CN103176172B - 一种机载干涉sar基于同步内定标信号的相位测量补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载干涉SAR基于同步内定标信号的相位测量补偿方法，有效提高了通道间误差测量与补偿的精度、降低了定标信号对雷达性能的影响。采用定标信号源产生相位调制的内定标信号；通过分路器将内定标信号分为N路，内定标信号经合路器与天线接收的雷达回波信号合为一路，通过对内定标信号起始时刻的控制，使得同一路的内定标信号和雷达回波信号同步输入至相应接收通道；采用匹配滤波器从每一路接收通道雷达数据中提取内定标信号，从而将内定标信号与雷达回波在图像域分离开；根据内定标信号的相位变化计算接收通道相位随时间的变化历程；根据多个通道的相位变化历程完成通道间相位误差的测量和补偿，完成传输误差的校正。

Description

一种机载干涉SAR基于同步内定标信号的相位测量补偿方法

技术领域

本发明涉及雷达信息获取与处理技术领域，尤其涉及一种机载干涉SAR基于同步内定标信号的相位测量补偿方法，特别适用于机载高分辨率干涉合成孔径雷达。

背景技术

多通道合成孔径雷达是一种合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）的一种重要应用方式，如星载干涉SAR、阵列天线分布式SAR系统。其测量数据相比传统SAR包含了三维、速度等更丰富的目标信息，在海洋学、冰川学、农林、地形测绘以及军事目标侦探方面有着广泛的用途。多通道合成孔径雷达为了获取更分析的信息，需要布置2个甚至多个接收通道，通道之间距离在数米至数十米，在构型、物理结构、电气组成上也存在着差异；导致通道间传输相位存在差异，且随着环境、系统参数等的变化，通道间的差异还存在时变性；这一误差会将导致SAR系统数据失真，并影响系统在三维、速度等指标方面的测量精度，必须对多通道合成孔径雷达系统中的通道间相位误差进行测量与补偿。

多通道SAR系统，特别是大尺度分布的多通道SAR系统（如物理基线长达数十米的星载干涉SAR系统），通道间相位误差测量与补偿一直是系统实现和应用的难题之一。目前常用的方法有基于外定标测量与补偿、首尾定标方法、基于点频定标信号等。

基于外定标测量与补偿方法通过在地面定标场布设定标设备,实现对系统误差的测量与标定；该方法需要选择合适的场地并布设大量定标设备，难以大面积使用；只适用于通道间固定误差的测量与补偿。

首尾定标方法在雷达工作之前以及之后分别进行一次系统内定标，通过内定标设备测量与标定系统误差；由于是在雷达工作前后对系统误差进行测量，因而只能测量通道间线性时变误差并补偿。

基于点频定标信号的同步定标方法通过在雷达接收通道中输入连续波信号作为内定标信号，可连续测量通道间时变相位误差，但在回波信号中增加了点频信号，只能在频域进行抑制，破坏了雷达回波信号的频谱完整性，将影响干涉测量精度等指标。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机载干涉SAR基于同步内定标信号的相位测量补偿方法，以实现多通道雷达系统中多个接收通道间相位误差的测量与补偿，能够提高误差测量与补偿的精度，不需要特殊场地并布设大量定标设备，而且可以在任意时刻进行误差测量与补偿。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种机载干涉SAR基于同步内定标信号的相位测量补偿方法，包括：

步骤a)，采用定标信号源产生相位调制的内定标信号；通过分路器将内定标信号分为N路，每一路对应雷达的一个接收通道，内定标信号经合路器与天线接收的雷达回波信号合为一路，通过对内定标信号起始时刻的控制，使得同一路的内定标信号和雷达回波信号同步输入至相应接收通道；

步骤b），采用匹配滤波器从每一路接收通道雷达数据中提取内定标信号，从而将内定标信号与雷达回波在图像域分离开；计算内定标信号的相位随时间的变化历程，作为接收通道相位随时间的变化历程；

步骤c），根据多个通道的相位变化历程计算通道间相位误差，使用通道间相位误差对雷达回波传输相位进行补偿，完成传输误差的校正。

优选地，所述步骤a）产生内定标信号后，进一步通过增益控制对输出的内定标信号功率进行控制，使输入到接收通道的内定标信号功率与雷达回波信号功率满足如下关系：

P_cal≤0.01P_radar

其中P_cal为内定标信号功率，P_radar为雷达回波信号功率。

有益效果：

（1）考虑到如果采集雷达回波信号后再采集内定标信号，即二者非同步，则两种信号经历的通道状态可能改变，因此定标精度将会受到影响。本发明采用同步内定标信号的方式，将内定标信号与雷达回波信号同时采样与量化，既使内定标信号与雷达回波具有相同的相位历程，提高了定标测量的精度。而且，两信号采集时间同步，并非先后采集并将采集持续一段时间，又可有效降低数据量。

（2）本发明采用相位编码的内定标信号，例如线性调频信号、伪随机序列等，这种信号经匹配滤波处理后，可在图像域将定标信号与雷达观测区域的雷达数据分离开，可解决基于点频定标信号的同步定标方法中的问题，避免定标信号对系统性能的影响。

（3）通过内定标信号的功率控制使其不会影响到接收通道的工作性能。

（4）本发明不需要特殊场地并布设大量定标设备，可以大面积使用。而且，本发明在使用上不受时间限制,在雷达工作过程中可同时开展定标.能够连续标定雷达系统误差的变化并不长.可有效降低对外定标的需求。

通过以上几个方面，有效提高了通道间误差测量与补偿的精度、降低了定标信号对雷达性能的影响。

附图说明

图1是本发明应用于多通道合成孔径雷达系统时的原理框图；

图2是本发明定标信号源组成框图；

图3是步骤b）从每一路接收通道雷达数据中提取内定标信号并计算相位时变历程的数据处理流程图；

图4是步骤c）通道间误差测量与补偿处理流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想是，在雷达接收回波信号的同时，向多接收通道同步输入内定标信号，使内定标信号与雷达回波信号在相同时间经过相同的路径，具有相同的误差历程，并采用相位调制内定标信号的方式以提高内定标信号的相位检测精度。在数据处理阶段从内定标信号中反演出通道间的相位误差并进行误差校正。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1给出了误差测量与补偿系统组成框图，该方法包括如下步骤：

步骤a)，采用定标信号源产生相位调制的内定标信号；通过分路器将内定标信号分为N路，每一路对应雷达的一个接收通道，内定标信号经合路器与天线接收的雷达回波信号合为一路，通过对内定标信号起始时刻的控制，使得同一路的内定标信号和雷达回波信号同步输入至相应接收通道。

其中，由于在后续步骤中，需要将内定标信号从图像域分离开，因此需要采用相位调制的内定标信号，例如线性调频脉冲信号、伪随机序列等。其中，线性调频脉冲信号是雷达最常用的信号类型，本实施例以线性调频脉冲信号为例进行描述。

则本步骤具体为：

A1）定标信号源线性调频脉冲信号作为内定标信号，其信号带宽为B，与雷达工作带宽相同，脉冲宽度为τ，与雷达发射信号脉冲宽度相同。

A2）通过自动或手动增益控制对输出的内定标信号功率进行控制，使输入到接收通道的内定标信号功率与雷达回波信号功率满足如下关系：

P_cal≤0.01P_radar

其中P_cal为内定标信号功率，P_radar为雷达回波信号功率。

该功率控制使得内定标信号不会影响到接收通道的工作性能。

A3）通过光纤延迟线实现内定标信号起始时刻的控制，使输入到接收通道的内定标信号与雷达回波信号同步输入到接收通道；且通过光纤延迟线调节内定标信号到达接收通道的时刻T_cal满足如下关系：

T_nearecho≤T_cal≤T_farecho

其中T_nearecho为雷达观测区域最近目标回波到达时间，T_farecho为雷达观测区域最远目标回波到达时间。

图2给出了一种内定标信号源的组成示意图。如图2所示，其包括光线延迟模块、增益调节模块和增益控制模块。光线延迟模块包括光端发射机、光端接收机及其之间的光延迟线，光端发射机接收输入信号，该输入信号可以来自对发射信号的耦合，光端接收机输出起始时间控制后的内定标信号。光端发射机与光端接收机之间设有多种长度的光延迟线，根据雷达实际作用距离选择适合长度的光延迟线。作用距离与光延迟线选择的对应关系是预先确定的。

增益调节模块包括依次串联的补偿放大器、电调衰减器和数控衰减器（步进大），其中电调衰减器的调节步进较小，数控衰减器的调节步进较大。增益控制模块根据来自外部的控制指令对电调衰减器和数控衰减器进行衰减量的控制，从而达到对内定标信号的功率控制，最后由数控衰减器输出经时间和功率控制后的内定标信号。

步骤b），采用匹配滤波器从每一路接收通道雷达数据中提取内定标信号，从而将内定标信号与雷达回波在图像域分离开；计算内定标信号的相位随时间的变化历程，作为接收通道相位随时间的变化历程。

图3为本步骤的具体流程，参见图3：

第B1）步，对M个包含内定标信号的雷达回波数据进行脉冲累积，M由如下关系确定：

其中

为给定的内定标信号的相位测量精度指标，是系统指标，单位为弧度；ρ_R为雷达的俯仰方向分辨单元指标，是系统指标；L为雷达观测区域俯仰方向长度，是已知量。

这里对M的取值限制公式是根据实际测量数据与这些参数之间的关系推算出来的，采用该公式限定的M值，可以改善信噪比，减少测量误差，使得精度满足要求。

第B2）步，采用匹配滤波器对包含内定标信号的雷达回波信号进行匹配滤波处理，将内定标信号与雷达回波在图像域分离开；其处理过程如下：

$H\left(f\right)=\exp (-j\frac{\mathrm{\π\τ}}{B}{f}^2)$

D_h=ifft{fft[D]·H(f)}

其中，π为圆周率；f为频率。D为包含内定标信号的雷达回波数据，D_h为匹配滤波处理后的数据；j为虚数单位，fft[·]为快速傅立叶变换，ifft{·}为快速傅立叶反变换，exp(·)为自然指数计算。

第B3）步，对匹配滤波处理后的数据，取内定标信号对应时刻位置累积峰值点的复数据D_f，根据如下关系计算相位：

本步骤在内定标信号所在位置处进行峰值检测，获取内定标信号位置，提取该位置数值并计算相位。由于峰值点信噪比最大，因此采用该位置计算相位可以提高信噪比。在实际计算时，可以先根据延迟线的延迟时间计算内定标信号所在大概位置，在该位置处进行峰值检测，获取内定标信号位置，提取该位置数值并计算相位，这样可以缩小峰值检测的范围，减少运算量。

第B4）步，对所有数据执行上述步骤B1）到B3）即可获得每一个通道的时变相位历程；

即为第n个通道的时变相位历程，t为时间。

步骤c），根据多个通道的相位变化历程计算通道间相位误差，使用通道间相位误差对雷达回波传输相位进行补偿，完成传输误差的校正。

图4为本步骤的具体流程，参见图4：

第C1）步，选择通道x为参考通道，第n个通道与通道x之间的时变相位误差

为：

其中，M为处理时脉冲累积数，PRT为雷达工作时的脉冲重复周期。即为第x个通道的时变相位历程；在上述

的计算公式中，x≠n。

第C2）步，对通道间相位误差作插值处理，得到用于相位误差补偿的相位误差序列

其中

[·]为插值处理，所使用的插值方法包括（但不限于）线性插值、三次样条插值等。

第C3）步，对通道n的雷达数据，依照如下关系完成通道间相位时变误差补偿：

其中D_n(t′)为第n个通道雷达数据，D_n′(t′)为完成通道间误差补偿后的第n个通道雷达数据。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机载干涉SAR基于同步内定标信号的相位测量补偿方法，包括：

步骤a)，采用定标信号源产生内定标信号；通过分路器将内定标信号分为N路，每一路对应雷达的一个接收通道，内定标信号经合路器与天线接收的雷达回波信号合为一路；

其特征在于，该步骤a）中所述内定标信号为相位调制的内定标信号；通过对内定标信号起始时刻的控制，使得同一路的内定标信号和雷达回波信号同步输入至相应接收通道；

步骤b），采用匹配滤波器从每一路接收通道雷达数据中提取内定标信号，从而将内定标信号与雷达回波在图像域分离开；计算内定标信号的相位随时间的变化历程，作为接收通道相位随时间的变化历程；

步骤c），根据多个通道的相位变化历程计算通道间相位误差，使用通道间相位误差对雷达回波传输相位进行补偿，完成传输误差的校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内定标信号为线性调频脉冲信号，其信号带宽为B，与雷达工作带宽相同，脉冲宽度为τ，与雷达发射信号脉冲宽度相同。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤a）产生内定标信号后，进一步通过增益控制对输出的内定标信号功率进行控制，使输入到接收通道的内定标信号功率与雷达回波信号功率满足如下关系：

P_cal≤0.01P_radar

其中P_cal为内定标信号功率，P_radar为雷达回波信号功率。

4.根据权利要求1所述的方法，在步骤a）中，通过光纤延迟线使输入到接收通道的内定标信号与雷达回波信号同步输入到接收通道；且通过光纤延迟线调节内定标信号到达接收通道的时刻T_cal满足如下关系：

T_nearecho≤T_cal≤T_farecho

其中T_nearecho为雷达观测区域最近目标回波到达时间，T_farecho为雷达观测区域最远目标回波到达时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)，针对每一接收通道的数据执行如下子步骤：

B1）对M个包含内定标信号的雷达回波数据进行脉冲累积，M由如下关系确定：

其中

为给定的内定标信号的相位测量精度指标，单位为弧度；ρ_R为雷达的俯仰方向分辨单元指标，L为雷达观测区域俯仰方向长度；

B2）采用匹配滤波器对包含内定标信号的雷达回波信号进行匹配滤波处理，将内定标信号与雷达回波在图像域分离开；

B3）对匹配滤波处理后的数据，取内定标信号对应时刻位置累积峰值点的复数据D_f，计算相位，该相位就是对应时刻接收通道的相位；

B4）对所有数据执行上述步骤B1）到B3）即可获得当前接收通道的时变相位历程。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述c）步，通道间相位误差对雷达回波传输相位进行补偿，包括：

第C1）步，选择通道x为参考通道，第n个通道与通道x之间的时变相位误差

为：

其中，M为处理时脉冲累积数，PRT为雷达工作时的脉冲重复周期，

即为第n个通道的时变相位历程，t为时间；为第x个通道的时变相位历程；在

的计算公式中，x≠n；i取0及正整数；

第C2）步，对通道间时变相位误差作插值处理，得到用于相位误差补偿的相位误差序列

其中

[·]为插值处理，所使用的插值方法包括线性插值、三次样条插值；

第C3）步，对通道n的雷达数据，依照如下关系完成通道间相位时变误差补偿：

其中D_n(t′)为第n个通道雷达数据，D_n′(t′)为完成通道间误差补偿后的第n个通道雷达数据。

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