2007年第5期商丘职业技术学院学报Vol . 6, No . 5 第6卷(总第32期) JOURNAL OF SHANG Q I U VOC ATI O NAL AND TECHN I CAL C OLLEGE Oct . , 2007文章编号:1671-8127(2007) 05-0065-03
S AR 雷达信号处理技术研究
王晓虹
(连云港职业技术学院, 江苏连云港222006)
摘 要:阐述了S AR 雷达主要特点、应用及其信号处理技术的发展状况, 研究了S AR 雷达信号处理的几个主
要技术———宽带信号产生器、高采样率模数变换、脉冲压缩技术、运动补偿技术、S AR 成像算法、实时成像处理器、慢速动目标检测和成像技术. 对S AR 雷达的进一步发展具有深远的意义.
关键词:S AR 雷达; 信号处理; S AR 技术
中图分类号:O45 文献标识码:A
0 引 言
[1][2]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, S AR ) [3]特点:
强透射性. 不受气候、昼夜等因素影响, .
具有距离和方位二维高分辨.
包括多种散射信息, .
, 还可以获得包括地面高度信息在内的三维高分辨图像. S AR , 在军用和民用上具有广阔的应用前景.
[4]、地质和矿资源勘探、农林业应用等方面.
在军事领域的主要应用有:
战略应用———全天候全球战略侦察, 全天候海洋军事动态监视, 战略导弹终端要点防御的目标识别与拦截等.
战术应用———全天候重点战区军事动态监视, 战场侦察, 大型坦克群的成像监视等.
特殊应用———强背景杂波下的目标识别, 低空与超低空目标的探测与跟踪, 精密测向与测高等.
1 S AR 雷达信号处理的几个主要技术
1. 1 宽带信号产生器
S AR 雷达的空间分辨力越高, 要求发射的chir p 信号的带宽越宽, 也就是要求宽带信号产生器产生的信号带宽越宽.
以要求1m 的空间分辨力为例, 理论上要求chir p 信号带宽150MHz, 若考虑脉冲压缩时, 主瓣展宽因子取1. 34, 则要求发射的chir p 信号的实际带宽达200MHz .
现有宽带信号产生器具有以下几种形式:
采用数字方式产生I 、Q 基带chir p 信号, 再用中频调制器产生中频信号. 此法优点是对器件速度要求不太高, 现有器件的速度能够满足使用要求, 但信号的相位非正交、幅度不一致, 均会严重影响信号的波形质量;
中频数字直接产生方式, 避免了上述的不足, 但此法受到器件速度、容量等因素的限制, 目前只用于中频较低的场合, 随着器件水平的发展, 此法的应用前景较好.
基于倍频链的波形合成方法. 这是目前一种较常用的方法. 不过, 倍频链路带来了信号质量的下降, 如杂散增大、调频线性度恶化等, 因此, 合理设计倍频链路各级之间的隔离和滤波就显得尤为重要.
收稿日期:2006-12-17作者简介:王晓虹(1970-) 江苏连云港人, 连云港职业技术学院机电系讲师, 硕士, 主要从事数字信号处理及电力电子传动研究. [5]
・65・
1. 2 高采样率模数变换
随着对S AR 雷达空间分辨力要求的不断提高, 发射信号的带宽在增大, 也要求系统采用速度高的AD 变换器件. 在S AR 雷达中, 因信号带宽宽, 目前不可能直接采用中频数字化方法, 只能通过正交解调器, 得到I 、Q 基带模拟信号, 再对两路模拟信号分别进行AD 变换[5].
若雷达分辨力为1m , 发射信号的带宽为200MHz, 为了满足Nyquist 采样定理, 每路AD 变换器的采样频率至少要200MHz . 不过由于S AR 雷达的动态范围不是很大, 一般只要8位的AD 变换器就可满足要求.
在8位高速AD 变换器上, 具有代表性的是MAX I M 公司的MAX10×系列,MAX101的最高采样率达到500MHz 、MAX106达600MHz 、MAX108达800MHz 、MAX104达1GHz, 其外围电路简单, 且从MAX106开始, 几种芯片的封装完全一样, 可互相替代, 使用方便.
1. 3 脉冲压缩技术
脉冲压缩技术是S AR 雷达成像处理中的技术基础, S AR 的成像处理可简化为两个脉冲压缩处理的过程[6].
脉冲压缩技术已成为雷达的一个常用技术之一. 采用脉压技术的雷达, 能较好地解决高分辨力和高发射信号峰值功率之间的矛盾, 且具有低截获概率性能, 脉冲压缩处理相当于匹配滤波, 可在时域或频域完成处理. ; 而脉压比较大的场合, 则采用频域处理方法, . S , 全部采用频域处理方法.
, . 一般可通过在脉压处理时, , 会展宽主瓣的宽度, 降低雷达的分辨力. 所以, .
1. 4S AR :
(1) 基于I N S/I M U 的平台运动补偿
惯性导航系统(I N S ) /惯性测量单元(I M U ) 感知的平台实际飞行轨迹, 相对于理想的标准运动状态的偏差, 在S AR 成像处理时, 利用此偏差数据进行运动补偿. 此法具有处理较简单的特点, 但补偿的精度直接依赖于I N S/I M U 的精度. 现有I N S/I M U 的精度还不能完全满足高分辨力S AR 雷达运动补偿处理的要求.
(2) 基于回波的运动补偿
从雷达的回波数据中直接提取方位向chir p 信号的参数, 实现运动补偿处理. 通过杂波锁定处理得到方位向chir p 信号的中心频率; 由多视子图相关法自聚焦或相位梯度自聚焦(PG A ) 等方法得到方位向chir p 信号的调频斜率. 基于回波的运动补偿方法具有补偿精度高的特点, 但此法要求的运算量很大.
高空间分辨力S AR 雷达的运动补偿处理, 必须采用基于I N S/I M U 的平台运动补偿和基于回波的运动补偿相结合的方法. 基于I N S/I M U 的平台运动补偿作为初步的粗运动补偿; 基于回波的运动补偿作为精细运动补偿处理. 此方法既降低了高分辨力S AR 雷达对I N S/I M U 精度的要求, 同样, 可减少杂波锁定和自聚焦处理过程中的迭代次数, 利于快速收敛, 从而减小基于回波的运动补偿处理的运算量.
1. 5 S AR 成像算法
高的成像分辨力要求一个高效的成像算法, S AR 雷达主要有Range -Dopp ler (RD ) 和Chir p -Scaling (CS ) 等成像算法[7].
RD 算法将二维处理分解为距离维和方位维两个一维处理, 使信号处理简单化, 大大节省了计算量. RD 算法实现简单, 运算量小适合实时处理, 而且相当成熟, 但是该算法在大距离徙动情况下, 需要通过插值去除方位向和距离向的耦合, 从而导致分辨力的降低和处理量的急剧增加.
CS 算法能很好的适应大距离徙动情况下的成像处理, 避免了插值处理, 在算法中只需要进行复乘和FFT 运算, 适合数字信号处理机的并行实现, 但运算量较大.
1. 6 实时成像处理器
随着要求成像分辨力的不断提高、成像带宽度的不断增大以及系统体积小、重量轻, 实时成像处理器就要在设备量尽可能少的情况下, 具有尽可能高的处理能力. 这在平台载荷有限的系统中, 如无人机载S AR 雷・66・
达等系统中, 则显得尤为重要. 大多S AR 雷达的实时成像处理器, 是基于VME 或PC I 等总线构成的由多片通用DSP 芯片组成的一个并行处理系统. 该处理系统应具有强的处理能力、较好的灵活性、较强的适应性和良好的可扩展性.
由于AD 公司的DSP 芯片在结构上比TI 公司的DSP 芯片更便于构成并行处理系统, 所以现在的绝大多数S AR 实时成像处理器的DSP 器件, 选用了AD 公司的ADSP21060及其换代产品ADSP21160芯片.
ADSP21160芯片具有100MHz 主频、600MF LOPS 的处理能力、4Mbit 片内存储器、两个相当于ADSP21060处理器核的运算单元、14个DMA 通道、6个8bit 的L I N K 口等特点, 总之, ADSP21160芯片因其具有的高的单片处理能力以及并行DSP 的处理结构, 已成为多种高性能雷达信号处理器, 包括S AR 雷达实时成像处理器, 用于构成并行处理系统的首选DSP 器件.
1. 7 慢速动目标检测和成像技术
S AR 雷达因军民应用的广度和深度需求, 发展到当今的水平, 已不仅只是对固定场景的成像, 而包括对慢速运动目标进行成像处理. 如用于战场侦察的S AR 雷达, 在对机场、港口等重要的固定目标进行成像侦察的同时, 能实现对坦克、汽车等地面慢速运动目标进行检测和成像, 就能获得更为全面的军事情报.
对慢速动目标进行检测和成像的技术主要有:
(1) 多通道S AR 的时空处理
S AR 雷达系统采用多通道S AR , 力. 由于多个通道的天线产生的巨大的数据率, 目前, S . 但是, 将来的S AR , [8]用到S AR 系统中.
(2) W igner -V ille WVD , 合成孔径雷达运动目标的回波谱是随时间而变化的, 可以利用、, 以提取它的多普勒参数, 此法的运算量同样很大. 2 结论
随着对S AR 雷达性能要求的不断提高, S AR 雷达信号处理技术得到了长足的发展, 本文研究S AR 雷达信号处理的几个主要技术. 为雷达系统的信号处理理论和雷达信号处理技术提供了理论依据和技术支持. 参考文献:
[1]HenriMaitre . 合成孔径雷达图像处理[M].北京:电子工业出版社, 2005:18-92.
[2]魏钟铨合成孔径雷达卫星[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2001:31-52.
[3]曹元春. 宽带雷达信号产生技术[M].北京:国防工业出版社, 2002:102-114.
[4]JI 阿斯塔宁A. A. 考斯泰列夫. 超宽带雷达测量基础[M].北京:国防科技大学出版社, 2000:72-114.
[5]Ausherman D A. Devel opments in radar i m aging[J ].I EEE Trans . Aer os pace and Electr onic Syste m s, 1984, 20(4) :17-19.
[6]NuthalapatiR M. H igh res oluti on reconstructi on of I S AR i m ages[J ].I EEE Tran . Aer os pace Electr on Syst, 1992, 28(2) :23-25.
[7]哈尔滨工业大学电子工程研究所. 逆合成孔径雷达文集(一) [C ].哈尔滨工业大学, 1989:38-42.
[8]Pace P E, Fouts D J, Ekest or m S . D istal false —target i m age synthesizer for countering I S AR [J ].1EE Prec . Radar S onar Navig, 2002, 149(5) :29-32.
[责任编辑 冯喜忠]
R e se a rch on SA R R a d a r S ign a l P roce ss in g Te ch n iq u e s
WANG Xiao -hong
(L ianyungang Vocational and Technical College, L ianyungang 222006, China )
A b s t ra c t:Main S AR radar features, app licati on and signal p r ocessing techniqueswere discussed in the paper and s ome maj or techniques were p res 2ented br oadband signal generat or, high sa mp ling converter module, pulse comp ressi on technol ogy, moti on compensati on techniques, S AR i m aging algo 2rithm , real -ti m e i m aging p r ocess or, sl owly moving gr ound target detecti on and i m aging techniques, which will has a deep significance in further devel op 2ment of S AR radar .
Ke y w o rd s:S AR radar; signal p r ocessing; S AR techniques
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2007年第5期商丘职业技术学院学报Vol . 6, No . 5 第6卷(总第32期) JOURNAL OF SHANG Q I U VOC ATI O NAL AND TECHN I CAL C OLLEGE Oct . , 2007文章编号:1671-8127(2007) 05-0065-03
S AR 雷达信号处理技术研究
王晓虹
(连云港职业技术学院, 江苏连云港222006)
摘 要:阐述了S AR 雷达主要特点、应用及其信号处理技术的发展状况, 研究了S AR 雷达信号处理的几个主
要技术———宽带信号产生器、高采样率模数变换、脉冲压缩技术、运动补偿技术、S AR 成像算法、实时成像处理器、慢速动目标检测和成像技术. 对S AR 雷达的进一步发展具有深远的意义.
关键词:S AR 雷达; 信号处理; S AR 技术
中图分类号:O45 文献标识码:A
0 引 言
[1][2]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, S AR ) [3]特点:
强透射性. 不受气候、昼夜等因素影响, .
具有距离和方位二维高分辨.
包括多种散射信息, .
, 还可以获得包括地面高度信息在内的三维高分辨图像. S AR , 在军用和民用上具有广阔的应用前景.
[4]、地质和矿资源勘探、农林业应用等方面.
在军事领域的主要应用有:
战略应用———全天候全球战略侦察, 全天候海洋军事动态监视, 战略导弹终端要点防御的目标识别与拦截等.
战术应用———全天候重点战区军事动态监视, 战场侦察, 大型坦克群的成像监视等.
特殊应用———强背景杂波下的目标识别, 低空与超低空目标的探测与跟踪, 精密测向与测高等.
1 S AR 雷达信号处理的几个主要技术
1. 1 宽带信号产生器
S AR 雷达的空间分辨力越高, 要求发射的chir p 信号的带宽越宽, 也就是要求宽带信号产生器产生的信号带宽越宽.
以要求1m 的空间分辨力为例, 理论上要求chir p 信号带宽150MHz, 若考虑脉冲压缩时, 主瓣展宽因子取1. 34, 则要求发射的chir p 信号的实际带宽达200MHz .
现有宽带信号产生器具有以下几种形式:
采用数字方式产生I 、Q 基带chir p 信号, 再用中频调制器产生中频信号. 此法优点是对器件速度要求不太高, 现有器件的速度能够满足使用要求, 但信号的相位非正交、幅度不一致, 均会严重影响信号的波形质量;
中频数字直接产生方式, 避免了上述的不足, 但此法受到器件速度、容量等因素的限制, 目前只用于中频较低的场合, 随着器件水平的发展, 此法的应用前景较好.
基于倍频链的波形合成方法. 这是目前一种较常用的方法. 不过, 倍频链路带来了信号质量的下降, 如杂散增大、调频线性度恶化等, 因此, 合理设计倍频链路各级之间的隔离和滤波就显得尤为重要.
收稿日期:2006-12-17作者简介:王晓虹(1970-) 江苏连云港人, 连云港职业技术学院机电系讲师, 硕士, 主要从事数字信号处理及电力电子传动研究. [5]
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1. 2 高采样率模数变换
随着对S AR 雷达空间分辨力要求的不断提高, 发射信号的带宽在增大, 也要求系统采用速度高的AD 变换器件. 在S AR 雷达中, 因信号带宽宽, 目前不可能直接采用中频数字化方法, 只能通过正交解调器, 得到I 、Q 基带模拟信号, 再对两路模拟信号分别进行AD 变换[5].
若雷达分辨力为1m , 发射信号的带宽为200MHz, 为了满足Nyquist 采样定理, 每路AD 变换器的采样频率至少要200MHz . 不过由于S AR 雷达的动态范围不是很大, 一般只要8位的AD 变换器就可满足要求.
在8位高速AD 变换器上, 具有代表性的是MAX I M 公司的MAX10×系列,MAX101的最高采样率达到500MHz 、MAX106达600MHz 、MAX108达800MHz 、MAX104达1GHz, 其外围电路简单, 且从MAX106开始, 几种芯片的封装完全一样, 可互相替代, 使用方便.
1. 3 脉冲压缩技术
脉冲压缩技术是S AR 雷达成像处理中的技术基础, S AR 的成像处理可简化为两个脉冲压缩处理的过程[6].
脉冲压缩技术已成为雷达的一个常用技术之一. 采用脉压技术的雷达, 能较好地解决高分辨力和高发射信号峰值功率之间的矛盾, 且具有低截获概率性能, 脉冲压缩处理相当于匹配滤波, 可在时域或频域完成处理. ; 而脉压比较大的场合, 则采用频域处理方法, . S , 全部采用频域处理方法.
, . 一般可通过在脉压处理时, , 会展宽主瓣的宽度, 降低雷达的分辨力. 所以, .
1. 4S AR :
(1) 基于I N S/I M U 的平台运动补偿
惯性导航系统(I N S ) /惯性测量单元(I M U ) 感知的平台实际飞行轨迹, 相对于理想的标准运动状态的偏差, 在S AR 成像处理时, 利用此偏差数据进行运动补偿. 此法具有处理较简单的特点, 但补偿的精度直接依赖于I N S/I M U 的精度. 现有I N S/I M U 的精度还不能完全满足高分辨力S AR 雷达运动补偿处理的要求.
(2) 基于回波的运动补偿
从雷达的回波数据中直接提取方位向chir p 信号的参数, 实现运动补偿处理. 通过杂波锁定处理得到方位向chir p 信号的中心频率; 由多视子图相关法自聚焦或相位梯度自聚焦(PG A ) 等方法得到方位向chir p 信号的调频斜率. 基于回波的运动补偿方法具有补偿精度高的特点, 但此法要求的运算量很大.
高空间分辨力S AR 雷达的运动补偿处理, 必须采用基于I N S/I M U 的平台运动补偿和基于回波的运动补偿相结合的方法. 基于I N S/I M U 的平台运动补偿作为初步的粗运动补偿; 基于回波的运动补偿作为精细运动补偿处理. 此方法既降低了高分辨力S AR 雷达对I N S/I M U 精度的要求, 同样, 可减少杂波锁定和自聚焦处理过程中的迭代次数, 利于快速收敛, 从而减小基于回波的运动补偿处理的运算量.
1. 5 S AR 成像算法
高的成像分辨力要求一个高效的成像算法, S AR 雷达主要有Range -Dopp ler (RD ) 和Chir p -Scaling (CS ) 等成像算法[7].
RD 算法将二维处理分解为距离维和方位维两个一维处理, 使信号处理简单化, 大大节省了计算量. RD 算法实现简单, 运算量小适合实时处理, 而且相当成熟, 但是该算法在大距离徙动情况下, 需要通过插值去除方位向和距离向的耦合, 从而导致分辨力的降低和处理量的急剧增加.
CS 算法能很好的适应大距离徙动情况下的成像处理, 避免了插值处理, 在算法中只需要进行复乘和FFT 运算, 适合数字信号处理机的并行实现, 但运算量较大.
1. 6 实时成像处理器
随着要求成像分辨力的不断提高、成像带宽度的不断增大以及系统体积小、重量轻, 实时成像处理器就要在设备量尽可能少的情况下, 具有尽可能高的处理能力. 这在平台载荷有限的系统中, 如无人机载S AR 雷・66・
达等系统中, 则显得尤为重要. 大多S AR 雷达的实时成像处理器, 是基于VME 或PC I 等总线构成的由多片通用DSP 芯片组成的一个并行处理系统. 该处理系统应具有强的处理能力、较好的灵活性、较强的适应性和良好的可扩展性.
由于AD 公司的DSP 芯片在结构上比TI 公司的DSP 芯片更便于构成并行处理系统, 所以现在的绝大多数S AR 实时成像处理器的DSP 器件, 选用了AD 公司的ADSP21060及其换代产品ADSP21160芯片.
ADSP21160芯片具有100MHz 主频、600MF LOPS 的处理能力、4Mbit 片内存储器、两个相当于ADSP21060处理器核的运算单元、14个DMA 通道、6个8bit 的L I N K 口等特点, 总之, ADSP21160芯片因其具有的高的单片处理能力以及并行DSP 的处理结构, 已成为多种高性能雷达信号处理器, 包括S AR 雷达实时成像处理器, 用于构成并行处理系统的首选DSP 器件.
1. 7 慢速动目标检测和成像技术
S AR 雷达因军民应用的广度和深度需求, 发展到当今的水平, 已不仅只是对固定场景的成像, 而包括对慢速运动目标进行成像处理. 如用于战场侦察的S AR 雷达, 在对机场、港口等重要的固定目标进行成像侦察的同时, 能实现对坦克、汽车等地面慢速运动目标进行检测和成像, 就能获得更为全面的军事情报.
对慢速动目标进行检测和成像的技术主要有:
(1) 多通道S AR 的时空处理
S AR 雷达系统采用多通道S AR , 力. 由于多个通道的天线产生的巨大的数据率, 目前, S . 但是, 将来的S AR , [8]用到S AR 系统中.
(2) W igner -V ille WVD , 合成孔径雷达运动目标的回波谱是随时间而变化的, 可以利用、, 以提取它的多普勒参数, 此法的运算量同样很大. 2 结论
随着对S AR 雷达性能要求的不断提高, S AR 雷达信号处理技术得到了长足的发展, 本文研究S AR 雷达信号处理的几个主要技术. 为雷达系统的信号处理理论和雷达信号处理技术提供了理论依据和技术支持. 参考文献:
[1]HenriMaitre . 合成孔径雷达图像处理[M].北京:电子工业出版社, 2005:18-92.
[2]魏钟铨合成孔径雷达卫星[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2001:31-52.
[3]曹元春. 宽带雷达信号产生技术[M].北京:国防工业出版社, 2002:102-114.
[4]JI 阿斯塔宁A. A. 考斯泰列夫. 超宽带雷达测量基础[M].北京:国防科技大学出版社, 2000:72-114.
[5]Ausherman D A. Devel opments in radar i m aging[J ].I EEE Trans . Aer os pace and Electr onic Syste m s, 1984, 20(4) :17-19.
[6]NuthalapatiR M. H igh res oluti on reconstructi on of I S AR i m ages[J ].I EEE Tran . Aer os pace Electr on Syst, 1992, 28(2) :23-25.
[7]哈尔滨工业大学电子工程研究所. 逆合成孔径雷达文集(一) [C ].哈尔滨工业大学, 1989:38-42.
[8]Pace P E, Fouts D J, Ekest or m S . D istal false —target i m age synthesizer for countering I S AR [J ].1EE Prec . Radar S onar Navig, 2002, 149(5) :29-32.
[责任编辑 冯喜忠]
R e se a rch on SA R R a d a r S ign a l P roce ss in g Te ch n iq u e s
WANG Xiao -hong
(L ianyungang Vocational and Technical College, L ianyungang 222006, China )
A b s t ra c t:Main S AR radar features, app licati on and signal p r ocessing techniqueswere discussed in the paper and s ome maj or techniques were p res 2ented br oadband signal generat or, high sa mp ling converter module, pulse comp ressi on technol ogy, moti on compensati on techniques, S AR i m aging algo 2rithm , real -ti m e i m aging p r ocess or, sl owly moving gr ound target detecti on and i m aging techniques, which will has a deep significance in further devel op 2ment of S AR radar .
Ke y w o rd s:S AR radar; signal p r ocessing; S AR techniques
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