CN104535975A - 一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置及方法，该装置包括射频接收放大器、变频单元、数据采集器、数据处理单元；射频接收放大器用于接收并放大合成孔径雷达回波模拟器输出的射频信号；变频单元用于将射频信号变频至中频信号；数据采集器用于对中频信号进行数据和波形采集；数据处理单元用于对所采集的信号进行数据处理和雷达成像。本发明所述技术方案可对合成孔径雷达回波模拟器的图像参数指标进行量化和评估，提供了一种图像校准的方法，提高模拟器的测试效率。

Description

一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种雷达模拟器图像校准装置。更具体地，涉及一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置及方法。

背景技术

现代雷达***日益复杂，功能各种各样，工作环境***，其各部分的调试变得日益困难，而且外场试验和调试成本比较高，因此，利用雷达模拟技术，研制雷达模拟器是非常必要的，并且雷达模拟器在雷达、导引头的设计和研制过程中发挥着越来越重要的作用，已成为必不可少的调试、测试手段。

合成孔径雷达回波模拟器作为实验室及外场试验进行产品调试的专用设备，主要为型号武器***弹上制导设备服务，用于导引头生产过程中调试和测试，目前正广泛用于许多型号的调试。为了保证导引头输出数据准确可靠，需要对其参数进行校准。目前模拟器电参数的校准可以使用通用仪器完成，但是图像参数由于没有有效的校准手段，无法完成校准，会造成参数的不准确，影响模拟器工作的可靠性。

因此，需要提供一种用于合成孔径雷达回波模拟器图像校准装置及方法，用于对合成孔径雷达回波模拟器中的图像参数进行校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置及方法，以克服现有技术中由于图像参数没有有效的校准手段，无法完成校准，造成参数不准确，影响模拟器工作的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置，所述该装置包括射频接收放大器、变频单元、数据采集器、数据处理单元；

射频接收放大器用于接收并放大合成孔径雷达回波模拟器输出的射频信号；

变频单元用于将射频信号变频至中频信号；

数据采集器用于对中频信号进行数据和波形采集；

数据处理单元用于对所采集的信号进行数据处理和雷达成像。

优选的，所述变频单元包括第一混频器、第一本振信号发生器、第一放大滤波器、第二混频器、第二本振信号发生器和第二放大滤波器。

优选的，所述第一本振信号和第二本振信号具有线性的相位关系。

优选的，所述数据处理单元进一步包括

正交解调模块、脉冲压缩模块、成像模块、滤波模块、图像参数评估模块；

正交解调模块用于对采集到的中频信号进行频带转移，得到复数基带信号；

脉冲压缩模块用于将复数基带信号进行脉冲压缩；

成像模块用于将经过脉冲压缩后的信号采用距离多普勒算法进行成像；

滤波模块用于对成像模块所得的图像采用维纳滤波器进行图像恢复。

优选的，所述脉冲压缩模块，通过对复数基带信号的信号频谱与含有二次共轭相位的滤波器信号进行相乘，得到压缩后的信号。

优选的，所述数据处理单元进一步包括图像参数评估模块，用于对恢复后的图像进行参数评估；

所述图像参数评估模块中评估的参数包括空间分辨力、峰值旁瓣比、积分旁瓣比和峰值信噪比中的一个或多个。

一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准方法，所述该方法包括

接收并放大来自合成孔径雷达模拟器输出的射频信号；

通过多次变频将所述射频信号变频至中频信号；

对所述中频信号进行数据和波形采集；

对所采集的中频信号进行正交解调获得复数基带信号；

对所述复数基带信号进行脉冲压缩；

对所述脉冲压缩后的复数基带信号运用多普勒算法进行合成孔径雷达成像；

将所得图像采用维纳滤波器进行图像恢复；

将恢复后的图像进行参数评估。

优选的，所述变频方法采用的是二次变频。

优选的，通过对复数基带信号的信号频谱与含有二次共轭相位的滤波器信号进行相乘实现对所述复数基带信号的脉冲压缩。

优选的，所述图像参数评估中评估的参数包括空间分辨力、峰值旁瓣比、积分旁瓣比和峰值信噪比中的一个或多个。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可以对合成孔径雷达回波模拟器的图像指标进行量化，对合成孔径雷达回波模拟器图像参数指标进行评估，提供了一种图像校准的方法，提高模拟器的测试效率，关键技术还可以在SAR成像等领域中推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中一种用于合成孔径雷达回波模拟器图像校准装置的结构示意图；

图2示出本发明实施例中一种用于合成孔径雷达回波模拟器图像校准方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置，该校准装置包括：合成孔径雷达雷达模拟器1、射频接收放大器2、变频单元3、数据采集器4、计算机5；变频单元3进一步包括提供第一本振信号的第一本振信号发生器301、混频器302、放大滤波器303，提供第二本振信号的第二本振信号发生器304、混频器305、放大滤波器306。计算机5进一步包括正交解调模块501、脉冲压缩模块502、成像模块503、滤波模块504、图像参数评估模块505。

合成孔径雷达回波模拟器1的回波信号作为被测对象以射频信号的方式输出至射频接收放大器2，经射频接收放大器2接收并放大。由于无法对射频信号进行数据采样，因此需要将射频信号变频至中频信号后，再进行后续处理。在本实施例中将射频信号变频至中频信号采用的是二次变频的方案，因为成像技术要求有较高的中频频率和中频带宽，如果采用一次变频的方案，一次变频的镜像频率一般都落在信号频率带宽之内，形成镜频干扰，影响成像效果，所以采用二次变频的方案抑制镜频干扰。在频率变换过程中为了减少对雷达图像引入的影响，保证雷达图像射频信号的动态接收，就需要提高镜频、中频抑制及减少交调失真，即需要采用大动态、高压缩点的射频接收放大器2，混频器302和混频器305采用较高的本振-射频和本振-中频抑制以及端口匹配性能良好的混频器。放大滤波器303和放大滤波器306的频带宽度和频率特性影响着滤波作用的好坏，直接关系到频率变换通道的噪声特性、波形失真等重要指标。为使输出端的信噪比最大或波形失真最小，需要放大滤波器303和放大滤波器306达到最佳的频带宽度和频率特性形状，以实现最佳滤波。第一本振信号301和第二本振信号304要求具有良好的时域稳定度和频域稳定度，且必须保证固定的线性关系，以免因为本振信号相位的相对变化引入误差。

经过两次变频，完成射频信号到中频信号的变换，中频信号进入数据采集器4，使用采样率例如为2GHz的采集器进行数字采样并存***形，将采样存储后的数据发送到计算机5中。在正交解调模块501、脉冲压缩模块502、成像模块503、滤波模块504中分别使用正交解调、脉冲压缩、成像算法以及滤波等处理方式进行数据处理及雷达成像，成像后在图像参数评估模块505中，对图像进行参数评估。

正交解调模块501中的正交解调过程是对数据采集的中频信号进行频带搬移。雷达模拟器发射和接收的脉冲是实信号，在正交解调后获得一个复数的基带信号。正交解调后的信号利用脉冲压缩原理在脉冲压缩模块502对其进行压缩，压缩后得到近似sinc函数形状。脉冲压缩的目的是获得高分辨力的数据，从而得到聚焦良好的图像。脉冲压缩的本质是将所得复数基带信号的信号频谱与含有二次共轭相位的滤波器信号进行相乘。脉冲压缩技术能有效地解决雷达作用距离和距离分辨力之间的矛盾，在不降低雷达作用距离的前提下提高雷达的距离分辨力，实现雷达高分辨力。

经过脉冲压缩后的信号在成像模块503中利用距离多普勒算法进行成像。首先对数据进行距离压缩，距离压缩通过距离向傅立叶变换、距离向匹配滤波以及距离向逆傅立叶变换实现；接下来通过方位向傅立叶变换将数据变换回距离多普勒域，由于在该域中同一距离上的一组目标轨迹相互重合，因此可在该域进行距离徙动校正，将距离徙动曲线拉直到与方位频率轴平行的方向。距离徙动校正的“距离多普勒”域实现是距离多普勒算法与其他算法的主要区别点。接下来通过每一距离门上的频域匹配滤波实现方位压缩，最后进行方位向逆傅立叶变换即可完成合成孔径雷达的成像。

当数据完成成像算法以后，在滤波模块504中对数据进行维纳滤波图像恢复。经过维纳滤波后可以减少恢复图像的振铃波纹，不丢失重要的信息边缘，改善图像质量，保留图像的细节部分。

成像完成后，在图像参数评估模块505中对其图像参数进行评估，图像参数评估中评估的参数包括空间分辨力、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、峰值信噪比等指标，利用这些指标对合成孔径雷达图像质量进行评估，完成合成孔径雷达回波模拟器的校准。

空间分辨力，是衡量合成孔径雷达***成像质量的重要指标，是衡量合成孔径雷达***能区分的两个相邻地物目标的最小距离的能力。在实际的分辨力计算中，主要通过选择图像中的强点目标，计算其冲激响应的3dB主瓣宽度。

峰值旁瓣比，指最大旁瓣与主瓣的高度比，以分贝(dB)表示。均匀频谱的傅立叶变换为sinc函数，峰值旁瓣比为-13dB。合成孔径雷达***中的峰值旁瓣比必须小于该值，以使弱目标不会被邻近的强目标掩盖。在合成孔径雷达处理中可以通过锐化窗达到这一要求。

积分旁瓣比(ISLR)，指冲激响应函数的旁瓣能量与主瓣能量之比。旁瓣是两个第一零点以外的区域。一般主瓣宽度以峰值为中心，大小取为分辨力的2～2.5倍。积分旁瓣比可以表示为

$\mathrm{ISLR}=10{\log }_{10}\frac{P_{\mathrm{total}}-P_{\mathrm{main}}}{P_{\mathrm{main}}}---\left(1\right)$

式(1)中，P_total为总功率，P_main为主瓣功率。

峰值信噪比(PSNR)，反映的是图像的失真程度，通过峰值信噪比来衡量经过处理得到的合成孔径雷达图像和原始的合成孔径雷达图像之间的差异，对雷达景象图回波射频模拟器产生的回波信号进行量化的校准。

峰值信噪比的定义为：

$\mathrm{PSNR}=10{\log }_{10}\left(\frac{{255}^2}{\mathrm{MSE}}\right)---\left(2\right)$

式(2)中，MSE为原始图像与处理后图像之间的均方误差，计算公式如下：

$\mathrm{MSE}=\frac{1}{N\×M}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{(Z(i,j)-K(i,j))}^2---\left(3\right)$

式(3)中，Z(i,j)为合成孔径雷达模拟器根据目标或目标模型生成的原始图像，K(i,j)为合成孔径雷达模拟器生成的原始图像经校准处理后所得图像，N和M分别是图像长与宽，PSNR值越大说明原始图像与处理后图像越相似。

如图2所示，本发明还公开了一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准方法，该方法包括

S1、所述射频接收放大器接收并放大来自合成孔径雷达模拟器输出的射频信号；

S2、采用二次变频方法，将所述射频信号变频至中频信号；

S3、对所述中频信号进行数据和波形采集；

S4、对所述中频信号进行正交解调获得复数基带信号；

S5、对所述复数基带信号进行脉冲压缩；

S6、对所述脉冲压缩后的复数基带信号运用多普勒算法进行合成孔径雷达成像；

S7、将所得图像采用维纳滤波器进行图像恢复；

S8、将恢复后的图像进行参数评估。

其中，脉冲压缩的信号是通过对复数基带信号的信号频谱与含有二次共轭相位的滤波器信号进行相乘实现。

其中，图像参数评估中评估的参数包括空间分辨力、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、峰值信噪比；

空间分辨力，是衡量合成孔径雷达***成像质量的重要指标，是衡量合成孔径雷达***能区分的两个相邻地物目标的最小距离的能力。在实际的分辨力计算中，主要通过选择图像中的强点目标，计算其冲激响应的3dB主瓣宽度。

峰值旁瓣比，指最大旁瓣与主瓣的高度比，以分贝(dB)表示。均匀频谱的傅立叶变换为sinc函数，峰值旁瓣比为-13dB。合成孔径雷达***中的峰值旁瓣比必须小于该值，以使弱目标不会被邻近的强目标掩盖。在合成孔径雷达处理中可以通过锐化窗达到这一要求。

积分旁瓣比(ISLR)，指冲激响应函数的旁瓣能量与主瓣能量之比。旁瓣是两个第一零点以外的区域。一般主瓣宽度以峰值为中心，大小取为分辨力的2～2.5倍。积分旁瓣比可以表示为

$\mathrm{ISLR}=10{\log }_{10}\frac{P_{\mathrm{total}}-P_{\mathrm{main}}}{P_{\mathrm{main}}}---\left(4\right)$

式(4)中，P_total为总功率，P_main为主瓣功率。

峰值信噪比(PSNR)，反映的是图像的失真程度，通过峰值信噪比来衡量经过处理得到的合成孔径雷达图像和原始的合成孔径雷达图像之间的差异，对雷达景象图回波射频模拟器产生的回波信号进行量化的校准。

峰值信噪比的定义为：

$\mathrm{PSNR}=10{\log }_{10}\left(\frac{{255}^2}{\mathrm{MSE}}\right)---\left(5\right)$

式(5)中，MSE为原始图像与处理后图像之间的均方误差，计算公式如下：

$\mathrm{MSE}=\frac{1}{N\×M}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{(Z(i,j)-K(i,j))}^2---\left(6\right)$

式(6)中，Z(i,j)为为合成孔径雷达模拟器根据目标或目标模型生成的原始图像，K(i,j)为合成孔径雷达模拟器生成的原始图像经校准处理后所得图像，N和M分别是图像长与宽，PSNR值越大说明原始图像与处理后图像越相似。

综上所述，本发明所述技术方案，可对合成孔径雷达回波模拟器的图像指标进行量化，并对合成孔径雷达回波模拟器图像指标进行评估，提高模拟器的测试效率，关键技术还可以在SAR成像等领域中推广应用。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准装置，其特征在于，所述该装置包括射频接收放大器、变频单元、数据采集器、数据处理单元；

射频接收放大器用于接收并放大合成孔径雷达回波模拟器输出的射频信号；

变频单元用于将射频信号变频至中频信号；

数据采集器用于对中频信号进行数据和波形采集；

数据处理单元用于对所采集的信号进行数据处理和雷达成像。

2.根据权利要求1所述的图像校准装置，其特征在于，所述变频单元包括第一混频器、第一本振信号发生器、第一放大滤波器、第二混频器、第二本振信号发生器和第二放大滤波器。

3.根据权利要求2所述的图像校准装置，其特征在于，所述第一本振信号和第二本振信号具有线性的相位关系。

4.根据权利要求1所述的图像校准装置，其特征在于，所述数据处理单元进一步包括

正交解调模块、脉冲压缩模块、成像模块、滤波模块、图像参数评估模块；

正交解调模块用于对采集到的中频信号进行频带转移，得到复数基带信号；

脉冲压缩模块用于将复数基带信号进行脉冲压缩；

成像模块用于将经过脉冲压缩后的信号采用距离多普勒算法进行成像；

滤波模块用于对成像模块所得的图像采用维纳滤波器进行图像恢复。

5.根据权利要求4所述的图像校准装置，其特征在于，所述脉冲压缩模块，通过对复数基带信号的信号频谱与含有二次共轭相位的滤波器信号进行相乘，得到压缩后的信号。

6.根据权利要求4所述的图像校准装置，其特征在于，所述数据处理单元进一步包括图像参数评估模块，用于对恢复后的图像进行参数评估；

所述图像参数评估模块中评估的参数包括空间分辨力、峰值旁瓣比、积分旁瓣比和峰值信噪比中的一个或多个。

7.一种用于合成孔径雷达回波模拟器的图像校准方法，其特征在于，所述该方法包括

接收并放大来自合成孔径雷达模拟器输出的射频信号；

通过多次变频将所述射频信号变频至中频信号；

对所述中频信号进行数据和波形采集；

对所采集的中频信号进行正交解调获得复数基带信号；

对所述复数基带信号进行脉冲压缩；

对所述脉冲压缩后的复数基带信号运用多普勒算法进行合成孔径雷达成像；

将所得图像采用维纳滤波器进行图像恢复；

将恢复后的图像进行参数评估。

8.根据权利要求7所述的图像校准方法，其特征在于，所述变频方法采用的是二次变频。

9.根据权利要求7所述的图像校准方法，其特征在于，通过对复数基带信号的信号频谱与含有二次共轭相位的滤波器信号进行相乘实现对所述复数基带信号的脉冲压缩。

10.根据权利要求7所述的图像校准方法，其特征在于，所述图像参数评估中评估的参数包括空间分辨力、峰值旁瓣比、积分旁瓣比和峰值信噪比中的一个或多个。