一种宽带雷达信号幅度平坦度补偿方法与流程

1.本发明属于信号处理领域，具体涉及一种宽带雷达信号幅度平坦度补偿 方法，适用于软件化雷达仿真系统等需要提供宽带雷达信号的场合。


背景技术：

2.雷达是现代军事或民用领域不可或缺的设备，不仅需要完成对目标位置、 速度等信息的提取，还需要进行成像的分析和识别。为了提高雷达系统的性 能，需要雷达信号有很大的时宽、带宽和能量的乘积，因此在雷达信号的处 理中，通常发射线性调频信号，并采用脉冲压缩的方式对信号进行处理，来 提高雷达的距离分辨率、信噪比等性能。
3.由于目前dac芯片本身的性能等原因，输出宽带信号的幅度在频带内会 出现比较大的起伏。这样会导致脉冲压缩之后，信号的旁瓣较大，造成信噪 比的损失，因此通常需要对信号在频带内进行补偿，保证信号的带内平坦度 要求。
4.目前，对宽带信号的补偿方式通常采用选取其中固定个数的频点，利用 信号发生器生成单频点信号，测量每个频点上输出幅值的方式。这种方式在 带宽较窄，频点较少的情况下是可行的。但是带宽很宽，频点很多的情况下， 实现比较困难。进行少量的频点测量则会导致补偿精度不够，影响雷达性能。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供了一种宽带雷达信号幅度平坦度补偿方法。这种方 法能够有效提高宽带雷达信号频带内的幅度平坦度的补偿精度，改善信号质 量。同时操作简单，能够对不同位置的信号进行校正，应用广泛。
6.本发明的技术方案是，一种宽带雷达信号幅度平坦度补偿方法，包括以 下步骤：
7.步骤一：获取宽带雷达信号的带宽和信号脉宽，生成相应线性调频信号 的数字信号波形即第一基带信号，并生成载波，将所述第一基带信号和所述 载波信号混频后，生成第一中频数字信号，将所述第一中频数字信号转换成 第一中频模拟信号输出。
8.已知宽带雷达信号的带宽和脉宽，根据公式
9.s(t)＝a cos(2πf0t+πkt2)
10.产生相应的线性调频信号。利用fs进行信号的采样，可以得到：
11.s(t)＝a cos[2πf0nts+πk(nts)2]
[0012]
其中，n∈[0,n],ts＝1/fs。
[0013]
由于实际使用中，fpga的时钟频率最大为300mhz，可能远远小于信号 的带宽，因此采用多通道并行的方式实现线性调频信号的产生。
[0014]
根据dds的原理，要产生线性调频(linear frequency modulation，lfm) 信号，则每次将lfm相位的变化值输入dds的相位累加器中，因此n+1时刻 的相位值如下所示：
[0015]
s(t)＝a cos[2πf0(n+1)ts+πk(n+1)2t
s2
]
[0016]
其中，ts为实际dds设计过程中的步进值。k＝kts/2＝k/2fs。
[0017]
利用lfm信号的基本公式，取k＝kts/2＝k/2fs，设 n＝mi+j,x(n)＝x(mi+j)＝x
i,j
＝(f0+kn)nt，其中i∈[0,n/m],j∈[0,m]。对公式进 行变形，可以得到x
i,j
,x
i+1,j
,δxk(n)的值，从而计算出生成线性调频信 号的频率控制字和相位控制字。其中x
i,j
表示i时刻j通道的相位值；x
i+1,j
表示 i+1时刻j通道的相位值；表示从i+1时刻到i时刻，相位变化中零时刻 频率的部分；δxk(n)表示从i+1时刻到i时刻，相位变化中斜率变化的部分。
[0018]
将计算得到的频率控制字和相位控制字输入dds中，可以产生相应带宽 和脉宽的线性调频信号的输出。
[0019]
利用dds生成相应的线性调频信号后，将其作为基带信号进行载波调制 后送入高速dac芯片中，输出相应的中频信号。
[0020]
步骤二：获取所述第一中频模拟信号在频带范围(f
min
,f
max
)的幅值，均匀
[0021]
将da中频信号输出的中频信号送入频谱仪中，获得频带范围内频谱仪所 有采样点的幅值，均匀的取其中n个频点的幅值a1～an。获得那个频点中幅值 最大的值a
max
，对所有值进行归一化并取倒数得到，
[0022]c1,i
＝a
max
/ai，其中i∈[0,n]
[0023]
对c
1,i
进行量化，得到第一组补偿值c1。第一组n个补偿值将信号分为了 n-1个补偿区间。
[0024]
步骤三：根据所述的n个补偿值，生成线性调频信号上所有频点的补偿 值，并将所述所有频点的补偿值预补偿于所述第一基带信号中，生成第二基 带信号，经过载波调制后，生成第二中频数字信号和第二中频模拟信号；重 新完成s20步骤操作，生成补偿值组c2。
[0025]
根据所述的中频输出的n个频点，确定基带信号上的n个频点f1,f2,...,fn；
[0026]
根据所述的线性调频信号的脉宽以及fpga的时钟，计算每路生成的线 性调频信号的点的个数；
[0027]
根据所述每路线性调频信号点的个数以及补偿值的个数n，计算获得每段 补偿区间中补偿点的个数；
[0028]
根据所述补偿区间、所述补偿区间的补偿值以及所述补偿区间补偿点的 个数，依据线性关系，计算每个补偿区间内所有频点的补偿值；
[0029]
将所述的补偿区间内所有频点的补偿值依次预补偿于原数字信号波形中， 生成新的数字信号波形，并作为新的基带信号和中频信号输出；
[0030]
将所述的新的基带信号和中频信号重新完成步骤二的操作，获得补偿值 组c2，将所述补偿值组c2与补偿值组c1相乘，获得当前数字信号的补偿值 c＝c1c2。
[0031]
步骤四：经过若干次重复步骤二和步骤三，获得最终的补偿值为 c＝c1c2...cm，将最后得到的补偿值预补偿于数字信号中。
[0032]
本发明的有益效果为：
[0033]
(1)利用本发明提供的技术方法，能够简单明了的得到频带范围 (f
min
,f
max
)内的补偿值，也可以很直观的看到补偿后信号的效果；
[0034]
(2)利用本发明提供的技术方法，能够得到很好的补偿效果。通过多次 补偿以及
增加取补偿值的个数，可以使补偿值构成的曲线更加接近信号输出 的频谱的倒数，从而保证补偿后信号带内的平坦度；
[0035]
(3)本发明提供的技术方法，操作简单，应用广泛。可以从基带、中频、 射频输出等端口进行信号的采集，获取相应的补偿信号，完成对整个通道的 带内平坦度的补偿和校正。
附图说明
[0036]
图1为一个实施例中宽带雷达信号幅度平坦度补偿方法流程示意图；
[0037]
图2为一个实施例中生成并行线性调频信号结果对比图，其中(a)为 matlab直接产生线性调频信号结果，(b)为fpga产生线性调频信号输出 matlab处理结果；
[0038]
图3为一个实施例中宽带雷达信号幅度补偿前后对比图，其中(a)为补偿 前信号输出结果，(b)为补偿后信号输出结果。
具体实施方式
[0039]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及 实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例 仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0040]
在本实施实例中，如图1所示，提供了一种宽带雷达信号幅度平坦度补 偿方法，包括以下步骤：
[0041]
步骤s102，获取宽带雷达信号的带宽和信号脉宽，生成第一基带信号和 载波，将所述第一基带信号和所述载波信号混频后，生成第一中频数字信号， 将所述第一中频数字信号转换成第一中频模拟信号输出。
[0042]
在本实施例中，雷达信号的带宽1300mhz，脉宽为100μs，采样频率fs为3200mhz，载波频率为2400mhz，平坦度要求为带宽内
±
1db。
[0043]
根据线性调频信号的公式
[0044]
s(t)＝a cos(2πf0t+πkt2)
ꢀꢀ
(公式1)
[0045]
产生相应的线性调频信号。其中t是时间变量，单位为s；f0为零时频；k 表示频率改变速率，也就是斜率，当k＞0时，频率递增，当k＜0时，频率递 减，这里b为信号带宽，τ为信号脉宽。
[0046]
利用fs进行信号的采样，可以得到：
[0047]
s(t)＝a cos[2πf0nts+πk(nts)2]
[0048]
其中，n∈[0,n],ts＝1/fs。
[0049]
在本实施例中，fpga的工作时钟为200mhz，远远小于信号的带宽(雷达 信号带宽1300mhz)，因此采用16个通道并行的方式产生线性调频信号。
[0050]
根据dds(direct digital synthesizer，直接数字频率合成器)的原理，要产 生lfm信号，则每次将lfm相位的变化值输入dds的相位累加器中，因此 n+1时刻的相位值如下所示：
[0051]
s(t)＝a cos[2πf0(n+1)ts+πk(n+1)2t
s2
]
ꢀꢀ
(公式2)
[0052]
其中，ts为实际dds设计过程中的步进值，k＝kts/2＝k/2fs。
[0053]
设n＝16i+j,x(n)＝x(16i+j)＝x
i,j
＝(f0+kn)nt，其中那么计 算得到δx
f0
(n)＝16f0ts,δxk(n)＝(512i+32j+256)kts，从而得到了dds的频率控制 字和相位控制字的累加值。将得到的频率控制字和相位控制字直接用fpga 中的dds ip核产生相应的线性调频信号即可。
[0054]
在本实施实例中，如图2所示，展示了利用matlab直接产生的线性调 频信号(a)和fpga产生16路并行线性调频信号(b)的结果。可以看到， 两者是一致的。利用本发明提供的技术方法，能够简单明了地得到频带范围 (f
min
,f
max
)内的补偿值，也可以很直观的看到补偿后信号的效果。
[0055]
将计算得到的频率控制字和相位控制字输入dds中，可以产生相应带宽 和脉宽的线性调频信号，即第一基带信号，并输出。
[0056]
利用dds生成相应的线性调频信号后，将其作为基带信号进行载波调制， 再送入高速dac芯片中，输出相应的第一中频数字信号，并将第一中频数字 信号进行数模转换，变换为第一中频模拟信号。
[0057]
步骤s104，获取所述第一中频模拟信号在频带范围(f
min
,f
max
)的幅值，均 匀地取n个频点，归一化、取倒、量化生成相应的n个补偿值，并生成补偿 值组c1。
[0058]
在本实施例中，将da中频信号输出的第一中频模拟信号送入频谱仪中， 获得频带范围内频谱仪所有采样点的幅值，均匀地取其中n个频点的幅值，本 实施例中n为1024，1024个频点的幅值a1～a
1024
。获得1024个频点中幅值最 大的值a
max
，对所有值进行归一化并取倒数得到，
[0059]c1,i
＝a
max
/ai，其中i∈[0,1024]
ꢀꢀ
(公式3)
[0060]
对c
1,i
进行量化，得到第一组补偿值组c1。第一组1024个补偿值将信号分 为了1023个补偿区间。
[0061]
步骤s106，根据所述的n个补偿值，生成线性调频信号上所有频点的补 偿值，并将所述所有频点的补偿值预补偿于所述第一基带信号中，生成第二 基带信号，经过载波调制后，生成第二中频数字信号和第二中频模拟信号； 重新完成s104步骤操作，生成补偿值组c2。
[0062]
将中频信号输出的频点对应于基带信号的频点。由于基带信号的输出是 线性调频信号，所以对应的频点为fb＝f
m-fc，fb为基带信号频率，fm为中频信 号频率，fc为载波信号频率。
[0063]
根据线性调频信号的脉宽以及fpga的时钟，计算每路生成的线性调频 信号的点的个数m＝τ
·fs
＝20000。根据每路线性调频信号点的个数以及补偿值 的个数1024，计算获得每段补偿区间中补偿点的个数 m/n＝20000/1023＝l
…
r＝19
…
563，其中19为补偿点的个数，544为余数部 分，那么前1022区间的补偿点个数(nci)为19，第1023区间的补偿点个数(nc
1023
)为582＝19+563。
[0064]
对于每段区间采用线性的方式计算每个点的补偿值，即为：
[0065]
前1022个补偿区间中c
1,j
＝c
1,i
+j
·
(c
1,i+1-c
1,i
)/l；
[0066]
其中，i∈[1，1022]，j∈[1，19]。
[0067]
第1023个补偿区间中c
1,1023
＝c
1,1023
+j
·
(c
1,1024-c
1,1023
)/582。
[0068]
其中，j∈[1，582]。
[0069]
将补偿区间内所有频点的补偿值c
1,j
依次预补偿于第一基带信号(b1)中， 生成第二基带信号(b2)，载波调制后形成第二中频数字信号(md2)，通过 dac芯片生成第二中频模拟信号(ma2)输出；
[0070]
将第二中频模拟信号(ma2)重新完成s104步骤的操作，获得补偿值组 c2；将补偿值组c2与补偿值组c1相乘，获得当前基带信号的补偿值组c＝c1c2。
[0071]
步骤s108，重复步骤s104和步骤s106若干次，生成若干个补偿值组。
[0072]
将s106步骤中生成的线性调频信号第二基带信号、第二中频数字信号和 第二中频模拟信号作为第一基带信号、第一中频数字信号和第一中频模拟信 号，重复步骤s104和s106若干次，直到频谱仪上输出的结果满足带内平坦 度
±
1db的要求。生成的若干次补偿值组为c1,c2,...,cm。
[0073]
步骤s110，得到最终的补偿值c＝c1c2...cm，将最终的补偿值预补偿于 基带信号中。
[0074]
将补偿值组c1,c2,...,cm相乘，获得最终的补偿值c＝c1c2...cm，将得到的 这个补偿值预补偿于基带信号中。
[0075]
在本实施例中，如图3所示，展示了带宽为1.3ghz的信号补偿前后幅度 平坦度的变化情况。图3(a)为补偿前幅度平坦度情况，从图中看到，一格 为2db的情况下，幅度起伏约为12db。图3(b)为补偿后幅度平坦度情况， 从图中看到，一格为1db的情况下，幅度起伏约为2db。因此本方法对于宽 带信号有很好的补偿效果。由此可见，利用本发明提供的技术方法，能够得 到很好的补偿效果。通过多次补偿以及增加取补偿值的个数，可以使补偿值 构成的曲线更加接近信号输出的频谱的倒数，从而保证补偿后信号带内的平 坦度。
[0076]
本发明的有益效果是：
[0077]
(1)利用本发明提供的技术方法，能够简单明了地得到频带范围(f
min
,f
max
) 内的补偿值，也可以很直观的看到补偿后信号的效果；
[0078]
(2)利用本发明提供的技术方法，能够得到很好的补偿效果。通过多次 补偿以及增加取补偿值的个数，可以使补偿值构成的曲线更加接近信号输出 的频谱的倒数，从而保证补偿后信号带内的平坦度；
[0079]
(3)本发明提供的技术方法，操作简单，应用广泛。可以从基带、中频、 射频输出等端口进行信号的采集，获取相应的补偿信号，完成对整个通道的 带内平坦度的补偿和校正。
[0080]
以上仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽 然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本 领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭 示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同 变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明 技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本 发明技术方案保护的范围内。