CN104237857B - 雷达回波信号的去斜接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种雷达回波信号去斜接收的方法。该方法包括：步骤A：对接收的模拟形式的雷达回波信号进行模数转换，得到数字形式的雷达回波信号；步骤B：产生数字形式的参考本振信号；以及步骤C：将数字形式的雷达回波信号与数字形式的参考本振信号相乘，从而抵消数字回波信号中频率随时问线性变化的二次相位项，剩下只与目标位置相关的点频信号，完成雷达回波信号的去斜接收。本发明采用数字形式的去斜参考信号，无需产生模拟去斜参考信号，在减小难度和复杂度的同时，降低了尺寸、功耗和干扰。

Description

雷达回波信号的去斜接收方法

技术领域

本发明涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一种雷达回波信号的去斜接收方法。

背景技术

合成孔径雷达是一种遥感设备，它安装在移动平台上，平台作匀速直线运动，雷达以等距离分布的方式重复发射调制过的宽带微波信号，然后在两个发射脉冲之间接收地物散射的回波信号，并且采用匹配滤波处理和孔径合成方法完成距离向和方位向聚焦，得到地物的二维后向散射系数分布图像。合成孔径雷达凭借其高分辨率、全天候、全天时的工作特点在军事侦察、抗震救灾、测绘等军事和民用领域中得到广泛应用。

随着技术的发展，受用户需求牵引，合成孔径雷达的分辨率不断提高，带来合成孔径雷达的发射信号带宽越来越宽。由于市面上现有的高速ADC无法对高达数GHz的信号直接采样，所以宽带信号的接收成为合成孔径雷达必须解决的关键技术。

现有技术中，针对测绘带比较窄的常用接收方法为：模拟去斜接收。其工作原理框图如图1所示。

请参照图1，假设发射信号脉冲宽度为T，测绘带宽度R对应的回波时间为τ(c表示光速)，测绘带中心位置的回波延时为t_c。模拟去斜接收的工作原理为：

首先，雷达系统产生一个与发射信号具有相同调频斜率，持续时间等于T+τ，以t_c为中心的线性调频信号作为参考本振；用其与回波信号进行相乘(等效于模拟去斜)，抵消回波信号的二次相位成分，实现线性调频信号到点频信号的转换，其频率f_r与点目标与测绘带中心的距离r成正比：

$f_r=K_r\frac{2\×r}{c}---\left(1\right)$

式(1)中：K_r表示发射信号的调频斜率。因为地物可以看成由不同r的若 干点目标组成，所以，去斜后的信号由一组不同频率的点频信号叠加而成。

接着，去斜后的信号经过低通滤波，将测绘区以外的无效信号剔除。在保留测区中有用信号的同时，降低了接收信号的带宽。最后由高精度低速ADC对其采样，实现回波信号的模拟去斜接收。

图1所示的雷达回波信号去斜接收的方法的优点在于：

(1)降低信号的采样率；

假设发射信号的带宽为B_r，它与发射脉冲宽度T的关系为：

B_r＝K_rT (2)

去斜后信号的带宽为B_d，它与测绘区宽度R的关系为：

$B_d=K_r\frac{2\×R}{c}---\left(3\right)$

为了保证去斜后信号的带宽小于发射信号带宽，测绘区宽度R需要满足如下的关系式：

$R\≤\frac{\mathrm{cT}}{2}---\left(4\right)$

当测绘区宽度满足上式的前提下，能够降低信号的采样率，缓解对高速ADC的要求。

(2)数据率低，记录和实时处理的压力小。

在数据采集时间保持不变的情况下，采样率降低直接减少了数据量，后续的原始数据记录和实时成像处理的压力也同时降低。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现上述图1所示的雷达回波信号去斜接收的方法存在如下技术缺陷：

(1)产生宽带高质量的模拟去斜参考信号难度大；

根据模拟去斜的工作原理，参考信号的带宽为B_d+B_r。同时，为了保证去斜信号的质量，参考信号的线性度也需要满足一定的要求。通常产生这种超宽带信号一般采用倍频方案，倍频方案的缺点是随着倍频次数的增加，信号带内杂散的功率以3dB递增，为了保证最终信号的质量，要求用于倍频的基带信号的质量非常高，杂散的抑制一般在50dB以上；另外，为了保证信号波形的质量，一般要求DAC的转换率为信号带宽的5倍以上。所以研制这种高要求的基带信号源模块难度很大；其次，参考信号产生的过程中每一级倍频也会恶化扫频的线性度，如何降低它的影响是第二 个难点。

(2)在数字域需要校正由接收信号扫频非线性引入的空变误差和由参考信号扫频非线性引入的空不变误差。

在工程实践中，雷达发射信号和参考本振难以做到理想状态，所以它们都会存在扫频非线性误差。扫频非线性误差对去斜后信号的影响如图2所示。图2中a表示去斜前的接收信号，它是发射信号不同延时版本的叠加，从左到右的信号对应的距离从近到远。接收信号中的扫频非线性具有空变特性；b表示参考信号的时频分布，参考信号中的扫频非线性具有空不变特性；接收信号和参考本振进行去斜处理后的信号如图2中c所示。在去斜后的信号中包括由接收信号扫频非线性引入的空变误差和由参考信号扫频非线性引入的空不变误差。试验证明：误差的引入带来距离压缩后目标的主瓣展宽，峰值旁瓣比降低和旁瓣不对称。为保证最终雷达图像的质量，需要在数字域需要对这两部分误差分别进行校正。

(3)硬件开销大。

模拟去斜接收方法需要增加两部分硬件：参考信号的产生和用于去斜的混频器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种雷达回波信号去斜接收的方法。

(二)技术方案

本发明雷达回波信号去斜接收的方法包括：步骤A：对接收的模拟形式的雷达回波信号进行模数转换，得到数字形式的雷达回波信号；步骤B：产生数字形式的参考本振信号；以及步骤C：将数字形式的雷达回波信号与数字形式的参考本振信号相乘，从而抵消数字回波信号中频率随时间线性变化的二次相位项，剩下只与目标位置相关的点频信号，完成雷达回波信号的去斜接收。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明雷达回波信号去斜接收的方法具有以下有益效果：

(1)采用数字形式的去斜参考信号，无需产生模拟去斜参考信号， 在减小难度和复杂度的同时，降低了尺寸、功耗和干扰；

在数字域进行去斜处理，因此无需产生宽带高质量的模拟去斜参考信号；与此相关的模拟部分电路，包括混频器，倍频放大链路、滤波器等都省去，减少硬件开销的同时，降低了雷达接收部分的尺寸、功耗和由此产生的干扰。

(2)降低了对高速ADC采样率的要求；

对高速ADC采样率的要求与模拟去斜接收方法一致，都是要保证高速ADC能够对带宽为的信号进行无失真采样即可。在采样时间不变的情况下，采样率的降低意味着数据量的减少，一方面降低了原始数据记录的速率和总容量；另一方面缓解了后续实时成像处理的压力。

(3)降低了数字域误差校正的难度；

采用理想的数字线性调频信号作为参考本振，该信号没有误差，所以数字去斜后的信号中只有由接收信号中扫频非线性引入的空变相位误差，对于它的校准可以和去斜接收所特有的残余视频相位误差校准同步进行，相比模拟去斜接收而言，误差校正的难度降低。

(4)能够达到与模拟去斜接收方法相同的效果。

本发明提出的一种新的去斜接收方法在满足测绘区宽度大于雷达主瓣照射的宽度的条件或者应用到或者调频连续波SAR系统时，能够达到与模拟去斜接收方法相同的效果。

附图说明

图1为现有技术中雷达回波信号去斜接收方法的流程图；

图2为图1所示雷达回波信号去斜接收方法中去斜前的信号、参考信号和去斜后的信号的示意图；

图3为根据本发明实施例雷达回波信号去斜接收的方法的流程图；

图4为图3所示雷达回波信号去斜接收方法中回波信号采样前后的频谱和时频分布特征；

图5为图3所示雷达回波信号去斜接收方法中回波信号采样前后的时频分布图；

图6为采取图3所示方法进行雷达回波信号去斜后的示意图；

图7为采用现有技术模拟去斜接收方法和本实施例数字去斜接收方法的比较；

图8为当雷达天线主波束照射幅宽大于测绘区域宽度时数字去斜接收结果；

图9为采用图3所示方法时相位误差的形成过程示意图。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明将雷达回波信号在数字域进行去斜处理，采用理想的数字线性调频信号作为参考本振，降低了误差校正的难度，并且能够达到与模拟去斜接收方法相同的效果。

需要说明的是，该雷达回波信号在没有特殊说明的情况下，指代的就是距离向雷达回波信号。此外，本发明的方法可以应用于各种基于线性调频信号的雷达回波信号的去斜接收中，对合成孔径雷达的回波信号去斜接收尤为适用。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种雷达回波信号去斜接收的方法。图3为根据本发明实施例雷达回波信号去斜接收的方法的流程图。请参照图3，本实施例雷达回波信号去斜接收的方法包括：

步骤A：对接收的模拟形式的雷达回波信号进行模数转换，得到数字形式的雷达回波信号；

本步骤A中，模拟形式的雷达回波信号为线性调频信号。

在模数转换中，根据奈奎斯特采样定理，为了保证采样后的数字信号能够还原出原始模拟信号，要求采样率f_s大于信号最高频率的两倍。

设发射信号的带宽为B_r，表达式为：

B_r＝K_rT (5)

其中：T：发射信号的脉冲宽度；K_r：发射信号的调频斜率。

接收的模拟形式的雷达回波信号经过正交解调，得到两路正交的I和Q信号，最高频率是设采样率为f_s，理论上，为了保证采样后的信号不混叠，需要满足：

f_s≥B_r (6)

在测绘区域的宽度R大于雷达主波束照射的距离幅宽或者发射机功率较小时，采样率f_s的选择无需满足式(6)，但是必须满足下面的不等式：

f_s≥B_d (7)

其中：B_d表示采用模拟去斜接收方式获取的测绘区域信号的带宽，它与测绘区域宽度R的关系如下：

$B_d=K_r\frac{2\×R}{c}---\left(8\right)$

式(8)中：K_r为发射信号的调频斜率；R为测绘区域的宽度；c为光速。

观察式(5)(6)(7)(8)可以发现：当时，选择的采样率比选择满足奈奎斯特定理的采样率要小。

当然，这里只是给出了采样率选择的准则，但是没有说明采样后频谱混叠的数字信号能否进行正确的去斜操作，得到与目标位置相关的点频信号。为了下一个步骤做准备，下面用图示的方式说明采样前后线性调频信号的频谱和时频分布特征。

图4为图3所示雷达回波信号去斜接收方法中回波信号采样前后的频谱和时频分布特征。图4中a图表示采集前的信号频谱，用低于奈奎斯特采样率的模数转换器对该信号采样后的频谱如b图所示，此时信号的频谱混叠严重，无法从该频谱中通过滤波的方法回复出原始信号。c图给出了采样前信号的时频分布特征，从中可以看出信号的频率与时间呈线性关系。 采样后信号的频率被限定在区间，时频分布特征如d图所示。图中清晰显示虽然频率有重合的，但是它们在时间上是分开的，该图表明：充分利用采样后信号的时频特征，完全可以还原出模拟信号。

实际中，雷达的回波信号由测区中不同位置的点目标散射的信号叠加而成，如图5中(a)所示。图中示意性给出了几个点目标的回波，虚线的表示模拟参考本振，对信号进行欠采样后的时频分布如图5中(b)所示。

经由上述说明可知，本步骤中，模数转换器的采样率取决于测绘区域回波去斜后的信号带宽。当测绘区域以外无回波信号时，模拟转换器的采样率无需大于回波信号带宽，只需要保证采样率能够无混叠采样测绘区域回波模拟去斜后的信号即可。

步骤B：产生数字形式的参考本振信号；

该数字形式的参考本振信号是理想的线性调频信号，其是预先产生、存储起来的信号。该数字形式的参考本振信号的采样率与上述雷达回波信号进行模数转换时所采用的采样率一致，调频斜率与现有技术模拟去斜接收方法中所用的模拟形式的参考本振信号的调频斜率一致。因此，该数字形式的参考本振信号与模拟参考本振信号进行与雷达回波信号同步采样后得到的信号相对应。图5中(b)中虚线条所示为数字形式的参考本振信号。

步骤C：将数字形式的雷达回波信号与数字形式的参考本振信号相乘，从而抵消数字回波信号中频率随时间线性变化的二次相位项，剩下只与目标位置相关的点频信号，完成雷达回波信号的去斜接收。

对数字回波信号去斜的结果如图6所示。各个点目标的回波信号从线性调频信号变成了点频信号，其频率与目标相对于场景中心的距离成正比。

经过上述两步处理，完成了基于线性调频信号的雷达回波信号的数字去斜接收。得到去斜后的信号可以进行后续的数据记录和成像处理。

需要说明的是，本实施例的雷达回波信号去斜接收方法，适用于两种应用场合：

(1)测绘区域宽度大于雷达主波束照射的距离幅宽，并且天线的旁 瓣抑制在25dB以上；通过增加天线的旁瓣抑制度，结合雷达双程效应，相对于主波束信号而言，天线主瓣以外的回波信号强度降低到-50dB以下。从而当测绘区域宽度大于雷达天线主波束照射的距离幅宽时，由测绘区域决定的采样率能够保证数字去斜后的回波信号不混叠；

(2)对于调频连续波SAR：调频连续波SAR采用收发同时进行的工作体制，收发通路固有的低隔离度限制了发射机功率的提高。而发射机的功率直接决定了雷达的作用距离，采用低发射功率的调频连续波SAR系统作用距离有限，超过有效距离外的目标回波能量很弱，可以当成白噪声处理，即有效距离外的目标的雷达回波信号的强度比有效距离内的目标的雷达回波信号的强度低-50dB以下。

上述两种应场合的共同点在于：保证不感兴趣区域的目标的雷达回波信号的能量强度弱到可以忽略。此处的“弱”指的是：不感兴趣区域的目标的雷达回波信号的强度比感兴趣区域的目标的雷达回波信号的强度低-50dB以下。

需要说明的是，当测绘区域的宽度R大于雷达主波束照射的距离幅宽或者发射机功率较小时，本实施例数字去斜接收方法与模拟去斜接收方法等效。

为了更好地说明这点，通过一个具体的实施例说明。在实施例中，假设：测绘区域的宽度3600米，对应的24μs的延时；发射信号的脉冲宽度60μs，带宽1200MHz，调频斜率20MHz/us；天线的主瓣与第一副瓣的比值大于25dB；根据公式(8)计算得到B_d等于480MHz；确定采样率为480MHz；雷达天线主瓣照射到距离向宽度为1800米；选取距离向等间隔分布的9个点目标(从A到I进行编号)，其中A、B、H和I点目标在测绘区域外；C和G在雷达主波束外；D、E和F在雷达主波束照射范围内。如图7中(a)所示。

请参照图7中(a)所示，D、E和F被雷达天线主波束照射，回波能量强，用实线表示；A、B、C、G、H和I点目标没有被雷达主波束直接照射到，回波能量相对于前者而言很弱(对于相同后向散射系数的点目标而言，两者相差至少在50dB以上)，在去斜接收的过程中可以忽略，用虚线表示。

在现有技术模拟去斜接收中，参考本振与模拟信号去斜处理后，低通滤波器会将测绘区外面的回波信号滤除，将信号带宽限定在480MHz以内，未被主波束照射的点目标回波信号由于能量很弱，在模数转换器灵敏度以下，无法被感知。模拟去斜后的信号如图7中(b)所示。

用480MHz的模数转换器对回波信号进行采样，得到如图7中(d)所示的数字回波信号，此时只有D、E、F三个点目标的回波信号得以保留，数字去斜结果如图7中(e)所示，与图7中(b)比较，两者完全一致，说明：当测绘区域的宽度R大于雷达主波束照射的距离幅宽或者发射机功率较小时，数字去斜接收方法与模拟去斜接收方法等效。

对本实施例提供的方法限定应用场合的根本原因在于：模数转换器欠采样带来的频谱混叠。为此以上面的实施例为例加以说明。

假设雷达天线主波束照射的区域宽度比测绘区域宽度大，图7中点目标C与场景中心的距离为r₁，点目标G与场景中心的距离为r₂，两个点目标之间的距离Δr(Δr＝r₂-r₁)为3600米，它们都处于主波束照射范围，回波信号能量强，能够被雷达系统接收。两个点目标回波的频率差Δf为：

$\mathrm{\Δf}=K_r\frac{2\mathrm{\Δr}}{c}=20\×\frac{2*3600}{300}=480\mathrm{MHz}---\left(9\right)$

上式表明两个点目标回波信号频率差等于采样率，根据信号采样原理，采样后的数字信号的频谱等于采样前信号的频谱以采样率为周期延拓而成。由此可知：数字化后的C和G回波信号的频率相同。

图8为当雷达天线主波束照射幅宽大于测绘区域宽度时数字去斜结果。如图8中(a)所示，C和G回波的数字版本分别用实线条和点划线表示，图中清晰表明两者在时频域中部分重叠在一起。未重叠的部分是因为两个点目标回波延时不同所致。通过去斜接收处理，C和G目标回波变成频率相同的两条直线，并且部分重叠，无法通过信号处理的方式区分它们。经过距离压缩后，C和G的距离图像重合在一起形成重影，如图8中(b)所示。

因为测绘区宽度决定模数转换器的采样率，主波束照射距离幅宽决定去斜后信号的带宽，为了确保数字去斜接收后信号不会发生频谱混叠，那 么要求模数转换器的采样率大于去斜后信号的带宽，换言之，要求测绘区宽度大于雷达天线主波束照射的距离幅宽，或者测绘区域宽度大于受限于发射机功率的雷达最远作用距离。

需要说明的是，采用本实施例的方法去斜处理后的雷达回波信号，相位误差只包括由接收信号扫频非线性引入的空变相位误差。

图9为采用图3所示方法时相位误差的形成过程的示意图。如图9所示，图9中a是数字回波信号，其中包括了扫频非线性引入的空变相位误差；图9中b是数字参考本振，该信号为理想的线性调频信号；图9中c数字去斜后的回波信号。由于理想的参考信号不会引入误差，所以去斜后的回波信号只包含空变相位误差。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明雷达回波信号去斜接收的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明采用理想的数字线性调频信号作为参考本振，降低了误差校正的难度，并且能够达到与模拟去斜接收方法相同的效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种雷达回波信号的去斜接收方法，其特征在于，包括：

步骤A：对接收的模拟形式的雷达回波信号进行模数转换，得到数字形式的雷达回波信号，其中，所述模拟形式的雷达回波信号为模拟形式的距离向雷达回波信号，其为线性调频信号；所述模数转换的采样率f_s满足：

f_s≥B_d

其中：B_d表示采用模拟去斜接收方式获取的测绘区域信号的带宽，其与测绘区域宽度R的关系如下：其中：K_r为发射信号的调频斜率；R为测绘区域的宽度；c为光速；

步骤B：产生数字形式的参考本振信号，该数字形式的参考本振信号为理想的线性调频信号，且其与模拟参考本振信号进行与雷达回波信号同步采样后得到的信号相对应，其采样率与雷达回波信号进行模数转换时所采用的采样率一致，调频斜率与模拟去斜接收方法中所用的模拟形式的参考本振信号的调频斜率一致；以及

步骤C：将数字形式的雷达回波信号与数字形式的参考本振信号相乘，从而抵消数字回波信号中频率随时间线性变化的二次相位项，剩下只与目标位置相关的点频信号，完成雷达回波信号的去斜接收。

2.根据权利要求1所述的去斜接收方法，其特征在于，应用于以下场景：不感兴趣区域的目标的雷达回波信号的强度比感兴趣区域的目标的雷达回波信号的强度低-50dB以下。

3.根据权利要求2所述的去斜接收方法，其特征在于，所述场景为以下场景：测绘区域宽度大于雷达主波束照射的距离幅宽，并且天线的旁瓣抑制在25dB以上；通过增加天线的旁瓣抑制度，结合雷达双程效应，相对于主波束信号而言，天线主瓣以外的回波信号强度降低到-50dB以下。

4.根据权利要求2所述的去斜接收方法，其特征在于，所述场景为以下场景：对于调频连续波SAR，有效距离外的目标的雷达回波信号的强度比有效距离内的目标的雷达回波信号的强度低-50dB以下。