}}_n\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{\ΔT}$

其中，ΔT为温度变化范围的值，一般取2摄氏度。当温度为T₀时K具有极小值，则 $\left[\begin{array}{cc}{T}_0-\frac{\mathrm{\ΔT}}{2}& T_0+\frac{\mathrm{\ΔT}}{2}\end{array}\right]$ 为理想工作温度区间；当满足要求的T₀多于一个时，可选择其中较高的一个作为理想工作温度区间，以降低温度控制的设备实现难度。

在此基础上，结合大量的多通道宽带射频接收机不同温度条件下的幅相一致性实验测试数据，在此温度区间内确定幅相一致性最为理想的工作温度。通过在接收机工作环境中增加温控装置，调节接收机工作环境温度稳定在最佳温度点上，从而确保接收机各个通道获得稳定的幅相一致性指标。

本发明多通道宽带射频接收机不同温度下幅相一致性补偿方法，涉及的模块及组件如图1所示包括：

1）多通道雷达系统中已经存在的设备：多通道宽带射频接收机、定时与控制单元、多通道高速A/D采集卡及信号处理机；具体通道数目依照不同雷达系统需求而定。

2）为了实现补偿方法新增加的部件：多个温度传感器、温控装置、补偿模块和控制模块。其中，补偿模块设置在信号处理机中，是信号处理机的新增功能；控制模块设置在定时与控制单元中，是定时与控制单元中的新增功能。

下面分别对各部分进行描述。

1.多通道宽带射频接收机包含多个接收通道，完成对雷达回波信号的低噪声放大、功率调整、下变频以及滤波等接收处理，并将雷达回波信号输出至多通道A/D采集卡。其技术特点在于接收链路增益较高，一般大于70dB；接收机带宽较宽，一般在200MHz以上。多个接收通道采用完全一致的设计，并在各个环节选用相同的元器件，使用相同的工艺。从设计层面减小或消除造成通道间幅相差异的因素。

2.温度传感器被设置于每个接收通道内部，用以实时监控接收通道的工作温度，并将温度值传送给定时与控制单元中控制模块。

其中，多通道温度传感器位置的选取要根据多通道宽带射频接收机的内部电路设计以及机箱结构综合考虑。由于多通道宽带射频接收机中不包含大功率器件，即多通道宽带射频接收机中的每个接收通道自身电路中不存在大量热量高度集中的区域，因此，整个接收通道电路的工作环境温度起伏较小，可以根据电路的实际情况选区能够容纳温度传感器的空位作为温度传感器的安置位置。

另一方面，在多通道宽带射频接收机的每一个通道中的相同位置设置温度传感器是必要的。原因在于，在多通道宽带射频接收机以及机箱的结构设计过程中，难以保证每个接收通道的处于完全一致的结构中。例如，由于安装的需要，部分接收通道的腔体结构可能会与导热性良好的金属体接触而其它的接收通道则没有接触。在工作环境温度起伏变化情况下，整个多通道宽带射频接收机难以达到热平衡状态，各个接收通道的实际工作温度可能存在差异。因此，在每个接收通道内部设置温度传感器，并依据温度传感器得出的实际工作温度对每个接收通道单独进行温度补偿。

3.定时与控制单元产生多通道宽带射频接收机需要的各项控制信号，如：接收机闭塞控制信号、带宽选择信号、自动增益控制信号等。本发明中定时与控制单元中新增的控制模块接收、汇总各温度传感器输出的表征温度参数的信号，根据温度参数生成各个接收通道相应的温度补偿码，并将温度补偿码发送至信号处理机以备调用。控制模块还负责控制温控装置的启动及温度设定值。在系统需要的情况下向温控装置发送启动命令并发送预存的最佳工作温度。其中，所述需要的情况可以是根据温度传感器检测到外部环境温度超出了最佳温度范围，则启动温控装置。

4.多通道高速A/D采集卡及信号处理机：A/D采集卡包含多个相同的A/D单元，对接收通道输出的宽带信号进行采样，并将采样结果送至信号处理机进行数字信号处理。信号处理机用于对A/D采样结果进行处理。

本发明中，信号处理机中新增的补偿模块，在信号处理机对A/D采样结果进行处理之前，根据所接收的温度补偿码调用预存的幅相一致性补偿表中与温度补偿码对应的幅相补偿码，对各个通道的幅相一致性进行补偿。幅相一致性补偿表是通过预先测试得到的多通道宽带接收机在不同温度条件的幅相差异值。

其中，温度补偿码是基于大量先期实验数据获取的。利用高低温箱对多通道宽带射频接收机的工作温度进行精确控制，测定不同温度条件下，多通道宽带射频接收机中各个接收通道间的幅相差异，生成对应的温度补偿码。每个温度补偿码包含两部分，分别为幅度补偿值及相位补偿值。

5.温控装置包括均匀布置在多通道宽带射频接收机机箱内的加热部件，例如加热贴片，以保证对多通道宽带射频接收机同步进行平稳的温度控制。

温控装置由定时与控制单元中的控制模块进行控制。控制模块中存储有预先设定的最佳工作温度，判断各接收通道的实际工作温度是否达到最佳工作温度，如果达到则不进行调整；如果没有达到，则根据各接收通道的实际工作温度与最佳工作温度的差值，结合各加热部件在机箱内的位置以及加热部件与各接收通道的位置关系，对不同位置上的加热部件进行调整控制，使得各接收通道的实际工作温度趋于一致，且达到最佳工作温度，从而保持各通道工作于恒温状态。

本发明涉及的多通道宽带射频接收机不同温度下幅相一致性补偿方法的工作流程为：

温控装置未启动状态下，多通道宽带射频接收机、定时与控制单元、多通道高速A/D采集卡及信号处理机、多通道温度传感器均处于正常工作状态。设置于多通道接收机的温度传感器将实时监测到的温度信息传送至控制模块。由控制模块对接收到的多路温度信息进行汇总，并生成相应的温度补偿码。控制模块将生成的温度补偿码发送至信号处理机中的补偿模块，由其依据接收到的温度补偿码查询预存的幅相一致性补偿表，从中调用相应的幅相补偿码，并按照调用的幅相补偿码在信号处理过程中对各个通道的A/D采集结果进行幅相一致性补偿，保证各个通道的接收信号在当前温度下满足良好的幅相一致性。

温控装置启动状态下，多通道宽带射频接收机、定时与控制单元、多通道高速A/D采集卡及信号处理机、多通道温度传感器均处于正常工作状态。控制模块根据预存的最佳工作温度，对温控装置的目标温度进行设定。温度传感器将实时监测到的实际工作温度传送至控制模块，由其判定各接收通道的实际工作温度是否均达到设定的最佳工作温度，由于各接收通道在空间上位置不同，因此其温度也可能有所差异，因此这里根据上述判定情况对温控装置中不同位置上的加热贴片进行调整，使得各接收通道的实际工作温度趋于一致，且达到设定的最佳工作温度。控制模块还对接收到的多路温度信息进行汇总，并生成相应的温度补偿码，将生成的温度补偿码发送至补偿模块，由其依据接收到的工作温度码查询预存的幅相一致性补偿表，从中调用相应的幅相补偿码，并按照调用的幅相补偿码在信号处理过程中对各个通道的A/D采集结果进行幅相一致性补偿，保证各个通道的接收信号在设定的工作温度下满足良好的幅相一致性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿方法，其特征在于，包括：

步骤1、在多通道宽带射频接收机中每个接收通道的相同位置设置温度传感器；在多通道宽带射频接收机的机箱内均匀布置加热部件；预先设置最佳工作温度，所述最佳工作温度为多通道宽带射频接收机幅相一致性最为理想的工作温度；

步骤2、实时监控各接收通道的实际工作温度；

步骤3、根据所述各接收通道的实际工作温度生成各接收通道的当前温度补偿码，每个温度补偿码对应一组预测得到的幅相补偿码；温度补偿码与幅相补偿码的对应关系是预先测试得到的多通道宽带接收机在不同温度条件的幅相差异值；信号处理机调用当前温度补偿码对应的宽带幅相补偿码对每个接收通道的信号进行幅相补偿；

同时，判断所述各接收通道的实际工作温度是否达到所述最佳工作温度，根据判定情况对不同位置上的加热部件进行调整控制，使得各接收通道的实际工作温度趋于一致，且达到设定的最佳工作温度；

所述预先设置最佳工作温度为：

基于射频元器件特性随温度变化的特性，分析接收机中各种误差来源器件的温度特性曲线，假设分析接收通道中N个误差来源器件,每个器件的温度特性曲线为f_n(t)，n=1至N，t为温度；则按下列方式计算权值K：

$K=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{df}}_n\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{\ΔT}$

其中，ΔT为温度变化范围的值，当温度为T₀时K具有极小值，则 $\left[\begin{array}{cc}{T}_0-\frac{\mathrm{\ΔT}}{2}& T_0+\frac{\mathrm{\ΔT}}{2}\end{array}\right]$ 为理想工作温度区间；当满足要求的T₀多于一个时，选择其中较高的一个作为理想工作温度区间；

将该理想工作温度区间作为所述最佳工作温度；或者结合多通道宽带射频接收机不同温度条件下的幅相一致性实验测试数据，在所述理想工作温度区间内确定幅相一致性最为理想的工作温度，作为所述最佳工作温度。

2.一种机载干涉SAR多通道宽带接收机幅相补偿装置，在多通道雷达系统中，包括具有多个接收通道的多通道宽带射频接收机、多通道高速A/D采集卡、信号处理机和定时与控制单元；其特征在于，所述补偿装置包括：温控装置、补偿模块、控制模块以及与接收通道数量相同的温度传感器；温控装置包括多个加热部件；

温度传感器布置在各接收通道中的相同位置；控制模块设置在定时与控制单元中，控制模块连接各温度传感器、温控装置中的温控模块和补偿模块；温控模块连接各加热部件，加热部件均匀布置于多通道宽带射频接收机机箱内；补偿模块设置在信号处理机中；

所述温度传感器，监控各接收通道的实际工作温度；

定时与控制单元中的所述控制模块，根据所述各接收通道的实际工作温度生成各接收通道的当前温度补偿码，发送给信号处理机中的补偿模块；

而且，控制模块还判断所述各接收通道的实际工作温度是否达到预先设定的最佳工作温度，根据各接收通道的实际工作温度与所述最佳工作温度的差值，结合各加热部件在机箱内的位置以及加热部件与各接收通道的位置关系，对不同位置上的加热部件进行调整控制，使得各接收通道的实际工作温度趋于一致，且达到所述最佳工作温度；所述最佳工作温度为多通道宽带射频接收机幅相一致性最为理想的工作温度；

所述补偿模块，在信号处理机对A/D采样结果进行处理之前，根据定时与控制单元发来的温度补偿码调用预存的幅相一致性补偿表中与温度补偿码对应的幅相补偿码对各个通道的幅相一致性进行补偿；其中，温度补偿码与幅相补偿码的对应关系是预先测试得到的多通道宽带接收机在不同温度条件的幅相差异值。

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