一种方位多通道星载SAR直接数字波束形成方法

一种方位多通道星载sar直接数字波束形成方法
技术领域
1.本发明属于雷达系统设计技术领域，具体涉及一种方位多通道星载合成孔径雷达（sar）直接数字波束形成方法。


背景技术：

2.星载合成孔径雷达能实现全天时、全天候对地成像，是一种应用广泛的微波遥感手段。方位多通道技术能够大幅提高星载sar的成像幅宽，同时保证分辨率不变，是一种在国内外都已经得到应用的新技术。
3.方位多通道星载sar一般具有多种工作模式，不同工作模式要求的方位通道数也不相同，如高分三号星载sar既有方位双通道工作模式，也有很多方位单通道工作模式。对于方位双通道工作模式，sar天线方位双子孔径分别形成接收波束，而方位单通道工作模式则是sar天线全孔径形成接收波束。
4.针对以上要求，传统的解决方法是模拟波束合成，即使用模拟技术将sar天线方位双子孔径分别形成的接收波束信号合成全孔径接收波束信号，用于方位单通道接收工作模式，同时方位双子孔径各自的接收波束信号仍需单独输出，用于方位双通道工作模式。高分三号星载sar使用的就是这种模拟波束合成方法。
5.图1以方位双通道星载sar为例给出模拟波束合成方法系统框图，实现天线双子孔径接收信号波束合成的是微波组合单机。在微波组合中，首先天线每个子孔径接收信号都通过电子开关分为两路，接下来两个子孔径各自一路信号直接进行功率合成，得到全孔径接收波束信号，另外两路各自单独输出，用于双通道工作模式，全孔径接收波束信号和子孔径接收波束信号通过电子开关进行选择输出。微波组合两路输出信号经雷达接收机变频和放大后得到中频信号，在数据形成器中经a/d变换形成数字信号，再由fpga完成数据处理、数据压缩和数据格式化，最后格式化数据传输至数传系统。这里需要指出的是，图中微波组合单机中仅给出与接收波束合成相关的部件，未给出与发射相关的部件。
6.现有方位多通道星载sar一般采用传统模拟波束合成方法，其主要缺点是需要在微波组合单机中增加多个电子开关和功率合成器，特别是方位接收通道数较多的情况，图2是方位4通道星载sar实现4通道、双通道和单通道工作时实现模拟波束合成的微波组合单机原理框图，通过对各电子开关的控制，可实现方位4通道（输出1/2/3/4）、方位双通道（输出2/3）和方位单通道（输出2），其中共使用了9个电子开关和3个功率合成器，设备实现较为复杂。模拟波束合成方法的另外一个缺点是带来接收信号的插损，这是由微波组合增加的电子开关和功率合成器引入的，插损大小由工作频段和部件类型决定，接收通道数越多，插损越大，进而影响系统接收增益。


技术实现要素：

7.本发明需要解决的是传统模拟波束合成方法设备实现复杂、存在接收信号插损的技术问题。为此，本发明申请提出一种方位多通道星载sar直接数字波束形成方法，以实现
在数字域进行数据的各种处理，从而解决现有方法设备实现复杂、存在接收信号插损的问题。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种方位多通道星载sar直接数字波束形成方法，根据多通道的通道数量对应设置多个天线孔径，每个天线孔径的接收信号直接由雷达接收机的对应数量的多个接收通道的其中一个进行变频和放大，再经数据形成器中的对应数量的a/d变换的其中一个转化为数字信号，然后在fpga中以直接数字波束形成的方式实现接收波束合成；所述直接数字波束形成采用对多个天线孔径的接收信号进行加权合成的方式。
9.进一步地，多个天线孔径加权合成的公式为：其中，s1、s2、s3、
…
、sn为各通道接收信号，sd为多个天线孔径加权合成后的信号，、、
…
、为加权系数，n为天线孔径数量，所述加权系数定义为：, n=2,3,
…
,n上式中，αn和φn分别为第n通道接收信号相对于第1通道接收信号的幅度和相位差异。与传统模拟波束合成方法相比，本发明具有以下优点：1）模拟波束合成方法需要在微波组合单机中增加多个电子开关和功率合成器，方位接收通道数越多，需要增加的部件也越多，进而增加系统复杂度。
10.本发明申请则是基于数字信号在fpga中通过软件编程来实现波束合成，仅占用fpga很少一部分逻辑资源，不需额外的硬件设备。
11.2）模拟波束合成方法会带来接收信号的插损，这是由微波组合中增加的电子开关和功率合成器引入的，方位接收通道数越多，接收插损也越大，进而带来系统接收增益的下降。
12.本发明申请在数字域进行数据的各种处理，不会带来插损。
附图说明
13.图1 为方位双通道星载sar模拟波束合成系统框图；图2为方位4通道星载sar模拟波束合成原理框图；图3为本发明的方位双通道星载sar直接数字波束形成方法所采用的系统框图；图4为本发明的方位双通道星载sar直接数字波束形成方法的实施流程图。
具体实施方式
14.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
15.本发明对方位多通道各路接收波束信号不进行模拟波束合成，而是转化为数字信号后进行直接数字波束形成。
16.如图3所示，本发明的方位多通道星载sar直接数字波束形成方法以双通道为例，
其中，天线包括第1天线孔径和第2天线孔径，所述第1天线孔径和第2天线孔径的接收信号直接由雷达接收机的第1接收通道、第2接收通道进行变频和放大，再经数据形成器中的第1a/d变换、第2a/d变换转化为数字信号，然后在fpga中以直接数字波束形成的方法实现要求的接收波束合成。
17.在fpga中实现直接数字波束形成的流程与模拟波束合成基本一致，图4为其实施流程，根据方位双通道或单通道工作需求，针对输入的两路数据分别输出或合成后输出，然后进行后续数据处理与数据格式化。fpga通过软件编程来实现直接数字波束形成，实现方式简单灵活，且仅占用fpga很少一部分逻辑资源，不需额外的硬件设备；同时，在数字域进行数据的各种处理，不会带来插损。方位接收通道数越多，直接数字波束形成的优势越明显。
18.由于直接数字波束形成中，雷达接收机各接收通道间会存在一定的幅度和相位误差，各通道信号直接进行功率合成会引入合成误差。
19.为此，提出一种解决上述问题的方法，将直接功率合成更改为加权合成。
20.双通道的2个天线孔径的直接功率合成的公式为：s=s1 s2其中，s1为第1通道接收信号，s2为第2通道接收信号，s为直接功率合成后的信号；图4中采用的加权合成的公式为：其中，sj为加权合成后的信号，为加权系数；上式中α和φ分别为第1通道接收信号和第2通道接收信号之间的幅度和相位差异，可以通过系统测试获取。
21.以下为n个天线孔径加权合成的公式：其中，s1、s2、s3、
…
、sn为各通道接收信号，sd为n个天线孔径加权合成后的信号，、、
…
、为加权系数，加权系数定义为：, n=2,3,
…
,n上式中，αn和φn分别为第n通道接收信号相对于第1通道接收信号的幅度和相位差异，可以通过系统测试获取。
22.以上加权合成方法在信号合成前补偿了通道间的幅度和相位误差，解决了直接数字波束形成带来的问题。
23.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。