CN111505640A - 一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法及系统，所述去斜一比特采集方法包括：对经过去斜脉压处理的去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据，所述频移处理的频偏系数和所述采样处理的采样频率均根据所述去斜的回波信号中最大频率确定，使得去斜回波信号的频带与高次谐波的频带能够有效分离，减小了由于高次谐波对的成像质量的影响，提高了雷达的成像质量，同时也降低了数据的处理量和硬件成本，提高了工作效率。

Description

一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法及系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法及系统。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天候、全天时的远距离、高分辨探测能力，在遥感测绘、区域监测、地质勘探、灾难救援等多领域发挥着重要的作用。但随着雷达信号的带宽的不断增加，SAR的数据采集、传输、处理的负担也在不断地加大。对原始回波信号进行一比特量化能够大幅度降低成像处理的数据量并提升工作效率，但是传统的一比特采样量化，会使得数据在1与-1之间不断跳变，由此引入了原始信号的高次谐波，降低了雷达的成像质量。

G.Franceschetti等提出了基于一比特采样的SAR成像解决方案，通过对回波信号进行一比特量化，大大降低了成像处理的数据量，从而很大程度上简化了成像处理实现复杂度。V.Pascazio等人提出了过采样率提升性能的方案，在一比特采样时通过四倍带宽以上的采样率能提高成像性能。但伴随的高次谐波影响成像的问题没有解决。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供宽带雷达回波的去斜一比特采集方法及系统，旨在解决传统一比特量化带来的高次谐波，导致成像质量差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，包括步骤：

对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号；

对所述去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；其中，所述频移处理的频偏系数根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；其中，所述采样处理的采样频率根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号中高次谐波包括：3次谐波和5次谐波。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述频偏系数、所述最大频率以及所述采样频率满足如下关系：

其中，Δf表示频偏系数，f_max表示去斜回波信号最大频率，F_s表示采样频率。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号，包括：

获取所述目标回波信号对应的参考信号；

对所述参考信号进行取共轭处理，得到共轭参考信号；

基于所述共轭参考信号，对所述目标回波信号进行混频处理得到去斜的回波信号。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述去斜的回波信号为：

其中，S₃(t)表示去斜的回波信号，S₁(t)表示目标回波信号，

表示共轭参考信号，S₂(t)表示参考信号，A₁表示目标回波信号最大幅度值，A₂表示参考信号最大幅度值，t表示时间，τ表示第一时延，τ₀表示第二时延，T_p表示脉宽，j表示虚数单位，π表示圆周率，f₀表示中心频率，k表示调频率，x表示中间变量，e表示自然对数的底数，rect(·)表示矩形窗函数。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述频移的回波信号为：

S₄(t)＝sign(S₃(t)e^j2πΔf)

其中，Δf表示频偏系数，sign(·)表示符号函数。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据，包括：

将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号与预设阈值进行比较，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号大于或等于预设阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为1，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号小于阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为0，以得到回波数据。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据之后，所述宽带雷达回波的去斜一比特采集方法还包括：

将所述回波数据进行快速傅里叶变换到频域，得到具有频点信息的频谱；

对所述具有频点信息的频谱进行舍弃处理，得到舍弃后的频谱；其中，所述舍弃处理的频谱根据所述频偏系数确定；

根据所述舍弃后的频谱进行成像处理，输出成像结果。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其中，所述成像处理包括以下至少一种：距离徙动校正、方位匹配滤波或相干积累。

一种宽带雷达回波的去斜一比特采集系统，其中，包括：

去斜脉压装置，用于对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号；

频移装置，用于对所述去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；其中，所述频移处理的频偏系数根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

采样装置，用于对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；其中，所述采样处理的采样频率根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

一比特量化装置，将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到所述回波数据。

有益效果：本发明通过对经去斜脉压处理的去斜回波信号进行频移处理后，再对频移的回波信号进行采样，所述频移处理的频偏系数和采样处理的采样频率均根据所述去斜回波信号的最大频率确定，使得去斜回波信号的频带与高次谐波的频带能够有效分离，减小了由于高次谐波对的成像质量的影响，提高了雷达的成像质量，同时也减少了为提高成像质量而进行的大量后期处理的算法的，降低了数据的处理量和硬件成本，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法的较佳实施例流程示意图。

图2为为本发明的去斜回波信号的频带示意图。

图3为本发明的去斜回波信号与高次谐波混频的频带示意图。

图4为本发明的去斜回波信号与高次谐波的频带分离示意图。

图5为本发明的采样处理的采样频率确定示意图。

图6为未经过频移处理的回波信号进行一比特量化的一维压缩图。

图7为经过频移处理后的回波信号再进行一比特量化的一维压缩图。

图8为未经过频移处理的一比特量化雷达成像图。

图9为经过频移处理后的一比特量化雷达成像图。

图10为16比特量化高精度雷达成像图。

具体实施方式

本发明提供一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本实施例的一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法的流程示意图。如图1所示，宽带雷达回波的去斜一比特采集方法的步骤包括：

S10、对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号。

具体的，成像雷达通过天线向被探测目标场景发射线性调频脉冲，线性调频脉冲传播到被探测目标后，经过被探测目标反射后被成像雷达接收，得到目标回波信号。进一步，要对得到的目标回波信号进行去斜率脉冲压缩处理，使系统能够选用较低的采样频率，避免使用高精度和高速数模转换器。所述步骤S10包括：

S11、获取所述目标回波信号对应的参考信号；

S12、对所述参考信号进行取共轭处理，得到共轭参考信号；

S13、基于所述共轭参考信号，对所述目标回波信号进行混频处理得到去斜的回波信号。

具体的，所述目标回波信号是雷达发射线性调频脉冲经过第一时延τ反射回来的回波信号。所述参考信号是与目标回波信号是同类型信号，是雷达发射线性调频脉冲经过第二时延τ₀反射回来的回波信号。目标回波信号和参考信号分别表示为：

其中，

rect(·)表示矩形窗函数，x表示中间变量，S₁(t)表示目标回波信号，S₂(t)表示参考信号，A₁表示目标回波信号最大幅度值，A₂表示参考信号最大幅度值，t表示时间，τ表示第一时延，τ₀表示第二时延，T_p表示脉宽，j表示虚数单位，π表示圆周率，f₀表示中心频率，k表示调频率，x表示中间变量，e表示自然对数的底数。

再将参考信号S₂(t)进行共轭处理，也就是进行卷积处理，得到共轭参考信号

共轭参考信号与目标回波信号S₁(t)进行混频处理，得到去斜的回波信号S₃(t)。去斜的回波信号S₃(t)的计算公式为：

其中，“·”表示乘积，“*”表示取共轭，ψ＝2πf₀(t-τ₀)+πk(t-τ₀)²]。

S20、对所述去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；其中，所述频移处理的频偏系数根据所述去斜的回波信号中最大频率确定。

具体的，去斜的回波信号的频带为0～f_max，如图2所示，图2是本发明的去斜回波信号的频带示意图。如果直接对所述去斜的回波信号进行一比特量化，会产生高次谐波对回波信号进行干扰，如图3所示。对所述去斜的回波信号进行频移处理，就是将去斜回波信号的频带与高次谐波的频带分开。由于高次谐波中，主要是3次谐波和5次谐波对回波信号干扰最强烈，因此主要是考虑将去斜回波信号与3次谐波和5次谐波的频带分开，如图4所示，偏频系数需要满足关系式：5Δf≥Δf+f_max，从而得到偏频系数为：

其中，Δf表示偏频系数，f_max表示去斜回波信号最大频率。f_max与雷达探测场景最大距离直接相关，从而可以设置好频偏系数Δf，对去斜的回波信号进行频偏，得到频移的回波信号表示为：S₄(t)＝sign(S₃(t)e^j2πΔf)，其中，sign(·)表示符号函数，由于通常对信号进行IQ采样，得到的是复信号，因此分别对频移的回波信号的实部和虚部进行取符号操作。

S30、对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；其中，所述采样处理的采样频率根据所述去斜的回波信号中最大频率确定。

具体的，将去斜回波信号进行频移后，对所述频移的回波信号进行采样处理，如图5所示，采样空间为

F_s表示采样率，当采样率

时，根据采样定理，未采样到的5次谐波，会翻折到负半轴

处，与三次谐波发生混叠。而混叠的谐波也有可能会与去斜的回波发生混叠。设a是翻折后的5次谐波的最大频率，则a满足关系式：

得到a＝5(Δf+f_max)-F_s。要使混叠的谐波与去斜的回波不发生混叠，那么采样率要满足关系式为：

那么可以得到采样率为：F_s≥6f_max。采用采样频率F_s对频移的回波信号进行采样后，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号。

S40、对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据。

具体的，将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号与预设阈值进行比较，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号大于或等于预设阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为1，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号小于阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为0，从而可以得到由0和1组成的一比特量化回波数据。需要注意的是，所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号中有实部和虚部，在进行量化的过程中，需要对所述实部和虚部分别量化。

进一步，步骤S40之后还包括：

S51、将所述回波数据进行快速傅里叶变换到频域，得到具有频点信息的频谱；

S52、对所述具有频点信息的频谱进行舍弃处理，得到舍弃后的频谱；其中，所述舍弃处理的频谱根据所述频偏系数确定；

S53、根据所述舍弃后的频谱进行成像处理，输出成像结果。

具体的，将得到的回波数据进行处理得到距离向信息，每个回波数据经过一维的快速傅里叶转换到频域，得到频谱，所述频谱内具有与目标距离对应的频点信息。由于前述步骤对去斜的回波信号进行了频移处理，使得在0～Δf的频率范围内的回波数据经过快速傅里叶变换后是不包含目标数据的，因此需要对所述频谱进行舍弃处理，将0～Δf的频率范围内的频谱舍弃。最后根据舍弃后的频谱进行成像处理。所述成像处理包括但不限于距离徙动校正、方位匹配滤波或相干积累中的至少一种方式。

本发明的有益效果在于：

(1)在数据采集方面：如果要对回波数据进行十六比特量化，所需要的模数转换器(ADC)的复杂度、成本要远远高于将其量化为一比特的复杂度和成本。同时，由于一比特的复杂度和成本更低，采样率也可以比十六比特的高出很多，这是在数据采集方面的优势。

(2)在数据存储方面：因为雷达需要采集一段时间的回波再进行方位向的处理，故回波数据缓存的量是很大的，若都是高精度量化存储，存储资源的开销是比较大的。而一比特量化回波后，将大大降低存储上的开销。与十六比特量化数据对比，理论上一比特量化的存储量仅是其1/16。

(3)在数据处理方面：雷达信号处理的过程中往往需要进行大量的乘法、加法运算，因为传统一比特量化带来的高次谐波问题影响成像，我们直接对去斜回波信号进行处理，省去了原本后期处理成像质量的大量算法，节省了数据处理量，降低了硬件复杂度。

为进一步说明采用本发明的方法所采集的回波数据的成像质量优于未进行频移处理采集的回波数据的成像质量，本发明采用MATLAB软件进行仿真实验进行比对。仿真数据的参数如下：雷达以4m/s的速度运动，方向为180°，回波是由一辆方向为45°的静止车辆反射而得到。如图6和图7所示，图6为未经过频移处理的回波一比特量化的一维压缩图，图7为经过频移处理后的回波信号再进行一比特量化的一维压缩图，从图中可以看到，未经过频移处理的一比特量化后的回波中夹杂着高次谐波，而经过频移处理的一比特量化后的回波与高次谐波分离，回波中不含有高次谐波；如图8、图9和图10所示，图8为未经过频移处理的一比特量化雷达成像图，图9为经过频移处理后的一比特量化雷达成像图，图10为十六比特量化高精度雷达成像图。从图中可以看到未经过频移处理的一比特量化雷达成像图中出现杂像的面积较大，而经过频移处理的一比特量化雷达成像图中出现杂像的面积减小了很多。

本实施例还提供了一种宽带雷达回波的去斜一比特采集系统，包括：

去斜脉压装置，用于对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号；

频移装置，用于对所述去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；其中，所述频移处理的频偏系数根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

采样装置，用于对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；其中，所述采样处理的采样频率根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

一比特量化装置，将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到所述回波数据。

所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集系统，其中，所述所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号中高次谐波包括：3次谐波和5次谐波。

进一步，所述去斜脉压装置包括：信号获取单元，用于获取所述目标回波信号对应的参考信号；共轭处单元，用于对所述参考信号进行取共轭处理，得到共轭参考信号；混频单元，用于基于所述共轭参考信号，对所述目标回波信号进行混频处理得到去斜的回波信号。

进一步，所述一比特量化装置用于将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号与预设阈值进行比较，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号大于或等于预设阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为1，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号小于阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为0，以得到回波数据。

进一步，所述宽带雷达回波的去斜一比特采集系统还包括成像装置，用于将所述回波数据进行快速傅里叶变换得频域，得到具有频点信息的频谱；对所述具有频点信息的频谱进行舍弃处理，得到舍弃后的频谱；其中，所述舍弃处理的频谱根据所述频偏系数确定；根据所述舍弃后的频谱进行成像处理，输出成像结果。

综上所述，本发明通过对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号；对所述去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据，其中，所述频移处理的频偏系数和所述采样处理的采样频率均根据所述去斜的回波信号中最大频率确定，使得去斜回波信号与高次谐波的频带能够有效分离，减小了由于高次谐波对的成像质量的影响，提高了雷达的成像质量，同时，减少了为提高成像质量而进行的大量后期处理的算法的，降低了数据的处理量和硬件成本，提高了工作效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，包括步骤：

对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号；

对所述去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；其中，所述频移处理的频偏系数根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；其中，所述采样处理的采样频率根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据。

2.根据权利要求1所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号中高次谐波包括：3次谐波和5次谐波。

3.根据权利要求2所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，所述频偏系数、所述最大频率以及所述采样频率满足如下关系：

其中，Δf表示频偏系数，f_max表示去斜回波信号最大频率，F_s表示采样频率。

4.根据权利要求1所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，所述对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号，包括：

获取所述目标回波信号对应的参考信号；

对所述参考信号进行取共轭处理，得到共轭参考信号；

基于所述共轭参考信号，对所述目标回波信号进行混频处理得到去斜的回波信号。

5.根据权利要求4所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，所述去斜的回波信号为：

其中，S₃(t)表示去斜的回波信号，S₁(t)表示目标回波信号，

表示共轭参考信号，S₂(t)表示参考信号，A₁表示目标回波信号最大幅度值，A₂表示参考信号最大幅度值，t表示时间，τ表示第一时延，τ₀表示第二时延，T_p表示脉宽，j表示虚数单位，π表示圆周率，f₀表示中心频率，k表示调频率，x表示中间变量，e表示自然对数的底数，rect(·)表示矩形窗函数。

6.根据权利要求5所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，所述频移的回波信号为：

S₄(t)＝sign(S₃(t)e^j2πΔf)

其中，Δf表示频偏系数，sign(·)表示符号函数。

7.根据权利要求1所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，所述对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据，包括：

将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号与预设阈值进行比较，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号大于或等于预设阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为1，若所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号小于阈值，则将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号存储为0，以得到回波数据。

8.根据权利要求1所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，对所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到回波数据之后，所述宽带雷达回波的去斜一比特采集方法还包括：

将所述回波数据进行快速傅里叶变换到频域，得到具有频点信息的频谱；

对所述具有频点信息的频谱进行舍弃处理，得到舍弃后的频谱；其中，所述舍弃处理的频谱根据所述频偏系数确定；

根据所述舍弃后的频谱进行成像处理，输出成像结果。

9.根据权利要求8所述的宽带雷达回波的去斜一比特采集方法，其特征在于，所述成像处理包括以下至少一种：距离徙动校正、方位匹配滤波或相干积累。

10.一种宽带雷达回波的去斜一比特采集系统，其特征在于，包括：

去斜脉压装置，用于对目标回波信号进行去斜脉压处理，得到去斜的回波信号；

频移装置，用于对所述去斜的回波信号进行频移处理，得到频移的回波信号；其中，所述频移处理的频偏系数根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

采样装置，用于对所述频移的回波信号进行采样处理，得到高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号；其中，所述采样处理的采样频率根据所述去斜的回波信号中最大频率确定；

一比特量化装置，将所述高次谐波频谱与去斜的回波频谱分离的信号进行一比特量化处理，得到所述回波数据。

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