CN113702804B - 一种多通道数字相关器中相关误差校正方法 - Google Patents

一种多通道数字相关器中相关误差校正方法 Download PDF

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Abstract

一种多通道数字相关器中相关误差校正方法，属于空间微波遥感技术领域。本发明包括如下步骤：对多路中频数据进行高速采集和量化，得到原始采样数据d1～dn，n为多通道数字相关器通道个数；计算每个通道的同相分量I和正交分量Q；分别计算一个积分周期内每个通道I、Q数据偏置的累加值CmI、CmQ，和每个通道I、Q数据的自相关值SmII、SmQQ，以及两两通道之间的互相关运算值CorII(i，j)、CorQI(i，j)；根据每个通道I、Q数据的自相关值和两两通道之间的互相关运算值计算两两通道之间的互相关值；根据每个通道I、Q数据偏置的累加值和每个通道I、Q数据的自相关值，以及两两通道之间的互相关运算值，对两两通道之间的互相关值进行校正。

Description

一种多通道数字相关器中相关误差校正方法
技术领域
本发明涉及一种多通道数字相关器中相关误差校正方法，属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
数字相关器是综合孔径辐射计系统中的关键单机，其主要功能是对多路接收通道输出的中频信号进行同步采集和两两相关处理，从而得到任意两路中频信号的相关值和相位差，用于后续的数据处理和产品反演。其相关值和相位差的计算精度(相关精度)直接影响了最终的产品反演精度。
数字相关器中两个通道A和B相关计算结果为一复数，其实部和虚部表达式如下：
其中，AI、AQ分别是A通道的同相分量(I)和正交分量(Q)数据，BI、 BQ分别是B通道的同相分量和正交分量数据，PRe为A、B通道互相关实部结果，PIm为A、B通道互相关虚部结果，E代表各通道电压表达形式。∑(AI*BI)、∑(AI*AI)、∑(BI*BI)、∑(AQ*AQ)、∑(AQ*BI)均为相关器输出的实际计算结果。
事实上，当数字相关器相关通道数较多时，其相关运算规模呈指数级增长，此时数字相关器很难承担如此庞大的运算资源要求。此时，数字相关器通常采用1bit相关算法来大幅降低运算规模，即把各通道采样数据量化成1bit后(取符号位)再进行相关运算，其相关值计算方法如下：
N为一个积分周期的累加次数，得到相关值实部和虚部后，其相关值幅度和相位差计算结果如下：
θ＝tan-1(PIm/PRe) (6)
在数字相关器中，AD通道对中频噪声信号进行采样时，如果对采样信号进行较长时间的累加，在理想情况下，累加理论值应该为零。如果结果不为零，这里就认为AD通道存在采样偏置误差。通常情况下，该误差对相关计算结果的影响不可忽略，需要针对性地针对该相关误差开展校正。
当数字相关器通道数较少时，比如4个通道，相关器能同时开展6组相关计算。地面测试时，通过对每组两个通道输入信号遍历不同相关值(1、0.5、 0.1、0.01等)、相位(0°～360°，间隔10°)及输入功率(最大功率～最小功率，间隔约3dB)，可以得到这两个通道在不同条件下的相关误差，把测得的相关误差值存储下来作为校正系数用于数字相关器在轨校正。对6组通道组合依次开展测试得到每组相关通道在不同条件下的校正系数，即可实现数字相关器相关误差在轨校正。
这种方法存在以下弊端：
1)该方法需要遍历各种不同条件(相关值、输入功率等)得到不同校正系数，测试时间非常长；
2)该方法需要根据不同输入功率选择不同校正系数，操作比较复杂；
3)当数字相关器温度在轨有较大变化时，其AD偏置也会随之改变，在地面测得的相关误差将不再适用于在轨校正；
4)当数字相关器通道数较多时，比如本系统中数字相关器有112个通道，同时开展6000余组相关计算，采用传统校正方法将花费数月时间进行测试，无法接受。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多通道数字相关器中相关误差校正方法，解决了传统相关误差校正方法存在的校正效率低、校正精度差以及适用条件严格等问题，大大提高了相关误差校正效率和校正精度，并适用于各种使用条件。
本发明的技术解决方案是：一种多通道数字相关器中相关误差校正方法，包括如下步骤：
对多路中频数据进行高速采集和量化，得到原始采样数据d1～dn，n为多通道数字相关器通道个数；
计算每个通道的同相分量I和正交分量Q；
分别计算一个积分周期内每个通道I、Q数据偏置的累加值CmI、CmQ，和每个通道I、Q数据的自相关值SmII、SmQQ，以及两两通道之间的互相关运算值 CorII(i,j)、CorQI(i,j)；
根据每个通道I、Q数据的自相关值和两两通道之间的互相关运算值计算两两通道之间的互相关值；
根据每个通道I、Q数据偏置的累加值和每个通道I、Q数据的自相关值，以及两两通道之间的互相关运算值，对两两通道之间的互相关值进行校正。
进一步地，所述计算两两通道之间的互相关值的方法为：
若是不截位相关运算，则互相关值为
若是1bit相关运算，则互相关值为；
其中，PRe(i,j)为通道i和通道j互相关值实部结果，PIm(i,j)为通道i和通道 j互相关值虚部结果，CorQI(i,j)为两两通道之间的互相关运算值，N为一个积分周期内采样时钟周期数。
进一步地，校正后的互相关值为：
进一步地，利用校正后的互相关值得到两两通道之间的相关值真实幅度和相位差信息分别为：
θ(i,j)＝tan-1(P_JZIm(i,j)/P_JZRe(i,j))，j＝2～n，i＝1～(j-1)。
一种多通道数字相关器中相关误差校正系统，包括：
采样模块，用于对多路中频数据进行高速采集和量化，得到原始采样数据 d1～dn，n为多通道数字相关器通道个数；
计算模块，用于计算每个通道的同相分量I和正交分量Q；并分别计算一个积分周期内每个通道I、Q数据偏置的累加值CmI、CmQ，和每个通道I、Q数据的自相关值SmII、SmQQ，以及两两通道之间的互相关运算值CorII(i,j)、 CorQI(i,j)；以及根据每个通道I、Q数据的自相关值和两两通道之间的互相关运算值计算两两通道之间的互相关值；
校正模块，根据每个通道I、Q数据偏置的累加值和每个通道I、Q数据的自相关值，以及两两通道之间的互相关运算值，对两两通道之间的互相关值进行校正。
进一步地，所述计算两两通道之间的互相关值的方法为：
若是不截位相关运算，则互相关值为
若是1bit相关运算，则互相关值为；
其中，PRe(i,j)为通道i和通道j互相关值实部结果，PI(i,j)为通道i和通道 j互相关值虚部结果，CorQI(i,j)为两两通道之间的互相关运算值，N为采样时钟周期数。
进一步地，校正后的互相关值为：
进一步地，利用校正后的互相关值得到两两通道之间的相关值真实幅度和相位差信息分别为：
θ(i,j)＝tan-1(P_JZIm(i,j)/P_JZRe(i,j))，j＝2～n，i＝1～(j-1)。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种多通道数字相关器中相关误差校正方法的步骤。
一种多通道数字相关器中相关误差校正设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种多通道数字相关器中相关误差校正方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)校正方法简单，只需要占用非常少量的运算资源，以综合孔径辐射计112 通道数字相关器为例，其每个积分周期(通常为1s)需要输出6000余组相关计算值，在此基础上额外计算112个通道的同相分量(I)和正交分量(Q)的 AD偏置累加值即可，约增加1％的运算资源；
2)该方法不需要提前测得校正系数，只增加一些简单的减法运算即可实现实时快速校正，特别是对于多通道和超多通道数字相关器，该方法可大大提高计算效率；
3)该方法不需要考虑信号输入功率大小，数字相关器环境温度等，适用于各种条件下的相关误差校正；
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2、3为利用本发明提出的多通道数字相关器相关误差校正方法，应用于某型号多通道数字相关器中，相关误差校正前后的对比图。图2为相关误差校正前的实测相关值、校正后的相关值以及理论相关值；图3为相关误差校正前的实测相关误差、校正后的相关误差。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种多通道数字相关器中相关误差校正方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～3所示)：
假设通道A输入信号真值为a，AD偏置为Δa，实际值A＝a+Δa；通道B 输入信号真值为b，AD偏置为Δb，实际值B＝b+Δb；
令c＝a*b，C＝A*B；
数字相关器实际测得通道A和通道B乘累加结果为
∑C＝∑(A*B) ＝∑(a*b)+∑(a*Δb)+∑(b*Δa)+∑(Δa*Δb) ＝∑c+∑(Δa*Δb) (7)
从式(5)可以看出，数字相关器实测两个通道的乘累加值存在误差项∑(Δa*Δb)，只要能测得两个通道的AD偏置误差Δa和Δb，就能得到两个通道的真实乘累加结果∑c＝∑C-∑(Δa*Δb)。从而可以分别得到两个通道的真实相关值的实部CorRe和虚部CorIm分别为：
ΔaI＝∑(AI)/N (10)
ΔaQ＝∑(AQ)/N (11)
ΔbI＝∑(BI)/N (12)
其中，∑(AI*BI)、∑(AI*AI)、∑(BI*BI)、∑(AQ*AQ)、∑(AQ*BI)均为相关器输出的实际计算结果，N为一个积分周期的累加次数，ΔaI、ΔbI、ΔaQ直接利用两通道的一个周期的累加值除以累加次数即可得到。
当数字相关器相关通道数较多时，数字相关器通常采用1bit相关算法来大幅降低运算规模，这种情况下，不能通过公式(8)和(9)进行相关误差校正，需要对式(8)和式(9)进行进一步分解得到：
其中，PRe和PIm分别是实测相关值的实部和虚部，∑(AI*AI)、∑(BI*BI)、∑(AQ*AQ)均为相关器输出的实际计算结果，N为一个积分周期的累加次数，ΔaI、ΔbI、ΔaQ直接利用两通道的一个周期的累加值除以累加次数即可得到。
在本申请实施例所提供的方案中，具体包括如下步骤：
S1，系统工作后，多通道数字相关器对多路中频数据进行高速采集、量化，得到原始采样数据d1～dn，n为多通道数字相关器通道个数；
S2，分别对S1中得到的每个通道的原始采样数据d1～dn进行数字Hilbert 变换，得到每个通道的同相分量I和正交分量Q：(d1I、d1Q)～(dnI、dnQ)；
S3，在一个积分周期内(1个积分周期对应数字相关器中N个采样时钟周期)，对S2中得到的每个通道的I、Q数据分别进行累加运算，得到每个通道I、 Q数据偏置的累加值：
CmI＝∑dmI，m＝1～n；
CmQ＝∑dmQ，m＝1～n；
S4，在一个积分周期内(1个积分周期对应数字相关器中N个采样时钟周期)，对S2中得到的每个通道的I、Q数据分别进行乘累加运算，得到每个通道I、Q数据的自相关值：
SmII＝∑(dmI*dmI)，m＝1～n；
SmQQ＝∑(dmQ*dmQ)，m＝1～n；
S5，在一个积分周期内(1个积分周期对应数字相关器中N个采样时钟周期)，利用S2中得到的每个通道的同相分量I和正交分量Q数据(d1I、d1Q)～ (dnI、dnQ)，对所有n个通道开展两两通道之间的互相关运算，得到组互相关运算值：
CorII(i，j)＝∑(diI*djI)，j＝2～n，i＝1～(j-1)；
CorQI(i，j)＝∑(diQ*djI)，j＝2～n，i＝1～(j-1)；
S6，利用S4和S5得到的运算结果计算通道i和通道j的互相关值：若是不截位相关运算，利用以下公式得到互相关值：
若是1bit相关运算，利用以下公式得到互相关值：
PRe(i，j)为通道i和通道j互相关值实部结果，PIm(i，j)为通道i和通道j互相关值虚部结果。
S7，利用S3、S4和S5得到的运算结果对S6得到的通道间互相关值进行校正，得到通道i和通道j的校正后互相关值：
至此，所有n个通道两两之间的互相关误差得到校正，利用校正后的互相关值即可以得到两两通道之间的相关值真实幅度和相位差信息：
θ(i，j)＝tan-1(P_JZIm(i，j)/P-JZRe(i，j))，j＝2～n，i＝1～(j-1)
以海洋盐度卫星综合孔径辐射计分系统所使用的多通道数字相关器为例，选择两个AD通道开展实际测试和相关误差校正。测试条件如下：
(1)AD采样率：60MHz；
(2)AD分辨率：8bit；
(3)AD偏置：2；
(4)积分时间：1s
(5)测试信号功率：-10dBm；
(6)测试信号相关值：0.5；
(7)测试信号相位差0～360度，步进10度；
(8)测试设备：是德科技任意波形发生器M8190A。
依次按照以下步骤开展测试：
1)测试设备按照预定要求向两路AD通道发送测试信号；
2)两个AD通道对测试信号进行同步采样，采样后的数据进入采集板的 FPGA；
3)对两路AD采样数据分别进行I/Q变换，得到AI、AQ、BI、BQ四路数据；
4)利用累加器和乘累加器分别计算得到∑(AI*BI)、∑(AI*AI)、∑(BI*BI)、∑(AQ*AQ)、∑(AQ*BI)、ΔaI、ΔbI、ΔaQ；
5)利用采集板输出的数据计算得到相关误差校正前和校正后的相关计算值。
从实测结果可以看到，在实际使用条件下，当AD偏置为2时，其带来的相关误差最大达到0.05，误差大约10％，该误差是不可忽略的，采用相关误差校正方法后，校正后相关值与理论值重合的较好，相关误差得到了很好地校正。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
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和光学存储器等)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。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种多通道数字相关器中相关误差校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
对多路中频数据进行高速采集和量化，得到原始采样数据d1～dn，n为多通道数字相关器通道个数；
计算每个通道的同相分量I和正交分量Q；
分别计算一个积分周期内每个通道I、Q数据偏置的累加值CmI、CmQ，和每个通道I、Q数据的自相关值SmII、SmQQ，以及两两通道之间的互相关运算值CorII(i,j)、CorQI(i,j)；
根据每个通道I、Q数据的自相关值和两两通道之间的互相关运算值计算两两通道之间的互相关值；
根据每个通道I、Q数据偏置的累加值和每个通道I、Q数据的自相关值，以及两两通道之间的互相关运算值，对两两通道之间的互相关值进行校正；
校正后的互相关值为：
利用校正后的互相关值得到两两通道之间的相关值真实幅度和相位差信息分别为：
θ(i,j)＝tan-1(P_JZIm(i,j)/P_JZRe(i,j))，j＝2～n，i＝1～(j-1)；
其中，PRe(i,j)为通道i和通道j互相关值实部结果，PIm(i,j)为通道i和通道j互相关值虚部结果，N为一个积分周期内采样时钟周期数。
2.根据权利要求1所述的一种多通道数字相关器中相关误差校正方法，其特征在于，所述计算两两通道之间的互相关值的方法为：
若是不截位相关运算，则互相关值为
若是1bit相关运算，则互相关值为；
其中，PRe(i,j)为通道i和通道j互相关值实部结果，PIm(i,j)为通道i和通道j互相关值虚部结果，CorQI(i,j)为两两通道之间的互相关运算值，N为一个积分周期内采样时钟周期数。
3.一种多通道数字相关器中相关误差校正系统，其特征在于，包括：
采样模块，用于对多路中频数据进行高速采集和量化，得到原始采样数据d1～dn，n为多通道数字相关器通道个数；
计算模块，用于计算每个通道的同相分量I和正交分量Q；并分别计算一个积分周期内每个通道I、Q数据偏置的累加值CmI、CmQ，和每个通道I、Q数据的自相关值SmII、SmQQ，以及两两通道之间的互相关运算值CorII(i,j)、CorQI(i,j)；以及根据每个通道I、Q数据的自相关值和两两通道之间的互相关运算值计算两两通道之间的互相关值；
校正模块，根据每个通道I、Q数据偏置的累加值和每个通道I、Q数据的自相关值，以及两两通道之间的互相关运算值，对两两通道之间的互相关值进行校正；
校正后的互相关值为：
利用校正后的互相关值得到两两通道之间的相关值真实幅度和相位差信息分别为：
θ(i,j)＝tan-1(P_JZIm(i,j)/P_JZRe(i,j))，j＝2～n，i＝1～(j-1)；
其中，PRe(i,j)为通道i和通道j互相关值实部结果，PIm(i,j)为通道i和通道j互相关值虚部结果，N为一个积分周期内采样时钟周期数。
4.根据权利要求3所述的一种多通道数字相关器中相关误差校正系统，其特征在于，所述计算两两通道之间的互相关值的方法为：
若是不截位相关运算，则互相关值为
若是1bit相关运算，则互相关值为；
其中，PRe(i,j)为通道i和通道j互相关值实部结果，PIm(i,j)为通道i和通道j互相关值虚部结果，CorQI(i,j)为两两通道之间的互相关运算值，N为采样时钟周期数。
5.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求2任一所述方法的步骤。
6.一种多通道数字相关器中相关误差校正设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1～权利要求2任一所述方法的步骤。
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