CN110031809B - 一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法和可读存储介质 - Google Patents

一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法和可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法、计算机可读存储介质和计算机设备，所述方法包括：接收从喇叭辐射的预置目标的回波信号并采集多个接收通道的回波原始信号，所述回波信号来源于所述喇叭所接收的由雷达频率综合器产生的多个通道的校准源信号；对各接收通道的所述回波原始信号进行脉冲压缩积累计算获得每个通道的回波信号的幅度和相位，并根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数；根据各通道的所述幅相系数调整对应的接收通道预设的原幅相系数。本发明提供的方法利用雷达频率综合器产生的校准源信号通过脉压积累达到计算通道幅相系数的目的，使得较低的输入信噪比能够达到较高的校准精度。

Description

一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法和可读存储介质
技术领域
本发明涉及雷达标校技术领域，特别是涉及一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法、计算机可读存储介质和计算机设备。
背景技术
目前典型主动雷达接收系统包括频率综合器、天线、收发组件、接收机、信号处理分机、以及各个分机之间的连接电缆，如图1所示。主动雷达的接收系统中一般由多个收发组件构成，收发组件通过与天线馈电的整体设计实现射频信号的接收，通过接收机将接收信号放大后，输出给信号处理，信号处理采集每个通道回波，对通道分别进行幅相校准，和差处理后，进行后续的目标检测和识别。
如果接收通道间幅相不一致，将直接影响雷达测角精度。目前使用的雷达通道间幅相一致性校准方法为采用频率综合器输出连续波信号，直接耦合给收发组件的接收端，通过信号处理采集每个通道的原始数据，利用数据分析软件(例如matlab软件)分析得到通道的幅相参数，再将参数写入信号处理软件中进行校准结果验证。然而该方法无法校准由天线各通道引入的幅相误差，另外对于部分雷达，设计时没有收发组件的接收端的耦合信号输入口，无法通过频率综合器信号直接耦合到收发组件的接收端，因此不能使用现有方法进行幅相校准设计。
发明内容
为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法，包括：
接收从喇叭辐射的预置目标的回波信号并采集多个接收通道的回波原始信号，所述回波信号来源于所述喇叭所接收的由雷达频率综合器产生的多个通道的校准源信号；
对各接收通道的所述回波原始信号进行脉冲压缩积累计算获得每个通道的回波信号的幅度和相位，并根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数；
根据各通道的所述幅相系数调整对应的接收通道预设的原幅相系数。
进一步的，所述校准源信号为线性调频信号。
进一步的，所述对各接收通道的所述回波原始信号进行脉冲压缩积累计算获得每个通道的回波信号的幅度和相位，并根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数进一步包括：
各接收通道的所述回波原始信号为：
Figure BDA0002027335700000021
其中，Sm(t)为通道m接收的回波信号，t为时间，Am表示通道m的幅度增益，Tp为脉冲宽度，τ＝2R/c表示在距离为R的喇叭的回波延时，c为光速，fc为雷达发射信号的频率，b＝B/Tp为频率变化斜率，B为信号带宽，
Figure BDA0002027335700000022
表示通道m的相位偏移；
将所述回波原始信号下变频转换为零中频信号：
Figure BDA0002027335700000023
分别对每个通道的零中频信号进行脉冲压缩以得到回波信号：
Figure BDA0002027335700000024
其中，H*(f)为匹配函数的频域表示式；
分别对每个通道的回波信号进行积累、检测、提取每个通道的幅度和相位；
根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数：
Figure BDA0002027335700000025
其中Km为通道m相对通道1的幅度增益，A1为通道1的幅度。
Figure BDA0002027335700000026
其中Pm为通道m相对通道1的相位差，φ1表示通道1的相位偏移。
进一步的，所述方法还包括：
根据所述回波原始信号进行数字和差处理，四个象限的数字和差处理为：
hh＝k1·s1+k2·s2+k3·s3+k4·s4,
其中s1、s2、s3、s4为通道的接收信号，k1、k2、k3、k4为通道的幅相系数。
进一步的，所述方法还包括：
所述各接收通道还包括校准参数，设置各接收通道的校准参数以分别校准各接收通道的幅相系数。
进一步的，所述雷达为单极化校准时，所述喇叭垂直或水平设置。
进一步的，所述雷达为双极化校准时时，所述喇叭设置为45°倾斜。
本发明第二方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法。
本发明第三方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法。
本发明的有益效果如下：
本发明针对目前现有的问题，制定一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法、计算机可读存储介质和计算机设备，通过雷达频率综合器产生的校准源信号通过脉压积累达到计算通道幅相系数的目的，使得较低的输入信噪比能够达到较高的校准精度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出现有技术中雷达接收系统的结构示意图；
图2示出本发明的一个实施例所述标校方法的流程图；
图3a-b示出本发明的一个实施例所述不同信噪比下的通道间幅度相位差的仿真结果的示意图；
图4示出本发明的一个实施例所述针对相位漂移信号采用分时校准方法对角度测量影响的示意图；
图5a-b示出本发明的一个实施例所述校准前后内场测量模拟器目标角度结果对比的示意图；
图6示出本发明的一个实施例所述的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法，包括：接收从喇叭辐射的预置目标的回波信号并采集多个接收通道的回波原始信号，所述回波信号来源于所述喇叭所接收的由雷达频率综合器产生的多个通道的校准源信号；对各接收通道的所述回波原始信号进行脉冲压缩积累计算获得每个通道的回波信号的幅度和相位，并根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数；根据各通道的所述幅相系数调整对应的接收通道预设的原幅相系数。
在一个具体的示例中，所述标校方法采用内场空间辐射信号进行校准，按照雷达的正常运行方式进行电气连接。对于极化雷达，要求校准垂直与水平通道间的幅相一致性：当对雷达进行单极化校准时则所述喇叭垂直或水平设置，当对雷达进行双极化校准则通过工装将所述喇叭设置为45°倾斜使得垂直与水平辐射信号的幅度和相位相同。
在本实施例中，所述雷达频率综合器产生的校准源信号通过信号源至所述喇叭，并接收所述喇叭辐射的回波信号进行校准。为提高雷达的测角精度，确保各接收通道间的幅相一致性，使用所述雷达的频率综合器生成校准源信号。进一步的，为提高校准精度，简化信号处理过程，所述校准源信号为线性调频信号。
所述雷达设置为N个接收通道，每个接收通道的幅相不一致，其幅度增益分别Am，相位为
Figure BDA0002027335700000041
m＝1,2......N为通道号，则所述雷达的发射信号为：
Figure BDA0002027335700000042
其中，
Figure BDA0002027335700000043
为信号的复包络，Tp为脉冲宽度，b＝B/Tp为频率变化斜率，B为发射信号带宽。
在本实施例中只设置一个喇叭，与雷达天线的距离为R，速度为0，则第m(m＝1,2......N)个通道接收回波原始信号为：
Figure BDA0002027335700000044
其中，Sm(t)为通道m接收的回波信号，t为时间，Am表示通道m的幅度增益，Tp为脉冲宽度，τ＝2R/c表示在距离为R的目标回波延时，c为光速，fc为雷达发射信号的频率，b＝B/Tp为频率变化斜率，B为信号带宽，
Figure BDA0002027335700000051
表示通道m的相位偏移；
将所述回波原始信号进行下变频转换为零中频信号：
Figure BDA0002027335700000052
分别对每个通道的零中频信号进行脉冲压缩以得到脉压信号：
Figure BDA0002027335700000053
其中，H*(f)为匹配函数的频域表示式。
由此可见，对于静止目标，接收通道间的幅相不一致性对脉压后信号的幅度和相位有相同的变化量，因此通过提取静止目标回波脉压信号的幅度和相位能够计算接收通道的幅相系数。即分别对每个通道的脉压信号进行积累、检测、提取每个通道的幅度和相位，根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数：
以通道1为基准，提取通道m目标峰值点信号的幅度Am和相位
Figure BDA0002027335700000054
得到幅度比例
Figure BDA0002027335700000055
其中Km为通道m相对通道1的幅度增益，A1为通道1的幅度。
以及相位差
Figure BDA0002027335700000056
其中Pm为通道m相对通道1的相位差，φ1表示通道1的相位偏移。
在雷达正常流程处理时，软件对每路采集的信号复乘校正因子
Figure BDA0002027335700000057
即完成通道的一致性校正。
为进一步提高各通道的准确控制，本实施例以以8通道极化雷达为例，采用四个象限合成方式，根据所述回波原始信号进行数字和差处理：
水平和：hh＝k1·s1+k2·s2+k3·s3+k4·s4
垂直和：hv＝k5·s5+k6·s6+k7·s7+k8·s8
其中s1……s4为水平四个通道的接收信号，s5……s8为垂直四个通道的接收信号，k1……k8为通道的幅相系数，所述系数可以预先设置也可以在测试过程中由外部输入进行数字和差计算，本领域技术人员应当按照实际应用需求进行设置，以能够实现数字和差计算为设计准则。
在一个优选的实施例中，为了达到分别校准不同通道的目的，所述方法还包括：所述各接收通道还包括校准参数，设置各接收通道的校准参数以分别校准各接收通道的幅相系数。即通过设置不同的校准参数实现对各接收通道开关的“软控制”，例如当需要校准接收通道1时，将接收通道1的校准参数设置为1，其他系数设置为零，以上述8通道雷达为例，即k1＝1，k2＝k3＝k4＝k5＝k6＝k7＝k8＝0，此时数字和差计算的和通道的信号即为通道1信号。雷达采用正常工作的处理流程，对积累后的和路信号进行目标检测，最后得到目标点的幅度和相位。同理，当需要校准其他各接收通道时，采用同样方法通过分时设置各接收通道的开关即可得到各接收通道的幅度和相位，再根据上述公式计算出对应的幅度比例和相位差。
采用上述方法对各通道的幅相系数校准进行仿真，设置两路通道信号的幅度差为3dB，相位差为15°，仿真不同信噪比下的频率综合器信号，经处理后得到幅度结果如图3a所示、相位结果如图3b所示，当输入原始信噪比在0dB以上，使用该方法能够得到较高的校准精度。
对于实际应用过程中频率综合器存在相位漂移的信号，同时采集4路原始信号，得到各通道幅度相位变化如表1所示(每隔320ms采集一次平均幅相)，从采集数据看，4个通道的绝对相位随时间漂移约4度，相对相位基本保持一致，幅度基本不变，因此使用本方法能够针对同时采集存在的差异进行校准。
表1通道幅相参数随时间变化表(采集时间3s)
Figure BDA0002027335700000061
设置测量参数如下：每个通道采集间隔为30ms，完成四个通道校准时间约为120ms，则该段时间内相位变化约0.2度。在保留一定余量的情况下进行测量，即分时校准导致通道之间相对相位误差量按1度进行仿真，即四个通道相位变化分别为0度、1度、2度、3度，对于X波段雷达，合成角度误差如图4所示。从图中可以看出，对于X波段雷达分时校准引入的校准角度偏差在0.05度以内，对于角度跟踪精度要求而言其影响可以忽略。
使用该校准方法得到的幅相系数对雷达进行验证，校准前的目标角度如图5a所示，校准后的目标角度如图5b所示，统计目标角度的均值和标准差如表2所示，可见经过该校准方法后，目标角度达到零点，角度起伏量减小，跟踪目标稳定。
表2校准前后测量目标角度统计结果
校准前/度 校准后/度
角度均值 1.19 0.0006
角度标准差 0.46 0.031
本发明的另一个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现：接收从喇叭辐射的预置目标的回波信号并采集多个接收通道的回波原始信号，所述回波信号来源于所述喇叭所接收的由雷达频率综合器产生的多个通道的校准源信号；对各接收通道的所述回波原始信号进行脉冲压缩积累计算获得每个通道的回波信号的幅度和相位，并根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数；根据各通道的所述幅相系数调整对应的接收通道预设的原幅相系数。
在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实时例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
如图6所示，本发明的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图6显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图6所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图6未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图6中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图6所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图6中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理器单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法。
本发明涉及一种数字和差体制雷达多接收通道幅相一致性标校方法，该方法利用频率综合器实际使用的信号产生校准源信号，通过脉压积累达到计算通道幅相的目的，使得较低的输入信噪比便能达到高校准精度。针对数字和差式的信号形成方式，利用雷达正常工作时的处理流程，无需更改信号处理数据流，每个通道分时校准处理，通过软件设置不同的初始幅相系数达到校准不同通道的目的。该方法具有实现简便，校准精度高，可实现软件自动化处理的优点。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种雷达多接收通道幅相一致性标校方法，其特征在于，包括：
接收从喇叭辐射的预置目标的回波信号并采集多个接收通道的回波原始信号，所述回波信号来源于所述喇叭所接收的由雷达频率综合器产生的多个通道的校准源信号；
对各接收通道的所述回波原始信号进行脉冲压缩积累计算获得每个通道的回波信号的幅度和相位，并根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数；
所述对各接收通道的所述回波原始信号进行脉冲压缩积累计算获得每个通道的回波信号的幅度和相位，并根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数进一步包括：
各接收通道的所述回波原始信号为：
Figure FDA0002820681260000011
其中，Sm(t)为通道m接收的回波信号，t为时间，Am表示通道m的幅度增益，Tp为脉冲宽度，τ＝2R/c表示在距离为R的喇叭的回波延时，c为光速，fc为雷达发射信号的频率，b＝B/Tp为频率变化斜率，B为信号带宽，
Figure FDA0002820681260000015
表示通道m的相位偏移；
将所述回波原始信号下变频转换为零中频信号：
Figure FDA0002820681260000012
分别对每个通道的零中频信号进行脉冲压缩以得到回波信号：
Figure FDA0002820681260000013
其中，H*(f)为匹配函数的频域表示式；
分别对每个通道的回波信号进行积累、检测、提取每个通道的幅度和相位；
根据所述幅度和相位获得对应的接收通道的幅相系数：
Figure FDA0002820681260000014
其中Km为通道m相对通道1的幅度增益，A1为通道1的幅度；
Figure FDA0002820681260000021
其中Pm为通道m相对通道1的相位差，
Figure FDA0002820681260000022
表示通道1的相位偏移；
根据所述回波原始信号进行数字和差处理，四个象限的数字和差处理为：
水平和：hh＝k1·s1+k2·s2+k3·s3+k4·s4，
垂直和：hv＝k5·s5+k6·s6+k7·s7+k8·s8，
其中s1、s2、s3、s4为水平四个通道的接收信号，s5、s6、s7、s8为垂直四个通道的接收信号，k1……k8为通道的幅相系数；
所述各接收通道还包括校准参数，设置各接收通道的校准参数以分别校准各接收通道的幅相系数；设置校准参数，当校准通道i时，将通道i校准参数置1，其他系数置零，此时和通道的信号即为通道i信号；
根据各通道的所述幅相系数调整对应的接收通道预设的原幅相系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校准源信号为线性调频信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雷达为单极化校准时，所述喇叭垂直或水平设置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雷达为双极化校准时时，所述喇叭设置为45°倾斜。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4中任一所述的方法。
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