CN113296064B - 一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合成孔径雷达硬件技术领域，为一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统，校准发射装置通过天线向空气中发射基于Frank序列的伪随机波形，多个合成孔径雷达接收通道分别从空气中接收相应的波形信号，经过快速变换后与本地参考信号进行比对得到相应波形信号的时延差，将相应通道的时延差补偿到后续信号处理中即可。该方案采用Frank序列凭借其卓越的0旁瓣的性能，可将时延分辨率精确到一个采样点。通过超分辨算法可进一步提高该时延分辨率。同时，基于该伪随机序列的通道时延估计方法可大大提高处理信噪比，信噪比的提升增益与伪随机码的码长密切相关，选取合适的伪随机码可大大提高处理增益，进一步提高通道时延估计精度。

Description

一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统。

背景技术

SAR(Synthetic Aperture Radar)，即合成孔径雷达，是一种主动式的对地观测系统。SAR雷达凭借其卓越的成像技术广泛挂载在卫星、飞机等机动平台。SAR雷达通过单发多收的成像体制以及机动平台的移动，可对目标进行清晰、大范围的成像。SAR雷达多个射频接收通道的一致性对成像精确度起到至关重要的作用。现有的SAR雷达多个射频通道校准方案最接近的实现方案是：采用脉冲法，外界通过发送一个脉冲信号，SAR雷达多个接收通道对其进行接收，通过标记多个通道接收到的脉冲到达时间对各个通道进行时延补偿。

现有的校准装置通过天线向外发送脉冲信号，SAR雷达多个接收通道通过各自的射频系统接收该脉冲信号，通过相应的算法提取该脉冲前沿，计算得出相对基准的时间差Δt₀、Δt₁到Δt_n-1，然后通过相应的算法将这些时延差在后续的信号处理中补偿进去，以便更加精确的对目标进行测量。脉冲信号经过信道后边沿的高频突变部分会被成型滤波器滤出，变成如sinc函数般的相位连续变化的波形状态，故脉冲信号的上升沿变的模糊，多个接收通道在对脉冲的上升沿进行检测时检测的起始点不能完全保持一致，故会产生一定的时延模糊；除此外，脉冲信号经过空气信道后衰减严重，多个接收通道接收的信号信噪比较低，进一步降低了脉冲上升沿的检测准确度，也降低了雷达的探测精度。

发明内容

本发明提供了一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统，解决了以上所述的SAR雷达多通道脉冲信号时延模糊精度低的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，包括：

S1，在指定的校准频率上，从校准发射装置通过天线向空气中发射基于Frank序列的伪随机波形，多个合成孔径雷达接收通道分别从空气中接收相应的波形信号r₁，r₂，...，r_n，n表示通道数量；

S2，将各个波形信号在FPGA中进行合并处理，得到合并后的混合信号r，如式(1)所示：

r＝r₁+r₂+...+r_n (1)

S3，对本地参考信号及式(1)中的波形信号进行求解得到时延谱；

S4，根据各接收通道对应于基准通道的时延差补偿到后续信号处理中。

可选的，所述指定的校准频率3.2GHz。

可选的，所述S3具体包括：

接收混合信号r，然后基于快速FFT变换算法得到r频域波形；同时并对本地参考信号I基于快速FFT变换算法得到I频域波形，然后对I频域波形进行共轭处理得到I频域波形共轭；

将r频域波形与I频域波形共轭进行比较求差处理得到频域差，最后进行IFFT变换算法得到时延谱。

可选的，所述Frank序列的伪随机波形中的码长为4096。

可选的，所述指定的校准频率与Frank序列的伪随机波形的频率相等，或为指定的校准频率与Frank序列的伪随机波形的频率的多倍。

可选的，所述S1具体包括：合成孔径雷达接收通道的采样点与Frank序列的伪随机波形的主瓣重合。

可选的，所述时延谱包括每个合成孔径雷达接收通道接收的波形信号分别与本地参考信号求差得到的对应时延差。

本发明还提供了一种用于实现基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准系统，包括信号发射模块、合成孔径雷达及信号处理模块；

所述信号发射模块用于在指定的校准频率上，从校准发射装置通过天线向空气中发射基于Frank序列的伪随机波形；

所述合成孔径雷达的接收通道用于分别从空气中接收相应的波形信号r₁，r₂，...，r_n，n表示通道数量；

所述信号处理模块用模块将各个波形信号在FPGA中进行合并处理，得到合并后的混合信号r，如式(1)所示：

r＝r₁+r₂+...+r_n (1)

并对本地参考信号及式(1)中的波形信号进行求解得到时延谱；最后根据各接收通道对应于基准通道的时延差补偿到后续信号处理中。

有益效果：本发明提供了一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统，校准发射装置通过天线向空气中发射基于Frank序列的伪随机波形，多个合成孔径雷达接收通道分别从空气中接收相应的波形信号，经过快速变换后与本地参考信号进行比对得到相应波形信号的时延差，将相应通道的时延差补偿到后续信号处理中即可。该方案采用基于Frank伪随机序列的方式代替传统的基于脉冲的时延测量方法，时延测量更加准确。Frank序列凭借其卓越的0旁瓣的性能，可将时延分辨率精确到一个采样点。本发明的采样率为3.2GHz，故一个采样点对应的时延分辨率为0.3125ns，通过超分辨算法可进一步提高该时延分辨率。同时，基于该伪随机序列的通道时延估计方法可大大提高处理信噪比，信噪比的提升增益与伪随机码的码长密切相关，选取合适的伪随机码可大大提高处理增益，进一步提高通道时延估计精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统的功能原理图；

图2为本发明基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统的时延谱的快速求解算法示意图；

图3为本发明基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统的测量结果图；

图4为本发明基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统的Frank序列时域波形图；

图5为本发明基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统的Frank序列时域叠加波形图；

图6为本发明基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法及系统的Frank序列自相关曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图6所示，本发明提供了一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，其特征在于，包括：

S1，在指定的校准频率上，从校准发射装置通过天线向空气中发射基于Frank序列的伪随机波形，多个合成孔径雷达接收通道分别从空气中接收相应的波形信号r₁，r₂，...，r_n，n表示通道数量；

S2，将各个波形信号在FPGA中进行合并处理，得到合并后的混合信号r，如式(1)所示：

r＝r₁+r₂+...+r_n (1)

S3，对本地参考信号及式(1)中的波形信号进行求解得到时延谱；具体地，接收混合信号r，然后基于快速FFT变换算法得到r频域波形；同时并对本地参考信号I基于快速FFT变换算法得到I频域波形，然后对I频域波形进行共轭处理得到I频域波形共轭；将r频域波形与I频域波形共轭进行比较求差处理得到频域差，最后进行IFFT变换算法得到时延谱。

S4，根据各接收通道对应于基准通道的时延差补偿到后续信号处理中。

该方案采用基于Frank伪随机序列的方式代替传统的基于脉冲的时延测量方法，时延测量更加准确。Frank序列凭借其卓越的0旁瓣的性能，可将时延分辨率精确到一个采样点。本发明的采样率为3.2GHz，故一个采样点对应的时延分辨率为0.3125ns，通过超分辨算法可进一步提高该时延分辨率。同时，基于该伪随机序列的通道时延估计方法可大大提高处理信噪比，信噪比的提升增益与伪随机码的码长密切相关，选取合适的伪随机码可大大提高处理增益，进一步提高通道时延估计精度。

采用基于Frank序列的射频多通道时延校准方法，首先介绍Frank序列。Frank序列是一种虚数伪随机序列，图3给出了码长为4096的Frank序列的时域波形图，图4中上面部分为实部波形图，下面部分为虚部波形图，图5为其叠加版本。图6为Frank序列自相关曲线图。利用Frank序列的这一特点，本专利提出了SAR雷达多个射频接收通道之间的时延校准方案。校准发射装置通过发射天将信号发射，然后SAR雷达多个射频接收通道(如图1中的通道1、通道2……通道n)内的接收天线分别对应接收波形信号r₁，r₂，...，r_n，n表示通道数量。然后将各个波形信号在FPGA中进行合并处理，得到合并后的波形信号r如式(1)所示。

r＝r₁+r₂+...+r_n (1)

然后基于快速FFT变换算法对该式进行快速相关求解即可得到如图3所示的多通道时延测量结果图。其中，通道2和3与基准通道1的时延差Δt₁和Δt₂如式2和3所示。

Δt₁＝t_r2-t_r1 (2)

Δt₂＝t_r3-t_r1 (3)

后续信号处理中通过相应的算法将这些时延差在后续的信号处理中补偿进去，以便更加精确的对目标进行测量。

其中，Frank序列凭借其卓越的0旁瓣的性能，可将时延分辨率精确到一个采样点。本发明的采样率为3.2GHz，故一个采样点对应的时延分辨率为0.3125ns，通过超分辨算法可进一步提高该时延分辨率。

同时，基于该伪随机序列的通道时延估计方法可大大提高处理信噪比，信噪比的提升增益与伪随机码的码长密切相关，选取合适的伪随机码可大大提高处理增益，进一步提高通道时延估计精度。

虽然选用其他的伪随机码同样可以达到该目的，如m序列M序列，Gold序列等的相关性能不如Frank序列优秀，相对于Frank序列时延估计精度也有较大的损失。

Frank序列的最大特点为其具有堪称完美的自相关特性，图6给出了其自相关波形图。从图中可以看出其自相关波形主瓣为1个点，副瓣全部为0。利用这一特点，可以大幅度提高波形的直接分辨率。合成孔径雷达接收通道的采样点与Frank序列的伪随机波形的主瓣重合。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，其特征在于，包括：

S1，在指定的校准频率上，从校准发射装置通过天线向空气中发射基于Frank序列的伪随机波形，多个合成孔径雷达接收通道分别从空气中接收相应的波形信号r₁，r₂，...，r_n，n表示通道数量；

S2，将各个波形信号在FPGA中进行合并处理，得到合并后的混合信号r，如式(1)所示：

r＝r₁+r₂+...+r_n (1)

S3，对本地参考信号及式(1)中的波形信号进行求解得到时延谱；所述S3具体包括：

接收混合信号r，然后基于快速FFT变换算法得到r频域波形；同时并对本地参考信号I基于快速FFT变换算法得到I频域波形，然后对I频域波形进行共轭处理得到I频域波形共轭；

将r频域波形与I频域波形共轭进行比较求差处理得到频域差，最后进行IFFT变换算法得到时延谱；

S4，根据各接收通道对应于基准通道的时延差补偿到后续信号处理中。

2.根据权利要求1所述的基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，其特征在于，所述指定的校准频率3.2GHz。

3.根据权利要求1所述的基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，其特征在于，所述Frank序列的伪随机波形中的码长为4096。

4.根据权利要求1所述的基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，其特征在于，所述指定的校准频率与Frank序列的伪随机波形的频率相等，或为指定的校准频率与Frank序列的伪随机波形的频率的多倍。

5.根据权利要求1所述的基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，其特征在于，所述S1具体包括：合成孔径雷达接收通道的采样点与Frank序列的伪随机波形的主瓣重合。

6.根据权利要求1所述的基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法，其特征在于，所述时延谱包括每个合成孔径雷达接收通道接收的波形信号分别与本地参考信号求差得到的对应时延差。

7.一种用于实现如权利要求1至6任一项所述的基于Frank码的SAR雷达接收通道时延校准方法的系统，其特征在于：包括信号发射模块、合成孔径雷达及信号处理模块；

所述信号发射模块用于在指定的校准频率上，从校准发射装置通过天线向空气中发射基于Frank序列的伪随机波形；

所述合成孔径雷达的接收通道用于分别从空气中接收相应的波形信号r₁，r₂，...，r_n，n表示通道数量；

所述信号处理模块用模块将各个波形信号在FPGA中进行合并处理，得到合并后的混合信号r，如式(1)所示：

r＝r₁+r₂+...+r_n (1)

并对本地参考信号及式(1)中的波形信号进行求解得到时延谱；最后根据各接收通道对应于基准通道的时延差补偿到后续信号处理中。