CN105425237A - 基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法，包括：步骤一、迭代初始化；步骤二、距离频率域校准；步骤三、多普勒域校准；步骤四、迭代终止条件判决，如果满足迭代终止条件则结束，不满足则返回步骤二。本发明有效改善了自适应二维校准的性能。通过在训练自适应权值前加入样本挑选策略，可有效避免传统方法中旁瓣区和噪声区内低杂噪比样本点带来的性能下降问题。本发明适用于各种不同的多通道合成孔径雷达系统的通道间幅度和相位误差的补偿，如机载、星载和弹载多通道合成孔径雷达等。
Description
技术领域
本发明属于物理领域，具体涉及合成孔径雷达系统领域中基于样本挑选策略的通道均衡方法。
背景技术
在合成孔径雷达领域，为了检测地面运动目标，需排除来自杂波背景的干扰，因而需进行杂波抑制。最常用且最有效的解决方案是，利用多通道技术所获得的空域自由度完成杂波抑制。为了获得较好的杂波抑制性能，通常需要对通道间的幅度和相位误差进行补偿，也即需要进行通道均衡处理。
目前，合成孔径雷达中的通道均衡技术主要在二维频率域进行。Ender在文献“J.H.G.
Ender, ‘The airborne experimental multi-channel
SAR system AER-II,’ in Proc. EUSAR,
Königswinter, Germany, Mar. 1996, pp. 49–52.”中提出自适应二维校准（A2DC）方法，在二维频率域以自适应迭代的方式完成通道校准。此外，Gierull在文献“C.H. Gierull, ‘Digital
channel balancing of along-track interferometric SAR data,’ DRDC, Ottawa, ON, Canada, Tech. Rep. TM 2003-024 , Mar.
2003.”中引入了一种称为解斜处理（de-trending）的方法，该方法实现简单，但其仅仅补偿了通道间的干涉相位斜面，而对于幅度误差则没有进行补偿。因此，对于一些幅度误差补偿也很重要的场合，更倾向于选择A2DC方法。另一种有趣的方法是文献“M. Soumekh, ‘Signal
subspace fusion of uncalibrated sensors with application in SAR and diagnostic
medicine,’ IEEE Trans. on Image Process., vol. 8,
no. 1, pp. 127-137, Jan. 1999.”中提出的基于信号子空间处理（SSP）的通道均衡技术，该方法通过将待校准的图像数据投影至由参考图像数据所表征的信号子空间中，完成通道间的幅度和相位误差的补偿。由于SSP方法中的信号子空间表示与信号投影等操作均很耗时，实际应用中更倾向于选择A2DC方法。
上述A2DC方法的自适应权训练在整个距离频率轴和整个多普勒频率轴上进行。由于旁瓣区和噪声区内的样本的引入会降低通道均衡的效果，所以需采取挑选位于主波束内样本进行自适应权值训练的策略，以提高通道均衡的性能。
发明内容
本发明针对现有通道均衡技术进行自适应权训练时使用了全部样本的不足，提出一种基于样本挑选的通道均衡方法，通过挑选主波束内的样本进行自适应权值训练，可以有效避免旁瓣区和噪声区内的样本带来的性能下降问题。
为实现上述目的，本发明提供的基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法的具体步骤如下：
步骤一、迭代初始化；
步骤二、距离频率域校准；
步骤三、多普勒域校准；
步骤四、迭代终止条件判决。如果满足迭代终止条件则结束，不满足则返回步骤二。
进一步，所述步骤一中的迭代初始化包括：初始化迭代次数计数器、初始化距离频率域平均规范系数和初始化多普勒频率域平均规范化系数。
进一步，所述步骤二包括：
步骤2.1、选取满足
的所有样本和，其中，为来自通道1的初始数据，为第次迭代处理后来自通道2的数据，为距离频率，为多普勒频率，，为信号的多普勒中心频率；
步骤2.2、在距离频率域进行自适应权训练：
，
其中，，为信号的采样频率；
步骤2.3、计算距离频率域的平均规范化系数：
,
其中，表示求均值操作；
步骤2.4、在距离频率域进行自适应通道校准：
。
进一步，所述步骤三包括：
步骤3.1、选取满足的所有样本和，其中，为第次迭代中经过距离频率域校准后的来自通道2的数据，，为信号在距离频率域的频带宽度；
步骤3.2、在多普勒域进行自适应权训练：
，
其中，，为信号的脉冲重复频率；
步骤3.3、计算多普勒域的平均规范化系数：
，
步骤3.4、在多普勒域进行自适应通道校准：
。
进一步，所述步骤四的迭代终止条件为。如果不满足迭代终止条件，则，且返回步骤二迭代进行自适应校准。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，相比A2DC方法，本发明排除了旁瓣区和噪声区内的样本的影响，因而能获得更优的通道均衡性能；
第二，相比SSP方法，本发明在二维频率域进行自适应权值训练，没有繁杂而又耗时的信号子空间表示与信号投影等操作，具有方法流程设计简单、速度快和精度高的优点；
第三，相比解斜处理（de-trending）方法，本发明同时补偿了幅度误差和相位误差，具有更优的性能。
附图说明
图1 是本发明实施例提供的基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法的操作流程图。
图2是SAR回波在距离频率域的有用信号区域和噪声区域的示意图。
图3是SAR回波在多普勒频率域的主瓣区域和旁瓣区域的示意图。
图4a～图4c是本发明实施例提供的基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法，在实测数据处理时，选取样本的区域范围图示。图4a为二维频域；图4b为距离频域；图4c多普勒频率域。
具体实施方式
参照图1，首先输入多通道的合成孔径雷达数据。不失一般性，仅考虑两个通道，且通道1为参考通道，通道2为待校准通道。分别将来自通道1和通道2的二维频率域的数据记为和，为距离频率，为多普勒频率。图2给出了SAR回波在距离频率域的有用信号区域和噪声区域的示意图。可以看出，信号的距离频率域频带范围为 ，为信号的采样频率。而有用信号的频带范围为 ，为信号在距离频率域的频带宽度。图3给出了SAR回波在多普勒频率域的主瓣区域和旁瓣区域的示意图。可以看出，信号的多普勒域频带范围为 ，为信号的脉冲重复频率。而信号的多普勒主瓣所对应的频率区间为 ，为信号的多普勒中心频率。图4a～图4c是本发明的样本选择策略示意图，该图的频谱来源于实测数据的处理结果。其中，图4a是二维频率域频谱，图4b是将图4a中的频谱数据在多普勒频率维进行平均后的结果，图4c是将图4a中的频谱数据在距离频率维进行平均后的结果。参照图4a～图4c，并结合图3即可设计本发明方法，其具体操作如下：
步骤 1 ，迭代初始化。需初始化如下的输入参数：
1) 迭代次数计数器，；
2)距离频率域的平均规范化系数，；
3)多普勒域的平均规范化系数，；
4)。
步骤 2，距离频率域校准。在校准前，需进行样本挑选和自适应权值训练。挑选样本时，应选取具有足够强的杂波功率的样本。在距离频率维进行校准时，选取的是位于图4c中的多普勒主瓣区域内的样本，该操作可描述为：选取满足的所有样本和，其中，为经第次迭代处理后来自通道2的数据。
在距离频率域进行自适应权训练的操作可描述为：
，
距离频率域的平均规范化系数为：
,
其中，表示求均值操作。
在距离频率域进行自适应通道校准可描述为：
步骤 3，多普勒域校准。在校准前，需进行样本挑选和自适应权值训练。在多普勒频率维进行校准时，选取的是位于图4b中的有用信号区域，也即杂波叠加噪声区域内的样本，该操作可描述为：选取满足的所有样本和，其中，为第次迭代中经过距离频率域校准后的来自通道2的数据。
在多普勒域进行自适应权训练的操作可描述为：
，
多普勒域的平均规范化系数为：
,
在多普勒域进行自适应通道校准可描述为：
步骤 4，迭代终止条件判决。自适应校准的迭代终止条件是：距离频率域的平均规范化系数与多普勒域的平均规范化系数之差的绝对值小于。该迭代终止准则可描述为：
如果不满足迭代终止条件，则，且返回步骤2迭代进行自适应校准。
本发明的有效性可通过下面的实验进行验证。实验所用的X波段实测数据来源于某次机载多通道合成孔径雷达实验。为了实现地面运动目标检测的功能，实验系统的天线采用沿航向排列配置。雷达参数如下：杂波频率9 GHz、采样频率20 MHz、距离频率带宽18 MHz、脉冲重复频率840 Hz、多普勒带宽530 Hz、多普勒中心频率-90 Hz、平台速度106 m/s、天线子孔径间隔0.4 m。
实验中使用的实测原始数据尺寸为（距离方位）。为了获得较高的杂噪比，在通道校准前事先进行了距离压缩、距离徙动校正（RCMC）等操作。该数据的二维频域频谱特性、距离频率域特性和多普勒域特性分别见图4a、4b和4c。可以明显看出，在主瓣区域的杂波功率很强，本发明方法主要挑选这些位于强杂波区域的样本进行自适应权值训练。依据迭代终止准则，本实验最终的迭代次数为3。
表1给出了本发明方法和A2DC方法的性能比较结果，其采用了杂波抑制比（CSR）指标。CSR指标的定义为：杂波抑制之前的功率与抑制之后的功率之比值。从表1可以看出，本发明方法与A2DC方法相比性能较好。
表1性能比较结果
| 方法 | CSR (dB) |
| A2DC方法 | 18.4951 |
| 本发明方法 | 18.5066 |
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法，其特征在于，包括：
步骤一、迭代初始化；
步骤二、距离频率域校准；
步骤三、多普勒域校准；
步骤四、迭代终止条件判决。
2.如果满足迭代终止条件则结束，不满足则返回步骤二。
3.依据权利要求1所述的基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法，其特征在于，所述步骤一中的迭代初始化包括：初始化迭代次数计数器、初始化距离频率域平均规范系数和初始化多普勒频率域平均规范化系数。
4.依据权利要求1所述的基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤2.1、选取满足
的所有样本和，其中，为来自通道1的初始数据，为第次迭代处理后来自通道2的数据，为距离频率，为多普勒频率，，为信号的多普勒中心频率；
步骤2.2、在距离频率域进行自适应权训练：
，
其中，，为信号的采样频率；
步骤2.3、计算距离频率域的平均规范化系数：
,
其中，表示求均值操作；
步骤2.4、在距离频率域进行自适应通道校准：
。
5.依据权利要求1所述的基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法，其特征在于，所述步骤三包括：
步骤3.1、选取满足的所有样本和，其中，为第次迭代中经过距离频率域校准后的来自通道2的数据，，为信号在距离频率域的频带宽度；
步骤3.2、在多普勒域进行自适应权训练：
，
其中，，为信号的脉冲重复频率；
步骤3.3、计算多普勒域的平均规范化系数：
，
步骤3.4、在多普勒域进行自适应通道校准：
。
6.依据权利要求1所述的基于样本挑选的多通道合成孔径雷达系统通道均衡方法，其特征在于，所述步骤四的迭代终止条件为。
7.如果不满足迭代终止条件，则，且返回步骤二迭代进行自适应校准。
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