CN114839603B - 一种星载sar系统收发时延稳定方法、装置及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星载SAR系统收发时延稳定方法、装置及电子设备。通过高速DAC复位前后对PRF触发信号分别延时以及高速ADC复位前后对PRF采样起始信号分别延时，多次记录系统回波信号，进行脉冲压缩处理后得到系统的时延是否发生跳变，从而找到一个能保证系统每次开机工作时，发射时刻和回波采样起始时刻将不会发生跳变，系统收发时延保持一致的延时组合有效区间。本发明能够降低SAR系统收发时延的测量中由于发射时刻和回波采样起始时刻出现跳变产生的不确定误差，满足系统收发时延稳定性要求。

Description

一种星载SAR系统收发时延稳定方法、装置及电子设备
技术领域
本发明属于合成孔径雷达系统技术领域，具体涉及一种星载SAR系统收发时延稳定方法、装置及电子设备。
背景技术
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）是一种主动式微波成像雷达，它可以安装在飞机、卫星、导弹等飞行平台上。SAR在灾害监测、资源勘探、海洋监测、环境监测、测绘等方面的应用上具有独特的优势。星载多基干涉合成孔径雷达(InterferometricSynthetic Aperture Radar，InSAR)系统是近年来兴起的一种新体制雷达系统，它把卫星编队技术和星载 SAR 技术紧密结合在一起，通过多颗卫星编队飞行、协同工作来完成大测绘带高分辨率成像、地面高程测量、洋流测速和地面动目标监测等任务。星载多基InSAR系统的误差来源多种多样，其中系统的斜距测量误差为星载多基InSAR系统的一级误差源。根据基本的雷达测距原理，斜距的测量是通过测量雷达发射信号并返回雷达接收机的延迟时间实现的即雷达系统的收发时延，待测斜距R与信号系统收发时延td的关系如下式：
Figure 415214DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，c为光速。因此，斜距测量可以归结为星载SAR系统收发时延的测量。星载SAR系统中由于雷达定时系统的不定性、采样时钟的抖动以及电磁波传播过程中大气层和电离层的信号延时等因素导致系统收发时延会出现跳变，稳定性较差。
现有的星载SAR系统收发时延稳定性测量采用的分析+测试方法，其中对雷达定时系统的不定性和采样时钟的抖动对系统收发时延引入的不确定误差，进行理论分析推导只能定性的分析，不能给出定量的结果；通过调节电缆长度来测试系统的收发时延操作性较差，受制于SAR分系统内部单机及半导体器件的物理特性决定其在不同温度下的时延变化是不完全一致的，因此目前采用的分析+测试方法得到系统时延的方法具有一定缺陷性，影响系统收发时延稳定性测量的准确性，并且不具备提高星载SAR系统收发时延稳定性的通用性。
基于分析影响SAR系统收发时延的两个主要因素，SAR系统的雷达定时系统的不定性引入的系统收发时延误差可以定义为发射时刻不确定误差，采样时钟抖动引入的系统收发时延误差可以定义为回波采样时刻不确定误差。
a)发射时刻不确定误差
星载SAR系统采用可编程数字线性调频基带模块，基带模块包括多模式正交波形数据可编程生成与输出、数模转换、低通滤波和视频放大，其中可编程生成多模式正交波形使用FPGA实现，数模转换使用高速DAC芯片实现。以某星载SAR型号系统为例，可编程数字线性调频基带模块输入采样时钟为720MHz，即数模转换DAC的采样时钟为720MHz；因为基带输出信号为IQ两路，实际使用两片DAC芯片，芯片DEMUX为1：4，产生正交波形信号的FPGA数据时钟为DAC采样时钟的八分之一，为90MHz。DAC的采样时钟与FPGA数据时钟关系有8种，如图1发射时刻定时关系示意图所示。
根据图1所示FPGA数据时钟在复位前会存在数据时钟（1）~数据时钟（8）时序关系，即DAC复位前采样时钟与FPGA数据时钟关系有8种可能，对系统收发时延的影响是每次开关机由于时钟抖动造成系统初始时延会有0、1、2、3、4、5、6、7倍采样时钟周期（1个采样时钟周期1.38ns）的系统收发时延误差。DAC复位后采样时钟与FPGA数据时钟关系固定，为8种关系中的1种，以数据时钟（3）为例，由于雷达定时产生的PRF信号的不稳定性，如果PRF触发信号1与数据时钟（3）上升沿对齐，SAR系统线性调频信号的实际发射时刻就会在DAC的第3个或第11个采样时钟跳变，会带来8个采样时钟周期（11.1ns）的系统收发时延误差，如图2所示。
b)回波采样时刻不确定误差
星载SAR系统每个回波信号的接收时刻由雷达定时产生的PRF采样起始信号下降沿为选通时刻，根据PRF采样起始信号开始对雷达回波信号进行模数转换和数字滤波，使得采样起始信号下降沿之后的采样数据被保存下来，作为有效回波数据，其中模数转换使用ADC实现，数字滤波使用FPGA实现。
以上述同一个星载SAR型号系统为例，模数转换ADC的采样时钟为720MHz；FPGA数据时钟为180MHz, ADC的采样时钟与FPGA数据时钟关系有4种，如图3回波采样时刻定时关系示意图所示。根据图3所示FPGA数据时钟在复位前会存在数据时钟（1）~数据时钟（4）时序关系，即ADC复位前采样时钟与FPGA数据时钟关系有4种可能，对系统收发时延的影响是每次开关机由于时钟抖动造成系统初始时延会有0、1、2、3倍采样时钟周期（1个采样时钟周期1.38ns）的系统时延误差。ADC复位后采样时钟与FPGA数据时钟关系固定，为4种关系中的1种，以数据时钟（2）为例，由于采样时钟的不稳定性，如果PRF采样起始信号1下降沿与数据时钟（2）上升沿对齐，SAR系统回波采样时刻就会在ADC的第5个采样或者第13个采样时钟跳变，会带来8个采样时钟周期（11.1ns）的系统收发时延误差，如图4所示。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种星载SAR系统收发时延稳定方法、装置及电子设备。本发明采用的技术方案为：
一种星载SAR系统收发时延稳定方法，包括如下步骤：
步骤1、以延时TDA_F的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位信号对DAC进行复位，其中TDA_F为PRF触发信号在DAC复位前的延时时间，TDA_F≥0；
步骤2、以延时TDA_B的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位后雷达信号的实际发射时刻，其中TDA_B为PRF触发信号在DAC复位后的延时时间，TDA_B≥0；
步骤3、以延时TAD_F的PRF采样起始信号的脉冲作为ADC的复位信号对ADC进行复位，其中TAD_F为PRF采样起始信号在ADC复位前的延时时间，TAD_F≥0；
步骤4、以延时TAD_B的PRF采样起始信号的脉冲作为ADC的复位后雷达回波信号的实际采样起始时刻，其中TAD_B为PRF采样起始信号在ADC复位后的延时时间，TAD_B≥0；
步骤5、固定TAD_F和TAD_B，按照递增排序对TDA_F、TDA_B参数设置控制指令，多次记录数据分析确定DAC复位前后PRF触发信号延时时间的有效组合区间范围；
步骤6、固定TDA_F和TDA_B，按照递增排序对TAD_F、TAD_B参数设置控制指令，多次记录数据分析确定ADC复位前后PRF采样起始信号延时时间的有效组合区间范围；
进一步地，所述步骤1预先按照递增步进设定DAC复位前后的PRF触发信号的延时时间以及ADC复位前后的PRF采样起始信号的延时时间。
进一步地，所述步骤5中的TDA_F和TDA_B的最大的延时时间不大于一个DAC对应的FPGA数据时钟的一个周期，延时步进不大于10%数据时钟周期。
进一步地，所述步骤6的TAD_F和TAD_B的最大的延时时间不大于一个ADC对应的FPGA数据时钟的一个周期，延时步进不大于10%数据时钟周期。
进一步地，其中将所述PRF触发信号的延迟时间按照预定编码方式设置在PRF信号延时控制指令中，接收所述控制指令对PRF信号按照编码对应延迟时间进行延时输出。
本发明还提供一种实现所述的星载SAR系统收发时延稳定方法的装置，包括：延时单元，用于将PRF信号按照延迟时间递增排序并进行延时；DAC复位前后延时单元，用于以延时TDA_F后的PRF触发信号作为DAC的复位信号，以延时TDA_B后的PRF触发信号作为雷达信号实际发射时刻；ADC复位前后延时单元，用于以延时TAD_F后的PRF采样起始信号作为ADC的复位信号，以延时TAD_B后的PRF采样起始信号作为雷达回波信号实际采集时刻；延时输出PRF信号确定单元，用于确定PRF信号延时组合的有效区间，在这个延时区间内选择PRF延时控制指令设置最终的TDA_F、TDA_B、TAD_F和TAD_B参数值。
本发明还提供一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1至5中的任一项所述的星载SAR系统收发时延稳定方法中的各个步骤。
有益效果：
本发明提供一种星载SAR系统收发时延稳定方法、装置及电子设备，相较于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明通过对控制雷达发射信号时刻的PRF触发信号进行DAC复位前和复位后延时，从而保证系统每次开机DAC的数字时钟时序关系固定，进而避免由于雷达定时产生的PRF触发信号的不稳定性引入的发射时刻不确定时延误差；
（2）本发明通过对控制雷达采样起始信号时刻的PRF采样起始信号进行ADC复位前和复位后延时，从而保证系统每次开机ADC的采样时钟时序关系固定，进而避免由于采样时钟的不稳定性引入的回波采样起始不确定时延误差；
（3）本发明通过将PRF信号的延迟时间按照预定编码方式设置在PRF信号延时控制指令中，对PRF信号按照编码对应延迟时间进行延时输出，延时参数设置准确高效，不需要增加额外的硬件电路资源，适应范围广；
（4）本发明通过将PRF信号按照延迟时间递增排序并进行延时，多次测试找到一个保证系统每次工作时，系统时延不发生跳变，保持一致的有效延时组合区间，保证星载SAR系统工作温度范围内时延的稳定性；
（5）本发明得到的PRF信号延时最终的TDA_F、TDA_B、TAD_F和TAD_B参数值，可以得到一个准确的系统延时时间，从而可以定量化分析系统时延稳定性，整个过程实现简单方便，通用性强。
附图说明
图1为DAC复位前发射时刻延时调整定时关系示意图；
图2为DAC复位后发射时刻延时调整定时关系示意图；
图3为ADC复位前回波采样时刻定时关系示意图；
图4为ADC复位后回波采集时刻延时调整定时关系示意图；
图5为本发明的一种星载SAR系统收发时延稳定方法步骤示意图；
图6为星载SAR系统收发时延稳定性过程中的不确定误差示意图；
图7为发射PRF信号ADC复位前后延时调整原理框图；
图8为PRF采样起始信号DAC复位前后延时调整原理框图；
图9为本发明的一种星载SAR系统收发时延稳定的装置结构框图。
具体实施方式
现有技术中对SAR系统收发时延的测量中由于发射时刻和回波采样起始时刻出现跳变产生的不确定误差，无法满足系统收发时延稳定性要求，有鉴于此，本发明提供了一种星载SAR系统收发时延稳定方法、装置及电子设备，通过高速DAC复位前后对PRF触发信号分别延时以及高速ADC复位前后对PRF采样起始信号分别延时，多次记录系统回波信号，进行脉冲压缩处理后得到系统的时延是否发生跳变，从而找到一个能保证系统每次开机工作时，发射时刻和回波采样起始时刻将不会发生跳变，系统收发时延保持一致的延时组合有效区间。
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例的一方面，提供了一种星载SAR系统收发时延稳定方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：
S101: 以延时TDA_F的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位信号对DAC进行复位，其中TDA_F为PRF触发信号在DAC复位前的延时时间，TDA_F≥0；
S102: 以延时TDA_B的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位后雷达信号的实际发射时刻，其中TDA_B为PRF触发信号在DAC复位后的延时时间，TDA_B≥0；
S103: 以延时TAD_F的PRF采样起始信号的脉冲作为ADC的复位信号对ADC进行复位，其中TAD_F为PRF采样起始信号在ADC复位前的延时时间，TAD_F≥0；
S104: 以延时TAD_B的PRF采样起始信号的脉冲作为ADC的复位后雷达回波信号的实际采样起始时刻，其中TAD_B为PRF采样起始信号在ADC复位后的延时时间，TAD_B≥0；
S105: 固定TAD_F和TAD_B，按照递增排序对TDA_F、TDA_B参数设置控制指令，多次记录数据分析确定DAC复位前后PRF触发信号延时时间的有效组合区间范围；
S106: 固定TDA_F和TDA_B，按照递增排序对TAD_F、TAD_B参数设置控制指令，多次记录数据分析确定ADC复位前后PRF采样起始信号延时时间的有效组合区间范围；
以下将对各步骤进行详细说明。
在步骤S101中以延时TDA_F的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位信号对DAC进行复位。在本发明具体实施例中，可以预先按照一定的递增步进设定DAC复位前的PRF触发信号的延时时间：TDA_F0、TDA_F1、…、TDA_Fn。其中最大的延时时间TDA_Fn不大于一个ADC的FPGA数据时钟的一个周期，延时步进不大于10%数据时钟周期。例如，如果采样时钟为720MHz，数据时钟为90MHz时，最大延迟时间TDA_Fn不大于11.1ns，延时步进小于1.1ns。
PRF触发信号的延时可以由FPGA内部的可编程I/O延迟单元实现，利用该单元可以实现对PRF触发信号的绝对延时，该单元有64个节拍的环绕延迟单元，每一个节拍的延迟分辨率为75ps，FPGA收到PRF延时控制指令以后对PRF触发信号进行相应时间的延迟。
将PRF触发信号的延时时间Tn按照预定编码方式设置在控制指令中，假设PRF信号延时有8档，即T0、T1、…、T7，则可以采用3bit编码的方式实现，3’b000表示延时T0，3’b111表示延时T7。
在步骤S102中以延时TDA_B的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位后雷达信号的实际发射时刻，其中TDA_B为PRF触发信号DAC复位后延时，TDA_B≥0，DAC复位后采样时钟与FPGA数据时钟关系固定，为8种关系中的1种，其时序关系如图3所示。将以延时TDA_B的PRF触发信号2作为DAC的复位后雷达信号的实际发射时刻，SAR系统线性调频信号的发射时刻就会在DAC的第11个采样时钟稳定，从而避免一次开机过程中系统收发时延出现跳变。
在步骤S105中固定TAD_F和TAD_B，按照递增排序对TDA_F、TDA_B参数设置控制指令，多次记录数据，通过脉冲压缩方法分析系统时延，从而确定DAC复位前后PRF触发信号延时时间的有效组合区间范围；TDA_F和TDA_B的最大的延时时间不大于一个DAC对应的FPGA数据时钟的一个周期，延时步进不大于10%数据时钟周期。
图6为本发明实施例一种星载SAR系统收发时延稳定过程中的收发时延不确定误差示意图，包括：雷达监控定时器201、基准频率源202、调频信号源203、预功率放大器204、内定标器205、雷达接收机206、数据形成器207和有源相控阵天线208，其中：
雷达监控定时器201，用于为调频信号源提供PRF选通和PRF触发信号以及PRF信号延时控制指令、为数据形成器207提供PRF采样起始信号以及PRF采样起始信号延时控制指令；
基准频率源202，用于为雷达监控定时器201提供基准时钟、为调频信号源203提供DAC采样时钟和为数据形成器207提供ADC采样时钟；
调频信号源203，用于为预功率放大器204雷达发射的线性调频信号、为内定标器205提供系统定标信号；
预功率放大器204，用于将调频信号源203生成的线性调频信号功率放大，并将功率放大后的线性调频信号提供给有源相控阵天线208；
内定标器205：将调频信号源203提供的线性调频信号经过链路分发各种系统定标信号，标定系统时延变化；
接收机206，用于向数据形成器207传送雷达回波信号；
数据形成器207，用于将接收到的雷达回波信号进行模数转换分帧打包等数据处理；
有源相控阵天线208，用于发射和接收雷达信号。
图7为本发明实施例中PRF触发信号DAC复位前后延时调整原理框图。如图7所示，PRF触发信号延时控制指令输入到DAC复位前PRF信号延时模块701和DAC复位后PRF触发信号延时模块703，对其输入PRF触发信号进行相应的延时，DAC复位产生模块702根据DAC复位前PRF信号延时模块701延时后的PRF信号对DAC进行复位，从DAC复位后PRF信号延时模块703输出的是经过DAC复位前后延时的PRF触发信号作为雷达发射时刻的实际PRF触发信号。
图8为本发明实施例中回波采样PRF信号ADC复位前后延时调整原理框图。如图8所示，PRF回波采样起始信号延时控制指令输入到ADC复位前PRF采样起始延时模块801和ADC复位后PRF采样起始延时模块803，对其输入PRF回波采样起始信号进行相应的延时，ADC复位产生模块802根据ADC复位前PRF采样起始延时模块801延时后的PRF信号对ADC进行复位，从ADC复位后PRF采样起始延时模块803输出的是经过ADC复位前后延时的PRF信号作为雷达回波采集的实际PRF采样起始信号。
图9为本发明的一种星载SAR系统收发时延稳定装置结构框图，包括：延时单元901，用于将PRF信号按照延迟时间递增排序并进行延时；DAC复位前后延时单元902，用于以延时TDA_F后的PRF触发信号作为DAC的复位信号，以延时TDA_B后的PRF触发信号作为雷达信号实际发射时刻；ADC复位前后延时单元903，用于以延时TAD_F后的PRF采样起始信号作为ADC的复位信号，以延时TAD_B后的PRF采样起始信号作为雷达回波信号实际采集时刻；延时输出PRF信号确定单元904，用于确定PRF信号延时组合的有效区间，在这个延时区间内选择PRF延时控制指令设置最终的TDA_F、TDA_B、TAD_F和TAD_B参数值。
本发明还提供一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现所述的星载SAR系统收发时延稳定方法。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信链接可以是通过一些接口，模块的间接耦合或通信链接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
以上为对本发明所提供的一种星载SAR系统收发时延稳定方法、装置及电子设备的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种星载SAR系统收发时延稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、以延时TDA_F的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位信号对DAC进行复位，其中TDA_F为PRF触发信号在DAC复位前的延时时间，TDA_F≥0；
步骤2、以延时TDA_B的PRF触发信号的脉冲作为DAC的复位后雷达信号的实际发射时刻，其中TDA_B为PRF触发信号在DAC复位后的延时时间，TDA_B≥0；
步骤3、以延时T AD_F 的PRF采样起始信号的脉冲作为ADC的复位信号对ADC进行复位，其中TAD_F为PRF采样起始信号在ADC复位前的延时时间，TAD_F≥0；
步骤4、以延时TAD_B的PRF采样起始信号的脉冲作为ADC的复位后雷达回波信号的实际采样起始时刻，其中TAD_B为PRF采样起始信号在ADC复位后的延时时间，TAD_B≥0；
步骤5、固定TAD_F和TAD_B，按照递增排序对TDA_F、TDA_B参数设置控制指令，多次记录数据分析确定DAC复位前后PRF触发信号延时时间的有效组合区间范围；
步骤6、固定TDA_F和TDA_B，按照递增排序对TAD_F、TAD_B参数设置控制指令，多次记录数据分析确定ADC复位前后PRF采样起始信号延时时间的有效组合区间范围。
2.根据权利要求1所述的星载SAR系统收发时延稳定方法，其特征在于：所述步骤1预先按照递增步进设定DAC复位前后的PRF触发信号的延时时间以及ADC复位前后的PRF采样起始信号的延时时间。
3.根据权利要求2所述的星载SAR系统收发时延稳定方法，其特征在于：所述步骤5中的TDA_F和TDA_B的最大的延时时间不大于一个DAC对应的FPGA数据时钟的一个周期，延时步进不大于10%数据时钟周期。
4.根据权利要求3所述的星载SAR系统收发时延稳定方法，其特征在于：所述步骤6的TAD_F和TAD_B的最大的延时时间不大于一个ADC对应的FPGA数据时钟的一个周期，延时步进不大于10%数据时钟周期。
5.根据权利要求4所述的星载SAR系统收发时延稳定方法，其特征在于：其中将所述PRF触发信号的延迟时间按照预定编码方式设置在PRF信号延时控制指令中，接收所述控制指令对PRF信号按照编码对应延迟时间进行延时输出。
6.一种实现权利要求1-5之一所述的星载SAR系统收发时延稳定方法的装置，其特征在于，包括：延时单元，用于将PRF信号按照延迟时间递增排序并进行延时；DAC复位前后延时单元，用于以延时TDA_F后的PRF触发信号作为DAC的复位信号，以延时TDA_B后的PRF触发信号作为雷达信号实际发射时刻；ADC复位前后延时单元，用于以延时TAD_F后的PRF采样起始信号作为ADC的复位信号，以延时TAD_B后的PRF采样起始信号作为雷达回波信号实际采集时刻；延时输出PRF信号确定单元，用于确定PRF信号延时组合的有效区间，在这个延时区间内选择PRF延时控制指令设置最终的TDA_F、TDA_B、TAD_F和TAD_B参数值。
7.一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1至5中的任一项所述的星载SAR系统收发时延稳定方法。
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