CN107741586B - 基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于DBF‑TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法，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、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、加权系数与基带回波数据表示式相乘得到形成波束表达式；步骤四、对步骤三的公式进行傅里叶变换；步骤五、傅里叶变换后的表达式的频域加权系数为：步骤六、计算加权后的信号频域表达式；步骤七、对加权后的频域信号先进行距离向IFFF，再进行保相性成像处理。

Description

基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法

技术领域

本发明涉及星载Ka InSAR信号处理方法，特别涉及基于DBF-TOPS加权的星载KaInSAR信号处理方法。

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。此外，在Ka波段情况下，由于波长短，干涉测高精度对相位误差更敏感，相位误差对干涉测高精度的影响更严重，因此在进行干涉SAR系统成像处理时，需要考虑成像算法的保相性。经典的RD、CS、ωk算法都具有相位保持的特点，但是星载TOPS模式下由于波束扫描使得场景方位频谱发生混叠，同时本系统中TOPS回波信号是通过对距离向多个子接收通道信号进行DBF加权得到的，因此不能直接使用上述保相算法，需要针对DBF-TOPS模式研究能够解决频谱混叠问题的保相成像算法。

发明内容

本发明解决的问题是需要针对DBF-TOPS模式，提供能够解决频谱混叠问题的信号处理方法；为解决所述问题，本发明提供基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法。

本发明提供的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法，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；

步骤七、对加权后的频域信号先进行距离向IFFF，再进行保相性成像处理。

进一步，所述距离向IFFF后信号形式为：

进一步，所述保相性成像处理包括：

步骤7.1、利用去斜操作进行方位向预滤波处理，包括：

步骤7.1.1、对距离向IFFF后信号乘以线性调频信号，所述线性调频信号为

r_f表示参考斜距，f_sdc表示场景中心目标多普勒中心频率；

步骤7.1.2、进行方位向FFT之后，乘以传递函数

i＝-P/2,...,P/2-1；其中Δt”表示方位向输出采样间隔，P表示方位输出采样间隔为Δt”时的方位采样点数；

步骤7.2、采用RD成像算法进行二维压缩，包括：

步骤7.2.1、采用距离向匹配滤波器

进行距离压缩，K k_r为距离向调频率；

步骤7.2.2、通过在距离多普勒域中进行距离插值运算，完成距离徙动校正；

步骤7.2.3、通过方位匹配滤波器进行方位聚焦，方位匹配滤波器为：

f_a为方位向频率，K_a为方位向调频率；

步骤7.3、进行方位向后滤波处理，包括：

步骤7.3.1、将方位聚焦后的输出乘以线性调频信号G₁，

为参考信号的调频率；再进行方位向IFFT；

步骤7.3.2、乘以传递函数

i＝-P/2,...,P/2-1，Δt”表示方位向输出采样间隔，P表示方位输出采样间隔为Δt”时的方位采样点数；经方位向IFFT后得到聚焦的TOPSAR图像；

步骤7.3.3、将所述TOPSAR图像乘以

进行相位补偿。

本发明的优点包括：首先，通过推导TOPS回波的DBF-SCORE加权系数，给出了对距离向多通道TOPS回波信号先进行时域加权再进行分孔径频域加权的DBF-SCORE算法，通过频域加权消除了由于时域直接加权导致的主瓣展宽现象。其次，针对DBF合成后的TOPS回波信号提出了三步式成像算法，通过第一步去斜操作解决了多普勒频谱混叠问题，使信号可以利用具有保相性的RD算法进行成像处理，即第二歩处理；通过第三步的方位向后处理解决TOPS图像的方位混叠问题。通过对两副天线分别进行上述处理，得到可用于InSAR处理的单视复图像。

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，保相性成像处理流程示意图。

图8(a)、(b)、(c)分别为DBF-TOPS模式下不同位置的三个点目标的成像结果。

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个通道为例进行阐述。DBF-TOPS InSAR信号处理流程主要包括三部分的处理过程：(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，由于DBF-TOPS回波信号是通过对距离向多个子接收通道信号进行DBF加权得到的，因此不能直接使用现有保相算法，需要针对DBF-TOPS模式研究能够解决频谱混叠问题的保相成像算法。基于此，本发明提供基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法，以解决频谱混叠问题。

星载Ka波段DBF-TOPS InSAR系统工作模式如图1所示，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个通道进行DBF处理，以获得窄的高增益笔状波束，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TOPSAR模式下，雷达周期性地工作在各条子测绘带中，通过方位向波束主动扫描的方式加快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，发射天线与接收天线为同一中心，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，采用等效平面成像几何模型。图5为单个距离向接收通道、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。

至此，得到了经过DBF加权后的TOPS回波信号。下面将对DBF合成的TOPS回波信号进行保相性成像处理。

星载TOPS模式下方位波束的扫描虽然等效压缩了目标多普勒带宽，但是场景的多普勒带宽却大大增加，甚至远大于系统的PRF，从而造成了场景的多普勒频谱混叠，因此需要采用包含了解频谱混叠的成像算法。同时，在星载TOPSAR模式下，由于方位波束的扫描使得目标的多普勒中心随目标的方位位置发生线性变化，该线性变化的频率中心也需要进行补偿。鉴于此，本发明采用了三步式成像算法：第一步为基于去斜操作的方位预滤波处理，解决方位向频谱混叠的问题；第二步采用具有保相性的RD成像算法完成距离和方位压缩；第三步为在算法最后增加一个方位向滤波过程来解决方位输出混叠问题。具体算法流程如图7所示。

由于DBF加权后的信号为距离频域，因此在进行解斜操作前需要首先将DBF合成后的信号进行距离向IFFT。经过距离向IFFT后的信号形式为：

第一步：利用去斜操作进行方位向预滤波处理，解决多普勒频谱混叠的问题。

在聚束模式下，选取的参考信号的调频率与参考斜距处的回波信号方位调频率相同。而在TOPSAR模式下，这里选取参考信号有所不同。假设选取的线性调频信号可以表示为：

其中，r_f表示参考斜距，f_sdc表示场景中心目标多普勒中心频率。式中的第二项主要是用来移除场景的多普勒中心，从而避免方位向卷积操作引起的多普勒混叠。

进行方位向FFT之后，乘以以下传递函数：

其中Δt”表示方位向输出采样间隔，P表示方位输出采样间隔为Δt”时的方位采样点数。

第二步，采用RD成像算法进行二维压缩。

RD算法主要包括距离压缩、距离徙动校正和方位压缩三个主要步骤。其中距离压缩可以通过距离向FFT、距离向匹配滤波、距离向IFFT实现。其中，距离向匹配滤波器为：

在RD算法中，通过在距离多普勒域中进行距离插值运算，完成距离徙动校正，通过距离徙动校正可以准确地校正距离多普勒域中随距离变化的RCM。

RCMC后，即可通过匹配滤波器进行数据的方位聚焦。方位匹配滤波器为：

第三步，采用方位向后滤波处理，解决方位输出混叠。

由于星载TOPSAR模式的方位输出时间要大于Burst信号长度，同时在方位向预处理过程中Burst信号长度得到了进一步的压缩。因此经过上述处理之后只可以得到在方位向混叠的TOPSAR图像，需要继续进行方位向后滤波处理。与方位向预处理类似，这里选择线性调频信号G₁为：

式中

为参考信号的调频率。

传递函数G₂可表示为：

式中Δf_a”表示多普勒采样间隔，

最后经过方位向IFFT后得到最终聚焦的TOPSAR图像。为了保持算法的保相性，需要进一步进行相位补偿：

至此可以得到聚焦良好的成像结果。下图8给出了TOPS模式下三个位于不同位置的点目标经DBF加权和本文所提的三步式成像后的结果。可见三个位于不同位置、具有不同斜视角的目标成像结果经插值后均达到了理想的压缩效果。

对两副天线的每个子测绘带都进行DBF加权和三步式成像处理，可以获得两个天线各个子测绘带的成像结果。对两个天线对应子测绘带的成像结果进行干涉处理，即可得到各个子测绘带的高程信息。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，本发明专利中不再详细展开。

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信号处理方法，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，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；

步骤七、对加权后的频域信号先进行距离向IFFT，再进行保相性成像处理。

2.依据权利要求1所述的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法，其特征在于，所述距离向IFFT后信号形式为：

3.依据权利要求2所述的基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法，其特征在于，所述保相性成像处理包括：

步骤7.1、利用去斜操作进行方位向预滤波处理，包括：

步骤7.1.1、对距离向IFFT后信号乘以线性调频信号，所述线性调频信号为

r_f表示参考斜距，f_sdc表示场景中心目标多普勒中心频率；

步骤7.1.2、进行方位向FFT之后，乘以传递函数

其中Δt”表示方位向输出采样间隔，P表示方位输出采样间隔为Δt”时的方位采样点数；

步骤7.2、采用RD成像算法进行二维压缩，包括：

步骤7.2.1、采用距离向匹配滤波器

进行距离压缩，k_r为距离向调频率；

步骤7.2.2、通过在距离多普勒域中进行距离插值运算，完成距离徙动校正；

步骤7.2.3、通过方位匹配滤波器进行方位聚焦，方位匹配滤波器为：

f_a为方位向频率，K_a为多普勒调频率；

步骤7.3、进行方位向后滤波处理，包括：

步骤7.3.1、将方位聚焦后的输出乘以线性调频信号G₁，

为参考信号的调频率；再进行方位向IFFT；

步骤7.3.2、乘以传递函数

Δt”表示方位向输出采样间隔，P表示方位输出采样间隔为Δt”时的方位采样点数；经方位向IFFT后得到聚焦的TOPSAR图像；

步骤7.3.3、将所述TOPSAR图像乘以G₃(t)＝exp[jπk_d(t-t_mid)²]进行相位补偿。

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