一种一比特SAR回波数据的处理方法及系统与流程

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种一比特SAR回波数据的处理方法及系统。

背景技术：

SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像具有全天时、全天候、远作用距离、高分辨的探测能力，在遥感测绘、区域检测、地质勘探、灾难救援等众多领域发挥着重要的作用，是国内外学者的研究热点。但随着SAR信号带宽的增加，其数据采集、存储、传输、处理的负担逐渐加重。一方面，SAR系统需要对回波数据进行高精度的采样以保留完整的信号特征，导致数据处理位宽增加，对系统的硬件性能提出了更高的要求；另一方面，信号采样率也需要相应地提升以避免信号频谱的混叠，从而使得数据量增加，降低了数据处理的效率。一比特采样能够降低数据位宽，但为了提高一比特数据的成像质量，又需要提高采样率，因此需要研究高效、高精度的一比特SAR回波数据处理方法。

现有技术中公开的一比特SAR回波数据处理方法分别有如下几种：

第一种方法，通过对回波信号进行一比特量化，大大降低了成像处理的数据量，从而很大程度上简化了成像处理实现复杂度。但该方法中的一比特量化是将回波数据与0进行比较，会造成信号幅度信息的丢失，影响成像质量。

第二种方法，将随机时变阈值引入一比特采样中，从而能够实现对原始信号绝对幅度信息的高质量恢复，保证了一比特信号重构时信息的完整性。但该方法是建立在原始信号具有稀疏特性的前提下，难以在SAR成像的非稀疏场景中进行应用。

第三种方法，使用高斯时变阈值对欺骗干扰进行一比特量化，从而能够在SAR成像处理中获得了有效的虚假目标成像结果，但高斯时变阈值会在成像结果中引入类噪声干扰，降低成像质量。

第四种方法，在一比特采样时通过四倍带宽以上的采样率提高成像性能，但伴随的高次谐波影响成像的问题没有解决。

因此，目前所公开的SAR回波信号处理方法还不能满足高效和高精度要求，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种一比特SAR回波数据的处理方法及系统，旨在解决现有技术中在进行一比特SAR数据处理时，无法实现简化运算的同时保证成像质量，不能做到高效和高精度的回波数据处理的缺陷。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种一比特SAR回波数据的处理方法，其中，包括步骤：

A、对接收到的SAR回波数据进行一比特量化，得到一比特量化后的回波数据序列；

B、按照预设移位数，将一比特量化后的回波数据序列中的各个数据值分别与预先设定的匹配滤波器序列中的数据值进行卷积运算，得到卷积运算后的SAR回波数据序列；所述预设移位数大于1；

C，在脉冲持续发射的时间内，重复上述步骤A和步骤B，得到匹配滤波后的SAR回波数据。

可选的，所述步骤B包括：

B1、将匹配滤波器序列的数据值分割成符号位和数据位；

B2、每隔移位数，将一比特量化后的第一回波数据序列中数据值分别与所述符号位进行异或运算，并将运算得到的新符号位分别与其相对应的数据位拼接组合，得到第二回波数据序列；

B3、对所述第二回波数据序列中的各个元素进行求和运算，得到匹配滤波后的SAR回波数据序列。

可选的，所述步骤A还包括：

A01、利用SAR向被探测目标发射线性调频脉冲信号；

A02、SAR接收机接收经所述被探测目标反射回的回波信号，并产生单频时变阈值；

A03、利用所述单频时变阈值对SAR回波信号进行一比特量化，得到量化后的回波数据序列。

可选的，所述采集数据序列中的数据含有实部与虚部；所述数据位含有实部与虚部；

所述步骤B2还包括：

将抽样出的所述采集数据序列中数据的实部和虚部分别与所述数据位的实部和虚部进行卷积运算。

可选的，所述步骤A02中还包括：

A021、以预设采样频率对接收到的回波信号进行采样；其中，所述预设采样频率大于回波信号带宽的四倍。

可选的，所述步骤A02中还包括：

A022、SAR接收及利用本地振荡器或者直接数字式频率合成器产生单频时变阈值。

可选的，所述步骤A03中还包括：

A031、将回波信号中各个元素所对应的向量s与所述单频时变阈值所表示的向量h进行比较，若s<h，则将回波数据存储为0，若s≥h，则将回波数据存储为1。

本发明还提供了一种一比特SAR回波数据的处理系统，其中，包括：SAR接收机；

所述SAR接收机包括：数据序列生成模块、匹配滤波模块和脉冲压缩数据生成模块；

所述数据序列生成模块，用于对接收到的SAR回波数据进行一比特量化，得到一比特量化后的回波数据序列；

匹配滤波模块，用于按照预设移位数，将一比特量化后的回波数据序列中的各个数据值分别与预先设定的匹配滤波器序列中的数据值进行卷积运算，得到卷积运算后的SAR回波数据序列；所述预设移位数大于1；

脉冲压缩数据生成模块，用于在脉冲持续发射的时间内，重复上述步骤A和步骤B，得到匹配滤波后的SAR回波数据。

可选的，所述匹配滤波模块包括：

数值分割单元，用于将匹配滤波器序列的数据值分成一比特的符号位和长位宽的数据位；

异或运算单元，用于每隔移位数，将一比特量化后的第一回波数据序列中数据值分别与所述符号位进行异或运算，并将运算得到的新符号位分别与其相对应的数据位拼接组合，得到第二回波数据序列；

求和运算单元，用于对所述第二回波数据序列中的各个元素进行求和运算，得到匹配滤波后的SAR回波数据序列。

可选的，还包括：SAR，所述SAR接收机设置在SAR平台上；

所述SAR，用于根据预设的脉冲发射间隔，重复向被探测目标发射线性调频脉冲信号。

本发明提供了一种一比特SAR回波数据的处理方法及系统，通过在对回波数据进行匹配滤波时，采用对参与卷积运算的采用序列进行抽取，降低了卷积运算的计算量和复杂度，减少了SAR系统的成本，提高了系统的运算速度和效率，并且在同时保证了匹配滤波后SAR图像的成像质量，因此在数据处理上具有较好的实时性和更高的性能功耗比。

附图说明

图1为本发明的一种一比特SAR回波数据的处理方法的较佳实施例的流程图；

图2为本发明所述方法中异或运算的原理示意图；

图3为16bit*1bit异或运算实现硬件原理图；

图4为本发明的一种一比特SAR回波数据的处理系统的较佳实施例的功能原理框图；

图5为一比特回波与匹配滤波器卷积采样前；

图6为一比特回波与匹配滤波器卷积采样后。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

本发明提供了一种一比特SAR回波数据的处理方法，如图1所示，包括步骤：

步骤S1、对接收到的SAR回波数据进行一比特量化，得到一比特量化后的回波数据序列。

本步骤对一比特量化后的回波数据序列进行抽样处理，按照预设的抽样间隔，依次从一比特量化后的所述回波数据序列中抽取回波数据。其中预设抽样间隔为大于1的自然数，较佳的，所述预设抽样间隔可以设置为4个数据间隔，从而实现简化回波数据序列中含有的数据量的同时，保证匹配滤波器的滤波效果。

为了获取到一比特量化后的回波数据序列，在本步骤之前，还包括以下步骤：

S01、利用SAR向被探测目标发射线性调频脉冲信号；

S02、SAR接收机接收经所述被探测目标反射回的回波信号，并产生单频时变阈值；

S03、利用所述单频时变阈值对SAR回波信号进行一比特量化，得到量化后的回波数据序列。

SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)是利用一个天线沿着长线阵的轨迹等速移动并辐射相参信号,把在不同位置接收的回波进行相干处理,从而获得较高分辨率的成像雷达。所述SAR按照预设脉冲发射间隔向被探测目标发射线性调频脉冲信号。

被探测目标接收到所述线性调频脉冲信号后，反射回波信号，设置在SAR平台上的SAR接收机接收所述回波信号，并对所述回波信号进行一比特量化。所述SAR平台可以安装在飞机、卫星或者汽车上。

为了减少频谱混叠的影响，以预设采样频率对接收到的回波信号进行采样；其中，所述预设采样频率大于回波信号带宽的四倍。

可选的，所述步骤S02中还包括：

S022、SAR接收及利用本地振荡器或者直接数字式频率合成器产生单频时变阈值。

可选的，所述步骤S03中还包括：

S031、将回波信号中各个元素所对应的向量s与所述单频时变阈值所表示的向量h进行比较，若s<h，则将回波数据存储为0，若s≥h，则将回波数据存储为1。

具体的，对所述回波信号进行一比特量化的步骤如下：

1、假设tr时刻发射信号为s0(tr)，从发射信号到接收回波的时间为t，接收到的回波为s(tr)。以采样率Fs对接收到的信号进行采样，可以得到一个回波信号采样序列，这个回波信号采样序列可以表示为一个M×1的向量s，即[s1,s2,…,sm,…,sM]，其中1≤m≤M。

2、SAR接收机利用本地振荡器或者直接数字式频率合成器(DDS)的方式产生以频率为f0的单频时变阈值hs(tr)，同样以Fs对单频时变阈值进行采样，则阈值可以表示为一个M×1的向量h，即[h1,h2,…,hm,…,hM]，其中1≤m≤M。

3、将回波信号一比特量化，向量s与h的对应元素依次进行比较，以第m个元素为例，若sm≥hm，将回波数据存储为1；若sm＜hm将回波数据存储为0。从而可以得到由0和1组成的一比特量化后的回波数据序列。

步骤S2、按照预设移位数，将一比特量化后的回波数据序列中的各个数据值分别与匹配滤波器序列中的数据值进行卷积运算，得到卷积运算后的SAR回波数据序列；所述预设移位数大于1。

对上述步骤S1中一比特量化后的回波数据序列与匹配滤波器序列进行卷积运算。

具体的，本次卷积运算并非是直接将抽样出的采样数据序列中的数据值与匹配滤波器序列中的数据值两个相乘，再将乘积进行加和，得到的卷积和，而是利用异或运算代替原卷积运算中的乘法运算，从而达到减少运算量的目的。

所述匹配滤波器实现两个方面的功能，一是要进行脉冲压缩，即滤波器要与回波相匹配，二是实现输出回波信号的降采样。

进一步的，为了实现回波相匹配，滤波器响应函数应是基带信号的复共轭，将其转到频域表示为：

其中，Tr为SAR信号脉冲宽度、γ为调频率。基于上式可以看出基于矩形窗函数rect[]实现对回波信号的滤波，此外指数函数部分显示滤波器的相频特性与基带信号相反，因此确保了信号通过滤波器后相位为0，达到匹配效果。

另一方面，为实现对回波信号的降采样，本步骤中采用了对计算数据值进行移位操作，也即是相隔预设移位数，进行一次卷积计算，从而降低了运算量。由Noble恒等式原理，每隔若干个点再进行匹配滤波与先进行匹配滤波在进行抽取或插值得到的效果相同。因此本步骤中可以通过先进行移位操作，得到匹配滤波的方法减小卷积运算的运算量。

具体的，所述步骤S2中将抽样出的采样数据序列与匹配滤波器序列进行卷积运算包括：

S21、将匹配滤波器序列的数据值分成一比特的符号位和长位宽的数据位。

S22、每隔移位数，将一比特量化后的第一回波数据序列中数据值分别与所述符号位进行异或运算，并将运算得到的新符号位分别与其相对应的数据位拼接组合，得到第二回波数据序列。

S23、对所述第二回波数据序列中的各个元素进行求和运算，得到匹配滤波后的SAR回波数据序列。

如图2所示，上述步骤中首先提取匹配滤波器序列中数据值的符号位和数据位，将提取出的符号位作为异或运算的输入，将一比特量化后的第一回波数据序列作为另一个输入。在异或运算操作之后，我们将输出结果作为符号位，然后将其与匹配滤波器的数据位相结合。该运算的最终输出结果与传统的乘法运算一致。

如图3所示为上述异或运算的硬件示意图，通过一个2输入异或门电路实现上述异或运算，分别将匹配滤波器序列的符号位和一比特量化的第一回波数据序列作为另一个输入，再将输出结果与匹配滤波器的数据位相结合。

在步骤S22中的卷积运算中，由于所述采集数据序列中的数据含有实部与虚部；所述数据位含有实部与虚部；因此具体的卷积运算包括：

将抽样出的所述采集数据序列中数据的实部和虚部分别与所述数据位的实部和虚部进行卷积运算。

除了对应实部与实部之间的卷积运算、虚部与虚部之间的卷积运算之外，还包括：实部与卷积之间的卷积运算。假设1-bit回波序列为(A+Bj)、MF匹配滤波器序列为(C+Dj)，卷积运算的结果中实部与实部之间的卷积值为：

A+Bj*C+Dj＝A*C-B*D+A*D+B*Cj

上述卷积运算中，还包含移位操作，即在进行卷积运算之前，将两个序列数据的其中一个序列进行翻折操作之后，在进行卷积运算时，根据设置的移动位，依次从一比特量化的第一回波数据序列中提取出相应位置的数据值，并将提取出的数据值加入到卷积运算中，从而降低运算量。

例如：选取抽移位数为N，当求得第m个数据值的卷积值后，在移位时，由传统上的卷积移位操作中的移动1个单元改为移位N个单元，求第m+N个元素的卷积值。遍历整个序列后，得到的卷积序列为传统卷积的抽样结果，降采样后的频率(序列长度)为抽取前的1/N。其中，N优选为4。

步骤S3、在脉冲发射的重复间隔内，重复上述步骤A和步骤B，得到匹配滤波后的SAR回波数据。

在不同的脉冲发射的重复间隔内，重复步骤S1～步骤S2，将匹配滤波后的一比特SAR回波数据序列依次存储，直至SAR成像的过程结束。由此可以得到SAR成像所需的一比特SAR回波数据，利用成像算法对其进行成像可以得到聚焦的成像结果。

本发明利用一比特量化的SAR回波信号的特性，在计算SAR成像匹配滤波过程的卷积计算中，采取用异或逻辑门来代替乘法运算，采取移位操作对卷积进行计算前抽取，大大降低了一比特SAR数据的后续处理复杂度，降低了SAR系统的成本，并且提高了系统的运算速度和运算效率，达到更好的实时性与更高的性能功耗比，是一种更加经济有效的实现方法。

下面对本发明所述方法中的卷积运算方法做更为详细的说明。

假设输入信号为IQ两路的复数信号，分别为一比特量化后的回波数据序列x(n)和预设设定的匹配滤波器序列h(n)，采样频率Fs为6倍带宽，若要将数据的频率下降为1.5倍带宽，则通过每次算完符号位异或逻辑运算之后移位4个单位来达到计算前抽取的目的。

假设x(n)的长度为10，h(n)的长度为5，则其开始序列的排布情况如表所示：

上表中，y(n)为一比特量化后的回波数据序列x(n)和预设设定的匹配滤波器序列h(n)的卷积。

卷积的计算如下所述：

第一步：将其中一个数据训练进行翻折，较佳的，将两列数据中长度短的一个数据序列翻折，其表示如下：

第二步：两个数据序列中对应第一个数据元素做异或运算，并将异或运算结果相加，得到第一个对应数据元素做卷积运算后的数据值0，将该数据值记为：y(0)，其表示如下：

第三步：对h(n)做移位操作，移动4单元，并计算移位操作后相对应第二数据元素的卷积，将第二个对应元素的卷积运算后的数据值记为y(1)，其表示如下：

第四步，重复上述第三步，对h(n)做移位操作，计算移位操作后，将三个对应元素卷积运算后的数据值记为y(2)。

第五步，重复上述卷积，将第四个相对应元素卷积运算后的数据值记为：y(4)。

重复上述运算，依次得到x(n)序列中每个数据元素与h(n)序列中各个数据元素之间的卷积值，从而得到整个一比特量化后的回波数据序列x(n)和预设设定的匹配滤波器序列h(n)的卷积。

本发明还提供了一种一比特SAR回波数据的处理系统，如图4，包括：SAR接收机；

所述SAR接收机包括：数据序列生成模块100、匹配滤波模块200和脉冲压缩数据生成模块300；

所述数据序列生成模块100，用于对接收到的SAR回波数据进行一比特量化，得到一比特量化后的回波数据序列；其功能如步骤S1所述。

所述匹配滤波模块200，用于按照预设移位数，将一比特量化后的回波数据序列中的各个数据值分别与预先设定的匹配滤波器序列中的数据值进行卷积运算，得到卷积运算后的SAR回波数据序列；所述预设移位数大于1；其功能如步骤S2所述。

所述脉冲压缩数据生成模块300，用于在脉冲发射的时间内，得到由多组SAR回波数据序列组成的匹配滤波后的SAR回波数据，其功能如步骤S3所述。

进一步的，所述匹配滤波模块200包括：

数值分割单元，用于将匹配滤波器序列的数据值分成一比特的符号位和长位宽的数据位；

卷积运算单元，用于将抽样出的所述采集数据序列与所述符合位进行异或逻辑运算，并将异或逻辑运算得到的运算结果与所述数据位重新进行拼接组合，得到卷积运算结果。

为了获取到被探测目标反射回的回波信号，还包括：SAR，所述SAR接收机设置在所述SAR上；

所述SAR，用于根据预设的脉冲发射间隔，重复向被探测目标发射线性调频脉冲信号。

本发明所述方法及系统与现有技术中的SAR回波信号的处理方法相比，具有如下优点：

(1)在数据采集方面采用对回波信号进行一比特量化。

如果要对数据进行16bit量化，所需要的模数转换器(ADC)的复杂度、成本要远远高于把它量化为1bit的复杂度和成本。同时，由于1bit的复杂度和成本更低，它的采样率也可以比16bit的高出很多，这是在数据采集方面的优势。

(2)在匹配滤波的卷积运算中，参用异或运算代替乘法运算。

SAR成像中需要对回波数据进行匹配滤波，而对回波数据进行匹配滤波往往需要进行大量的乘法、加法运算，SAR系统的数值存储是以二进制的形式进行的。以3×3为例(4bit采集数据×4bit匹配滤波器)，需要进行的二进制计算式为4b0011×4b0011＝8b0000_1001。本发明所述方法中利用采集数据降为1bit，只有0或者1，所以就是1b0×4b0011(1bit采集数据×4bit匹配滤波器)，具体的计算方法就是将1bit数据0与4b0011中的最高位(符号位)0进行逻辑运算(XOR，异或逻辑)，再将结果拼接，得到的结果较之前位宽减少，利用XOR进行单比特数据乘法运算，降低了硬件复杂度和成本。

(3)在卷积抽样处理时，采用移位操作。

设采集数据长度为m，匹配滤波器长度为l，且l＜m。将其中一个信号进行翻折后与另一个信号求乘加运算，最后得到卷积信号结果的长度为m+l-1，乘法运算量为l(m+l-1)，加法运算量为(l-1)(m+l-1)。若在计算前通过前抽样平移的方法最后的长度为乘法计算量为加法运算量为用降低数据量，提高计算速度，避免高过采样率带来的数据量增大问题，同时保证匹配滤波器的质量。

本发明的效果可以通过以下的仿真实验进一步说明，仿真时采用MATLAB软件进行仿真。

仿真数据的参数如下：图5所示为常规高精度采样的SAR成像结果，图6所示基于单频时变阈值对回波数据进行一比特量化，然后利用一比特数据成像的结果。由于一比特量化降低了数据精度，图6相比于图5存在一定的噪声，但场景中的建筑、道路、车辆等目标依然能够分辨。

本发明提供的了一种一比特SAR回波数据的处理方法及系统，通过对接收到的SAR回波数据进行一比特量化，得到一比特量化后的回波数据序列；按照预设移位数，将一比特量化后的回波数据序列中的各个数据值分别与匹配滤波器序列中的数据值进行卷积运算，得到卷积运算后的SAR回波数据序列，降低了卷积运算的计算量和复杂度，减少了SAR系统的成本，提高了系统的运算速度和效率，并且在同时保证了匹配滤波后SAR图像的成像质量，因此在数据处理上具有较好的实时性和更高的性能功耗比。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。