一种合成孔径雷达系统的预失真补偿方法、模块及收发系统与流程

1.本发明属于雷达领域，具体涉及一种合成孔径雷达系统的预失真补偿方法、模块及收发系统。


背景技术：

2.合成孔径(sar)雷达是一种二维微波成像雷达，主动发射和接收电磁波的装置，可以搭载在卫星、飞机、火车、汽车等不同的载体上实现对地观测，具有全天时、全天候、穿透能力强等优点。在灾难检测、环境监测、资源勘查、测绘、目标识别与跟踪等军事方面具有不可替代的优势，sar雷达的距离向分辨率取决于雷达信号的带宽，方位向分辨率则取决于合成孔径时间，因此对sar雷达而言，具有高分辨率的前提是所发送的线性调频(lfm)电磁信号的线性度没有失真。由于在实际的雷达系统中，变频器、混频器、固放等时不可或缺的组成，这些器件内部都含有晶体管，而晶体管本身的特性就是非线性，因此必然会造成信号的失真。而sar雷达发送的lfm信号均为宽带信号，经过这些非线性器件必然会导致信号的失真，产生频谱再生，这就会造成在成像处理时对旁瓣的抑制度降低，旁瓣的出现会导致复杂目标的图像失真以及宽带目标识别的动态范围减小，无法满足目标识别以及高精度成像。
3.2006年，杨文军、徐泳等在现代雷达发表的《宽带雷达系统失真补偿信号的提取方法》中指出当系统距离旁瓣要求不高于
‑
30db时，系统的带内相频波动必须小于3.6
°
，幅度波动小于0.5db。2021年，孙吉利、张平等在哈尔冰工业大学学报发表的《星载sar lfm信号在轨相位预失真补偿方法》中指出在需要动目标识别和高精度成像的sar雷达系统中，通常要求lfm信号的带内相位失真在5
°
以内。因此就需要对整个收发环路对发送lfm宽带信号的失真进行误差分析和模型生成，用于进行预失真，以补偿系统中非线性器件和其他组件对信号造成的影响，从而增大lfm信号在脉冲压缩过程中的旁瓣抑制度提高成像精度。
4.图1是现有的技术中一个sar雷达收发装置结构部分示意图，如图1所示，接收和发射系统包括：控制系统101、雷达信号源103、数模转换(dac)104、混频器105、滤波器106、功放107、环形器108、本振1010、低噪放1011、混频器1012、滤波器1013、模数转换(adc)1015、数据存储单元1015等。
5.其中信号发送部分包括：控制系统101、雷达信号源103、数模转换(dac)104、混频器105、滤波器106、功放107、环形器108、本振1010。发送部分的工作流程为控制系统101控制雷达信号源103按照所需的信号带宽和时宽等配置参数发送数字lfm信号，数模转换(dac)104将数字lfm信号转换为模拟信号，由于信号频率较低，因此需要利用本振1010通过混频器105将中频模拟信号上变频到射频，考虑到混频器105的输出还有多次谐波分量，因此通过带通滤波器106对带外杂散进行抑制，随后进过功放107将发送信号的功率进行放大后由环形器108经天线发出。接收部分包括：环形器108、本振1010、低噪放1011、混频器1012、滤波器1013、模数转换(adc)1014。接收部分的工作流程为天线将接收到的信号通过环形器108后经过低噪放1011将信号进行放大，随后经过本振1010和混频器1012将射频模拟信号下变频到中频，同理由于经过了混频器1012输出信号会存在多次谐波，因此需要滤
波器1012对信号进行滤波处理，随后通过模数转换(adc)1014将模拟信号变化数字信号进行数据存储1015。通过分析可知，整个收发流程通道均对lfm信号产生了幅度和相位的畸变，从而就会影响lfm信号脉冲压缩的主瓣宽度、积分旁瓣比(lslr)和峰值旁瓣比(pslr)等，进而导致成像对比度下降。
6.对于上述问题，目前有三种方法，第一种是对发射机的非线性特性进行分析，得到预失真补偿函数的方法，第二种是时域估算的方法，第三种是利用定标环路进行分析计算的方法(即图2)。预失真处理方法、装置及预失真处理系统(cn 108449294 a)中提出了一种预失真处理方法，其主要技术方案是根据输出信号的饱和峰值功率和峰值增长因子，得到预失真模块的输入信号的饱和峰值功率门限，得到预失真系数。预失真校正方法、预失真校正装置、发射机即基站(cn 102893399 a)中采用的技术方案是对失真的时域信号进行带限处理，得到多阶带宽内的时域信号与数字预失真模型中的系数进行计算后得到预失真信号。但是上述方法的缺点在于仅考虑了发射系统的非线性影响，而忽略了接收系统造成的影响。就时域估算法而言，2001年，朱国富、董臻等在国防科技大学学报上发表的《用相位梯度法较正超宽带雷达系统的相位误差》中，提出了相位梯度法(pg)，是基于一种无参数自聚焦技术：相位梯度自聚焦(pga)改进而成，是一种时域估算的方法，通过对相位误差的导数进行积分求得对相位误差的估计，但是本方法存在的缺点是对地物的依赖性较强，必须对类似角反射器这样的强散射点回波才能比较准确的提取误差，并且为了准确提取系统自身的相位误差，实验通常在微波暗室进行，无法实时的在不同的环境下测量系统的相位误差，同时该算法的另一个缺点是不能估计和校正回波信号携带的系统幅度误差。2005年，矫伟、梁兴东等在电子与信息学报《基于内定标信号的合成孔径雷达系统幅相误差的提取和校正》中，给出了基于三路定标回路，分别为：参考定标回路、发射定标回路以及接收定标回路，测量和分析雷达收发系统各部分的相位和幅度特性的方法。定标环路分析法的原理也很简单，设雷达信号源103发射信号的频域表达式为s(f)，系统的传递函数为h(f)，则可知通过整个闭合环路数据存储单元1015接收到信号的频域表达r(f)＝s(f)h(f)，由于r(f)和s(f)已知，可得系统的传递函数从而可得误差校正函数即预失真补偿函数。2020年，邓翔、阎敬业等在遥感技术与应用《agiledarn雷达内定标的方法与实现》中采用了两路内定标回路的方法得到多通道雷达系统中不同通道的幅度和相位误差函数。定标环路分析法而言，不受地物特性的影响，可以分析和求解雷达收发系统的不同部分的幅度和相位特性，但是需要额外增加定标环路的设计，定标环路分析法求解幅度和相位误差均是在频域进行的，对于传递函数的求解方法有很多，可以实时的计算整个系统对雷达发射信号幅度和相位的影响。
7.但是在定标环路分析法中，需要使用定标器，定标器自身引入的误差时系统无法规避的，因此就会导致校准存在误差，且定环路引入的误差是无法消除的，同时定标环路法只适用于发射功率大的雷达。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种合成孔径雷达系统的预失真补偿方法、模块及收发系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
9.一种合成孔径雷达系统的预失真补偿方法，包括：
10.储存并提取闭环数据中的有效信号数据，以脉冲数为行开辟存储空间对所述有效信号数据进行存储；
11.以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的幅度进行分解，得到各阶幅度和幅度误差；
12.以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的相位进行分解，得到各阶相位和相位误差；
13.将所述幅度误差和所述相位误差进行整合，得到系统幅相函数；
14.当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率大于接收速率时，对所述系统幅相函数进行插值滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率小于接收速率时，对所述系统幅相函数进行抽取滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率匹配时，对所述幅相函数求逆得到预失真补偿函数；
15.雷达信号源读取所述预失真补偿函数生成雷达信号。
16.在一个具体实施方式中，所述有效信号数据脉冲幅度为：
[0017][0018]
其中：
[0019][0020]
n表示阶数。
[0021]
在一个具体实施方式中，所述有效信号数据脉冲相位为：
[0022][0023]
其中：
[0024][0025]
n表示阶数。
[0026]
在一个具体实施方式中，所述系统幅相函数为：
[0027]
h0(x)＝a0(x)exp0(φ(x))。
[0028]
本发明同时提供一种合成孔径雷达系统的预失真补偿模块，包括：
[0029]
数据存储单元，用于储存并提取闭环数据中的有效信号数据，以脉冲数为行开辟存储空间对所述有效信号数据进行存储；
[0030]
数据分析单元，用于以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的幅度进行分解，得到各阶幅度和幅度误差；以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的相位进行分解，得到各阶相位和相位误差；将所述幅度误差和所述相位误差进行整合，得到系统幅相函数；
[0031]
数据预失真单元，用于当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率大于接收速率时，对所述系统幅相函数进行插值滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率小于接收速率时，对所述系统幅相函数进行抽取滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率匹配时，对所述幅相函数求逆得到预失真补偿函数；
[0032]
雷达信号源，用于读取所述预失真补偿函数生成雷达信号。
[0033]
控制系统，用于控制所述数据存储单元、所述数据分析单元、所述数据预失真单元和所述雷达信号源的工作模式。
[0034]
在一个具体实施方式中，所述有效信号数据脉冲幅度为：
[0035][0036]
其中：
[0037][0038]
n表示阶数。
[0039]
在一个具体实施方式中，所述有效信号数据脉冲相位为：
[0040][0041]
其中：
[0042][0043]
n表示阶数。
[0044]
在一个具体实施方式中，所述系统幅相函数为：
[0045]
h0(x)＝a0(x)exp0(φ(x))。
[0046]
本发明还提供了一种合成孔径雷达收发系统，包括，信号发射端和信号接收端，所述信号发射端包括依次连接的数模转换器、发射端混频器、发射端滤波器、功率放大器、环形器；所述信号接收端包括依次连接的低噪声放大器、接收端混频器、接收端滤波器、模数转换器；本振器连接所述发射端混频器和所述接收端混频器；还包括上述合成孔径雷达系统的预失真补偿模块，其中，所述雷达信号源连接所述数模转换器，所述数据存储单元连接所述模数转换器。
[0047]
本发明的有益效果：
[0048]
1、本发明采用勒让德函数的解为正交基对信号进行分解，得到各阶次的幅度和相位失真，相比较于时域方法能够求解幅度失真，同时不受地物特性的干扰和限制；
[0049]
2、由于罗德里格斯(rodrigues
‑
罗巨格)公式各非线性失真分量之间完全正交，相关性为零，可以实现对系统不同阶次幅度和相位误差的求解，可以根据实际需要选择不同阶次的幅度和相位误差进行补偿；
[0050]
3、对于发射功率较小的雷达，本发明的技术方案不需要设计额外的定标环路，大大降低了硬件实现的复杂程度，适合于工程实现。
[0051]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0052]
图1为现有技术的sar雷达收发装置结构部分示意图；
[0053]
图2为现有技术的含定标环路中sar雷达收发装置结构示意图
[0054]
图3是本发明实施例提供的一种合成孔径雷达系统的预失真补偿方法流程示意图；
[0055]
图4是本发明实施例提供的一种合成孔径雷达系统的预失真补偿模块示意图；
[0056]
图5是本发明实施例提供的一种合成孔径雷达收发系统示意图；
[0057]
图6是本发明实施例提供的一个具体实例中预失真工作的流程图；
[0058]
图7为未经过补偿的系统各阶幅度误差；
[0059]
图8为未经过补偿的系统各阶相位误差；
[0060]
图9为经过补偿后系统各阶幅度误差；
[0061]
图10为经过补偿后系统各阶相位误差；
[0062]
图11为未经过补偿的系统信号眼图；
[0063]
图12为经过补偿后的系统信号眼图。
具体实施方式
[0064]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0065]
实施例一
[0066]
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种合成孔径雷达系统的预失真补偿方法流程示意图，包括：
[0067]
s111、储存并提取闭环数据中的有效信号数据，以脉冲数为行开辟存储空间对所述有效信号数据进行存储；
[0068]
具体的，首先从雷达信号源103发出经过整个环路形成闭环数据，因此闭环数据包中的数据含有延迟，同时由于雷达信号源103发送的信号插入了信号时宽、带宽、工作模式、采样率等参数，因此就需要对所有的数据进行处理，剔除无效部分，按数据格式读取当前信号时宽、带宽、prf以及采样率，用于后续的预失真部分的输入参数。对于有效信号数据的提取，需要考虑信号的特征，对于发送的lfm信号而言，通过相位的求解，即可从接收数据中提取到有效信息。对有效的信号数据段，后续需要进行统计分析，因此按照脉冲数为行进行存储。
[0069]
s112、以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的幅度进行分解，得到各阶幅度和幅度误差；
[0070]
可以理解，对有效信号数据段提取后，以勒让德函数的解即罗德里格斯(rodrigues
‑
罗巨格)公式为正交基。对信号的幅度分解后，信号a(x)的幅度可表示为：
[0071][0072]
其中：
[0073][0074][0075]
其中n＝i表示第i阶，从而可以得到各阶的幅度及幅度误差。
[0076]
s113、以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的相位进行分解，得到各阶相位和相位误差；
[0077]
具体的，对有效信号数据段提取后，以勒让德函数的解即罗德里格斯(rodrigues
‑
罗巨格)公式为正交基。对信号分解后，信号的相位φ(x)可表示为：
[0078][0079]
其中：
[0080][0081][0082]
其中n＝i表示第i阶，从而可以得到各阶的相位及相位误差。
[0083]
本发明采用勒让德函数的解为正交基对信号进行分解，得到各阶次的幅度和相位失真，相比较于时域方法能够求解幅度失真，同时不受地物特性的干扰和限制，并且由于罗德里格斯(rodrigues
‑
罗巨格)公式各非线性失真分量之间完全正交，相关性为零，可以实现对系统不同阶次幅度和相位误差的求解，可以根据实际需要选择不同阶次的幅度和相位误差进行补偿。
[0084]
s114、将所述幅度误差和所述相位误差进行整合，得到系统幅相函数；
[0085]
可以理解，当得到了系统的幅度传递函数和相位传递函数后，需要对其进行整合得到系统的幅相函数h0(x)＝a0(x)exp0(φ(x))。
[0086]
s115、当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率大于接收速率时，对所述系统幅相函数进行插值滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率小于接收速率时，对所述系统幅相函数进行抽取滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率匹配时，对所述幅相函数求逆得到预失真补偿函数；
[0087]
可以理解，当发射数据速率更大时，就需要对得到的系统幅相函数进行插值处理，增大系统的数据速率，使得其与雷达信号源的数据速率匹配，但是插值会导致系统幅相函数的频域发生变化，因此还需要对插值的数据进行滤波器处理，得到新的系统传递函数h(x)＝a(x)exp(φ(x))。
[0088]
而当发射数据速率更小时，就需要对得到的系统幅相函数进行抽取处理，减小系统的数据速率，使得其与雷达信号源的数据速率匹配，但是抽取会导致系统幅相函数的频
域发生变化，因此还需要对抽取后的数据进行滤波器处理，得到新的系统传递函数h(x)＝a(x)exp(φ(x))。
[0089]
对系统的幅相函数求逆则有h
‑1(x)＝exp(
‑
φ(x))/a(x)。
[0090]
s116、雷达信号源读取所述预失真补偿函数生成雷达信号。
[0091]
具体的，雷达信号源103发射信号的频域表达式为s(x)，系统的传递函数为h(x)，则可知通过整个闭合环路数据存储单元1015接收到信号为r(x)＝s(x)h(x)，当对雷达信号源的输出s1(x)＝s(x)h
‑1(x)时，整个闭合环路数据存储单元1015接收到信号为r(x)＝s1(x)h(x)＝s(x)h(x)
‑1h(x)＝s(x)从而就消除了系统的幅相误差。
[0092]
实施例二
[0093]
本发明同时提供一种合成孔径雷达系统的预失真补偿模块，请参见图4，包括：
[0094]
数据存储单元，用于储存并提取闭环数据中的有效信号数据，以脉冲数为行开辟存储空间对所述有效信号数据进行存储；
[0095]
数据分析单元，用于以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的幅度进行分解，得到各阶幅度和幅度误差；以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的相位进行分解，得到各阶相位和相位误差；将所述幅度误差和所述相位误差进行整合，得到系统幅相函数；
[0096]
数据预失真单元，用于当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率大于接收速率时，对所述系统幅相函数进行插值滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率不匹配且发射速率小于接收速率时，对所述系统幅相函数进行抽取滤波处理，得到新的幅相函数；或者，当判断系统的前后数据速率匹配时，对所述幅相函数求逆得到预失真补偿函数；
[0097]
雷达信号源，用于读取所述预失真补偿函数生成雷达信号。
[0098]
控制系统，用于控制所述数据存储单元、所述数据分析单元、所述数据预失真单元和所述雷达信号源的工作模式。
[0099]
在一个具体实施方式中，所述有效信号数据脉冲幅度为：
[0100][0101]
其中：
[0102][0103]
n表示阶数。
[0104]
在一个具体实施方式中，所述有效信号数据脉冲相位为：
[0105][0106]
其中：
[0107]
[0108]
n表示阶数。
[0109]
在一个具体实施方式中，所述系统幅相函数为：
[0110]
h0(x)＝a0(x)exp0(φ(x))。
[0111]
本发明还提供了一种合成孔径雷达收发系统，请参见图5，包括，信号发射端和信号接收端，所述信号发射端包括依次连接的数模转换器、发射端混频器、发射端滤波器、功率放大器、环形器；所述信号接收端包括依次连接的低噪声放大器、接收端混频器、接收端滤波器、模数转换器；本振器连接所述发射端混频器和所述接收端混频器；还包括上述合成孔径雷达系统的预失真补偿模块，其中，所述雷达信号源连接所述数模转换器，所述数据存储单元连接所述模数转换器。
[0112]
实施例三
[0113]
本实施例以一个具体实例展示预失真工作的流程，请参见图6，
[0114]
s111、储存并提取闭环数据中的有效信号数据，以脉冲数为行开辟存储空间对所述有效信号数据进行存储；
[0115]
s112、以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的幅度进行分解，得到各阶幅度和幅度误差；
[0116]
s113、以勒让德函数的解为正交基对所述有效信号数据脉冲的相位进行分解，得到各阶相位和相位误差；
[0117]
s114、将所述幅度误差和所述相位误差进行整合，得到系统幅相函数；
[0118]
s117、判断系统的前后数据速率是否匹配，若否，则执行s118，若是，则执行s121；
[0119]
s118、判断发射速率是否大于接收速率，若否，则执行s119，若是，则执行s120；
[0120]
s120、对系统的幅相函数进行插值滤波处理存储得新的幅相函数；
[0121]
s121、对系统的幅相函数求逆得到预失真补偿函数进行存储；
[0122]
s122、雷达信号源读取预失真补偿函数生成雷达信号。
[0123]
在该具体实例中进行实施时，系统的采样窗宽40us，信号带宽600mhz，信号时宽30us。在不进行预失真处理时，从图7可知未经过补偿的幅度误差为1.8db，从图8可知未经过系统补偿的相位误差为28
°
。按照上述的步骤进行实施，参见图9，经过本发明补偿算法后，参见图10，经过本发明补偿后幅度误差缩小为0.41db，相位误差为1.8
°
。从图11和图12信号眼图的前后对比可知预失真后信号的收敛性更强。因此此发明的数字预失真装置和补偿算法，能够很好的补偿系统中非线性器件造成的幅度和相位失真。
[0124]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0125]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成
部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0126]
本技术是参照本技术实施例的方法、装置(设备)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。
[0127]
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。
[0128]
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。
[0129]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。