CN113176571A - 星载sar实时数字波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种星载SAR实时数字波束形成方法，包括：获取进行实时数字波束形成所需要的辅助参数；获取各通道误差补偿参数，并与所述辅助参数一起编码打包为指令包后上注到星载FPGA中；创建权值生成器，从而计算实时数字波束形成所需的权值系数；以及基于所述权值系数对多通道回波采样数据进行实时处理，完成数字波束形成输出。通过上述方法能够通过实时计算少量低阶线性多项式来获取大量高性能的权值；在DBF实时处理的同时，对多通道幅度和相位误差进行修正，能够解决系统对于高增益接收功能和高鲁棒性两方面的要求；对数字资源消耗量相对较低，大大提高了DBF‑SAR的工程可实现性，同时提升了系统的稳定性和通用性。

Description

星载SAR实时数字波束形成方法

技术领域

本公开涉及星载合成孔径雷达/数据处理技术领域，尤其涉及一种星载SAR实时数字波束形成方法。

背景技术

下一代合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)要求具备高分宽幅的对地观测能力，其中，俯仰向数字波束形成(Digital Beamforming，DBF)技术可以提供关键的技术支持。

目前，主要的DBF方法为：首先通过系统前端对多通道模拟信号进行接收，然后通过模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)将信号转化为数字信号，在FPGA中进行实时加权求和以完成数字波束形成。大部分的现有理论方案都默认，权值是事先储存在卫星的器件中的，但是，卫星有限的存储资源与海量的权值之间存在矛盾，另外，卫星并不总能与地面站建立可靠通信，预存权值的实时性是无法得到保障的，限制了DBF技术的发展与运用。

综上所述，如何高效地在卫星上实时在星上进行DBF是目前亟待解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种星载SAR实时数字波束形成方法，以缓解现有技术中卫星预存权值的实时性是无法得到保障的，限制了DBF技术的发展与运用等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种星载SAR实时数字波束形成方法，包括：获取进行实时数字波束形成所需要的辅助参数；获取各通道误差补偿参数，并与所述辅助参数一起编码打包为指令包后上注到星载FPGA中；创建权值生成器，从而计算实时数字波束形成所需的权值系数；以及基于所述权值系数对多通道回波采样数据进行实时处理，完成数字波束形成输出。

根据本公开实施例，所述获取进行实时数字波束形成所需要的少量辅助参数，包括：设定辅助计算机；选取所述辅助计算机的输入；以及通过辅助参数求解模型获取星载SAR实时数字波束形成所需要的辅助参数。

根据本公开实施例，所述辅助计算机包括：星上协处理器和/或者地面站的服务器。

根据本公开实施例，选取卫星轨道参数、成像模式、系统配置以及测绘带的星地几何关系作为所述辅助计算机的输入。

根据本公开实施例，所述辅助参数求解模型的表达式如下：

其中，k！代表k的阶乘，f^k′(0)代表函数在0点处的k阶导数，o(t^M)为变量为t的函数的M阶的佩亚诺余项。

根据本公开实施例，获取各通道误差补偿参数，包括：获取多通道间的幅度误差补偿信息、相位误差补偿信息和延时误差补偿信息；以及提取各通道相比参考通道的幅度误差修正因子、相位误差修正因子和时延误差修正因子。

根据本公开实施例，将相位误差并入各通道辅助参数中，有助于压缩指令包中的总空间。

根据本公开实施例，所述创建权值生成器，包括：获取任意通道的时变相位值；以及将时变相位值转化为对应的三角函数值，并结合幅度误差修正因子与相位误差修正因子完成权值生成器的创建。

根据本公开实施例，任意通道的时变相位值g_n(t)的计算模型为：

g_n(t)＝AO_n+A₁·t+A₂·t²+…+A_M·t^M；

其中，n为多通道中的任意一通道，AO_n代表了第n通道权值的初始相位，A₁到A_M对应了1到M阶的多项式系数，t是时间变量。

根据本公开实施例，所述权值生成器，生成的权值系数表示为：

ω_n(t)＝Amp_n·{cos(AF_n·g_n(t)+Pha_n)+1j·sin(AF_n·g_n(t)+Pha_n)}；

其中，Amp_n代表第n通道的幅度误差修正因子，AF_n代表第n通道的阵元因子，g_n(t)代表了用线性多项式生成的第n通道的时变相位，Pha_n代表了第n通道的相位误差修正因子。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开星载SAR实时数字波束形成方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能够通过实时计算少量低阶线性多项式来获取大量高性能的权值；

(2)可以在DBF实时处理的同时，对多通道幅度和相位误差进行修正，能够解决系统对于高增益接收功能和高鲁棒性两方面的要求；

(3)对数字资源消耗量相对较低，大大提高了DBF-SAR(数字波束形成-合成孔径雷达)的工程可实现性，同时提升了系统的稳定性和通用性。

附图说明

图1为本公开实施例的DBF-SAR工作模式示意图。

图2为本公开实施例的数字波束形成实时处理方法的主要流程示意图。

图3为本公开实施例的权值生成器的原理示意图。

图4为本公开实施例的数字波束形成实时处理方法的实时基带处理方案原理示意图。

图5为本公开实施例的数字波束形成实时处理方法的实时中频处理方案原理示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种星载SAR实时数字波束形成方法，能够以较低的代价实时地获得大量DBF所需要的高性能权值，解决下一代面向高分宽幅体制的星载SAR中DBF实时处理的工程可实现问题。

在实现本公开的过程中发明人发现，目前俯仰向DBF-SAR主要存在两种实时计算架构，其中一种架构是对总通道数为N(N为正整数，以具体系统设计为准)的多通中各通道数据分别做数字下变频后在基带完成实时加权求和，例如，假设1号通道为参考通道，则任意通道，例如第n(1≤n≤N)通道的时变加权系数可以表示为：

其中，j表示虚数单位，d表示天线在俯仰向上通道间的间距，λ表示发射信号的载频信号的波长，t表示距离向快时间，α(t)表示时变的回波下视角，β表示天线安装角，其星地几何关系如图1所示。这种在俯仰向接收端对多通道信号进行加权并求和的过程被称为扫描时接收(SCan-On-Receive，SCORE)，使用SCORE技术可以形成一个高增益低旁瓣的笔形波束跟踪从地面不同下视角散射的回波，从而提高宽测绘带内所有目标回波的整体接收增益，在SAR图像中的表现为信噪比的提升。值得注意的是，使用SCORE技术实现DBF会伴生脉冲延展损失(Pulse Extent Loss，PEL)的现象，PEL会降低每个目标的能量从而导致合成信号整体质量的降低，为了降低PEL现象对于系统信噪比的负面作用，可以通过引入一个有限响应(finite impulse response，FIR)滤波器来解决这个问题。该FIR滤波器的系统函数表示为：

其中，K_r代表了发射的线性调频信号的调频率，ζ_c代表了场景中心处的下视角函数的导数值，上式系统函数对应了一个具有小数采样时间延迟能力的组件，其延迟的时间量为：

另一种俯仰向DBF-SAR实时处理框架是直接在中频对信号做加权求和，再分别做数字下变频得到正交解调合成后的IQ信号，假设1号通道为参考通道，则第n(1≤n≤N)通道的时变加权系数(权值)分为余弦项和正弦项两部分，表达式如下：

其中，d代表阵元间距，λ代表射频信号载波的波长，α(t-Δt_n)是时变下视角函数，t是距离向快时间，Δt_n是为了降低脉冲展宽损失所补偿的延迟量，β代表了天线安装角，f_IF代表中频信号的中心频率。

通过对上述权值表达式进行观察可以发现，除了常量成分，其中还存在随时间缓慢变化的成分，因此通过提取少量关键成分(参数)，星载设备就可以基于这些参数实时计算少量低阶线性多项式来获取大量高性能的权值。同时，还可以在DBF实时处理的同时，对多通道幅度和相位误差进行修正，从而能够解决系统对于高增益接收功能和高鲁棒性两方面的要求。上述第n通道的时变加权系数的表达式中的时变函数是一样的，均为sin(α(t-Δt_n)-β)，因此可以进一步给出该时变函数的解析表达式为：

其中，H_r表示天线与地心距离，c表示光速，t表示距离向快时间，T₀表示天线发射脉冲经由场景中心目标后向散射回到天线前端的双程时间，R_e表示地球的参考半径，其星地几何关系如图1所示。

通过上述时变函数的解析表达式可以看出，为了得到上述的时变函数结果，需要求解其中的反三角和除法，而星载FPGA环境中并不能直接求解反三角，因为没有现成的IP核或求解模块可供调用，为了解决这个问题，可以通过对时变函数进行多项式逼近来获取高性能的近似解。

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，提供一种星载SAR实时数字波束形成方法，结合图1至图5所示，所述星载SAR实时数字波束形成方法，包括：

操作S1：获取进行实时数字波束形成所需要的少量辅助参数；

操作S1，包括：

操作S11：设定辅助计算机；

所述辅助计算机可以是星上协处理器和/或者地面站的服务器；

操作S12：选取所述辅助计算机的输入；

在本公开实施例中，可以选取卫星轨道参数、成像模式、系统配置以及测绘带的星地几何关系作为所述辅助计算机的输入；

操作S13：通过辅助参数求解模型获取星载SAR实时数字波束形成所需要的辅助参数；

在本公开实施例中，通过辅助参数求解模型提前计算系统完成实时波束形成所需要的辅助参数，所述辅助参数求解模型的表达式如下：

其中，k！代表k的阶乘，f^k′(0)代表函数在0点处的k阶导数，o(t^M)为变量为t的函数的M阶的佩亚诺余项。

操作S2：获取各通道误差补偿参数，并与所述辅助参数一起编码打包为指令包后上注到星载FPGA中。

操作S2，包括：

操作S21，获取多通道间的幅度误差补偿信息、相位误差补偿信息和延时误差补偿信息。

通过辅助计算机中对多通道的定标数据进行分析，提取通道间的幅度、相位和延时误差信息。使用一些成熟且易实现的解析算法(如：相关法)对定标数据进行分析估计，即可在较低的实现成本下获取相对可靠的上述误差补偿信息。

操作S22，提取各通道相比参考通道的幅度误差修正因子、相位误差修正因子和时延误差修正因子。

获取上述误差补偿信息后，提取各通道相比参考通道的误差修正因子，例如第n通道相比参考通道的幅度误差修正因子Amp_n、相位误差修正因子Pha_n和时延误差修正因子Tim_n。

将S1中计算出的辅助参数与估计出的修正因子一并编码到指令包中，传输到星上计算机或星载FPGA中。由于辅助参数A₀对应于时变函数的初始相位，可对不同通道配置不同的辅助参数，例如第n通道的辅助参数为AO_n参数，并将相位误差并入该辅助参数AO_n中，每个通道独有自己的一个AO_n，共享A₁～A_M，有助于压缩指令包中参数占用的总空间。

操作S3：创建权值生成器，并从而计算实时数字波束形成所需的权值系数；

在卫星端解析收到指令包后，将权值计算的辅助参数通过内部总线分配到数字系统的FPGA中，创建权值生成器后，基于辅助参数在FPGA中实时计算出大量DBF-SAR成像工作时需要的权值系数；操作S3，包括：

操作S31：先获取任意通道的时变相位值；

在本公开实施例中，第n通道的时变相位计算模型为：

g_n(t)＝AO_n+A₁·t+A₂·t²+…+A_M·t^M；

其中，AO_n代表了第n通道权值的初始相位，A₁到A_M对应了1到M阶的多项式系数，t是时间变量。

操作S32：将时变相位值转化为对应的三角函数值，并结合幅度误差修正因子与相位误差修正因子完成权值生成器的创建。

在本公开实施例中，可以通过CORDIC模块将时变相位转化为对应的三角函数值，并结合幅度误差修正因子与相位误差修正因子创建权值生成器，生成的权值可以表示为：

ω_n(t)＝Amp_n·{cos(AF_n·g_n(t)+Pha_n)+1j·sin(AF_n·g_n(t)+Pha_n)}；

其中，Amp_n代表第n通道的幅度误差修正因子，AF_n代表第n通道的阵元因子，g_n(t)代表了用线性多项式生成的第n通道的时变相位，Pha_n代表了第n通道的相位误差修正因子。

当权值生成速率与采样率相等时，将获得最佳的接收增益效果。通过适当降低权值的生成速率，可以缩短流水线的长度从而降低系统的实现复杂度，在接收增益和系统资源消耗之间取得平衡。

操作S4：基于所述权值系数对多通道回波采样数据进行实时处理，完成数字波束形成输出。

在本公开实施例中，基于所获得的权值系数对多路数据经过数字下变频、加权、延迟、通道误差矫正等流水处理后，最终实时合成为一路数据作为输出，星载SAR实时数字波束形成。其中，幅度和相位误差补偿是在加权阶段同时完成的，而时延误差补偿是在使用FIR降低PEL影响的阶段同时完成的。在数字波束形成中，不含误差校正的延迟操作有助于降低脉冲延展损失带来的信噪比降低现象。

在本公开实施例中，参照图3所示的实时处理框架实时生成的权值系数，模块在星上基于A参数进行简单的乘法和加法操作得到所需要的时变相位函数，借助CORIDC模块计算出复权值，由于计算出的权值考虑了幅度误差和相位误差的补偿，因此该权值还具有补偿系统通道间幅度和相位误差的能力。

在本公开实施例中，参照图4所示的实时基带处理框架，将参照图3所示的权值生成器计算出的权值系数，对各通道信号进行加权处理，然后根据预设的延迟量对每个通道做不同程度的固定延迟，即可在基带完成实时数字波束形成的同时校正通道间的幅度、相位和延迟误差。

在本公开实施例中，参照图5所示的实时中频处理框架，将参照图3所示的权值生成器计算出的权值系数，对各通道信号进行加权处理，然后根据预设的延迟量对每个通道做不同程度的固定延迟，即可在中频完成实时数字波束形成的同时校正通道间的幅度、相位和延迟误差。本框架相比图4所示的框架的优势在于，以设计复杂度的提升，降低硬件的资源消耗量，在具体的工程设计中可以考虑实际情况来选择图4或图5的方案作为数字波束形成实时处理的解决方案。

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星载SAR实时数字波束形成方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种星载SAR实时数字波束形成方法，该方法极大的降低了星载DBF权值实时计算的复杂度和硬件资源需求，与现有的实时DBF处理系统兼容，解决了在星上实时实现DBF合成难题，保证足够低的数字资源占用，大大提高了星载DBF-SAR实时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。

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 (10)

1.一种星载SAR实时数字波束形成方法，包括：

获取进行实时数字波束形成所需要的辅助参数；

获取各通道误差补偿参数，并与所述辅助参数一起编码打包为指令包后上注到星载FPGA中；

创建权值生成器，从而计算实时数字波束形成所需的权值系数；以及

基于所述权值系数对多通道回波采样数据进行实时处理，完成数字波束形成输出。

2.根据权利要求1所述的星载SAR实时数字波束形成方法，所述获取进行实时数字波束形成所需要的少量辅助参数，包括：

设定辅助计算机；

选取所述辅助计算机的输入；以及

通过辅助参数求解模型获取星载SAR实时数字波束形成所需要的辅助参数。

3.根据权利要求2所述的星载SAR实时数字波束形成方法，所述辅助计算机包括：星上协处理器和/或者地面站的服务器。

4.根据权利要求2所述的星载SAR实时数字波束形成方法，选取卫星轨道参数、成像模式、系统配置以及测绘带的星地几何关系作为所述辅助计算机的输入。

5.根据权利要求2所述的星载SAR实时数字波束形成方法，所述辅助参数求解模型的表达式如下：

其中，k！代表k的阶乘，f^k′(0)代表函数在0点处的k阶导数，o(t^M)为变量为t的函数的M阶的佩亚诺余项。

6.根据权利要求1所述的星载SAR实时数字波束形成方法，获取各通道误差补偿参数，包括：

获取多通道间的幅度误差补偿信息、相位误差补偿信息和延时误差补偿信息；以及

提取各通道相比参考通道的幅度误差修正因子、相位误差修正因子和时延误差修正因子。

7.根据权利要求6所述的星载SAR实时数字波束形成方法，将相位误差并入各通道辅助参数中，有助于压缩指令包中的总空间。

8.根据权利要求1所述的星载SAR实时数字波束形成方法，所述创建权值生成器，包括：

获取任意通道的时变相位值；以及

将时变相位值转化为对应的三角函数值，并结合幅度误差修正因子与相位误差修正因子完成权值生成器的创建。

9.根据权利要求8所述的星载SAR实时数字波束形成方法，任意通道的时变相位值g_n(t)的计算模型为：

g_n(t)＝A0_n+A₁·t+A₂·t²+…+A_M·t^M；

其中，n为多通道中的任意一通道，A0_n代表了第n通道权值的初始相位，A₁到A_M对应了1到M阶的多项式系数，t是时间变量。

10.根据权利要求8所述的星载SAR实时数字波束形成方法，所述权值生成器，生成的权值系数表示为：

ω_n(t)＝Amp_n·{cos(AF_n·g_n(t)+Pha_n)+1j·sin(AF_n·g_n(t)+Pha_n)}；

其中，Amp_n代表第n通道的幅度误差修正因子，AF_n代表第n通道的阵元因子，g_n(t)代表了用线性多项式生成的第n通道的时变相位，Pha_n代表了第n通道的相位误差修正因子。

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