CN108983186A - 一种星载干涉成像高度计prf实时调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，所述方法包括：步骤1)高度计在均匀PRF工作模式下，通过调整搜索值和搜索方向对目标回波进行搜索，再通过回波重心跟踪得到当前目标回波时延；步骤2)高度计转入脉冲簇工作模式，由当前目标回波时延计算初始PRF的值，并通过回波重心跟踪进行PRF的实时调整。本发明的方法能够实现快速捕获目标回波和快速调整PRF，具有鲁棒性好，适应卫星平台大范围的轨道变化的优点；本发明的方法对高度计观测目标的适应性广泛，无论是观测陆地还是观测海洋本方法都适用，并且在海陆交界处可实现无缝衔接观测。

Description

一种星载干涉成像高度计PRF实时调整方法

技术领域

本发明涉及星载雷达高度计系统设计领域，特别涉及一种星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，可实现脉冲重复频率(Pulse Repeat Frequency，PRF)的星上实时调整。

背景技术

星载雷达高度计是一种非常重要的海洋微波遥感器，可以精确测量全球平均海面高，测量精度达到厘米级。脉冲重复频率是高度计一个重要的工作参数，是系统参数设计的首要考虑。传统的星载雷达高度计观测刈幅较窄，PRF通常为较低的固定值，不需要星上实时改变。以天宫2号搭载的干涉成像高度计为代表的新一代雷达高度计，采用短基线小角度干涉测量技术和新型高度跟踪技术实现宽刈幅观测，从而提高对海洋的观测效率；采用高PRF发射脉冲以实现方位向合成孔径，从而提高方位向分辨率。在这种情况下，如果PRF设为固定值，那么随着卫星平台的轨道高度变化以及地球表面海陆高度变化，高度计的发射信号和接收信号非常容易互相冲突，无法正常工作。所以PRF的实时调整非常重要，可以避免收发冲突、实现收发隔离，保证高度计顺利接收来自观测目标的回波。

干涉成像高度计可能有两种工作模式：均匀PRF工作模式和脉冲簇工作模式。一般来说，均匀PRF工作模式的PRF较低，两个发射脉冲之间的间隔较长，可以适应一定的轨道高度变化，只需要调整采样时延来接收回波。脉冲簇工作模式是主要的工作模式，在这种模式下，以较高的PRF发射若干个脉冲作为一个脉冲簇，过一段时间再发射下一个脉冲簇，每个脉冲簇内的相邻发射脉冲的间隔很短，采样时延的调整余量非常有限，因此PRF需要实时调整改变，每个脉冲簇的PRF都需要重新计算。

发明内容

本发明的目的是克服星载干涉成像高度计在脉冲簇工作模式下采用固定PRF参数时存在的缺陷，提供了一种基于回波搜索和回波重心跟踪的PRF实时调整方法，能够实现脉冲簇工作模式下PRF的星上实时调整。

为了实现上述目的，本发明提出了一种星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，所述方法包括：

步骤1)高度计在均匀PRF工作模式下，通过调整搜索值和搜索方向对目标回波进行搜索，再通过回波重心跟踪得到当前目标回波时延；

步骤2)高度计转入脉冲簇工作模式，由当前目标回波时延计算初始PRF的值，并通过回波重心跟踪进行PRF的实时调整。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)高度计进入均匀PRF工作模式，设置脉冲重复频率f₁、计算搜索值T、设置记录值T₀、采样间隔脉冲数m₁和采样时延T_g，并将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向；

步骤1-2)高度计以频率f₁发射脉冲，然后根据当前的采样间隔脉冲数和采样时延进行回波采样，并计算回波等效幅度A：

其中，x_i为第i个采样点幅值，N为总采样点个数；

步骤1-3)判断回波幅度A是否大于阈值，如果为是，进入步骤1-4)，否则，转入步骤1-5)；

步骤1-4)更新当前状态和记录值T₀，通过计算回波重心位置来跟踪回波；

步骤1-5)通过调整搜索值T和搜索方向对目标回波进行搜索；

步骤1-6)根据搜索值T计算下一个回波的采样时延T_g：

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-1)具体包括：

步骤1-1-1)所述高度计进入均匀PRF工作模式，读取卫星平台参数，得到当前轨道高度H；根据轨道高度H从数据库中选择对应的脉冲重复频率f₁；

步骤1-1-2)计算搜索值T＝2H/c，其中c为光速，将记录值T₀置为当前T的值；

步骤1-1-3)计算采样间隔脉冲数m₁和采样时延T_g：

m₁＝[(T-T_p)×f₁]

其中，T_p为发射脉冲宽度，[]表示向下取整；

步骤1-1-4)将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-4)具体包括：

步骤1-4-1)当前状态置为有回波，将记录值T₀设置为搜索值T，计算回波重心位置G：

步骤1-4-2)判断回波重心位置G与最佳位置G₀之差是否大于预设误差值，如果为是，进入步骤1-4-3)；否则，转到步骤1-6)；

步骤1-4-3)按照回波重心位置G与最佳位置G₀之差调整搜索值T，调整量为dt×(G-G₀)，其中，dt为采样间隔；

步骤1-4-4)判断当前搜索值T是否超出边界，如果为是，将搜索值置为边界值，转到步骤1-6)；若为否，直接转到步骤1-6)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-5)具体包括：

步骤1-5-1)判断当前状态是否为有回波，如果为是，将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向，将搜索值T置为当前记录值T₀，转入步骤1-6)；否则，进入步骤1-5-2)；

步骤1-5-2)按照当前搜索方向和预设的搜索步长调整搜索值T；

步骤1-5-3)判断搜索值是否达到最大搜索范围或搜索值超出边界；若为是，进入步骤1-5-4)；若为否，转入步骤1-6)；

步骤1-5-4)判断当前搜索方向是否为前向，若为是，进入步骤1-5-5)；若为否，返回步骤1-1)；

步骤1-5-5)将搜索方向置为后向，搜索值T置为当前记录值T₀，进入步骤1-6)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)高度计进入脉冲簇工作模式；

步骤2-2)根据当前搜索值T计算采样间隔脉冲数m₂和PRF的值f₂：

m₂＝[(T-t₀-T_p)×F₀]

其中，[]表示向下取整，m₂表示脉冲簇工作模式下的采样间隔脉冲数目，F₀表示PRF的设计上限值，t₀表示预设的收发间隔时间量，F₀与t₀都是固定值；

步骤2-3)高度计以频率f₂发射一个脉冲簇，根据当前的采样间隔脉冲数进行回波采样，计算此脉冲簇的第一个脉冲的回波等效幅度；

步骤2-4)判断回波等效幅度是否大于阈值，若为是，进入步骤2-5)；否则，返回步骤1)；

步骤2-5)计算回波重心位置G；然后判断回波重心位置G与最佳位置G₀之差是否大于预设误差值，若为是，进入步骤2-6)；若为否，转回步骤2-3)；

步骤2-6)按照回波重心位置G与最佳位置G₀之差调整搜索值T，调整量为dt×(G-G₀)，其中，dt为采样间隔；然后转到步骤2-3)，对PRF的值f₂进行实时调整，直至高度计结束脉冲簇工作模式。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法鲁棒性好，可以适应卫星平台大范围的轨道变化；

2、本发明的方法对高度计观测目标的适应性广泛，无论是观测陆地还是观测海洋本方法都适用，并且在海陆交界处可实现无缝衔接观测；

3、本发明的方法对于有高PRF要求的高度计依然适用；

4、本发明的方法能够实现快速捕获目标回波和快速调整PRF。

附图说明

图1为本发明的星载干涉成像高度计PRF实时调整方法的流程图；

图2为本发明的均匀PRF工作模式下回波搜索跟踪的流程图；

图3为天宫二号干涉成像高度计某次观测时的轨道高度变化图；

图4为本发明的方法执行过程中搜索值随时间的变化值；

图5为本发明的方法执行过程中回波重心位置随时间的变化值；

图6为本发明的方法执行过程中PRF随时间的变化值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，具体为：

步骤1)在均匀PRF工作模式下进行回波搜索和跟踪；

因为回波搜索的过程适合在均匀PRF工作模式下完成，所以首先要执行均匀PRF工作模式，搜索到回波之后再进入脉冲簇工作模式。

如图2所示，所述步骤1)具体包括：

s1.进入均匀PRF工作模式。

s2.读取卫星平台参数，得到当前轨道高度，记为H。

若平台参数包里不包括当前轨道高度，可以根据地心距、星下点经纬度等参数计算当前轨道高度。这一步得到的轨道高度值精度较差，用它计算出来的回波时延作为搜索起始值。

s3.根据H选择合适的PRF值，计算搜索值T并记录这个值，计算采样间隔脉冲数m₁和采样时延T_g。

备选的PRF值是提前设计好存储在高度计控制单元里的，可以有几个备选值，每个备选值可适应几十公里至上百公里的轨道变化。选定了PRF值，其对应的搜索边界值也随之选定。如果卫星轨道是确定的，高度计不需要适应变轨工作，那么均匀PRF工作模式的PRF值也可以采用一个提前设计好的固定值，不再选择。

搜索值是在搜索、跟踪回波的过程中一直在变化的一个变量，用T表示，T的起始值赋为T＝2*H/c，其中c为光速。另设变量T₀记录此时的搜索值T，即令T₀＝T。

采样间隔脉冲数的意思是发射多少个脉冲之后才会收到第一个脉冲的回波，用m₁表示。采样时延的意思是在一个周期内，回波采样窗的位置比发射脉冲延迟多少时间，用T_g表示，这两个变量的计算方法如下：

m₁＝[(T-T_p)×PRF]

其中T_p为发射脉冲宽度，[]表示向下取整。

s4.初始化2个变量：当前状态S、搜索方向D。

当前状态分为有回波和无回波两种状态，分别用1和0表示。搜索方向分为前向和后向两种，分别用1和-1表示。将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向，即令S＝0，D＝1。

s5.高度计以当前PRF发射脉冲，根据当前的采样间隔脉冲数和采样时延进行采样，并计算回波等效幅度A。A的计算方法如下：

其中x_i为第i个采样点幅值，N为总采样点个数。

s6.执行判断：回波等效幅度是否大于阈值。若为是，执行下一步；若为否，跳到步骤s14。

这里的阈值用来区分采样得到的是噪声还是地球表面真实回波。噪声幅度一般远小于真实回波幅度，若等效幅度大于阈值，则说明采样得到的是真实回波。阈值可设为相同AGC下的空采样的幅度的2～3倍。或者也可以通过星地通讯指令注入。

s7.当前状态置为有回波，即令S＝1。

s8.记录当前搜索值，即令T₀＝T。

s9.计算回波重心位置G，计算方法如下：

s10.执行判断：回波重心位置G与最佳位置G₀之差是否大于预设误差值e₀，即是否abs(G-G₀)>e₀。若为是，执行下一步，继续调整采样窗位置；若为否，跳到步骤s20，这意味着此时采样窗位置是最合适的。

这里的G₀和e₀都是预置好的常量，若无把握预置合适的值，也可以通过星地通讯指令注入改变。

s11.按照回波重心位置G与最佳位置G₀之差调整搜索值T，调整量为dt×(G-G₀)，其中dt为采样间隔。

s12.执行判断：搜索值是否超出边界。若为是，执行下一步；若为否，跳到步骤s20。

s13.将搜索值置为边界值，跳到步骤s20。

s14.执行判断：当前状态是否为有回波，即S是否为1。若为是，执行下一步；若为否，跳到步骤s16。

s15.将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向，搜索值置为记录值，即令S＝0，D＝1，T＝T₀。跳到步骤s20。

s16.按照当前搜索方向D和预设的搜索步长T_s调整搜索值T，调整量为D×T_s。

s17.执行判断：是否达到搜索范围或搜索值超出边界。若为是，执行下一步；若为否，跳到步骤s20。

搜索范围记为T_r，是预置好的常量，若无把握预置合适的值，也可以通过星地通讯指令注入改变。搜索边界分为左边界和右边界，分别用T_b1和T_b2表示，它的值与轨道高度和PRF有关，是使得回波采样窗与发射脉冲在时序上不冲突的T能达到的最大范围。

这一步的判断可用不等式表示为：是否有abs(T-T₀)>＝T_r或T<T_b1或T>T_b2。

s18.执行判断：当前搜索方向是否为前向，即D是否为1。若为是，执行下一步，向反方向搜索回波；若为否，返回步骤s1，这意味着向两个方向都搜索完成但未找到回波，需要重新开始工作模式，重新执行搜索过程。

s19.将搜索方向置为后向，搜索值置为记录值，即令D＝-1，T＝T₀。

s20.根据搜索值计算采样时延T_g。

步骤2)基于步骤1)的回波搜索和跟踪，进入脉冲簇工作模式对PRF进行调整；

具体包括：

s21.执行判断：是否满足进入脉冲簇工作模式的条件。若为是，执行下一步；若为否，返回步骤s5。进入脉冲簇工作模式的条件为：当前状态为有回波、并且回波重心位置与最佳位置之差小于预设误差值。当满足此条件时，搜索值就等于当前目标回波时延。

s22.进入脉冲簇工作模式。

s23.根据当前搜索值T计算采样间隔脉冲数和PRF，脉冲簇工作模式下的采样间隔脉冲数用m₂表示，计算方法如下：

m₂＝[(T-t₀-T_p)×F₀]

其中[]表示向下取整，T_p如前文所示代表发射脉冲宽度，F₀表示PRF的设计上限值，这个上限值受脉冲宽度、采样窗宽度、系统功耗等各种限制，是一个确定值。t₀表示预设的收发间隔时间量，意思为在发射脉冲结束后再过t₀时间开始采样窗，t₀是一个固定值。这样，在脉冲簇工作模式中，不再需要采样时延这个参数。

s24.高度计以当前PRF发射一个脉冲簇，根据当前的采样间隔脉冲数进行回波采样，计算此脉冲簇的第一个脉冲的回波等效幅度A。计算方法与步骤s5相同

s25.执行判断：回波等效幅度是否大于阈值。若为是，执行下一步；若为否，返回步骤s1，此时回波丢失，需要回到均匀PRF工作模式重新搜索回波。

s26.计算回波重心位置G，计算方法与步骤s9相同。

s27.执行判断：回波重心位置G与最佳位置G₀之差是否大于预设误差值e₀，即是否abs(G-G₀)>e₀。若为是，执行下一步，调整搜索值T进而调整PRF；若为否，回到步骤s24，这意味着此时PRF是最合适的。

s28.按照回波重心位置G与最佳位置G₀之差调整搜索值T，计算方法与步骤s9相同。回到步骤s23。

本发明的有效性可以通过天宫二号搭载的干涉成像高度计来验证。2016年9月15日，干涉成像高度计随着天宫二号顺利搭载升空，它是国际上第一个实现宽刈幅高精度三维海洋观测的星载雷达高度计。目前已在轨运行接近两年，状态良好。干涉成像高度计的回波采样窗宽度为50μs，同时为了合成孔径的需要，簇内PRF必须大于15000，这意味着两个发射脉冲的间隔小于66.6μs，减掉发射脉冲时宽8μs后，用于接收回波的时宽小于58.6μs，相对于50μs的采样窗，采样时延的调整余量非常有限，这就说明了PRF实时调整改变的必要性。本发明的方法通过DSP实现，集成在中央控制系统中，其成功应用保证了目标回波的顺利接收。

以天宫二号干涉成像高度计2016年12月9日对太平洋某处海域的观测为例，图3为本次观测中轨道高度变化，在5分钟时间内，轨道高度已增加1000米。图4给出了本发明的方法执行过程中搜索值T随时间的变化值；图5给出了本发明的方法执行过程中回波重心位置G随时间的变化值；图6给出了本发明的方法执行过程中脉冲簇工作模式下的PRF随时间的变化值。在这次观测中，前1.26秒高度计工作于均匀PRF工作模式，1.26秒之后高度计工作于脉冲簇工作模式。当轨道高度不断增加，这些变量都发生了相应的变化和调整，使得采样窗准确覆盖回波范围，保证了观测区域的连续和完整。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，所述方法包括：

步骤1)高度计在均匀PRF工作模式下，通过调整搜索值和搜索方向对目标回波进行搜索，再通过回波重心跟踪得到当前目标回波时延；

步骤2)高度计转入脉冲簇工作模式，由当前目标回波时延计算初始PRF的值，并通过回波重心跟踪进行PRF的实时调整。

2.根据权利要求1所述的星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)高度计进入均匀PRF工作模式，设置脉冲重复频率f₁、计算搜索值T、设置记录值T₀、采样间隔脉冲数m₁和采样时延T_g，并将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向；

步骤1-2)高度计以频率f₁发射脉冲，然后根据当前的采样间隔脉冲数和采样时延进行回波采样，并计算回波等效幅度A：

其中，x_i为第i个采样点幅值，N为总采样点个数；

步骤1-3)判断回波幅度A是否大于阈值，如果为是，进入步骤1-4)，否则，转入步骤1-5)；

步骤1-4)更新当前状态和记录值T₀，通过计算回波重心位置来跟踪回波；

步骤1-5)通过调整搜索值T和搜索方向对目标回波进行搜索；

步骤1-6)根据搜索值T计算下一个回波的采样时延T_g：

3.根据权利要求2所述的星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，其特征在于，所述步骤1-1)具体包括：

步骤1-1-1)所述高度计进入均匀PRF工作模式，读取卫星平台参数，得到当前轨道高度H；根据轨道高度H从数据库中选择对应的脉冲重复频率f₁；

步骤1-1-2)计算搜索值T＝2H/c，其中c为光速，将记录值T₀置为当前T的值；

步骤1-1-3)计算采样间隔脉冲数m₁和采样时延T_g：

m₁＝[(T-T_p)×f₁]

其中，T_p为发射脉冲宽度，[]表示向下取整；

步骤1-1-4)将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向。

4.根据权利要求3所述的星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，其特征在于，所述步骤1-4)具体包括：

步骤1-4-1)当前状态置为有回波，将记录值T₀设置为搜索值T，计算回波重心位置G：

步骤1-4-2)判断回波重心位置G与最佳位置G₀之差是否大于预设误差值，如果为是，进入步骤1-4-3)；否则，转到步骤1-6)；

步骤1-4-3)按照回波重心位置G与最佳位置G₀之差调整搜索值T，调整量为dt×(G-G₀)，其中，dt为采样间隔；

步骤1-4-4)判断当前搜索值T是否超出边界，如果为是，将搜索值置为边界值，转到步骤1-6)；若为否，直接转到步骤1-6)。

5.根据权利要求4所述的星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，其特征在于，所述步骤1-5)具体包括：

步骤1-5-1)判断当前状态是否为有回波，如果为是，将当前状态置为无回波，搜索方向置为前向，将搜索值T置为当前记录值T₀，转入步骤1-6)；否则，进入步骤1-5-2)；

步骤1-5-2)按照当前搜索方向和预设的搜索步长调整搜索值T；

步骤1-5-3)判断搜索值是否达到最大搜索范围或搜索值超出边界；若为是，进入步骤1-5-4)；若为否，转入步骤1-6)；

步骤1-5-4)判断当前搜索方向是否为前向，若为是，进入步骤1-5-5)；若为否，返回步骤1-1)；

步骤1-5-5)将搜索方向置为后向，搜索值T置为当前记录值T₀，进入步骤1-6)。

6.根据权利要求5所述的星载干涉成像高度计PRF实时调整方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)高度计进入脉冲簇工作模式；

步骤2-2)根据当前搜索值T计算采样间隔脉冲数m₂和PRF的值f₂：

m₂＝[(T-t₀-T_p)×F₀]

其中，[]表示向下取整，m₂表示脉冲簇工作模式下的采样间隔脉冲数目，F₀表示PRF的设计上限值，t₀表示预设的收发间隔时间量，F₀与t₀都是固定值；

步骤2-3)高度计以频率f₂发射一个脉冲簇，根据当前的采样间隔脉冲数进行回波采样，计算此脉冲簇的第一个脉冲的回波等效幅度；

步骤2-4)判断回波等效幅度是否大于阈值，若为是，进入步骤2-5)；否则，返回步骤1)；

步骤2-5)计算回波重心位置G；然后判断回波重心位置G与最佳位置G₀之差是否大于预设误差值，若为是，进入步骤2-6)；若为否，转回步骤2-3)；

步骤2-6)按照回波重心位置G与最佳位置G₀之差调整搜索值T，调整量为dt×(G-G₀)，其中，dt为采样间隔；然后转到步骤2-3)，对PRF的值f₂进行实时调整，直至高度计结束脉冲簇工作模式。