專利名稱：一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合成孔徑雷達(dá)(SAR)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，屬于雷達(dá)信號(hào) 偵察領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)就是利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù) 據(jù)處理的方法合成為較大的等效天線孔徑的雷達(dá)。為了在不損失距離分辨率的情況下，增 大探測(cè)范圍，SAR通常采用具有大時(shí)寬帶寬積特性的線性調(diào)頻信號(hào)。通過采用線性調(diào)頻信 號(hào)，SAR提高探測(cè)能力的同時(shí)，也具有了低截獲性。在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，針對(duì)SAR信號(hào)的大時(shí) 寬、大帶寬和低截獲性，提出一種方法對(duì)非合作的SAR信號(hào)進(jìn)行精密的實(shí)時(shí)參數(shù)測(cè)量具有 重要的意義。目前，國內(nèi)外已經(jīng)提出了不少分析SAR信號(hào)的方法，主要有短時(shí)Rmrier變換、 Wigner-Ville時(shí)頻分析與時(shí)頻分解、小波變換、Chirplet變換、分?jǐn)?shù)階Rmrier變換、譜相 關(guān)分析方法、高階統(tǒng)計(jì)量方法以及其他信號(hào)處理方法等。這些方法對(duì)非合作SAR信號(hào)的處 理存在計(jì)算復(fù)雜，不具備實(shí)時(shí)處理與精密測(cè)量雙重優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，以解決現(xiàn)有 技術(shù)難以對(duì)非合作SAR信號(hào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精密測(cè)量的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，包括以 下步驟第一步根據(jù)頻域數(shù)字信道化多相濾波原理，根據(jù)信道個(gè)數(shù)和瞬時(shí)帶寬確定數(shù)字 下變頻系數(shù)和低通濾波器系數(shù)；第二步將第一步得到的系數(shù)存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器中，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中實(shí)現(xiàn) 頻域數(shù)字信道化濾波；第三步對(duì)復(fù)信號(hào)進(jìn)行頻域數(shù)字信道化多相濾波之后，采用CORDIC算法計(jì)算每個(gè) 信道輸出結(jié)果的幅值和相位；第四步得到相位之后利用相位差分法計(jì)算每個(gè)信道信號(hào)的瞬時(shí)頻率；第五步對(duì)信號(hào)進(jìn)行過門限檢測(cè)，根據(jù)信號(hào)的幅值和瞬時(shí)測(cè)頻信息，剔除虛假信 道，將信號(hào)劃歸到正確的信道中；第六步根據(jù)SAR信號(hào)時(shí)頻特性，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，記錄信號(hào)的起始時(shí) 刻、終止時(shí)刻、起始頻率、終止頻率，其中頻率值由信道號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率值和瞬時(shí)測(cè)頻得到的 信道內(nèi)精準(zhǔn)頻率值兩部分組成；第七步計(jì)算信號(hào)調(diào)頻斜率，利用調(diào)頻斜率與在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用確定信號(hào)估計(jì) 的時(shí)間參數(shù)誤差對(duì)信號(hào)脈寬、起始頻率、終止頻率進(jìn)行修正，形成精準(zhǔn)的脈沖描述字PDW。其中第二步所述的實(shí)現(xiàn)過程中通過多級(jí)流水相加來實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)的相加以提高處理器的處理速度，同時(shí)采用塊浮點(diǎn)的方法處理數(shù)據(jù)相加的位增長(zhǎng)。上述的方法采用部分信道并行計(jì)算、信道硬件資源分時(shí)復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1.該發(fā)明能對(duì)大帶寬大時(shí)寬的非合作SAR信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)測(cè)量本發(fā)明的方法采用頻域數(shù)字信道化多相濾波技術(shù)提高信號(hào)處理增益，并充分利用 SAR信號(hào)的時(shí)頻特性，對(duì)多個(gè)信道的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，充分考慮處理器的處理能力和 硬件資源，提出“部分信道并行計(jì)算，資源分時(shí)復(fù)用”的實(shí)現(xiàn)方法，能夠?qū)Υ髱挻髸r(shí)寬的非 合作SAR信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)測(cè)量。2.該發(fā)明能對(duì)非合作SAR信號(hào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精密測(cè)量本發(fā)明的方法采用頻域數(shù)字信道化多相濾波與相位差分瞬時(shí)測(cè)頻相結(jié)合的方式 得到信號(hào)的頻率信息，為了減小HR濾波器性能和瞬態(tài)響應(yīng)帶來測(cè)量誤差，利用實(shí)驗(yàn)室環(huán) 境得到的時(shí)間參數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差及實(shí)時(shí)測(cè)量得到的調(diào)頻斜率對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非 合作SAR信號(hào)參數(shù)的實(shí)時(shí)精密測(cè)量。對(duì)高速采集得到的復(fù)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻域數(shù)字信道化多相濾波；采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) 數(shù)字計(jì)算(CORDIC)算法得到濾波結(jié)果的模值和相位信息；利用相位差分法計(jì)算每個(gè)信道 的瞬時(shí)頻率值；對(duì)信號(hào)進(jìn)行恒虛警檢測(cè)；根據(jù)SAR信號(hào)的特性綜合檢測(cè)結(jié)果，獲得SAR信號(hào) 的粗測(cè)量參數(shù)并對(duì)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償形成精準(zhǔn)的PDW。


圖1-是本發(fā)明的方法流程示意圖；圖2-是復(fù)信號(hào)頻域數(shù)字信道化多相濾波的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種SAR信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明一種SAR信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，流程如圖1所示。超寬帶SAR信號(hào) 的帶寬是GHz級(jí)的，對(duì)這類信號(hào)進(jìn)行采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換速率必須也是(isps級(jí)，而且還是I/Q采 樣。信道化濾波中用到的快速傅里葉變換(FFT)通過基-4蝶形運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門 陣列中通過多級(jí)流水相加來實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)的相加以提高處理器能適應(yīng)的處理速度。處理中 采用塊浮點(diǎn)的方法處理數(shù)據(jù)相加的位增長(zhǎng)問題，以得到高精度的處理結(jié)果。對(duì)復(fù)信號(hào)進(jìn)行 頻域數(shù)字信道化多相濾波之后采用CORDIC算法計(jì)算每個(gè)信道輸出結(jié)果的幅值和相位。得 到相位之后利用相位差分法計(jì)算每個(gè)信道信號(hào)的瞬時(shí)頻率。對(duì)信號(hào)進(jìn)行過門限檢測(cè)，根據(jù) 信號(hào)的幅度和瞬時(shí)測(cè)頻信息，結(jié)果信號(hào)的跨信道問題，將信號(hào)劃歸到正確的信道中。為了對(duì) 超高速的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理，從信道化濾波到信號(hào)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)都是在綜合考慮處 理器的處理能力和資源使用情況下，采用部分信道并行計(jì)算，信道硬件資源分時(shí)復(fù)用的方 法實(shí)現(xiàn)。這樣對(duì)處理器的處理能力和硬件資源取了折衷，在現(xiàn)有處理器中易實(shí)現(xiàn)。信號(hào)檢測(cè)之后根據(jù)SAR信號(hào)特有的時(shí)頻特性，信號(hào)應(yīng)該在不同時(shí)間段依次從不同 信道輸出，且這些信道是連續(xù)不間斷的，據(jù)此對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，記錄信號(hào)的起始時(shí) 刻、終止時(shí)刻、起始頻率、終止頻率，其中頻率值由信道號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率值和瞬時(shí)測(cè)頻得到的 信道內(nèi)精準(zhǔn)頻率值兩部分組成。第一次使用一組FIR濾波器參數(shù)時(shí)，為了避免FIR濾波器的性能對(duì)信號(hào)起始時(shí)刻與終止時(shí)刻的判斷精度的影響，先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用確定信號(hào)估 計(jì)該時(shí)間參數(shù)誤差，用于對(duì)參數(shù)測(cè)量結(jié)果的修正。由于信號(hào)的起始、終止位置存在瞬態(tài)響應(yīng) 的問題，根據(jù)SAR信號(hào)的特點(diǎn)，信號(hào)的起始、終止頻率取值時(shí)盡量不取信號(hào)邊沿處的值。計(jì) 算信號(hào)調(diào)頻斜率，利用調(diào)頻斜率與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境得到的時(shí)間參數(shù)固有誤差對(duì)信號(hào)脈寬、起始 頻率、終止頻率進(jìn)行修正，形成精準(zhǔn)的脈沖描述字PDW。本實(shí)施例首先確定頻域數(shù)字信道化多相濾波的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。一個(gè)64信 道的接收機(jī)，即圖2中的D等于64，在FPGA中實(shí)現(xiàn)時(shí)，每8個(gè)信道歸為一組，一個(gè)處理周期 只處理8個(gè)信道，8個(gè)處理周期才將64個(gè)信道處理完，這樣就將對(duì)處理能力和處理資源的 要求進(jìn)行折衷，滿足對(duì)現(xiàn)有數(shù)字信號(hào)處理器的要求。處理中采用流水操作，分時(shí)復(fù)用資源只 會(huì)導(dǎo)致處理結(jié)果有7個(gè)處理周期的滯后，這不影響處理結(jié)果的實(shí)時(shí)產(chǎn)生。信道化之后采用 CORDIC算法計(jì)算濾波后每個(gè)信道輸出的復(fù)數(shù)據(jù)的幅值和相位。得到復(fù)數(shù)據(jù)的相位之后，采 用相位差分瞬時(shí)測(cè)頻的方法對(duì)每個(gè)信道進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)頻，計(jì)算公式如下f (η) = [ Φ (η) - Φ (η_1) ] *Fs/2 π其中φ為復(fù)數(shù)據(jù)相位，F(xiàn)s為信道中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的采樣率，π為圓周率。對(duì)瞬時(shí)測(cè)頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度恒虛警過門限檢測(cè)并同時(shí)判斷相應(yīng)信道輸出的瞬 時(shí)頻率信息以解決寬帶信號(hào)存在的跨信道問題，信號(hào)從信道(K)開始出現(xiàn)，T(O)時(shí)刻為信 號(hào)的起始時(shí)刻，記錄該時(shí)刻的時(shí)間值TO;信號(hào)出現(xiàn)了 Ll個(gè)處理周期之后，將T(I)時(shí)刻的頻 率值和時(shí)間值分別記為Fl和Tl ；T(3)時(shí)刻檢測(cè)到信號(hào)結(jié)束，將此時(shí)的時(shí)間值記為T3，將 T(3)之前L2個(gè)處理周期TO)時(shí)的頻率值和時(shí)間值分別記為F2和T2。Ll與L2的選取根 據(jù)具體偵察SAR信號(hào)脈寬參數(shù)情況定，選取太大會(huì)使Ll加L2的時(shí)間值大于信號(hào)脈寬從而 導(dǎo)致出錯(cuò)，選取太小沒有避開瞬態(tài)響應(yīng)從而沒有達(dá)到預(yù)期效果，在本實(shí)施例中Ll和L2分別 為16和24。初次使用一組濾波器參數(shù)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用確定信號(hào)估計(jì)TO的固有偏差 DeltO和T3的固有偏差Delt3。接下來是對(duì)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。首先是信號(hào)到達(dá)時(shí)間TOA和信號(hào)結(jié)束時(shí)間TOETOA = TO-DeltOTOE = T3+Delt3TOA與上一個(gè)信號(hào)的TOA的差值就是信號(hào)的重復(fù)周期PRI，T0E-T0A就是信號(hào)的脈 沖寬度PW。根據(jù)測(cè)得的信號(hào)參數(shù)T1、T2、F1、F2由公式K= (F2-F1)/(T2-T1)得到信號(hào)的調(diào)頻斜率K。根據(jù)公式Fstart = Fl-K* (Ll+DeltO)Fstop = F2+K*(L2+Delt3)
對(duì)起始頻率和終止頻率進(jìn)行補(bǔ)償，得到最終的起始頻率Fstart和終止頻率 Fstop0根據(jù)公式Bff = Fstop-Fstart
即得到信號(hào)的帶寬BW。本發(fā)明的SAR信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，充分利用SAR信號(hào)的時(shí)頻特性，避免信 號(hào)處理的瞬態(tài)響應(yīng)問題，得到被偵察信號(hào)的精密參數(shù)。相位差分瞬時(shí)測(cè)頻在復(fù)信號(hào)頻域數(shù) 字信道化之后進(jìn)行，降低了對(duì)原始數(shù)據(jù)信噪比的要求，使得整個(gè)處理算法能夠在更低的信 噪比下實(shí)時(shí)得到精準(zhǔn)的非合作SAR信號(hào)的參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟 第一步根據(jù)頻域數(shù)字信道化多相濾波原理，根據(jù)信道個(gè)數(shù)和瞬時(shí)帶寬確定數(shù)字下變頻系數(shù)和低通濾波器系數(shù)；第二步將第一步得到的系數(shù)存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器中，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中實(shí)現(xiàn)頻域 數(shù)字信道化濾波；第三步對(duì)復(fù)信號(hào)進(jìn)行頻域數(shù)字信道化多相濾波之后，采用CORDIC算法計(jì)算每個(gè)信道 輸出結(jié)果的幅值和相位；第四步得到相位之后利用相位差分法計(jì)算每個(gè)信道信號(hào)的瞬時(shí)頻率； 第五步對(duì)信號(hào)進(jìn)行過門限檢測(cè)，根據(jù)信號(hào)的幅值和瞬時(shí)測(cè)頻信息，剔除虛假信道，將 信號(hào)劃歸到正確的信道中；第六步根據(jù)SAR信號(hào)時(shí)頻特性，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，記錄信號(hào)的起始時(shí)刻、終 止時(shí)刻、起始頻率、終止頻率，其中頻率值由信道號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率值和瞬時(shí)測(cè)頻得到的信道內(nèi) 精準(zhǔn)頻率值兩部分組成；第七步計(jì)算信號(hào)調(diào)頻斜率，利用調(diào)頻斜率與在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用確定信號(hào)估計(jì)的時(shí) 間參數(shù)誤差對(duì)信號(hào)脈寬、起始頻率、終止頻率進(jìn)行修正，形成精準(zhǔn)的脈沖描述字PDW。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，其特征在 于其中第二步所述的實(shí)現(xiàn)過程中通過多級(jí)流水相加來實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)的相加以提高處理器 的處理速度，同時(shí)采用塊浮點(diǎn)的方法處理數(shù)據(jù)相加的位增長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，其特征 在于上述的方法采用部分信道并行計(jì)算、信道硬件資源分時(shí)復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種合成孔徑雷達(dá)信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)精密測(cè)量方法，屬于雷達(dá)信號(hào)偵察領(lǐng)域。該方法利用數(shù)字信道化接收機(jī)與相位差分瞬時(shí)測(cè)頻相結(jié)合的方法對(duì)SAR信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)測(cè)量；考慮處理器的處理能力和硬件資源，采用并行處理和硬件資源時(shí)分復(fù)用相結(jié)合的方法在現(xiàn)有處理器中對(duì)大帶寬大時(shí)寬非合作SAR信號(hào)產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理；利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境分析系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)存在的固有誤差并對(duì)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；利用SAR信號(hào)的特點(diǎn)避開瞬態(tài)響應(yīng)，對(duì)頻域參數(shù)進(jìn)行校正得到精確的頻域參數(shù)。本發(fā)明的方法運(yùn)算量小、考慮周全，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大帶寬大時(shí)寬的非合作SAR信號(hào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精密測(cè)量，提高了現(xiàn)役偵察接收機(jī)的處理大帶寬信號(hào)的實(shí)時(shí)性和精密性。
文檔編號(hào)G01S7/40GK102053242SQ20101052727
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者劉國滿, 許世超, 高梅國 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)