CN101915919A - 利用北斗卫星信号的双基sar成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用北斗卫星和机载雷达构成的星-表双基合成孔径雷达成像系统，属于卫星导航和雷达成像的交叉技术领域，可实现遥感探测、土壤湿度监测、地震预报等应用。系统包括一颗静止轨道北斗卫星和一架装有两个独立机载雷达的飞行器，飞行中机载雷达分别接收直接来自北斗卫星的信号作为参考信号和来自地面反射的北斗卫星信号作为原始数据。系统采用改进的距离多普勒(RD)算法进行成像处理，即首先在距离频域利用参考信号进行距离向的脉冲压缩，再变换到二维频域进行二次距离压缩(SRC)，补偿相位耦合，之后变换到距离多普勒域进行距离单元徙动校正(RCMC)和方位压缩。最后重新变换到时域即可得复图像。

Description

利用北斗卫星信号的双基SAR成像系统

技术领域

本发明主要涉及全球导航卫星系统(简称：GNSS)和星-表双基合成孔径雷达(简称：SS-BSAR)成像领域，尤其是利用位于地球静止轨道上的中国北斗卫星和机载雷达构成的合成孔径成像系统的方法。

背景技术

中国北斗卫星导航系统(简称：CNSS)是我国自主研发的全球四大卫星导航系统之一，将于2020年左右建成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的覆盖全球的卫星导航系统，届时将广泛应用于测绘、电信、水利、交通、救灾和国家安全等诸多领域。而开发利用寄生于北斗信号的微波成像系统不仅能有效利用已有资源，并且结合星-表双基SAR系统的“远发近收”特点，具有非常重要的战略意义和发展前景。

北斗卫星发送的信号形式是是调制在载波L上的扩频序列，而扩频序列又是由伪随机扩频码P(t)调制导航数据码D(t)而形成，所以发射信号实际上属于二相相位编码调制。虽然不是常规SAR所用的线性调频信号，但是通过研究用来扩频的gold序列的模糊函数(如图2)可以看到输出接近图钉型，图3是其对应的零多普勒切面图，输出为尖脉冲，说明具有较好的距离分辨力。扩频技术和脉冲压缩技术只是通信和雷达领域的不用应用，本质上是相同的。综上所述，北斗信号十分适于用来作为雷达发射信号。

星-表双基合成孔径雷达(SS-BSAR)由一个星载发射源和一个装在地表附近的接收器组成。接收器可以机载或车载，也可以固定在地面工作站。合成孔径效应既可以由接收器与目标成像区域之间的相对运动合成，也可以由发射源与目标之间的相对运动合成，或者两者同时运动合成。SS-BSAR收发分置，既融合了星载SAR观测范围大，安全性好和机载SAR的灵活性和分辨率高的优势，又具有隐蔽性强等特点。同时结合导航卫星的星座和定位特性，用户在地表附近始终可以观察到至少4颗导航卫星，所以还可以根据实际情况选取最合适的卫星信号作为发射源。

双基合成孔径雷达的成像算法有很多，其中最基本并且发展最为成熟的算法是距离多普勒(RD)算法，该算法根据距离和方位向上的大尺度时间差异，在两个一维操作之间使用距离徙动校正，从而对距离和方位进行了近似的分离处理。距离相同而方位不同的点目标能量变换到方位频域后，其位置重合，因此，频域中的单一目标徙动校正等效于同一斜距处的一组目标的徙动校正，是距离徙动校正能在RD域高效的实现。然而本发明属于一静一动的星-表双基配置，传统的RD算法不再有效，需要加以改进。

最近几年，英国伯明翰大学微波集成系统实验室的Mikhail Cherniakov教授和Michail Antoniou博士等人提出了基于GPS信号的双基合成孔径雷达成像系统，并进行了一些成像试验。但尚未见有利用北斗卫星信号作为发射源的成像系统的相关报道。

发明内容

本发明的目的是通过位于地球静止轨道上的北斗卫星和机载雷达来构建一个星-表双基合成孔径雷达成像系统，由于双基配置的系统距离向和方位向耦合，传统的距离多普勒(RD)算法无法直接使用，据此本发明还提出了一种改进的RD算法来实现区域成像。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明首先构建一个对应本成像系统的三维配置模型，如图4，其中S为静止轨道上的北斗卫星，A为接收平台，其中机载雷达R1接收北斗卫星的直接信号，机载雷达R2接收被地面反射的北斗卫星信号。T为机载雷达R2在某一时刻照射到的成像区域。因为卫星和飞机高度都是常数，所以可将此三维配置模型映射到等效的二维平面(保持角度关系)，二维几何模型如图5，假设机载雷达R2以正侧视工作，坐标轴x，y分别表示距离向和方位向，也可以用距离向时间τ和方位向时间t来表示。发射源S的等效坐标为(x_s，y_s)，点目标B的等效坐标为(x_t，y_t)。接收器A在初始时刻位于原点，以速度v沿方位向运动，R_d(t)和R_t分别为卫星S到接收器和目标场的等效距离，R_r(t)和R_r0分别是等效斜距和最短斜距。此时有合成孔径时间(目标的有效积累时间)T＝λx_t/(Dv)，其中λ为载波波长，D为接收天线方位向长度，因为静止卫星轨道高，波束覆盖面积远大于成像面积，所以目标的合成孔径时间只与接收天线的波束宽度有关。可以得到基带解调后的目标回波方程为：

$s(t,\mathrm{\τ})=p(\mathrm{\τ}-\frac{R_t+R_r\left(t\right)}{c})\·\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_a}{T}\right)\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_L\frac{R_t+R_r\left(t\right)}{c})---\left(1\right)$

其中， $R_t=\sqrt{{(x_s-x_t)}^2+{(y_s-y_t)}^2}---\left(2\right)$

$R_r\left(t\right)=\sqrt{x_t^2+{(y_t-\mathrm{vt})}^2}\≈R_r\left(t_a\right)+R_r^{\′}\left(t_a\right)(t-t_a)+\frac{R_r^{\′\′}\left(t_a\right)}{2}{(t-t_a)}^2=R_{r0}+\frac{v^2{(t-t_a)}^2}{2R_{r0}}---\left(3\right)$

在接收平台中，对接收到的回波信号做如下处理：

1)距离向压缩：

距离压缩的本质是匹配滤波，可以表示为接收信号与参考信号的相关，也可以表示为接收信号与参考信号反褶后的复共轭卷积，即：

$s_{\mathrm{out}}\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}s\left(u\right)\·s_0^{*}(u-t)\mathrm{du}=s\left(t\right)\⊗s_0^{*}(-t)---\left(4\right)$

由式(1)可以看到，回波时延与R_t和R_r(t)有关，处于同一斜距不同方位向上的点目标虽然有相同的R_r(t)历史，但是R_t却不相同，所以仍选用传统的RD算法，以发送信号的共轭函数来作为匹配滤波函数的话，将不能获得相似的距离历史，使得方位压缩不能在一维上处理，也即二维耦合。本发明采用由机载雷达R1直接接收到的北斗卫星信号s₀(t)作为参考信号，其基带形式为：

$s_0(\mathrm{\τ},t)=p[\mathrm{\τ}-\frac{R_d\left(t\right)}{c}]\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_L\frac{R_d\left(t\right)}{c})---\left(5\right)$

其中， $R_d\left(t\right)=\sqrt{x_t^2+{(y_t-\mathrm{vt})}^2}\≈R_d\left(t_a\right)+R_d^{\′}\left(t_a\right)(t-t_a)+\frac{R_d^{\′\′}\left(t_a\right)}{2}{(t-t_a)}^2---\left(6\right)$

分别将回波信号(1)和参考信号(5)变换到距离频域，有：

$s(f,t)=P\left(f\right)\exp (-j2\mathrm{\πf}\frac{R_t+R_r\left(t\right)}{c})\·\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_a}{T}\right)\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_L\frac{R_t+R_r\left(t\right)}{c})---\left(7\right)$

$s_0(f,t)=P\left(f\right)\exp (-j2\mathrm{\πf}\frac{R_d\left(t\right)}{c})\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_L\frac{R_d\left(t\right)}{c})---\left(8\right)$

根据(4)式进行距离压缩，时域的卷积变换到频域就是相乘，所以有：

$S_{\mathrm{out}}(f,t)=s(f,t)\×s_0^{*}(f,t)={\left|P\left(f\right)\right|}^2\·\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_a}{T}\right)\·\exp (-j2\mathrm{\π}(f+f_L)\frac{R_t+R_r\left(t\right)-R_d\left(t\right)}{c})---\left(9\right)$

$s_{\mathrm{out}}(\mathrm{\τ},t)=\mathrm{IFFT}\left(S_{\mathrm{out}}(f,t)\right)=R_p(\mathrm{\τ}-R\left(t\right)/c)\·\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_a}{T}\right)\·\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_{L}R\left(t\right)/c)---\left(10\right)$

式中R(t)＝R_t+R_r(t)-R_d(t)，图6和图7分别给出了距离压缩前后的两个点目标距离历史，图8是其对应的仿真参数。可以清晰看出匹配滤波之后改变了距离历史，使得相同斜距不同方位向上的点目标获得一致的距离历史。

2)二次距离压缩(SRC)：

虽然通过接收直接信号作为参考信号能获得相同的多普勒历史，但由于线性相位项的存在引入比较大的距离走动，为此将(9)式变换到二维频域进行分析：

将相位项

展开成f_τ的幂级数并保留至二次项即可得到距离方位耦合项，利用多普勒中心处的参考相位则可近似补偿这一耦合项。

3)距离徙动校正(RCMC)：

将二次距离压缩之后的信号进行距离向逆傅里叶变换(IFFT)变换到距离多普勒域进行距离单元徙动校正(RCMC)，R-D域的信号形式为：

其中

是方位调制项，从最后一项可以看出是调频信号。

是R(t)的频域形式，最后一项即为RCM项。

为载波波长，R(t_a)＝R_t+R_r(t_a)-R_d(t_a)≈2R_r(t_a)＝2x_t。所以利用时间域插值或者直接进行相位补偿可得距离徙动校正后的信号形式为：

3)方位向压缩：

由上述知信号在方位向上是调频信号，所以方位滤波器的设计原则应能滤去方位调制项。选取参考信号

对(13)式作方位压缩并进行IFFT得到最终的复图像的时域形式：

$s(\mathrm{\τ},t)=\mathrm{IFFT}\{S(\mathrm{\τ},f_t)\×H\left(f_t\right)\}=R_p(\mathrm{\τ}-\frac{2x_t}{c})\mathrm{IFFT}\{A\left(f_t\right)\·\exp [-j2\mathrm{\π}{f}_t{t}_a]\·\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(R_t+R_r\left(t_a\right))\left]\right\}$

$=R_p(\mathrm{\τ}-\frac{2x_t}{c})\·\sin c(t-t_a)\·\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(R_t+R_r\left(t_a\right))]---\left(14\right)$

其中R_p(.)是伪随机码的自相关函数，具有很好的脉冲尖峰特性，上式第一项表示在距离x_t上有脉冲输出，也即表示此距离上的目标。第二项为sin c(.)函数，它的主瓣宽度就决定了方位向上的分辨能力，在本发明中，应有

其中L和D分别为合成孔径长度和实际物理孔径长度。因为系统选用的卫星发射源相对目标成像区域静止，信号只有单程多普勒，所以区别于一般SAR的方位分辨率ρ′_a＝D/2。

本发明的主要特色：本发明是对北斗导航卫星的再一次开发利用，通过机载雷达收集地面目标对北斗卫星信号的反射信号并加以处理来获取地表信息，实现探测成像。

本发明的效益与应用前景：(1)在不增加北斗导航卫星系统成本的前提下，再一次开发了一项重要功能，对提升北斗导航系统的利用效率和维护国家自主知识产权具有重大意义。(2)发挥星载信号源覆盖面广和机载雷达灵活性好的优势，可形成大测绘带的区域成像，可应用于遥感探测、土壤湿度监测、地震预报等领域。

附图说明：

图1是本发明所用系统成像方法的流程框图。

图2是北斗卫星信号扩频序列Gold码的三维模糊函数图。

图3是图2的零多普勒切面图。

图4是本发明星-表双基合成孔径雷达成像系统配置的三维几何关系图。

图5是与图4等效的二维几何关系图。

图6是距离压缩之前两个点目标的距离历史。

图7是距离压缩之后两个点目标的距离历史。

图8是获得图6和图7对应的仿真参数。

具体实施方式

本发明无需发送特定星载SAR，而以一颗定位在地球静止轨道上的北斗导航卫星为发射源，以机载雷达作为信号接收器，在成像区域附近沿直线飞行，采集数据，而后交由数据处理系统进行后续的信号处理。具体的实施步骤操作如下：

1)构建如图4的系统配置，其中S为静止轨道北斗卫星，轨道高度36000km，以近似恒定功率照射成像区域。A为机载接收平台，沿方位向以恒定速度飞行。机载接收平台应包含两个机载雷达，其中机载雷达R1接收来自地面反射或散射的北斗卫星信号，机载雷达R2接收直接来自北斗卫星的信号，以提取距离压缩时所用的参考信号，以及双基系统的时间同步信号。

2)机载雷达R2接收到的回波信号(原始数据)首先被解调至基带，并以合适的距离和方位采样速率(PRF)进行A/D转换(方位采样在回波信号的接收阶段进行)，将数据存储在一个数据矩阵M中。其中，数据M中的每一行存储的是沿距离向上的采样数据，每一列存储的是沿方位向上的采样数据。这样，矩阵数列M就包含了成像区域所有目标点的散射特性，只要信噪比(SNR)满足一定条件(事实证明是可以做到的)，接下来就可以通过信号处理来实现目标散射特性的提取和反演。

3)按照图1所示的信号处理流程，首先对数据矩阵M在高速数字处理器(如DSP)中作距离向的快速傅里叶变换(FFT)，因为距离压缩所用的时域卷积需要很大的计算量，而变换到频域则成为简单相乘，可以方便快速的进行，对实时成像应用具有非常重要的意义。

4)从另一个机载雷达R1中接收直接来自北斗卫星的信号，通过进行相应的解调以提取出距离压缩所用到的参考信号。根据(7)式和(8)式，分别将回波数据和参考信号变换到距离频域之后，再根据(9)式将每一行数据进行点乘即可完成距离压缩。距离压缩之后，原来在距离向上的一连串交叉混叠的脉冲串各自被压缩到不同的位置上，实现了距离分辨。

5)将距离压缩后的信号通过做方位向上的傅里叶变换(FFT)，也即按列做FFT，得到信号的二维频域。因为通过引入北斗卫星的直接信号作为参考信号以获得相同多普勒历史的同时，也引入了线性相位项

改变了方位向调频率

使得系统出现了大的距离走动。在二维频域，我们通过利用多普勒中心处的参考相位就能补偿耦合相位，实现二次距离压缩。

6)根据实际情况，如果是在高分辨率成像应用中，系统出现的距离徙动将跨越几个距离门，为此需要距离单元徙动校正(RCMC)。由于相同斜距不同方位向上的目标具有同样的徙动曲线，所以距离徙动校正一般在距离多普勒域进行。为此，将信号作距离向的逆傅里叶变换(IFFT)，根据(13)式，通过时间域插值或者直接进行相位补偿完成。

7)选取方位参考信号对(13)式作方位压缩。因为方位向上具有线性调频性质，所以同样可利用脉冲压缩技术获得较好的方位分辨率。具体见(14)式。

经过上述步骤，即可完成本系统的主要成像工作。

Claims (4)

1.一种利用北斗卫星信号和机载雷达构成的星-表双基合成孔径雷达成像系统。此系统包括一颗静止轨道上的北斗导航卫星和一架装有两个独立机载雷达的飞行器；其特征在于：根据目标成像区域所处的地理位置，选取一颗最适合此成像区域的北斗静止轨道卫星作为信号发射源，利用飞行器上的机载雷达(R2)在成像区域附近通过直线飞行收集被地面反射的北斗卫星信号，同时也利用另一个机载雷达(R1)接收直接来自北斗卫星的信号作为距离压缩所用到的参考信号，并提取出导航数据中的时间信号作为系统同步；之后将接收到的原始数据信号通过改进的距离多普勒算法进行成像处理，最终实现对目标区域的成像。

2.根据权利要求1，所述系统以中国自主研发的北斗导航卫星为星载平台，选取静止轨道上的北斗卫星作为信号发射源，其特征在于：卫星轨道高度36000km，可以近似恒定功率照射成像区域，同时相对成像区域静止，不提供合成孔径效应。

3.根据权利要求1，所述系统以装有两个机载雷达的飞行器作为信号的接收平台，其特征在于：飞行器沿成像区域直线飞行，提供合成孔径效应；且接收平台包含两个独立雷达，可分别接收成像区域对北斗卫星信号的反射信息和直接来自北斗卫星的信号，前者作为成像处理时所用到的原始数据，后者作为距离压缩时所需的参考信号和时间同步信号。

4.根据权利要求1，所述系统采用改进型的距离多普勒算法进行成像处理，具体步骤包括：将原始数据沿距离向作傅里叶变换，然后利用直接接收到的北斗卫星信号作为参考信号对其进行距离压缩，距离压缩之后对信号作方位傅里叶变换到二维频域，在二维频域进行二次距离压缩以补偿二次耦合相位项，最后在距离多普勒域进行距离徙动校正和方位压缩处理。

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