CN104297738A - 多通道接收机同步校准装置及同步校准与误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道接收机同步校准与误差补偿方法，包括：切换至同步校准模式；将同步校准信号源输出的标准点频信号，经过功分网络分成与通道数对应的多路信号；开关矩阵将所述多路信号输出给多通道A/D单元；同步误差补偿单元分析来自于所述多通道A/D单元的、数字化后的校准信号，对各通道进行同步校准和误差补偿；补偿完成后，系统切换至正常工作模式，接收机进入接收雷达回波信号状态。以及一种多通道接收机同步校准装置。本发明的方案误差校准自动化程度高，实时性强，处理快捷，误差校准过程操作简单，无需任何连线和硬件更改，可以有效解决大带宽信号的接收难题。

Description

多通道接收机同步校准装置及同步校准与误差补偿方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，尤其是涉及一种多通道接收机同步校准装置及同步校准与误差补偿方法。
背景技术
由于合成孔径雷达(SAR)可全天时、全天候对地成像，并具有一定穿透植被和伪装的能力，因此被广泛的应用于军事侦察、灾害监控、资源勘察、地形测绘等领域，受到世界各国越来越多的重视。随着合成孔径雷达技术的不断发展和应用领域的不断扩大，对雷达性能的要求也越来越高，其中分辨率作为合成孔径雷达的核心技术指标之一，被提升到更高的位置。
距离向分辨率的提高有赖于信号带宽的提高，要实现高分辨率成像，必须解决大带宽信号的接收问题，而带宽达数千兆赫以上的信号目前还没有可直接进行采样的高速A/D转换器件。为了解决超宽带(UWB)雷达信号无法直接A/D转换这一难题，针对LFM信号，M.Skolnik等提出了基于时频变换技术(Stretch Processing)的雷达脉冲压缩方案。该方案对一定条件下的LFM信号非常有效，但是也有如下问题：(1)失真补偿困难；由于引入了时频转换这一环节，相应的带来了时频转换失真，当目标移动或者调频本振触发时刻发生变化时，这种失真的影响随之改变，表现出移变的性质，这就给系统补偿带来了极大的难度；(2)测绘带宽有限；为了降低信号带宽，去斜处理是以牺牲测绘带宽为代价的，也就是说如果要求测绘带宽较宽，去斜处理后并不能达到降低信号带宽的目的。尤其是后一项问题，严重限制了该方案的使用范围。
现有技术条件下，为提高SAR系统的距离分辨率，多通道合成是当前采用的主要技术手段之一。该方案基于信道化接收技术，采用频域分割方法把雷达回波信号划分为多个接收子带，每个子带上用相对低速的A/D进行采样，最后在数字域进行频带综合，得到全带宽信号。
这种方法之所以成为宽带信号处理的主流技术，是因为它可以有效降低高速A/D器件的技术要求，大幅降低单路A/D设计及后续数据记录、处理的压力，使得目前大带宽下大测绘带成像成为可能。但是这种方法需要重点解决多路A/D的同步问题，也就是当同一信号同相加载到不同采集通道后，确保两组采集数序列第一点在信号波形上反映出的时间差为零。这是一项非常重要的基本指标，在对时序、相位要求特别严格的SAR波形采集和记录过程中，所有数据处理均建立在各通道严格同步的基础之上，所以数据采集系统的通道间延迟时间差是必须精确知道的一项指标。
通道间同步误差的估计与补偿，成为多通道SAR系统设计与信号处理的关键。现有技术往往在数字域进行解决，对采样时钟和触发信号进行处理，或结合锁相环并通过电路优化设计等手段，实现多路A/D的同步。
针对通道间的同步误差，现有技术在A/D器件采样率较低情况下是适用的，一旦涉及高速A/D，如在SAR系统中接收通道的中频采样速率在1.5GHz以上，此时电路对时钟信号抖动非常敏感，每次上电或复位时ps级的误差即可能带来通道间的不同步，这种情况下上述方法很难保证多组数据的多个采集通道间延迟时间差基本为0或保持恒定状态，也就难以从根本上解决同步问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多通道接收机同步校准装置及校准与误差补偿方法，以针对多通道接收信号的主要误差成分——同步误差，采用校准方法来补偿系统工作时多通道间的时间不一致性问题。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种多通道接收机同步校准装置，包括：
同步误差校准网络，用于产生各通道的同步校准信号；以及
同步误差补偿单元，用于基于所述同步误差校准网络产生的同步校准信号对各通道进行同步校准和误差补偿。
其中，所述同步误差校准网络包括：
一同步校准信号源，用于输出同步校准信号；
一功分网络，用于把所述同步校准信号源输出的同步校准信号分成与通道数对应的多路同步校准信号，所述多路同步校准信号之间满足幅相特性一致的要求；以及
一开关矩阵，用于模式切换，使得接收机在校准模式和正常工作模式之间进行切换，从而控制各通道的输入信号。
其中，所述同步校准信号源输出的同步校准信号为一标准正弦信号，且与A/D的采样时钟信号具有相同的参考基准。
其中，所述开关矩阵在校准模式下的输入信号是经过所述功分网络功分后的同步校准信号，当校准完成后，开关矩阵的输入信号切换至系统正常工作输入信号。
其中，所述同步误差补偿单元的输入信号是经过A/D数字化后的同步校准信号，通过对该信号的处理分析完成对各通道的同步校准和误差补偿。
其中，所述同步误差补偿单元对各通道进行同步校准和误差补偿的步骤包括：
所述同步误差补偿单元分析数字化后的同步校准信号，评价出每一通道第一个采集数据在拟合正弦波中所对应的初始相位，不同采集通道初始相位值之间所对应的相位差反映的时间差Δt，即是所要获得的数据采集系统的通道间延迟时间差，补偿该时间差后即完成所述同步校准与误差补偿。
其中，所述同步误差校准网络紧邻A/D单元之后放置。
作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种多通道接收机同步校准与误差补偿方法，包括以下步骤：
切换至同步校准模式；
将同步校准信号源输出的同步校准信号，经过功分网络分成与通道数对应的多路信号；
开关矩阵将所述多路信号输出给多通道A/D单元；
同步误差补偿单元分析来自于所述多通道A/D单元的、数字化后的同步校准信号，对各通道进行同步校准和误差补偿；
同步校准和误差补偿全部完成后，系统切换至正常工作模式。
其中，所述同步误差补偿单元对各通道进行同步校准和误差补偿的步骤包括：
所述同步误差补偿单元分析数字化后的同步校准信号，评价出每一通道第一个采集数据在拟合正弦波中所对应的初始相位，不同采集通道初始相位值之间所对应的相位差反映的时间差Δt，即是所要获得的数据采集系统的通道间延迟时间差，补偿该时间差后即完成所述同步校准与误差补偿。
其中，所述同步校准信号为点频信号。
本发明的方案误差校准自动化程度高，实时性强。通过在多通道接收机内集成同步校准装置，一体化架构可以对多通道接收机自动进行同步校准，测量多个通道间的误差信息，消除同步不确定性对通道的影响；另外由于同步误差校准是通过比较采集数据序列各通道第一点的时间差来提取通道间的相位差，数据量小，处理快捷，非常适宜实时校准。误差校准过程操作简单，其误差校准可贯穿于系统工作的整个过程，只需在雷达控制界面中做出相应选择，无需任何连线和硬件更改，即可完成系统的校准过程，精确补偿环境条件、器件特性对接收通道带来的影响，为多通道数据的处理奠定良好的基础，可以有效解决大带宽信号的接收难题。
附图说明
图1是传统的多通道接收机的结构示意图；
图2是本发明的集成了同步校准装置的多通道接收机的结构示意图；
图3(a)是本发明的同步校准装置的组成示意图；
图3(b)是本发明的同步误差分析与补偿方法的示意图；
图4是本发明的集成了同步校准装置的多通道接收机的原理示意图；
图5是本发明的多通道接收机同步校准方法的流程图。
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。应该指出，所描述的实施例仅仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明的多通道接收机同步校准装置在多通道接收机内部集成同步误差校准网络，产生的同步校准信号经过数字采集后在误差补偿单元内进行处理，通过提取相位差信息进而转换为通道间的时间差信息，获取通道间的同步误差分量并进行补偿，自动完成校准过程。
本发明的多通道接收机同步校准装置由同步误差校准网络及同步误差补偿单元组成。其中同步误差校准网络包括：
一同步校准信号源，用于输出一标准正弦信号，其频率需包含在A/D工作带宽内，幅度电平需满足A/D高信噪比采样要求；
一功分网络，用于把校准信号分成N路信号，N路信号之间满足幅相特性一致的要求；
一开关矩阵，用于模式选择，使得接收机在校准通道和正常工作通道之间进行切换。
其中，同步校准信号源的输出信号是一标准正弦信号，该信号和A/D的采样时钟信号具有相同的参考基准，即二者相位相参；
其中，功分网络的输入信号是同步校准信号源产生的标准点频信号；
其中，开关矩阵在校准模式下的输入信号是经过功分网络功分后的同步校准信号，当校准完成后，开关矩阵的输入信号切换至正常工作输入信号，例如雷达回波信号；
其中，同步误差补偿单元的输入信号是经过A/D数字化后的同步校准信号，通过对该信号的处理分析完成通道误差补偿；
其中，同步误差校准网络紧邻A/D单元之后放置，这是由于同步校准只是补偿A/D单元间的同步性误差，与其他器件无关，这种配置也可避免其它部件给测试校准带来不确定度。
本发明的利用上述多通道接收机同步校准装置进行多通道的校准与误差分析的方法，包括以下步骤：
系统上电状态稳定后切换至同步校准模式；
同步校准信号源输出同步校准信号，经过功分网络、开关矩阵输出给多通道A/D单元；
同步误差补偿单元分析数字化后的同步校准信号，评价出每一通道第一个采集数据在拟合正弦波中所对应的初始相位，不同采集通道初始相位值之间所对应的相位差反映的时间差Δt，即是所要获得的数据采集系统的通道间延迟时间差，补偿该时间差后即完成同步校准；此时，系统切换至正常工作模式，接收机进入接收雷达回波信号状态。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的阐述。
图4为针对超高分辨率合成孔径雷达接收系统所采用的本发明的实现合成孔径雷达高精度同步的校准装置，该装置包含了同步误差校准网络和同步误差补偿单元两大部分。接收机输入的射频中心频率14.8GHz，带宽3.2GHz，信道化分为8个子带，经下变频后形成了8路中频信号，给8路A/D单元进行数字化处理，中频频率范围均为1GHz±0.2GHz。
同步校准装置如图3(a)所示，主要包含：
一同步校准信号源，用于输出一标准正弦信号，其频率范围需包含在A/D工作带宽内，幅度电平需满足A/D高信噪比采集的技术要求；
一功分网络，用于把校准信号分成N路信号，N路信号之间满足幅相特性一致的要求；
一开关矩阵，用于模式选择，使接收机在校准通道和正常工作通道之间进行快速切换；
一同步误差补偿单元，用于对数字化后的同步校准信号进行分析处理和通道同步校准和误差补偿。
由于同步校准只是补偿A/D单元间的同步性误差，与其他器件无关，故而该同步误差校准网络紧邻A/D单元之后放置，这样也可避免其它部件给校准带来的不确定度。通道间的同步误差分析与补偿示意图如图3(b)所示。
系统上电后即进行同步误差校准，同步误差校准模式打开，此时同步信号源输出一点频信号，该信号可由雷达系统的高稳频率综合器提供，经功分网络8等分后形成8路幅相完全一致的标准信号，经过开关矩阵后进入8路A/D转换单元，通道同步误差补偿单元对数字化后的同步校准信号进行分析，评价出每一通道第一个采集数据在拟合正弦波中所对应的初始相位，不同采集通道初始相位值间所对应的相位差反映的时间差Δt，即是所要获得的数据采集系统的通道间延迟时间差，补偿该时间差后系统即完成同步校准过程，可转入正常工作模式。
经过实际检测试用，本发明的装置和方法处理快捷，数据量小，非常适合实时校准，且误差校准过程操作简单，只需在雷达控制界面中做出相应选择，无需任何连线和硬件更改，即可完成系统的校准过程，精确补偿环境条件、器件特性对接收通道带来的影响，可以有效解决大带宽信号的接收难题。
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，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 (10)

1.一种多通道接收机同步校准装置，包括：
同步误差校准网络，用于产生各通道的同步校准信号；以及
同步误差补偿单元，用于基于所述同步误差校准网络产生的同步校准信号对各通道进行同步校准和误差补偿。
2.根据权利要求1所述的多通道接收机同步校准装置，其中所述同步误差校准网络包括：
一同步校准信号源，用于输出同步校准信号；
一功分网络，用于把所述同步校准信号源输出的同步校准信号分成与通道数对应的多路同步校准信号，所述多路同步校准信号之间满足幅相特性一致的要求；以及
一开关矩阵，用于模式切换，使得接收机在校准模式和正常工作模式之间进行切换，从而控制各通道的输入信号。
3.根据权利要求2所述的多通道接收机同步校准装置，其中所述同步校准信号源输出的同步校准信号为一标准正弦信号，且与A/D的采样时钟信号具有相同的参考基准。
4.根据权利要求2所述的多通道接收机同步校准装置，其中所述开关矩阵在校准模式下的输入信号是经过所述功分网络功分后的同步校准信号，当校准完成后，开关矩阵的输入信号切换至系统正常工作输入信号。
5.根据权利要求1所述的多通道接收机同步校准装置，其中所述同步误差补偿单元的输入信号是经过A/D数字化后的同步校准信号，通过对该信号的处理分析完成对各通道的同步校准和误差补偿。
6.根据权利要求5所述的多通道接收机同步校准装置，其中所述同步误差补偿单元对各通道进行同步校准和误差补偿的步骤包括：
所述同步误差补偿单元分析数字化后的同步校准信号，评价出每一通道第一个采集数据在拟合正弦波中所对应的初始相位不同采集通道初始相位值之间所对应的相位差反映的时间差Δt，即是所要获得的数据采集系统的通道间延迟时间差，补偿该时间差后即完成所述同步校准与误差补偿。
7.根据权利要求1所述的多通道接收机同步校准装置，其中所述同步误差校准网络紧邻A/D单元之后放置。
8.一种多通道接收机同步校准与误差补偿方法，包括以下步骤：
切换至同步校准模式；
将同步校准信号源输出的同步校准信号，经过功分网络分成与通道数对应的多路信号；
开关矩阵将所述多路信号输出给多通道A/D单元；
同步误差补偿单元分析来自于所述多通道A/D单元的、数字化后的同步校准信号，对各通道进行同步校准和误差补偿；
同步校准和误差补偿全部完成后，系统切换至正常工作模式。
9.根据权利要求8所述的多通道接收机同步校准与误差补偿方法，其中所述同步误差补偿单元对各通道进行同步校准和误差补偿的步骤包括：
所述同步误差补偿单元分析数字化后的同步校准信号，评价出每一通道第一个采集数据在拟合正弦波中所对应的初始相位不同采集通道初始相位值之间所对应的相位差反映的时间差Δt，即是所要获得的数据采集系统的通道间延迟时间差，补偿该时间差后即完成所述同步校准与误差补偿。
10.根据权利要求8所述的多通道接收机同步校准与误差补偿方法，其中所述同步校准信号为点频信号。
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