合成孔径雷达的阶梯式线性调频信号的相位校准的利记博彩app
【专利说明】
[0001]相关申请的交叉引用
[0002] 本公开要求于2014年9月19日提交的申请号为14/491，354的美国专利申请的优先 权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
[0003] 本公开总体涉及雷达系统并且更具体地，涉及校正合成孔径雷达（"SAR"）数据的 误差。
【背景技术】
[0004] 雷达已经以诸如成像、导航、遥感和全球定位的各式各样的应用被长期用于军事 和非军事目的。合成孔径雷达（"SAR"）是主要相干航空或卫星侧查看雷达系统（"SLAR"），该 雷达系统利用SAR位于其上的移动平台（即，运载工具，诸如飞机或卫星）的飞行路径来电子 地模拟极大天线或孔径，而且生成高分辨率遥感图像。具体地，SAR用于使用安装在空中的 移动平台上的相对小的天线的地面制图（terrain mapping)和/或遥感。
[0005] SAR可以利用小的天线的事实是SLAR的主要优点，因为天线的辐射方向图的波束 宽度(通常被称为"天线波束宽度"）与天线孔径的尺寸成反比并且，通常，天线波束宽度越 窄，目标区域的扫描图像的潜在分辨率越高。因此，由SLAR形成的目标区域的图像在方位分 辨率上较差，因为方位天线波束宽度具有过宽的角分辨率以至于不能将在目标区域内的相 同范围下的细小细节区分开。因此，对于SLAR，需要利用极大天线或者操作的甚高频(其中， 波长如此短以至于雷达必须满足于大气中的严重衰减的影响）以产生目标区域的高分辨率 图像以便指导地面制图和/或遥感，这对于安装在移动平台上的雷达系统是不切实际的。
[0006] SAR通过利用更小的天线和信号处理解决了与SLAR相关的问题。与SLAR不同，SAR 能够通过使用小的孔径天线发射一系列脉冲并且为所有发射的脉冲相干地处理从地面反 射的所得数据来实现与大天线相同的效果。通常，SAR是利用信号处理以改善超出平台（其 中，实际天线的向前运动被用于'合成'非常长的天线)上的物理天线孔径的限制的分辨率 的技术。因此，SAR允许使用更长的波长并且利用具有合理尺寸的结构的天线仍实现良好的 分辨率的可能性。
[0007]在操作的实例中，SAR与平台沿着飞行路径在目标上移动并且发射无线电波的连 续脉冲以照射目标场景，接收并记录每个脉冲的回波（即，雷达返回信号），并且然后从处理 所接收的回波脉冲生成目标的高分辨率图像。以这种方式，SAR与相控阵系统（phased array system)相似地操作，但与相控阵列的大量平行天线元件相反，SAR以时间复用的形 式使用一个天线。因此，作为移动平台的结果，SAR的天线的不同的几何位置模拟相控阵列 的天线元件。
[0008] SAR以脉冲重复频率（"PRF"）速率发射脉冲，该速率表示由SAR每秒发射的脉冲的 数量。PRF的倒数也被称为脉冲收集期或脉冲间期。每个脉冲在发射时间期间（通常称为脉 宽(pulse with)( "PW"））以SAR的操作的载波频率辐射（即，发射）。然后SAR在收听、或保持 (rest)、时间期间等待返回回波（即，雷达返回信号），并且然后辐射下一个脉冲。每个发射 的脉冲之间的时间被称为脉冲重复时间（"PRT"），表示一个脉冲的起点和下一个脉冲的开 始之间的时间。
[0009]随着时间的过去，脉冲的单独发射和接收周期(具有等于PRT的操作周期）由SAR利 用由SAR中的处理器电存储的来自每个周期的数据完成。数据包括从沿着飞行路径的SAR的 第一位置至第二位置的时间周期"T"的所有雷达返回信号，如波幅和相位值。此时，可以重 建将由长度v · T的天线获得的雷达返回信号，其中V'是平台沿着飞行路径的速度。
[0010]然后SAR对存储的数据进行信号处理。信号处理利用在来自合成孔径的元件的连 续脉冲上接收的雷达返回信号的幅度和相位。在给定数量的周期之后，存储数据被重新组 合(在每个后续周期中，对目标几何形状考虑不同发射器的固有的多普勒效应）以生成由 SAR飞过的地面的高分辨率图像。
[0011] 应注意的是，随着视线方向沿着SAR的平台的飞行路径的变化，合成孔径通过信号 处理产生，其中，信号处理具有人工延长SAR的天线的效果。因此，让T大使得SAR天线的"合 成孔径"大，由此可以实现更高的SAR的分辨率。
[0012] 通常，由SAR产生的SAR图像是由距离方向值和横向距离（即，方位)方向值组成的 二维图像。本领域普通技术人员应理解的是，方位分辨率与目标由天线波束照射期间的收 集周期T成反比。因此，方位的高分辨率可以通过增加聚光模式的阵列时间或者通过减少带 状地图模式（stripmap mode)的天线孔径尺寸来实现。另外，距离分辨率（range resolution)与发射的信号的带宽成反比。因此，距离的高分辨率可以通过增加发射的信号 的带宽来实现。
[0013] 令人遗憾地，事实上，尽管在理论上，距离分辨率可以通过利用宽带信号改善，但 同样事实上，在实际上，将发射的信号的带宽增加超出特定点的成本是很高的并且实际上 在物理上难以实现。这是因为通常雷达系统中的前端硬件部件包括滤波器、放大器和天线， 所有这些通常随着操作的信号带宽的增加具有劣化的性能。
[0014] 避免这个问题的一个方法已将全部期望的宽带信号划分成多个窄子带信号的序 列并且以具有阶梯式的中心频率的连续子脉冲发射子带信号。然后，对于每个发射脉冲，从 任何反向散射反射的所接收的信号被组合以产生复合接收信号，该复合接收信号等于来自 已发射的宽带信号的接收信号。
[0015]在SAR系统中，最常用的波形信号是线性调频（"LFM"）信号。LFM信号通常称为"线 性调频调制信号（chirp modulation signal，啁嗽调制信号)"。它们采用其瞬时频率随着 时间增加或减小的正弦波形。本领域普通技术人员应理解，这些正弦波形比其他类型的波 形具有优点并且通常称为"线性的线性调频"或简单称为"线性调频"。
[0016]具体地，在称为"阶梯线性调频"或"阶梯式线性调频"的模式中，利用阶梯式线性 调频波形以改善诸如SAR的现有的脉冲压缩雷达的距离分辨率。脉冲被频率调制，以便帮助 解决(resolve)可具有重叠的返回的并且期望的全宽带信号被分成多个窄带子带(它们的 中心频率在它们之间呈阶梯式）的目标。子带信号以子脉冲被顺序地发射。然后，从地面上 的反向散射、从每个发射的子脉冲反射的信号被接收并被组合以合成宽带复合接收信号， 利用该宽带复合接收信号产生高分辨率SAR图像。通常，这个技术适合于获得具有限制的瞬 间带宽但具有大的可调谐带宽的雷达系统的高的距离分辨率。
[0017] 尽管高距离分辨率的SAR图像可以通过利用阶梯线性调频处理而获得，但依然需 要避免由于从所有子脉冲产生的复合信号的波幅和相位误差而导致的图像质量的劣化。复 合信号中的波幅和相位误差两者可以包括对所有阶梯所通用的周期分量和在阶梯之间变 化的非周期的分量。另外，不连续的波幅和相位可以出现在阶梯式线性调频波形的阶梯边 界处。
[0018] 这些误差是阶梯线性调频中的问题，如果没有被合适地估计和校正，其会使得形 成的SAR图像劣化。具体地，周期误差会使得在形成的图像中出现不希望有的成对回波。另 外，非周期误差和波幅和相位不连续同样会使得在脉冲响应的旁瓣区域(sidelobe area) 中的图像劣化。因此，需要估计和校正这些波幅和相位误差。
[0019]过去解决这个问题的尝试包括估计单阶梯信号中的波幅和相位误差的方法，如在 2011 年8月16 日公布的，发明人为Kwang M.Cho,题为"Estimation and Correction Of Error In Synthetic Aperture Radar"的美国专利Νο·7,999,724中描述的，并且通过引用 将其全部内容结合在此。令人遗憾地，这个参考资料将其公开内容限于单阶梯SAR并且没有 描述校正阶梯线性调频SAR中的误差的任何方法。
[0020] 因此，本领域中依然需要估计并校正阶梯线性调频SAR系统中的这些波幅和相位 误差的系统和方法。
【发明内容】
[0021] 公开了一种用于校准由合成孔径雷达（"SAR"）利用的阶梯式线性调频信号 (stepped-chirp signal，阶梯式啁嗽信号）的相位的雷达校准处理器（"RCP"）jCP包括周 期相位误差（"PPE"）校准器，与PPE校准器信号通信的第一非周期相位误差（"NPPE"）校准 器，以及与第一 NPPE校准器信号通信的第二NPPE校准器。
[0022]在操作的实例中，RCP执行以下方法，即，通过从使用利用多个阶梯式线性调频信 号的SAR的扫描获取的雷达目标区域接收SAR图像数据并且校准阶梯式线性调频信号的相 位来校准阶梯式线性调频信号的相位。相位的校准通过估计阶梯式线性调频信号中的相位 误差来进行。RCP通过顺次首先利用PPE校准器校准SAR图像数据以去除SAR图像数据中的周 期相位误差来执行该方法。然后RCP利用第一 NPPE校准器校准PPE校准的SAR图像数据以便 从PPE校准的SAR图像数据去除类型-1非周期相位误差以产生NPPE-1校准的SAR图像数据。 然后RCP利用第二NPPE校准器校准NPPE-1校准的SAR图像数据以便从NPPE-1校准的SAR图像 数据去除类型-2非周期相位误差以产生NPPE-2校准的SAR图像数据。然后RCP将NPPE-2校准 的SAR图像数据传送至SAR的其他部件以便在产生SAR显示图像中使用。
[0023] 通过参阅下面的附图和详细说明，本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征和优 点对于本领域的技术人员将变得显而易见。本发明旨在将所有这种附加的系统、方法、特征 和优点都包括在本说明书内、在本发明的范围之内，并且由所附权利要求保护。
【附图说明】
[0024] 本发明可以是通过参考以下附图更好地理解。附图中的部件并不一定是按照比 例，而是强调阐释本发明的原理。在附图中，相同的标号表示贯穿不同示图的相应部分。
[0025] 图1A是根据本发明的沿着大陆上的飞行路径的航线飞行的飞机上的合成孔径雷 达（"SAR"）成像系统的实例的示图。
[0026]图1B是根据本发明的轨道卫星中的SAR成像系统的实例的示图。
[0027]图2是根据本发明的具有雷达校准处理器（"RCP"）的图1A或者图1B的SAR的实施方 式的实例的框图。
[0028] 图3是根据本发明的阶梯式线性调频波形的实施方式的实例的曲线。
[0029] 图4是根据本发明的图2的射频（"RF"）接收器的实施方式的实例的框图。
[0030] 图5是根据本发明的由RCP执行的确定相位误差的方法的实施方式的实例的流程 图。
[0031] 图6是根据本发明的用于执行图5中示出的PPE校准的子方法的实施方式的实例的 流程图。
[0032] 图7是根据本发明的用于设置图6中示出的功能性描述的子处理的实施方式的实 例的流程图。
[0033]图8是根据本发明的描述用于PPE的估计的图6和图7中描述的处理的功能流程图。 [0034]图9是根据本发明的用于执行图5中示出的