CN111736124B - 雷达信号通道误差处理方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种雷达信号通道误差处理方法，包括：将各通道信号放大并下变频到中频后进行采样和量化，得到各通道的数字信号；将各通道数字信号的有限帧数据经数字解调得到有限帧基带信号；根据得到有限帧基带信号提取各通道相对于参考通道的通道误差量；通道误差量包括：幅度误差、相位误差和延迟误差；将提取的延迟误差集成到数字波束形成处理中用于补偿脉冲延展损失的延时滤波器中；将幅度误差、相位误差拆分为正弦和余弦分量并集成到中频加权系数中，进而得到更新的加权系数；以及使用得到的更新加权系数对各通道信号加权得到两路中频信号，进而进行数字正交解调得到最终基带输出信号，完成雷达信号通道误差处理。

Description

雷达信号通道误差处理方法

技术领域

本公开涉及雷达数据处理技术领域，尤其涉及一种雷达信号通道误差处理方法。

背景技术

为保证星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)在高分辨率宽幅成像场景下的系统性能，如等效噪声后向散射系数与距离模糊等，DBF(DigitalBeamforming，数字波束形成)扫描接收技术具备很大的应用潜力，DBF扫描接收的工作原理如图1所示。发射时，天线以俯仰向宽波束进行宽幅覆盖，接收时，天线在俯仰向的多个接收子孔径分别以宽波束接收回波信号。各通道信号分别被低噪声放大并下变频到中频后送至数据采集器进行采样量化用于DBF合成处理。DBF合成处理等效产生一个在俯仰向扫描跟踪回波的高增益窄波束，从而改善系统测绘性能，但对各通道信号进行DBF合成处理时消耗数字处理资源较大，效率较低。

在实现本公开构思的过程中，发明人发现如何对多通道中频信号进行高效的通道误差补偿是一个亟待解决的技术问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种雷达信号通道误差处理方法，以缓解现有技术中雷达数据DBF合成处理时消耗数字处理资源较大，效率较低等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种雷达信号通道误差处理方法，包括：操作S1：将各通道信号放大并下变频到中频后进行采样和量化，得到各通道的数字信号；操作S2：将操作S1中各通道数字信号的有限帧数据经数字解调得到有限帧基带信号；操作S3：根据操作S2中得到的有限帧基带信号提取各通道相对于参考通道的通道误差量；通道误差量包括：幅度误差、相位误差和延迟误差；操作S4：将操作S3提取的延迟误差集成到数字波束形成处理中用于补偿脉冲延展损失的延时滤波器中；操作S5：将幅度误差、相位误差拆分为正弦和余弦分量并集成到中频加权系数中，进而得到更新的加权系数；以及操作S6：使用操作S5得到的更新加权系数对各通道信号加权求和得到两路中频信号，进而进行数字正交解调得到最终基带输出信号，完成雷达信号通道误差处理。

在本公开实施例中，所述操作S1，包括：

操作S11：雷达发射机以俯仰向单通道小孔径发射线性调频信号覆盖大幅宽测绘带；以及

操作S12：俯仰向以多个接收孔径接收地面回波，经放大并下变频到中频后分别采样存储。

在本公开实施例中，操作S4中，将操作S3提取的所述延迟误差Δt_i集成到FIR延迟滤波器中，得到第i通道延迟量为：

其中，c为电磁波传播速度，

为θ(t)在测绘区域中心对距离时间t的一阶偏导值，d为多通道天线的通道间距，θ_c表示测绘带中心视角，β_c为天线安装角，K_r为发射信号调频斜率，λ为发射信号载波波长，t为距离快时间，t_c为测绘带中心点目标回波时间。

在本公开实施例中，第i通道幅相误差的复数形式可表示为：

其中，j满足j²＝-1，ΔA_i为操作S3提取的幅度误差，

为操作S3提取的相位误差。

在本公开实施例中，将所述幅相误差拆分成余弦项

和正弦项/>

并集成至中频加权系数中。

在本公开实施例中，中频加权系数为：

其中，D_i为第i通道用于补偿脉冲延展损失的延迟量，表示为：

其中，c为电磁波传播速度，

为θ(t)在测绘区域中心对距离时间t的一阶偏导值，K_r为发射信号调频斜率，t为距离快时间，t_c为测绘带中心点目标回波时间；d表示天线俯仰向子孔径间距，λ表示发射信号载波波长，θ(t)为时变的回波方向下视角，θ_c表示测绘带中心视角，β_c为天线安装角，f₁为中频频率，ω′_ci(t)表示更新中频加权系数余弦项，ω′_si(t)表示更新中频加权系数正弦项。

在本公开实施例中，根据所述更新加权系数对各通道信号加权求和得到两路中频信号，进而进行数字正交解调得到最终合成的单通道基带输出信号，完成雷达信号通道误差处理。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开雷达信号通道误差处理方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能够更高效的在中频信号上进行误差校正。

(2)不改变系统结构，数字资源占用低；

(3)DBF处理的工程可实现性提高。

(4)便于在星上实时实现。

附图说明

图1为DBF SAR扫描接收示意图。

图2为DBF的传统基带处理流程示意图。

图3为DBF的中频数字处理流程示意图。

图4为本公开实施例的雷达信号通道误差处理方法的原理示意图。

图5为本公开实施例的雷达信号通道误差处理方法的流程示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种雷达信号通道误差处理方法，具体来说为俯仰向数字波束形成实时处理方案的通道误差校正方法，能够解决在中频信号上进行误差校正的难题，同时不改变系统结构，保证足够低的数字资源占用，大大提高DBF处理的工程可实现性。

发明人在实现本公开过程中发现，DBF处理时将各通道信号分别进行数字正交解调得到基带信号，在基带对信号进行处理。以第一通道为参考通道，第i通道的时变加权系数为：

其中，d表示天线俯仰向子孔径间距，j满足j²＝-1，t表示距离时间，λ表示发射信号载波波长，θ(t)为时变的回波方向下视角，β_c为天线安装角。为校正脉冲延展损失的影响，可对加权后的信号使用有限冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器进行延时处理，第i通道用于校正脉冲延展损失的延时量D_i可表示为：

其中c为电磁波传播速度，

为θ(t)在测绘区域中心对距离时间t的一阶偏导值，d为多通道天线的通道间距，θ_c表示测绘带中心视角，β_c为天线安装角，K_r为发射信号调频斜率，λ为发射信号载波波长，t为距离快时间，t_c为测绘带中心点目标回波时间。

之后将各通道信号进行求和处理即得到DBF合成处理后的信号，其处理过程如图2所示，总通道数Nr(Nr≥2)；其中IF_i(t)表示第i通道的中频数字信号；IF_Nr(t)为第Nr通道中的中频数字信号。该处理流程对每个通道的信号分别进行了数字正交解调，而数字正交解调对于星上数字处理资源的消耗是很大的。

为降低对星上数字处理资源的消耗，直接在中频对信号进行DBF合成的处理方案具有很大的优势，即俯仰向DBF的实时处理方案，其处理流程如图3所示。首先将各通道中频信号进行延时处理，延时后的中频信号使用两组加权系数分别进行加权求和处理得到两路中频信号。所使用的两组加权系数为公式(1)的加权系数拆分为正弦项和余弦项并考虑前面的延时处理得到，可表示为：

其中，ω_ci(t)表示原中频加权系数余弦项，ω_si(t)表示原中频加权系数正弦项。

之后使用图3中所示的数字正交解调方案对两路中频信号进行正交解调，得到一路基带输出(图3中所示I、Q两路为基带输出的实部和虚部)。由于解调时所用的中频信号路数远低于图2中所示的路数，图3所示的方案可以大大降低对星上数字处理资源的占用。图3中所示的中频处理流程可以大大降低对星上数字处理资源的占用，但是由于多通道信号在中频就合成为两路，通道间的幅度、相位和延迟误差也必须在中频信号上进行校正。由此，本公开的主要目的在于提出一种雷达信号通道误差处理方法，解决在中频信号上进行误差校正的难题。由于不改变系统结构，本误差校正方法不会提高对星上数字资源的占用，仍可基于图3所示的处理流程进行处理，在提取出系统误差后只需更新各通道的时间延迟量及有关加权系数即可。

在实现本公开的过程中，发明人发现在中频进行DBF合成处理可以有效降低对数字处理资源的消耗，但是由于多通道信号在中频即进行了合成，通道间的幅度、相位和采样延迟误差也必须在中频进行合成。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种雷达信号通道误差处理方法，结合图4和图5所示，所述通道误差校正方法，包括：

操作S1：将各通道信号放大并下变频到中频后进行采样和量化，得到各通道的数字信号；

所述操作S1，包括：

操作S11：雷达发射机以俯仰向单通道小孔径发射线性调频信号覆盖大幅宽测绘带；以及

操作S12：俯仰向以多个接收孔径接收地面回波，经放大并下变频到中频后分别采样存储；

在本公开实施例中，SAR发射机以一定的脉冲重复频率发射线性调频信号照射地面对应测绘区域。俯仰向使用多通道天线接收信号，每个通道天线方向图均覆盖整个测绘带。将每个通道接收到的回波信号分别进行低噪放大并下变频到中频(原始中频)，之后进行数字采样和存储用于后续处理。

操作S2：将操作S1中各通道数字信号的有限帧数据经数字解调得到有限帧基带信号；

将原始中频数字信号的有限帧数据经数字解调得到基带信号，此处所用帧数根据需要确定，一般帧数越多则误差提取精度越高。

操作S3：根据操作S2中得到的有限帧基带信号提取各通道相对于参考通道的通道误差量；通道误差量包括：幅度误差、相位误差和延迟误差；

使用得到的基带信号提取出第i通道相对于参考通道的幅度误差ΔA_i、相位误差

和延迟误差Δt_i。

操作S4：将操作S3提取的延迟误差集成到数字波束形成处理中用于补偿脉冲延展损失的延时滤波器中；

对于通道间的延迟误差Δt_i，可将其集成到数字波束形成处理中用于补偿脉冲延展损失的延时滤波器中，得到延迟量为：

操作S5：将幅度误差、相位误差拆分为正弦和余弦分量并集成到中频加权系数中，进而得到更新的加权系数；

原中频处理加权系数为：

其中ω_ci(t)表示原中频加权系数余弦项，ω_si(t)表示原中频加权系数正弦项。ω_ci(t)和ω_si(t)用来对原始中频数字信号进行加权求和，得到所述两路中频信号，f₁为中频频率。

第i通道的幅相误差可表示为

将提取的通道间幅相误差拆分成余弦项/>

和正弦项/>

之后将其集成到公式(3)所示的原中频处理加权系数中，得到更新后的加权系数，则更新加权系数为：

操作S6：使用操作S5得到的更新加权系数对各通道信号加权求和得到两路中频信号，进而进行数字正交解调得到最终基带输出信号，完成雷达信号通道误差处理。

参照图3所示的处理框架，使用各通道更新的延迟量和加权系数对信号进行处理，即可在完成DBF处理的同时有效校正通道间的幅度、相位和采样延迟误差。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开雷达信号通道误差处理方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种雷达信号通道误差处理方法，该通道误差校正方法不改变系统结构，解决了在中频信号上进行误差校正的难题，保证足够低的数字资源占用，大大提高DBF处理的工程可实现性。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种雷达信号通道误差处理方法，包括：

操作S1：将各通道信号放大并下变频到中频后进行采样和量化，得到各通道的数字信号；

操作S2：将操作S1中所述各通道数字信号的有限帧数据经数字解调得到有限帧基带信号；

操作S3：根据操作S2中得到的有限帧基带信号提取各通道相对于参考通道的通道误差量；通道误差量包括：幅度误差、相位误差和延迟误差；

操作S4：将操作S3提取的延迟误差集成到数字波束形成处理中用于补偿脉冲延展损失的延时滤波器中；

操作S5：将幅度误差、相位误差拆分为正弦和余弦分量并集成到中频加权系数中，进而得到更新的加权系数；以及

操作S6：使用操作S5得到的更新加权系数对各通道信号加权求和得到两路中频信号，进而进行数字正交解调得到最终基带输出信号，完成雷达信号通道误差处理；

第i通道幅相误差的复数形式可表示为：

其中，j满足j²＝-1，ΔA_i为操作S3提取的幅度误差，

为操作S3提取的相位误差；将幅相误差拆分成余弦项/>

和正弦项/>

并集成至中频加权系数中；更新的中频加权系数为：

其中，ω′_ci(t)表示更新中频加权系数余弦项，ω′_si(t)表示更新中频加权系数正弦项，D_i为第i通道用于补偿脉冲延展损失的延迟量，t为距离快时间，d表示天线俯仰向子孔径间距，λ表示发射信号载波波长，θ(t-D_i)为时变的回波方向下视角，β_c为天线安装角，f₁为中频频率。

2.根据权利要求1所述的雷达信号通道误差处理方法，所述操作S1，包括：

操作S11：雷达发射机以俯仰向单通道小孔径发射线性调频信号覆盖大幅宽测绘带；以及

操作S12：俯仰向以多个接收孔径接收地面回波，经放大并下变频到中频后分别采样存储。

3.根据权利要求1所述的雷达信号通道误差处理方法，在操作S4中，将操作S3提取的所述延迟误差Δt_i集成到FIR延迟滤波器中，得到第i通道延迟量为：

其中，c为电磁波传播速度，

为θ(t)在测绘区域中心对距离时间t的一阶偏导值，θ_c表示测绘带中心视角，K_r为发射信号调频斜率，t_c为测绘带中心点目标回波时间。

4.根据权利要求1所述的雷达信号通道误差处理方法，

其中，第i通道用于补偿脉冲延展损失的延迟量D_i表示为：

其中，c为电磁波传播速度，

为θ(t)在测绘区域中心对距离时间t的一阶偏导值，K_r为发射信号调频斜率，t_c为测绘带中心点目标回波时间；θ(t)为时变的回波方向下视角，θ_c表示测绘带中心视角。

5.根据权利要求1所述的雷达信号通道误差处理方法，根据所述更新加权系数对各通道信号加权求和得到两路中频信号，进而进行数字正交解调得到最终合成的单通道基带输出信号，完成雷达信号通道误差处理。

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