CN103217669A - 一种基于子距离像偏移差的星载sar电离层定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法，消除非理想矩形包络的影响的同时消除采样率的限制，提高电离层TEC测量精度的鲁棒性。第一步：利用低通滤波器和高通滤波器将强散射点目标信号或者有源定标器信号分解为两个上下子带脉冲信号；第二步：将上下子带脉冲信号距离压缩；第三步：将上下子距离像包络进行互相关，得到归一化互相关能量谱；第四步：提取第三步中归一化互相关能量谱的相位谱，通过估计相位随频率f变化的斜率，得到Δt_shift的估计值，进而得到电离层TEC的估计值；电离层产生的子距离像偏移差在亚像素量级，即Δt_shift＜1/f_s，其中f_s表示雷达采样率，则归一化互相关能量谱不会产生相位缠绕。

Description

一种基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法

技术领域

本发明是一种基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法，涉及合成孔径雷达（SAR）信号处理领域，具体涉及星载合成孔径雷达电离层定标领域。 

背景技术

电离层是地球大气层中处于部分电离状态的区域，从离地面约50km开始一直延伸到约1000km。星载SAR工作在500km到800km的卫星轨道高度上，星载SAR信号两次穿越电离层，不可避免会产生幅度和相位畸变。其中，电离层群延迟效应造成SAR图像距离偏移、电离层色散效应造成SAR图像距离分辨率下降、电离层波动则导致SAR图像方位分辨率恶化。此外，上述三种影响都会破坏SAR图像相位保持特性，影响干涉SAR应用。星载SAR工作频率越低，电离层影响越严重。一般而言，工作在2GHz以下的星载SAR系统（如L波段的TanDEM系统和PALSAR系统；P波段的BIOMASS系统等）都需要对电离层进行定标和补偿。 

星载SAR电离层定标技术可以分为两类：第一类是基于其它信号体制的电离层测量方案，第二类是基于SAR信号体制的电离层估计方案。第一类电离层定标技术通常依附于一个庞大的电离层测量站网（如GPS系统），服务对象和目的并不是星载SAR，电离层测量精度、时空分辨率、时效性等方面都难以兼顾实际的星载SAR电离层定标需要。第二类电离层定标技术利用电离层TEC对SAR回波信号影响的数学模型[A.Ishimaru,Y.Kuga,and J.Liu,Ionospheric Effects on SAR at 100 MHz to 2 GHz.Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceeding,1998,475～477.]，通过分析星载SAR回波数据或者定标数据实现电离层TEC估计，这种方案操作性更强、可控性更高，是一种更符合星载SAR电离层实际定标需求的方案。 

其中电离层TEC对SAR脉冲信号时间宽度影响的数学模型受到较多关注。已知信号载频f_c，信号带宽B_r，可以建立脉冲时间宽度变化量ΔT和电离层TEC之间的线性对应关系，即  $\mathrm{\ΔT}=\frac{80.6\mathrm{TEC}}{c}[{(f_c-\frac{B_r}{2})}^{-2}-{(f_c+\frac{B_r}{2})}^{-2}]$

如果SAR图像中存在强散射点目标，则可以通过比较雷达发射信号初始时间宽度和强点目标回波信号的时间宽度，得到ΔT估计值，从而反演出电离层TEC[翟文帅,张云华,P波段星载SAR电离层对成像的影响及校正方法.测试技术学报,2008,459～464.]。对于星载SAR定标场数据，则可以通过比较SAR内定标信号时间宽度和有源定标器接收信号的时间宽度， 得到ΔT2估计值，从而反演出电离层TEC[李亮,洪峻,明峰,梁维斌,一种基于有源定标器的电离层对星载SAR定标影响校正方法.电子与信息学报,2012,1096～1101.]。 

因此，目前的基于发射信号和接收信号脉冲时间宽度比较的星载SAR电离层定标方案存在以下缺点： 

1）星载SAR难以生成理想矩形包络的脉冲信号，即时域包络存在上升沿和下降沿，这是脉冲时间宽度测量方案的固有困难。 

2）星载SAR和有源定标器记录的是数字信号，脉冲时间宽度的测量精度受到设备采样率的限制。采样率越高，时间宽度的测量精度越高，电离层TEC估计精度也越高。对于基于强散射点目标的技术方案，测量精度取决于雷达A/D模块采样率；对于基于有源定标器的技术方案，测量精度同时取决于雷达A/D模块采样率和有源定标器接收模块采样率。 

3）受噪声影响，星载SAR信号时间包络会发生一定程度的退化。对于基于强散射点目标的技术方案，地面其它点目标回波是影响测量精度的主要原因；对于基于有源定标器的技术方案，雷达系统噪声、天线幅频特性、有源定标器噪声都是影响测量精度的因素。 

综上，基于发射信号和接收信号脉冲时间宽度比较的星载SAR电离层定标对星载SAR雷达性能要求很高、误差源也较多，其实用性仍有待提高。 

发明内容

本发明的目的在于建立了上下子带脉冲信号群延迟之差与电离层TEC之间的数学模型，消除了信噪比、非理想矩形包络、以及设备采样率的限制，提高电离层TEC测量精度的鲁棒性。 

本发明提供了一种基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法，包括以下步骤： 

第一步：利用低通滤波器和高通滤波器将强散射点目标信号或者有源定标器信号（以下简称脉冲信号）分解为两个上下子带脉冲信号，低频信号带宽降低一倍、载频变为f_c-B_r4；高频信号带宽也降低一倍、载频变为f_c+B_r4；其中f_c为信号载频，B_r为信号带宽； 

第二步：将上下子带脉冲信号距离压缩；低频子距离像包络产生电离层群延迟 

高频子距离像包络产生电离层群延迟

第三步：将上下子距离像包络进行互相关，得到归一化互相关能量谱；令高频子距离像包络s_high(t)、幅度谱S_high(f)，则低频子距离像包络s_low(t)=s_high(t-Δt_shift)、幅度谱 S_low(f)=S_high(f)exp{-j2πfΔt_shift}；其中t表示脉冲信号时间，Δt_shift＝Δt_low-Δt_high表示子距离像相对偏移差；则归一化互相关能量谱即为： 

$Q_{\mathrm{norm}}\left(f\right)=\frac{S_{\mathrm{low}}^{*}\left(f\right)S_{\mathrm{high}}\left(f\right)}{\left|S_{\mathrm{low}}^{*}\left(f\right)S_{\mathrm{high}}\left(f\right)\right|}=\exp \{-j2\mathrm{\πf\Δ}{t}_{\mathrm{shift}}\}$

第四步：提取第三步中归一化互相关能量谱的相位谱，通过估计相位随频率f变化的斜率，得到Δt_shift的估计值，进而根据第二步中的公式  ${\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{shift}}={\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{low}}-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{high}}=\frac{80.6\mathrm{TEC}\×f_c{B}_r}{c{(f_c-B_r/4)}^2{(f_c+B_r/4)}^2}>0$ 得到电离层TEC的估计值；电离层产生的子距离像偏移差在亚像素量级，即Δt_shift＜1f_s，其中f_s表示雷达采样率，则归一化互相关能量谱不会产生相位缠绕。 

上述第三步和第四步中采用时域升采样方法代替互相关方法，即利用时域升采样方法得到子距离像相对偏移差。 

本发明的有益效果： 

1）从信号域转换到图像域（即距离压缩）进行处理，通过距离压缩大幅提高了信噪比，显著减轻了系统噪声和地杂波的影响。 

2）从测量脉冲时间宽度转换到测量距离像位置，由于距离像位置只依赖信号的频率特性，消除了非理想矩形包络的影响。 

3）通过互相关原理测量子距离像偏移差，不受硬件采样率的限制。 

附图说明

图1一种基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法原理图。 

具体实施方式

下面结合仿真数据的处理实例验证本发明的优点。 

本实施例以L波段星载SAR为例（载频1.25GHz，LFM信号时间宽度30μs、带宽60MHz，距离像分辨率2.5m）。 

表1比较了TEC=20TECU时，现有技术和本发明的电离层TEC测量精度与信杂噪比的关系，此时采样率取400MHz。表2比较了TEC=20TECU时，现有技术和本发明的电离层TEC测量精度与采样率的关系，此时信杂噪比取-40dB。现有技术电离层TEC测量精度严重依赖于信杂噪比和采样率。而本发明通过距离压缩使信号能量得到提升、同时使杂波和噪声能量得到抑制，电离层TEC测量精度在不同信杂噪比条件下表现稳健。此外，本发明从子距离像互相关谱相位斜率的角度估计电离层TEC，估计精度基本不依赖于采样率。 

表1TEC=20TECU时，电离层测量精度与信杂噪比的关系 

表2TEC=20TECU时，电离层测量精度与采样率的关系 

Claims (2)

1.一种基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：利用低通滤波器和高通滤波器将强散射点目标信号或者有源定标器信号，以下简称脉冲信号，分解为两个上下子带脉冲信号，低频信号带宽降低一倍、载频变为f_c-B_r4；高频信号带宽也降低一倍、载频变为f_c+B_r4；其中f_c为信号载频，B_r为信号带宽；

第二步：将上下子带脉冲信号距离压缩；低频子距离像包络产生电离层群延迟高频子距离像包络产生电离层群延迟其中TEC为电离层电子总含量；

第三步：将上下子距离像包络进行互相关，得到归一化互相关能量谱；令高频子距离像包络s_high(t)、幅度谱S_high(f)，则低频子距离像包络s_low(t)＝s_high(t-Δt_shift)、幅度谱S_low(f)＝S_high(f)exp{-j2πfΔt_shift}；其中t表示脉冲信号时间，Δt_shift＝Δt_low-Δt_high表示子距离像相对偏移差；则归一化互相关能量谱即为：

$Q_{\mathrm{norm}}\left(f\right)=\frac{S_{\mathrm{low}}^{*}\left(f\right)S_{\mathrm{high}}\left(f\right)}{\left|S_{\mathrm{low}}^{*}\left(f\right)S_{\mathrm{high}}\left(f\right)\right|}=\exp \{-j2\mathrm{\πf\Δ}{t}_{\mathrm{shift}}\}$

第四步：提取第三步中归一化互相关能量谱的相位谱，通过估计相位随频率f变化的斜率，得到Δt_shift的估计值，进而根据第二步中的公式 ${\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{shift}}={\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{low}}-{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{high}}=\frac{80.6\mathrm{TEC}\×f_c{B}_r}{c{(f_c-B_r/4)}^2{(f_c+B_r/4)}^2}>0$ 得到电离层TEC的估计值；电离层产生的子距离像偏移差在亚像素量级，即Δt_shift＜1f_s，其中f_s表示雷达采样率，则归一化互相关能量谱不会产生相位缠绕。

2.如权利要求1所述的一种基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法，其特征在于，上述第三步和第四步中采用时域升采样方法代替互相关方法，即利用时域升采样方法得到子距离像相对偏移差。