CN103499812A - 一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法。首先基带信号发生器生成基带数字信号采样序列x(n)，n=0，...N-1，N为采集点数，经过预失真器输出预失真信号z(n)，然后通过DAC和低通滤波器，模拟输出至矢量微波信号源，上变频至射频信号，频谱分析仪实时采集，下变频至基带模拟信号，经ADC，输出反馈信号y(n)，其次利用延迟补偿算法将反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)对齐，并将补偿后的y(n)传送给复制预失真器，输出

最后运用递归最小二乘法计算预失真器系数，保存并更新，直至误差

为零，实现基带信号预失真。

Description

一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法

技术领域

本发明属于信息获取与处理技术领域，涉及一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法，用于宽频多通道相参雷达成像系统发射机预失真基带数字信号的产生。

背景技术

宽频多通道相参雷达成像系统(BMCIRS：Broadband Mul t i-channelCoherent Imaging Radar System)是由通用仪器设备和定制设备构成的实验验证平台，它以地面、建筑物、地面交通工具等为安装平台，通过平台的运动实现天线孔径合成和方位向分辨，通过使用阵列天线实现阵列向的实孔径分辨，是机载合成孔径雷达(SAR)和星载SAR的有效补充形式，可以作为微波成像的新理论和新技术的实验验证平台，可实现复杂、连续性的微波成像实验测量，为开展微波成像散射机理、成像体制以及信号处理等相关问题研究提供实验基础，为宽频多通道成熟雷达成像系统产品的构建提供测试和验证基础。参照图1。

在BMCIRS的信号生成中，发射机需要产生经过预失真校正的基带信号，目前国内外对成像雷达试验系统宽带发射机的自适应数字预失真开展了一些研究，但使用的带宽都比较窄，在宽带系统中，发射通道对不同频率信号延时不能近似为一致的，用简单的延时方法比较数字基带信号和反馈信号的差别在宽带系统中不再适用。目前，国内外相关文献和资料中未见到类似于BMCIRS的宽频多通道系统，更无相关的基带信号预失真技术可供参考。

发明内容

本发明为达到上述目的，公开一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法。

本发明的技术解决方案是：

一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法，首先基带信号发生器生成基带数字信号采样序列x(n)，n=0，...N-1，N为采集点数，经过预失真器输出预失真信号z(n)，然后通过DAC和低通滤波器，模拟输出至矢量微波信号源，上变频至射频信号，频谱分析仪实时采集，下变频至基带模拟信号，经ADC，输出反馈信号y(n)，其次利用延迟补偿算法将反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)对齐，并将补偿后的y(n)传送给复制预失真器，输出z(n)，最后运用递归最小二乘法计算预失真器系数，保存并更新，直至误差

为零，实现基带信号预失真。

所述预失真器采用记忆多项式模型，模型表达式为如下形式：

$z\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{kq}}x(n-q){\left|x(n-q)\right|}^{k-1}$

其中，x(n)、z(n)分别表示基带数字信号和预失真信号，Q为系统的记忆深度，w_kq为待估计的预失真器校正参数，K为记忆多项式的阶数。

所述的将反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)对齐，采用以下方法：

步骤S31：将解调后得到的反馈信号y(n)和数字预失真前的基带信号x(n)进行延时匹配，计算反馈信号向量Y(n)和基带数字信号向量X(n)之间的互相关函数R(n)，求取峰值发生的位置μ₀，μ₀对应于反馈信号y(n)相对于基带信号x(n)的延迟值，依据计算得到的延迟值将基带信号x(n)和反馈信号y(n)的冗余部分剔除，将基带信号x(n)和反馈信号y(n)在时间上对齐，得到延迟匹配的基带数字信号x(n)和反馈信号y(n)，其中

x(n)=[x(n-Q)x(n-Q+1)...x(n+Q)]^T

y(n)=[y(n-Q)y(n-Q+1)...y(n+Q)]^T

Y(n)=[y(n-N)y(n-N+1)...y(n+N)]^T

$X\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}x{(-N+n)}^T\\ x{(-N+1+n)}^T\·\·\·\\ x{(N+1+n)}^T\end{array}\right]$

R(n)=Y(n)^TX^*(n)，n=0，...N-1

步骤S32：对步骤S31所得到的延迟匹配的反馈信号y(n)，利用最小二乘法将延时匹配的反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)进行频偏和相偏的校正，首先求取基带数字信号x(n)和延时匹配的反馈信号y(n)之间的相位差φ(n)，由于频率偏移f(n)与相位偏移θ(n)分别对应于相位差φ(n)-时间n线性函数的斜率和截距，即φ(n)=f(n)·n+θ(n)，采用最小二乘法计算得到准确的频偏f(n)和相偏θ(n)的数值，在得到频偏和相偏的准确值之后，从反馈信号y(n)中将相应的值去除，即得到无频偏和相偏的反馈信号；

步骤S33：对步骤S32所得到的频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)，利用峰值样点选择法，选择具有最大信号瞬时幅度的若干样点或相邻两信号之间幅度变化最大的样点y(n)，进行预失真器系数的运算。

所述的采用递归最小二乘法进行预失真器系数的运算，包括如下步骤：

步骤S41：设定预失真器系数向量w(n)为时间变量并初始化w(n)，估计误差协方差矩阵为P(n)，给定常数σ₁，...σ_K，r；

步骤S42：对频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)和传送给复制的预失真器输出得到的

选取样点；

步骤S43：对步骤S41给定的常数σ₁，...σ_K，更新协方差矩阵P(n)；

步骤S44：对步骤S42中更新后的协方差矩阵P(n)和步骤S41中给定的常数r，结合频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)传送给复制的预失真器输出得到的

计算增益矩阵K(n)；

步骤S45：对步骤S43给定的增益矩阵K(n)和

再次更新协方差矩阵为P(n)，利用更新后的P(n)重置P(n+1)；

步骤S46：对步骤S41给定的系数向量w(n)，结合频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)和传送给复制的预失真器输出得到的

计算残差e(n)；

步骤S47：对步骤S42得到的增益矩阵K(n)和步骤S45得到的残差e(n)，更新系数向量，得到w(n+1)；

步骤S48：判断残差

是否满足为零，若满足，更新过程结束；若不满足，置n=n+1，返回步骤S42。

附图说明

图1为本发明宽频多通道相参雷达成像系统示意图。；

图2为本发明数字基带预失真器系统结构图；

图3为本发明延迟补偿算法系统结构图；

图4为本发明预失真参数计算单元流程图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。

参照图2，本实施方式的基带信号数字预失真处理应用于宽频多通道相参雷达成像系统发射机中，包括基带信号发生器、预失真器、数模转换器、正交调制器、数模转换器、频谱分析仪等。基带信号发生器生成基带数字信号采样序列x(n)，n=0，...N-1，N为采集点数，经过预失真器输出预失真信号z(n)，通过DAC和低通滤波器，模拟输出至矢量微波信号源，上变频至射频信号，频谱分析仪实时采集，下变频至基带模拟信号，经ADC，输出反馈信号y(n)，利用延迟补偿算法将反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)对齐，并将补偿后的y(n)传送给复制预失真器，输出

运用递归最小二乘法并结合这些变量，计算预失真器参数，保存并更新，直至误差

为零，实现基带信号预失真。具体包括以下步骤：

步骤S11：根据仪器地址资源建立虚拟仪器软件和真实仪器硬件的连接，设置基带信号参数并下载产生基带数字信号x(n)，n=0，...N-1，N为采集点数，存储在基带信号发生器中，通过预失真估计器输出预失真信号z(n)，经数模转换器和低通滤波器得到模拟输出信号；

预失真器模型采用记忆多项式模型，模型表达式为如下形式：

$z\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{kq}}x(n-q){\left|x(n-q)\right|}^{k-1}---\left(1\right)$

其中，x(n)、z(n)分别表示基带数字信号和预失真信号，Q为系统的记忆深度，w_kq为待估计的预失真器校正参数，K为记忆多项式的阶数。

步骤S12：对步骤S11所得到的模拟输出信号，经矢量微波信号源，正交调制上变频至射频信号，频谱分析仪实时采集，射频信号通过下变频和模拟正交解调，模数转换器，得到基带数字反馈信号y(n)，传送给预失真器；

步骤S13：参照图3，对步骤S12所得到的反馈信号y(n)和步骤S11所得到的数字预失真前的基带信号x(n)进行处理，通过延时补偿算法消除反馈信号y(n)和基带信号x(n)的时延、幅度、相位、频偏的差异，得到对齐的反馈信号y(n)；

步骤S131：将解调后得到的反馈信号y(n)和数字预失真前的基带信号x(n)进行延时匹配，计算反馈信号向量Y(n)和基带数字信号向量X(n)之间的互相关函数R(n)，求取峰值发生的位置μ₀，μ₀对应于反馈信号y(n)相对于基带信号x(n)的延迟值，依据计算得到的延迟值将基带信号x(n)和反馈信号y(n)的冗余部分剔除，将基带信号x(n)和反馈信号y(n)在时间上对齐，得到延迟匹配的基带数字信号x(n)和反馈信号y(n)，其中

x(n)=[x(n-Q)x(n-Q+1)...x(n+Q)]^T         (2)

y(n)=[y(n-Q)y(n-Q+1)...y(n+Q)]^T             (3)

Y(n)=[y(n-N)y(n-N+1)...y(n+N)]^T        (4)

$X\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}x{(-N+n)}^T\\ x{(-N+1+n)}^T\·\·\·\\ x{(N+1+n)}^T\end{array}\right]---\left(5\right)$

R(n)=Y(n)^TX^*(n)，n=0，...N-1            (6)

步骤S132：对步骤S131所得到的延迟匹配的反馈信号y(n)，利用最小二乘法将延时匹配的反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)进行频偏和相偏的校正，首先求取基带数字信号x(n)和延时匹配的反馈信号y(n)之间的相位差φ(n)，由于频率偏移f(n)与相位偏移θ(n)分别对应于相位差φ(n)-时间n线性函数的斜率和截距，即φ(n)=f(n)·n+θ(n)，采用最小二乘法计算可以得到准确的频偏f(n)和相偏θ(n)的数值，在得到频偏和相偏的准确值之后，从反馈信号y(n)中将相应的值去除，即得到无频偏和相偏的反馈信号；

步骤S133：对步骤S132所得到的频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)，利用峰值样点选择法，选择具有最大信号瞬时幅度的若干样点或相邻两信号之间幅度变化最大的样点y(n)，进行预失真器系数的运算。

步骤S14：对步骤S13所得到对齐的反馈信号y(n)，传送给复制的预失真器，输出得到

运用递归最小二乘法并结合y(n)、z(n)和

计算预失真器参数，保存并更新，直至误差

为零，实现基带信号预失真，参照图4，包括步骤如下：

步骤S141：设定预失真器系数向量w(n)为时间变量并初始化w(n)，估计误差协方差矩阵为P(n)，给定常数σ₁，...σ_K，r，其中

w(n)=[w₁₀(n)，...w_1Q(n)，...w_K0(n)，...w_KQ(n)]^T        (7)对应预失真器模型K(Q+1)个系数，P(n)为K(Q+1)×K(Q+1)对陈阵；

步骤S142：对频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)和传送给复制的预失真器输出得到的

选取样点，输入序列为

y(n)＝[y(n)，...，y(n-Q)，...，y(n)|y(n)|¹，...y(n-Q)|y(n-Q)|¹，...，y(n-Q)|y(n-Q)|^K-1]^T       (8)

输出序列为

$\hat{z}\left(n\right)={[\hat{z}\left(n\right),...,\hat{z}(n-Q),...,\hat{z}\left(n\right){\left|\hat{z}\left(n\right)\right|}^1,...\hat{z}(n-Q){\left|\hat{z}(n-Q)\right|}^1,...,\hat{z}(n-Q){\left|\hat{z}(n-Q)\right|}^{K-1}]}^T---\left(9\right)$

步骤S143：对步骤S241给定的常数σ₁，...σ_K，更新协方差矩阵P(n)，其中仅更新对角线元素，每组(Q+1)个元素，共K组，第k组更新公式

P_ii(n)=P_ii(n)+σ_k，1≤k≤K         (10)

步骤S144：对步骤S142中更新后的协方差矩阵P(n)和步骤S141中给定的常数r，结合频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)传送给复制的预失真器输出得到的计算增益矩阵K(n)

$K\left(n\right)=\frac{P\left(n\right)\hat{z}\left(n\right)}{r+\hat{z}{\left(n\right)}^{T}P\left(n\right)\hat{z}\left(n\right)}n=0,...N-1---\left(11\right)$

步骤S145：对步骤S143给定的增益矩阵K(n)和

再次更新协方差矩阵为P(n)，利用更新后的P(n)重置P(n+1)

$P(n+1)=(1-K\left(n\right)\hat{z}{\left(n\right)}^T)P\left(n\right)---\left(12\right)$

步骤S146：对步骤S141给定的系数向量w(n)，结合频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)和传送给复制的预失真器输出得到的

计算残差e(n)

$e\left(n\right)=w{\left(n\right)}^T(y\left(n\right)-\hat{z}\left(n\right))---\left(13\right)$

步骤S147：对步骤S142得到的增益矩阵K(n)和步骤S145得到的残差e(n)，更新系数向量，得到w(n+1)

w(n+1)=w(n)+K(n)·e(n)           (14)

步骤S148：判断残差

是否满足为零，若满足，更新过程结束；若不满足，置n=n+1，返回步骤S142。

以上所述，仅为本发明方法中的具体实施方式，但本发明方法的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法，其特征在于：首先基带信号发生器生成基带数字信号采样序列x(n)，n=0，...N-1，N为采集点数，经过预失真器输出预失真信号z(n)，然后通过DAC和低通滤波器，模拟输出至矢量微波信号源，上变频至射频信号，频谱分析仪实时采集，下变频至基带模拟信号，经ADC，输出反馈信号y(n)，其次利用延迟补偿算法将反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)对齐，并将补偿后的y(n)传送给复制预失真器，输出最后运用递归最小二乘法计算预失真器系数，保存并更新，直至误差

为零，实现基带信号预失真。

2.如权利要求1所述的一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法，其特征在于：所述预失真器采用记忆多项式模型，模型表达式为如下形式：

$z\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{kq}}x(n-q){\left|x(n-q)\right|}^{k-1}$

其中，x(n)、z(n)分别表示基带数字信号和预失真信号，Q为系统的记忆深度，w_kq为待估计的预失真器校正参数，K为记忆多项式的阶数。

3.如权利要求1或2所述的一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法，其特征在于：所述的将反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)对齐，采用以下方法：

步骤S31：将解调后得到的反馈信号y(n)和数字预失真前的基带信号x(n)进行延时匹配，计算反馈信号向量Y(n)和基带数字信号向量X(n)之间的互相关函数R(n)，求取峰值发生的位置μ₀，μ₀对应于反馈信号y(n)相对于基带信号x(n)的延迟值，依据计算得到的延迟值将基带信号x(n)和反馈信号y(n)的冗余部分剔除，将基带信号x(n)和反馈信号y(n)在时间上对齐，得到延迟匹配的基带数字信号x(n)和反馈信号y(n)，其中

x(n)=[x(n-Q)x(n-Q+1)...x(n+Q)]^T

y(n)=[y(n-Q)y(n-Q+1)...y(n+Q)]^T

Y(n)=[y(n-N)y(n-N+1)...y(n+N)]^T

$X\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}x{(-N+n)}^T\\ x{(-N+1+n)}^T\·\·\·\\ x{(N+1+n)}^T\end{array}\right]$

R(n)=Y(n)^TX^*(n)，n=0，...N-1

步骤S32：对步骤S31所得到的延迟匹配的反馈信号y(n)，利用最小二乘法将延时匹配的反馈信号y(n)和基带数字信号x(n)进行频偏和相偏的校正，首先求取基带数字信号x(n)和延时匹配的反馈信号y(n)之间的相位差φ(n)，由于频率偏移f(n)与相位偏移θ(n)分别对应于相位差φ(n)-时间n线性函数的斜率和截距，即φ(n)=f(n)·n+θ(n)，采用最小二乘法计算得到准确的频偏f(n)和相偏θ(n)的数值，在得到频偏和相偏的准确值之后，从反馈信号y(n)中将相应的值去除，即得到无频偏和相偏的反馈信号；

步骤S33：对步骤S32所得到的频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)，利用峰值样点选择法，选择具有最大信号瞬时幅度的若干样点或相邻两信号之间幅度变化最大的样点y(n)，进行预失真器系数的运算。

4.如权利要求1或2所述的一种宽频多通道相参雷达成像系统基带信号预失真方法，其特征在于：所述的采用递归最小二乘法进行预失真器系数的运算，包括如下步骤：

步骤S41：设定预失真器系数向量w(n)为时间变量并初始化w(n)，估计误差协方差矩阵为P(n)，给定常数σ₁，...σ_K，r；

步骤S42：对频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)和传送给复制的预失真器输出得到的

选取样点；

步骤S43：对步骤S41给定的常数σ₁，...σ_K，更新协方差矩阵P(n)；

步骤S44：对步骤S42中更新后的协方差矩阵P(n)和步骤S41中给定的常数r，结合频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)传送给复制的预失真器输出得到的

计算增益矩阵K(n)；

步骤S45：对步骤S43给定的增益矩阵K(n)和

再次更新协方差矩阵为P(n)，利用更新后的P(n)重置P(n+1)；

步骤S46：对步骤S41给定的系数向量w(n)，结合频偏和相偏校正后的反馈信号y(n)和传送给复制的预失真器输出得到的

计算残差e(n)；

步骤S47：对步骤S42得到的增益矩阵K(n)和步骤S45得到的残差e(n)，更新系数向量，得到w(n+1)；

步骤S48：判断残差

是否满足为零，若满足，更新过程结束；若不满足，置n=n+1，返回步骤S42。

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