CN107607950B - 基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于DBF‑TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法，包括：步骤一、建立雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示式；步骤二、建立加权系数ω_n(τ)表达式；步骤三、计算形成波束；步骤四、对步骤三的公式进行傅里叶变换；步骤五、计算频域加权系数；步骤六、计算加权后的信号频域表达式。

Description

基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法

技术领域

本发明涉及星载SAR通信技术，特别涉及基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法。

背景技术

Ka波段SAR具有波长短、穿透性弱、反射强的特点，因此获取的SAR图像纹理及目标细微特征更加清晰；但是其穿透性弱的特点对陆地地表测绘是不利因素。由于海面没有遮挡，且Ka波段反射性强，因此Ka波段InSAR在海面高度测量中优势明显。与传统高度计(如Skylab、Seasat-A、ERS-1/2、Jason-1、TOPEX等)所采用的Ku波段相比，Ka波段电离层衰减延迟低，基本上可以忽略。国外的Saral/AltiKa高度计首次采用Ka波段，但受限于其底视工作模式，观测幅宽非常窄，通常只有公里量级，而采用Ka InSAR系统，可以很好地解决测绘带宽有限的问题。此外，由于波长短，在同样的测高精度要求下，Ka波段干涉SAR与低频采用Ka波段的雷达高度计如段干涉SAR相比所需要的干涉测高基线更短，利于单星实现。因此，Ka波段InSAR已成为目前国际上海面高程测量的一个重要发展方向。

但是，传统的星载条带Ka InSAR幅宽为几十公里量级，如果要实现几百公里的测绘带宽，需要研究新体制Ka波段星载InSAR系统。标准的扫描(SCAN)模式通过周期性地转换天线俯仰波束的方式实现宽测绘带成像，但是具有分辨率低以及存在扇贝效应(scalloping)的缺点，而且由于目标在方位向不能被完整的天线方向图覆盖，如果进行干涉处理将引入额外的相位误差，无法实现高精度的干涉测高。而TOPS(TerrainObservation by Progressive Scans)工作模式采用了Burst工作体制，可以实现SCAN模式的分辨率和宽测绘带能力，TOPS的概念最早由Zan等提出，其与SCAN模式最大的区别是波束在方位向上做从后到前的均匀转动，天线指向的这种改变可以克服scalloping问题，目标在方位向能够遍历完整的天线方向图，避免天线方位图引入的干涉相位误差。目前TOPS模式已应用于欧洲空间局(ESA)新一代星载SAR系统Sentinel-1中的宽幅干涉模式中。

相同幅宽Ka波段相比于低频频段，SAR天线更窄、增益更小。为了解决这一矛盾，可以利用高程向多个子孔径同时接收，但这又带来星载SAR系统数据量超大的问题。近几年来，一种在接收端结合数字波束形成(DBF)的SAR工作体制——DBF-SAR，可以很好地解决这一问题。它能有效地突破最小天线面积限制，获得更低的模糊电平、更高的信噪比和更好的辐射分辨率，减轻了测绘带宽和空间分辨率之间的平衡，同时极大降低系统数据率，进而缓和SAR系统设计的限制。SCORE(Scan-on-Receive)算法是一种基于调整高度向波束模式的方法，即宽测绘带通过使用小的发射天线获得，而在接收端采用了多通道接收天线并利用DBF技术获得一个高增益笔状波束。其显著优点是减小了星上数据下传量，避免了高分辨率和宽测绘带成像带来的大数据量和多通道获取引入的冗余信息，从而降低了对数据下传率的要求。

美国在研的SWOT(Surface Water Ocean Topography)计划，由于接收天线只有单个孔径，因此，其单侧观测刈幅只有60公里。本专利采用基于DBF TOPS的InSAR系统，TOPS扫描拼接子测绘带，DBF-SCORE提高接收天线增益，在获得同等测高精度的前提下可以将测绘带宽提高三倍。

但是，在进行数字波束合成的过程中，由于高程向各子通道均工作在TOPS模式，即在每一组Burst内，距离向各个子接收通道对应的波束指向由后向前变化，使得回波视角不断变化，因此在进行DBF加权时需要考虑波束指向变化对DBF加权合成的影响，现有的基于条带模式的DBF加权算法不再适用。

发明内容

本发明解决的问题是现有的DBF加权算法不适合于TOPS工作模式下的波束形成计算；为解决所述问题，本发明提供基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法。

本发明提供的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法，其特征在于，包括：

步骤一、雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示为：

γ₀表示目标的后向散射系数，G_a(·)表示方位向天线方向图，t和τ分别对应方位慢时间和距离快时间，X表示波束足迹在地面的长度，τ_p表示发射脉冲宽度，k_r表示发射脉冲的调频率，T_b为Burst长度在目标上的驻留时间，v_f为平面模型下波束在地面的移动速度，x为目标的方位向位置，t_n为目标相对于第n个接收通道的回波时延，f₀为发射信号载频。

步骤二、加权系数ω_n(τ)为：

N为通道数，α(τ)为接收波束中心与天线法线的夹角；d₀为相邻接收天线相位中心之间的距离、λ为工作频率。

步骤三、形成波束为：

其中R_n(t)为点目标到接收通道n的斜距。

步骤四、对步骤三的公式进行傅里叶变换得到：

f_r为距离向频率。

步骤五、频域加权系数为：

步骤六、加权后的信号频域表达式为：

R(t)为目标到发射天线中心的斜距。

进一步，所述N取5。

进一步，点目标到接收通道n的斜距为：

α_p为点P的法线偏移角。

本发明的优点包括：

本发明提供了一种基于距离向DBF-SCORE技术和TOPS成像模式的高精度宽测绘带星载Ka波段InSAR波束形成方法，该方法针对二维TOPS回波信号，进行了时域加权系数推导及时域加权后的回波信号的频域表达式的推导，从而得到了频域加权系数，通过频域加权，消除了直接时域加权后信号频谱的变化，避免了DBF处理后TOPS信号的波形展宽和信号畸变。

附图说明

图1是星载DBF-TOPS InSAR系统工作模式示意图；

图2星载TOPSAR的工作几何；

图3是星载DBF-TOPS InSAR系统距离向4通道DBF示意图；

图4是本发明实施例提供的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法中，每个Burst内信号处理流程示意图；

图5为单个距离向接收通道在一个Burst内对应的TOPSAR平面几何模型；

图6是本发明实施例提供的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法中，频域子孔径加权合成方法。图7是对不同脉冲宽度情况下TOPS信号进行DBF合成的效果。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

以DBF包含4个子通道为例，DBF-TOPS InSAR信号处理流程主要包括：(1)DBF加权：对两个天线分别进行距离向4路TOPS子回波的DBF加权，通过加权处理，可以分别获得一路笔状高增益的TOPS回波；(2)TOPS成像处理：对DBF合成的单路TOPS信号进行成像处理，由于后续要进行干涉处理，所以在成像时需要考虑成像算法的保相性，经过成像处理，可以获得两个天线对应的单视复图像；(3)干涉测高：对两个天线获得的复图像进行干涉处理，包括图像配准、干涉相位提取、去平地效应、相位解缠、相位滤波等，最后根据干涉相位反演海面高程信息。由背景技术可知，在各子通道工作在TOPS模式时，现有的DBF加权算法不再适用。未解决所述问题，本发明提供基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法。

图1所示为本发明实施例提供的星载Ka波段DBF-TOPS InSAR系统工作模式示意图，本实施例中采用两个天线跨航向分布并进行双侧观测，通过干涉技术可获得双侧的海面高程信息，从而获得双倍的观测幅宽。同时，为了获得宽测绘带，第一天线1和第二天线2的波束均采用TOPS工作模式，如图2所示；为了提高接收增益，每个天线在高程向采用4个接收通道进行DBF处理，以获得窄的高增益笔状波束，如图3所示，每个接收通道的测绘带宽如图3所示。

为简便，图2以单接收通道为例示意了TOPS工作几何，实际上本发明中所指系统接收天线在高程向具有四个子接收天线，如图3所示。在星载ScanSAR工作模式下，为了能让雷达周期性地工作在各条子测绘带上，一个完整的合成孔径时间被合理分割成若干个时间段并分别分配到各条子测绘带上，各条子测绘带分时分别成像。而在星载TOPSAR模式下，雷达同样需要周期性地工作在各条子测绘带中，但它通过方位向波束主动扫描的方式加快了雷达获取地面信息的速度，为雷达能周期性的工作在多条子测绘带上提供了条件。图2中方位向波束扫描角速度为ω_r，共采用了5个Burst子测绘带。

传统星载SAR条带模式采用单发单收，对于系统工作的每一波位，天线波束指向测绘带中心，收发天线加权函数为常数，这就导致测绘带中心回波增益最大，而位于测绘带边缘的目标增益最小。本发明中星载SAR距离向有4个孔径，相应有4个通道，相邻两个子孔径之间的距离为d，使用中间一个孔径发射宽波束照射宽测绘带区域，接收时各个孔径单独接收回波，通过DBF处理产生窄的高增益笔状波束，最大利用天线的增益。图3示例了距离向DBF模型，因为加权是针对距离向进行的，为简便，本图中忽略方位向慢时间，仅以距离向快时间τ来进行说明。在每一时刻接收波束中心与竖直方向的夹角决定于对回波方向θ(τ)的估计，为先验知识。天线法线与竖直方向夹角为β，接收波束中心与天线法线的夹角α(τ)＝θ(τ)-β。回波时间变量τ和θ(τ)，α(τ)间的关系是一一对应的。

为了简化星载TOPSAR回波信号模型，采用等效平面几何成像模型。图5为单个距离向接收通道在一个Burst内对应的TOPSAR平面几何模型。图中点P表示一个点目标，O表示Burst中心时刻，T_b和T_d分别对应Burst长度和主波束在目标上的驻留时间，v和v_f分别表示在平面模型下雷达平台的有效速度和波束在地面的移动速度。

假设SAR平台的飞行速度为v_s，方位向波束扫描角速度为ω_r，此时随时间变化的方位向双程天线增益可以表示为：

其中：G₀为常数，表示天线增益，L_a为方位向天线孔径长度，r为雷达到目标的最近斜距，v_g表示不考虑方位波束扫描时波束在地面的移动速度。相比于传统的方位向波束指向恒定的条带模式，星载TOPSAR等效方位向天线方向图中引入了一个方位波束扫描因子A：

假设Burst中心时刻波束指向为正侧视，且Burst中心时刻为零时刻，则t时刻对应的斜视角θ_squint为：

θ_squint＝ω_r·t (3)

为简便，以点目标为例进行说明。假设雷达发射的是线性调频(LFM)信号，则对于第n个接收通道，x为目标的方位向位置，t_n为目标相对于第n个接收通道的回波时延。则雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据可以表示为：

式中，γ₀表示目标的后向散射系数，G_a(·)表示方位向天线方向图，t和τ分别对应方位慢时间和距离快时间，X表示波束足迹在地面的长度，τ_p表示发射脉冲宽度，k_r表示发射脉冲的调频率。

假设相邻接收天线相位中心之间的距离为d₀，d_n为第n个接收通道相对天线中心的距离，表示为：

目标P(x,R₀)到发射天线中心的斜距为

目标到第n个接收天线的斜距为R_n(t)，R₀是最短斜距，x是目标的方位向位置。点P的法线偏移角为α_p＝θ_p-β，其中β为阵列法线方向与竖直方向的夹角。

此时，点目标P到接收通道n的斜距R_n(t)为：

则：

根据经典波束形成理论，加权系数ω_n(τ)为：

采用直接时域加权的方式完成DBF，如下式所示：

其中：

由于α(τ)一般很小，因此有近似展开sin(α(τ))≈α(τ)≈α(τ_p)+α(τ_p)'·(τ-τ_p)，则上式可变为：

由于波束具有一定的宽度，当波束宽度较大时，采用直接加权的方式容易产生脉冲延展损失。采用各个子孔径频域分别补偿处理的方式减弱脉冲延展损失的影响，适用于不同脉宽情况下的DBF合成。将上式变换到距离频域得：

Y_n(t,f_r)＝∫y_n(t,τ)·exp(-j2πf_rτ)dτ (12)

利用驻定相位原理(POSP)原理，上述傅里叶变换的最终结果为：

本发明中采用频域子孔径加权的方式，则根据上式可得频域加权系数为：

其中，

加权后的信号频域表达式为：

上述DBF加权处理流程可以用下图6表示。即，首先对各个子通道获得的TOPS回波信号利用ω_n(τ_t)进行时域加权，然后分别进行距离向FFT处理，并对处理后的信号用ω_n(f)进行频域加权，从而获得距离频域、方位时域的加权合成信号。

对不同脉冲宽度的TOPS回波信号进行DBF加权，结果如图7所示。可见，对三种脉宽的TOPS信号，经过上述时域加权系数和频域加权系数的加权后，回波信号的脉冲宽度和旁瓣均一致，消除了主瓣展宽的影响。

按照上述DBF加权方式，每个Burst内均可以得到一路DBF合成后的高增益笔状回波信号。将每个Burst内经DBF处理后得到的一路高增益TOPS回波信号进行成像处理，然后对两个天线相同Burst内获得的复图像进行干涉处理，包括图像配准、复图像共轭相乘、相位提取、去平地效应、相位解缠、相位滤波、高程反演等操作，即可获得所需的海面高程信息，如图4所示，本发明专利中对TOPS成像处理和干涉处理不再详细展开。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法，其特征在于，包括：

步骤一、雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示为：

γ₀表示目标的后向散射系数，G_a(·)表示方位向天线方向图，t和τ分别对应方位慢时间和距离快时间，X表示波束足迹在地面的长度，τ_p表示发射脉冲宽度，k_r表示发射脉冲的调频率，T_b为Burst长度在目标上的驻留时间，v_f为平面模型下波束在地面的移动速度，x为目标的方位向位置，t_n为目标相对于第n个接收通道的回波时延，f₀为发射信号载频；

步骤二、加权系数ω_n(τ)为：

N为通道数，α(τ)为接收波束中心与天线法线的夹角，d₀为相邻接收天线相位中心之间的距离、λ为工作频率；

步骤三、形成波束为：

其中R_n(t)为点目标到接收通道n的斜距，α_p为点P的法线偏移角；

步骤四、对步骤三的公式进行傅里叶变换得到：

f_r为距离向频率，c为光速；

步骤五、频域加权系数为：

步骤六、加权后的信号频域表达式为：

R(t)为目标到发射天线中心的斜距。

2.依据权利要求1所述的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法，其特征在于，所述N取5。

3.依据权利要求1所述的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法，其特征在于，点目标到接收通道n的斜距为：

α_p为点P的法线偏移角，β为天线法线与竖直方向夹角。

Images