CN111983580B - 雷达信号频率色散处理方法 - Google Patents

雷达信号频率色散处理方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种雷达信号频率色散处理方法，包括：雷达俯仰向以多子孔径接收回波生成多通道信号后放大并下变频到中频进行采样和量化，得到各通道的中频数字信号；使用M路中频数字波束形成器分别加权处理所述中频数字信号后进行求和，得到2*M路中频信号，其中M≥2；将所述2*M路中频信号经数字解调得到M路基带输出信号，并在数字解调时使用带通滤波器取出各路输出的高增益频带片段；以及将所述M路基带输出信号合成得到全带宽高增益输出信号。

Description

雷达信号频率色散处理方法
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频率色散处理方法。
背景技术
星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)要获取实用的高分辨率宽幅成像能力，有效保证图像的信噪比和距离模糊等性能，俯仰向DBF(DigitalBeamforming，数字波束形成)接收技术将发挥不可替代的重要作用。俯仰向DBF技术的工作原理如图1所示。发射时，天线以俯仰向宽波束覆盖地面的宽测绘区域；接收时，天线在俯仰向的多个接收通道分别以宽接收波束接收地面的回波信号。各通道的信号分别独立地被低噪声放大并下变频到中频后进行采样量化用于后续处理。俯仰向DBF处理等效于用一个在俯仰向实时扫描的高增益窄波束接收地面回波。因此，俯仰向DBF接收技术可以大大提高系统信噪比和距离模糊等性能，有效保证星载SAR在高分辨率宽幅成像场景下的测绘性能。传统的俯仰向DBF处理会占用较多的数字处理资源，而星上数字资源又是非常有限的。DBF中频处理技术对于降低星上数字资源消耗，提高DBF技术的工程可实现性具有重要意义。
但在后续的雷达数据处理时会出现频率色散问题，在实现本公开构思的过程中，发明人发现如何处理频率色散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频率色散处理方法，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，频率色散严重等技术问题。
(二)技术方案
本公开实施例提供一种雷达信号频率色散处理方法，包括：
操作S1：雷达俯仰向以多子孔径接收回波生成多通道信号后放大并下变频到中频进行采样和量化，得到各通道的中频数字信号；
操作S2：使用M路中频数字波束形成器分别加权处理所述中频数字信号后进行求和，得到2*M路中频信号，其中M≥2；
操作S3：将所述2*M路中频信号经数字解调得到M路基带输出信号；以及
操作S4：将所述M路基带输出信号合成得到全带宽高增益输出信号。
在本公开实施例中，所述M路中频数字波束形成器的中频加权系数对应不同指向的M个子波束。
在本公开实施例中，所述M个子波束共同覆盖回波下视角范围。
在本公开实施例中，所述M路中频数字波束形成器中第i路中频数字波束形成器对应于第k通道的中频加权系数的余弦项和正弦项可分别表示为：
其中，表示生成的相邻子波束互相偏离的角度，d表示天线的子孔径间距，c表示光速，t表示距离时间，θ(t)表示回波方向的下视角，βc表示天线安装角，λi表示第i个中频数字波束形成器所取频段对应的等效波长。
在本公开实施例中，所述表示为：
其中，表示t时刻地面回波覆盖的下视角范围。
在本公开实施例中，所述表示为：
其中，Tp表示脉宽，Rse表示卫星轨道半径，Re表示地球半径。
在本公开实施例中，所述操作S3，对每路中频数字波束形成器输出的两路中频信号进行数字解调，以带通滤波器滤出高增益频带片段，得到M段高增益窄频带信号。
在本公开实施例中，操作S4中，将各路中频数字波束形成器输出的M段高增益窄频带信号合成为全带宽高增益的基带输出信号。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开雷达信号频率色散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)能够有效解决DBF处理的频率色散问题。
(2)基于中频信号处理，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频率色散处理方法的原理示意图。
图5为本公开实施例的雷达信号频率色散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频率色散处理方法，具体为适用于DBF SAR中频处理架构的色散校正方法，解决在未来高分辨率宽幅成像场景中DBF中频处理的工程可实现性问题。
在实现本公开的过程中，发明人发现，雷达信号发射时，天线以俯仰向宽波束覆盖地面的宽测绘区域；接收时，天线在俯仰向的多个接收通道分别以宽接收波束接收地面的回波信号。各通道的信号分别独立地被低噪声放大并下变频到中频后进行采样量化用于后续处理。俯仰向DBF处理等效于用一个在俯仰向实时扫描的高增益窄波束接收地面回波。因此，俯仰向DBF接收技术可以大大提高系统信噪比和距离模糊等性能，有效保证星载SAR在高分辨率宽幅成像场景下的测绘性能。
俯仰向DBF处理目前主要存在两种实现的方法，其一是在将各通道信号分别进行数字正交解调得到基带信号后对基带信号进行处理，如图2所示。在Nr(Nr≥2)个系统通道中，假设以第一通道为参考通道，则第k(Nr≥k≥1)通道的时变加权系数可表示为：
其中d表示天线俯仰向子孔径间距，λc表示发射信号载波波长，θ(t)为时变的回波方向下视角，βc为天线安装角。Dk表示用于校正脉冲延展损失的影响对第k通道进行的FIR延时量。加权延时后将各通道信号求和处理即可，IFk(t)表示第k通道的中频数字信号。
另一种处理方案则直接在中频数字信号上进行加权求和处理，如图3所示。其将加权求和操作前移到中频信号，将数字解调操作后移，减少了需要进行数字解调的信号路数，从而大大减小了对系统数字资源的占用。用于中频信号加权的第k通道的加权系数余弦项和正弦项可表示为：
使用上述系数加权后得到两路中频信号，再使用图3中所示改进的数字解调方案即可得到一路基带输出信号用于后续成像处理。但上述两种处理方案的加权系数均使用载波波长进行处理，即将发射信号近似为单频信号进行处理。这种近似对于窄带信号是可行的，但是对于宽带信号来说，不同频率的信号分量对应的波长差别会很大，这种近似处理会引起波束指向偏差，定义为DBF处理的频率色散。频率色散在上述两种处理方案中都是存在的。目前，中频处理方案要在未来高分辨率宽幅SAR系统中真正实现工程化应用，频率色散问题也必须得到有效解决。
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。
本公开使用多路中频数字波束形成器并行工作生成多个不同指向的窄波束接收回波，分别高增益接收信号频谱的一部分。之后在数字解调时将各波束接收的高增益频谱片段取出并合成为全带宽高增益输出信号。
在本公开实施例中，提供一种雷达信号频率色散处理方法，如图4所示，所述雷达信号频率色散处理方法，包括：
操作S1：雷达俯仰向以多子孔径接收回波生成多通道信号后放大并下变频到中频进行采样和量化，得到各通道的中频数字信号；
在本公开实施例中，信号发射时，SAR天线以恒定的脉冲重复频率发射宽带线性调频信号照射俯仰向宽测绘区域，宽带信号用于获取距离向高分辨率。接收时，天线在俯仰向的Nr个接收通道分别以宽接收波束接收地面的回波信号生成多通道信号，每个通道的波束均覆盖整个测绘区域。
将各通道接收到的回波分别进行低噪放大并下变频得到模拟域中频信号，之后对上述模拟域中频信号进行采样和存储用于后续处理。
操作S2：使用M路中频数字波束形成器分别加权处理所述中频数字信号后进行求和，得到2*M路中频信号，其中M≥2；
在本公开实施例中，所述M路中频加权系数对应不同指向的M个子波束；所述M个子波束共同覆盖回波下视角范围。
在本公开实施例中，所述多路中频数字波束形成器中第i路中频数字波束形成器对应于第k通道的中频加权系数的余弦项和正弦项可分别表示为：
其中，表示生成的相邻子波束互相偏离的角度，其表示为：
表示t时刻地面回波覆盖的下视角范围，其可表示为：
其中，d表示DBF天线的子孔径间距，c表示光速，t表示距离时间，θ(t)表示回波方向的下视角，βc表示天线安装角，λi表示第i个中频数字波束形成器所取频段对应的等效波长，Tp表示脉宽，Rse表示卫星轨道半径，Re表示地球半径。
使用上述M路中频加权系数加权Nr个通道中频信号后分别求和得到2*M路中频信号，M≥2。
操作S3：将所述2*M路中频信号经数字解调得到M路基带输出信号。
在本公开实施例中，通过图4所示的数字解调方案得到解调后的M路基带信号，其中BPF表示带通滤波器，其对应各子波束接收的高增益频谱片段，对每路中频数字波束形成器输出的两路中频信号进行数字解调，以带通滤波器滤出高增益频带片段，得到M段高增益窄频带信号。
操作S4：将所述M路基带输出信号合成得到全带宽高增益基带输出信号。
将各路中频数字波束形成器输出的M段高增益窄频带信号合成为全带宽高增益的基带输出信号用于后续成像处理，进而完成雷达信号的频率色散处理。本公开中所述高增益指相对于传统处理方法信号增益的提升。
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频率色散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频率色散处理方法，使用多路中频数字波束形成器并行工作生成多个不同指向的窄波束接收回波，分别高增益接收信号频谱的一部分。之后在数字解调时将各波束接收的高增益频谱片段取出并合成为全带宽高增益输出信号。
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。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 (6)

1.一种雷达信号频率色散处理方法，包括：
操作S1：雷达俯仰向以多子孔径接收回波生成多通道信号后放大并下变频到中频进行采样和量化，得到各通道的中频数字信号；
操作S2：使用M路中频数字波束形成器分别加权处理所述中频数字信号后进行求和，得到2*M路中频信号，其中M≥2；
操作S3：将所述2*M路中频信号经数字解调得到M路基带输出信号；其中，对每路中频数字波束形成器输出的两路中频信号进行数字解调，以带通滤波器滤出高增益频带片段，得到M段高增益窄频带信号；以及
操作S4：将所述M路基带输出信号合成得到全带宽高增益输出信号；
其中，所述M路中频数字波束形成器中第i路中频数字波束形成器对应于第k通道的中频加权系数的余弦项和正弦项可分别表示为：
其中，表示生成的相邻子波束互相偏离的角度，d表示天线的子孔径间距，t表示距离时间，θ(t)表示回波方向的下视角，βc表示天线安装角，λi表示第i个中频数字波束形成器所取频段对应的等效波长。
2.根据权利要求1所述的雷达信号频率色散处理方法，所述M路中频数字波束形成器的中频加权系数对应不同指向的M个子波束。
3.根据权利要求2所述的雷达信号频率色散处理方法，所述M个子波束共同覆盖回波下视角范围。
4.根据权利要求1所述的雷达信号频率色散处理方法，所述表示为：
其中，表示t时刻地面回波覆盖的下视角范围。
5.根据权利要求4所述的雷达信号频率色散处理方法，所述表示为：
其中，Tp表示脉宽，Rse表示卫星轨道半径，Re表示地球半径，c表示光速。
6.根据权利要求1所述的雷达信号频率色散处理方法，操作S4中，将各路中频数字波束形成器输出的M段高增益窄频带信号合成为全带宽高增益的基带输出信号。
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