CN105245262A - 一种俯仰向数字波束合成的实时处理方法和装置 - Google Patents

一种俯仰向数字波束合成的实时处理方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种俯仰向数字波束合成的实时处理方法，所述方法包括：对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；对所述解调后的两路中频信号交叉求和并进行低通滤波。本发明同时还公开了一种俯仰向数字波束合成的实时处理装置。

Description

一种俯仰向数字波束合成的实时处理方法和装置
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)多通道技术，尤其涉及一种应用于星载SAR的俯仰向数字波束合成(DigitalBeamForming，DBF)的实时处理方法和装置。
背景技术
俯仰向DBF技术对于星载SAR具有非常重要的应用价值，俯仰向DBF技术是星载SAR实现高分辨率宽测绘带成像的主要技术之一。而星载SAR实现高分辨率宽测绘带成像需要较高的实时性，从而也就要求DBF合成技术具备较高的实时性；相应的，研究如何实现星上实时DBF合成的方法具有重要的意义。
目前，现有的DBF合成方法包括：首先，将天线采集到的信号正交解调到基带；然后，根据DBF合成的复数域加权值对各通道的基带信号进行复数域加权；最后，将加权后的复数域信号求和，即得到最终的DBF合成结果。但是，该方法在使用过程中对中频信号解调的过程需要较多的实数乘法器来实现，因此，使得算法的复杂度比较高，从而不利于星载SAR的DBF实时处理，由此，也限制了星载DBF-SAR的发展和应用。
发明内容
鉴于此，为解决现有技术存在的问题，本发明实施例期望提供一种俯仰向数字波束合成的实时处理方法和装置，能够有效降低DBF实时处理的复杂度，缩短俯仰向DBF的时间。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种俯仰向DBF的实时处理方法，包括：
对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；
将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；
对所述解调后的两路中频信号交叉求和并进行低通滤波。
上述方案中，所述对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号，包括：
根据俯仰向DBF合成原理生成的加权函数，对各通道采样得到的中频信号进行加权处理；
对加权处理后的中频信号进行交叉求和。
上述方案中，所述对各通道采样得到的中频信号进行加权处理包括：
根据俯仰向DBF合成原理生成加权函数；
将各个通道采样得到的中频信号在实数域根据所述加权函数得到两路加权后的中频信号；
其中，所述加权函数包括：余弦函数和正弦函数。
上述方案中，所述将所述加权处理后的中频信号进行交叉求和得到两路合成后的中频信号包括：
将被所述余弦函数加权过的中频信号进行求和；
将被所述正弦函数加权过的中频信号进行求和。
上述方案中，所述将所述两路合成后的中频信号分别用混频的方式进行正交解调包括：
分别将两种不同频率的信号进行混合，之后利用所述混合后的信号分别对所述两路进行求和后的中频信号进行解调。
本发明实施例还提供了一种俯仰向DBF的实时处理装置，包括：
运算单元，用于对各通道采样得到的中频信号对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；
解调单元，用于将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；
低通滤波单元，用于对所述解调后的两路中频信号交叉求和并进行低通滤波。
上述方案中，所述运算单元，用于对各通道采样得到的中频信号进行加权处理；对加权处理后的中频信号进行交叉求和。
上述方案中，所述运算单元，具体用于根据俯仰向DBF合成原理生成加权函数；将各个通道采样得到的中频信号在实数域根据所述加权函数得到两路加权后的中频信号；其中，所述的加权函数包括：余弦函数和正弦函数。
上述方案中，所述运算单元，具体用于将被所述余弦函数加权过的中频信号进行求和；将被所述正弦函数加权过的中频信号进行求和。
上述方案中，所述解调单元，具体用于分别将两种不同频率的信号进行混合，之后利用所述混合后的信号分别对所述两路进行求和后的中频信号进行解调。
本发明实施例提供的俯仰向数字波束合成的实时处理方法和装置，先对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；再将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；然后将两路输出信号交叉求和并进行低通滤波，即可得到DBF合成后信号；如此，可使得整个实现过程中在不同通道数下的实数乘法器的数目都明显小于现有技术中实数乘法器的数目，能够在实现DBF合成的同时大大降低SAR系统的运算复杂度，从而有效降低DBF实时处理的复杂度，缩短俯仰向DBF的时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的俯仰向DBF的实时处理方法的实现流程示意图；
图2为本发明实施例提供的俯仰向DBF的实时处理装置的结构示意图；
图3为本发明较佳实施例中俯仰向DBF的实时处理实现原理示意图；
图4为现有技术中俯仰向DBF的实时处理实现原理的示意图；
图5为本发明实施例与现有技术比较实数乘法器的数目对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，图1为本发明实施例提供的一种缩短俯仰向DBF时间的方法的实现流程示意图，如图1所示，本实施例提供一种俯仰向DBF的实时处理方法，所述方法包括：
步骤101，对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；
具体的，本步骤包括：根据俯仰向DBF合成原理生成的加权函数对各通道采样得到的中频信号进行加权处理；对加权处理后的中频信号进行交叉求和，得到两路合成后的中频信号。
这里，所述对各通道采样得到的中频信号进行加权处理包括：根据俯仰向DBF合成原理生成加权函数；将各个通道采样得到的中频信号在实数域根据所述加权函数得到两路加权后的中频信号；其中，所述加权函数包括：余弦函数和正弦函数。
相应的，将所述加权处理后的中频信号进行交叉求和，得到两路合成后的中频信号包括：将被所述余弦函数加权过的中频信号进行求和；将被所述正弦函数加权过的中频信号进行求和。
步骤102，将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；
具体的，本步骤包括：分别将两种不同频率的信号进行混合，之后利用所述混合后的信号分别对所述两路进行求和后的中频信号进行解调。
步骤103，对所述解调后的两路中频信号交叉求和并进行低通滤波，得到DBF合成后信号。
本发明提供了一种较佳实施例，本实施例俯仰向DBF的实时处理方法包括：
步骤A1：首先，将每个通道采样得到的中频信号直接在实数域幅度加权得到两路不同的加权信号，根据俯仰向DBF合成原理生成指向实时改变幅度的加权值；
具体的，第n个通道采样得到的中频实数域信号如公式(1)所示为：
IF n ( t ) = r e c t ( t - t n T p ) c o s ( 2 πf 1 t + πK r ( t - t n ) 2 - 2 πf c t n ) - - - ( 1 )
其中，Tp表示脉冲宽度，t为距离向时间，tn表示第n个通道接收的回波双程延时，f1表示中频频率，Kr表示调频率，fc表示载频频率。
根据DBF合成原理，各通道的加权值是基于复数域的基带信号，因此加权函数也为复数域函数，第n个通道的DBF加权函数如公式(2)所示为：
根据公式(2)中的复数加权函数，本实施例的实数域加权函数直接用与加权后的中频信号可以表示为公式(3)：
与
其中，IFCn(t)表示第n个通道被余弦函数加权后的中频信号，IFSn(t)表示第n个通道被正弦函数加权后的中频信号；
之后，将各通道得到的幅度加权后的实数域信号分别交叉求和得到两路合成后的中频信号；
具体的，将所有被余弦函数加权后的中频信号求和为一路，同样的也把所有被正弦函数加权后的中频信号求和为一路，由此得出两路合成后的中频信号；可采用公式(5)和(6)表示为：
I F C ( t ) = Σ 1 N IFC n ( t ) - - - ( 5 )
与
I F S ( t ) = Σ 1 N IFS n ( t ) - - - ( 6 )
步骤A2：将求和后得到的两路中频实数域信号分别用两路改进的正交解调方案进行解调，然后将两路中频信号交叉求和通过低通滤波器滤波，得到DBF合成后信号的实部与虚部。
具体的，求和后的两路中频信号分别用用cos(f1(t))，-sin(f1(t))和sin(f1(t))，cos(f1(t))混频交叉求和，再通过低通滤波器滤波，可用公式(7)表示如下：
其中，LPF(·)表示低通滤波操作。如此得到的信号即分别为DBF合成后的信号的实部与虚部。
本发明实施例提供的俯仰向DBF的实时处理方法，可使整个实现过程中在不同通道数下的实数乘法器的数目都明显小于现有技术中实数乘法器的数目，能够在实现DBF合成的同时大大降低SAR系统的运算复杂度，从而有效降低DBF实时处理的复杂度，缩短俯仰向DBF的时间。
为实现上述方法，本发明实施例还提供了一种俯仰向DBF的实时处理装置，图2为本发明实施例提供的俯仰向DBF的实时处理装置的结构示意图，如图2所示，所述俯仰向DBF的实时处理装置包括：
运算单元201，用于对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；
解调单元202，用于将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；
低通滤波单元203，用于对所述解调后的两路中频信号交叉求和并进行低通滤波。
这里，所述运算单元201，用于对各通道采样得到的中频信号进行加权处理；对加权处理后的中频信号进行交叉求和。
这里，所述运算单元201，具体用于根据俯仰向DBF合成原理生成加权函数；将各个通道采样得到的中频信号在实数域根据所述加权函数得到两路加权后的中频信号；其中，所述的加权函数包括：余弦函数和正弦函数。
这里，所述运算单元201，具体用于将被所述余弦函数加权过的中频信号进行求和；将被所述正弦函数加权过的中频信号进行求和。
这里，所述解调单元202，具体用于分别将两种不同频率的信号进行混合，之后利用所述混合后的信号分别对所述两路进行求和后的中频信号进行解调。
本发明实施例中提供的俯仰向数字波束合成的实时处理装置在所述的运算单元对各通道采样的得到的中频信号进行处理，得出两路合成后的中频信号，再由解调单元分别对两路合成后的中频信号进行解调，之后再由低通滤波单元对解调后的中频信号滤波。得到所需的信号。
另外，在实际应用中，所述运算单元201、解调单元202、低通滤波单元203均可由位于终端中的中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)、微处理器(MicroProcessorUnit，MPU)、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、或现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)等实现。
图3为本发明实施例较佳实施例中俯仰向DBF的实时处理实现原理示意图，图4为现有技术中俯仰向DBF的实时处理实现原理示意图，图4中，加粗的表示复数乘法器2，不加粗的表示实数乘法器1。基于图3和图4所示原理，本发明实施例对运算复杂度的改进程度可以通过以下方式的比较得出，下面将以本发明实施例改进的DBF方法与传统DBF方法分别计算所需的实数乘法器数目来完成对比，比较的方法如下：
令M为低通滤波操作所需的实数乘法器数目，N为通道数，优化之后的复数乘法器可用3个实数乘法器实现。
传统DBF总共所需的实数乘法器数目为
T1＝N·(2+2·M+3)(8)
本发明实施例所提供的合成方法，所需的实数乘法器数目可表示为
P1＝N·2+4+2·M(9)
令M＝32，可得到改进的DBF合成方法与传统DBF合成方法所需实数乘法器数目随通道数变化的对比图，图5为本发明实施例中为明显表示与现有技术比较实数乘法器的数目对比示意图，如图5所示，圆点构成的曲线表示传统方法中俯仰向通道数和乘法器数目的关系，方形点构成的曲线表示本发明改进方法中俯仰向通道数和乘法器数目的关系。
从图5中可以看出，采用本发明提供的改进的DBF处理方法，能显著地降低DBF合成的处理复杂度。
本发明实施例提供的俯仰向数字波束合成的实时处理方法和装置，先对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；再将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；然后将两路输出信号交叉求和并进行低通滤波，即可得到DBF合成后信号；如此，可使得整个实现过程中在不同通道数下的实数乘法器的数目都明显小于现有技术中实数乘法器的数目，能够在实现DBF合成的同时大大降低SAR系统的运算复杂度，从而有效降低DBF实时处理的复杂度，缩短俯仰向DBF的时间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种俯仰向数字波束合成DBF的实时处理方法，其特征在于，所述方法包括：
对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；
将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；
对所述解调后的两路中频信号交叉求和并进行低通滤波。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号，包括：
根据俯仰向DBF合成原理生成的加权函数，对各通道采样得到的中频信号进行加权处理；
对加权处理后的中频信号进行交叉求和。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对各通道采样得到的中频信号进行加权处理包括：
根据俯仰向DBF合成原理生成加权函数；
将各个通道采样得到的中频信号在实数域根据所述加权函数得到两路加权后的中频信号；
其中，所述加权函数包括：余弦函数和正弦函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述加权处理后的中频信号进行交叉求和得到两路合成后的中频信号包括：
将被所述余弦函数加权过的中频信号进行求和；
将被所述正弦函数加权过的中频信号进行求和。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述两路合成后的中频信号分别用混频的方式进行正交解调包括：
分别将两种不同频率的信号进行混合，之后利用所述混合后的信号分别对所述两路进行求和后的中频信号进行解调。
6.一种俯仰向数字波束合成DBF的实时处理装置，其特征在于，所述装置包括：
运算单元，用于对各通道采样得到的中频信号对各通道采样得到的中频信号进行加权求和处理，得到两路合成后的中频信号；
解调单元，用于将所述两路合成后的中频信号的实数域信号分别用混频的方式进行正交解调；
低通滤波单元，用于对所述解调后的两路中频信号交叉求和并进行低通滤波。
7.根据权利要6所述的装置，其特征在于，
所述运算单元，用于对各通道采样得到的中频信号进行加权处理；对加权处理后的中频信号进行交叉求和。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述运算单元，具体用于根据俯仰向DBF合成原理生成加权函数；将各个通道采样得到的中频信号在实数域根据所述加权函数得到两路加权后的中频信号；其中，所述的加权函数包括：余弦函数和正弦函数。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述运算单元，具体用于将被所述余弦函数加权过的中频信号进行求和；将被所述正弦函数加权过的中频信号进行求和。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述解调单元，具体用于分别将两种不同频率的信号进行混合，之后利用所述混合后的信号分别对所述两路进行求和后的中频信号进行解调。
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