CN109444888A - 一种星地前视双基地sar图像区域监视方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种星地前视双基地SAR图像区域监视系统，所述系统包括：卫星照射源发射装置、地面的区域监视装置以及卫星与地面之间进行通信的传输链路；其中，所述卫星照射源发射装置沿着卫星轨道飞行，并连续不断的发射射频信号，实现对地面区域的照射，地面的区域监视装置用于按照预先设置的波束指向对准设定区域，接收预定目标区域的反射回波，根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像。采用本发明所述的星地前视双基地SAR图像区域监视系统及方法，可以通过收发分置的方式实现地面设备不运动的情况下对设定区域的全天候成像，形成全天候、全天时高分辨成像监视能力，解决在多云或雨天等恶劣天候条件下的重点区域监视问题，提高区域监控能力。

Description

一种星地前视双基地SAR图像区域监视方法及系统
技术领域
本发明属于涉及探测监视技术领域，具体涉及一种星地前视双基地SAR图像区域监视系统及方法
背景技术
现有的区域图像监视采用可见光摄像头进行图像获取和监视，监控摄像头通常是半导体成像器件，具有灵敏度高、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。对于图像的生成当前主要来自CCD摄像机。
但CCD摄像机在具有上述优点且得到广泛利用的同时，也存在诸多缺点，比如，在多云或雨天等恶劣天候条件下，无法获取清晰图像，从而不能实现区域监视。
发明内容
为克服现有监视系统存在的技术缺陷，本发明公开了一种星地前视双基地SAR图像区域监视装置及方法。
对此，本发明提出了一种基于星地前视双基地SAR图像的区域监视系统，所述系统包括：卫星照射源发射装置、地面的区域监视装置以及卫星与地面之间进行通信的传输链路；
其中，所述卫星照射源发射装置沿着卫星轨道飞行，并连续不断的发射射频信号，实现对地面区域的照射，地面的区域监视装置用于按照预先设置的波束指向对准设定区域，接收预定目标区域的反射回波，根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像。
根据本发明的系统，优选的，所述卫星照射源发射装置包括第一GPS模块、第一信号处理模块、第一收发模块、第一信号源、第一同步系统、第一航姿模块、功放模块；
所述第一信号处理模块用于接收所述第一同步系统发送的脉冲触发信号，产生基带信号，并通过差分的方式发送至第一信号源；所述第一信号源用于产生单频信号作为载波，将接收到的基带信号通过IQ调制，得到射频信号，并将该射频信号发送至功放模块；所述功放模块用于在开关信号信号作用下将射频信号功率放大，并将放大后的信号发送至第一收发模块；所述第一收发模块用于接收来自功放模块的射频信号并按照一定指向角发送到自然空间；所述第一同步系统用于接收来自第一信号处理模块的时钟相参信号实现时钟相参的情况下，将该信号分频产生触发脉冲返回至第一信号处理模块；所述第一航姿模块用于接收GPS信号，输出相关参数数据，并传输至第一同步系统。
根据本发明的系统，优选的，所述地面的区域监视装置包括第二GPS模块、第二信号处理模块、第二收发模块、第二信号源、第二同步系统、第二航姿模块、数据采集处理模块；
所述第二收发模块用于接收被目标区域反射的射频信号，并将该信号传送至第二信号处理模块，所述第二信号处理模块接收到所述射频信号后进行信号处理，所述数据采集处理模块用于对处理后的射频信号进行采样获取回波信号后进行存储，并从所述第二同步系统读取由第二航姿模块通过第二GPS模块获取的参数数据，对应地插入到每一帧回波中。
根据本发明的系统，优选的，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视装置通过所述第一同步系统和所述第二同步系统对时间/频率进行对准，确保时频同步。
根据本发明的系统，优选的，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视装置根据所述传输链路传输各自的位置定位信息以及预设目标区域位置定位信息，在卫星照射源发射装置的第一伺服模块与区域监视装置的第二伺服模块中进行天线值解算，根据解算结果对天线实时调整，实现空间同步。
根据本发明的系统，优选的，所述区域监视装置还包括高分辨图像感知模块；
其中，所述高分辨图像感知模块用于对接收到的回波信号进行AD采样、数字正交解调、脉冲压缩，并进行运动补偿和校正，输出高分辨双基地SAR图像。
根据本发明的系统，优选的，所述参数数据包括经纬度、海拔、速度、航向角、俯仰角以及GPS秒脉冲信息。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于星地前视双基地SAR图像区域监视方法，所述方法包括如下步骤：
S1、卫星照射源发射装置沿着卫星轨道飞行，并连续不断的发射射频信号，实现对地面区域的照射；
S2、地面的区域监视装置按照预先设置的波束指向对准设定区域，接收预定目标区域的反射回波；
S3、根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像。
根据本发明的方法，优选的，所述步骤S1之前还包括，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视装置通过各自的同步系统对时间/频率进行对准、确保时频同步。
根据本发明的方法，优选的，在对时间/频率进行对准，确保时间同步之后还包括，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视装置根据所述传输链路传输各自的位置定位信息以及预设目标区域位置定位信息，并进行天线值解算，根据解算结果对天线实时调整，实现卫星与地面的空间同步。
根据本发明的方法，优选的，所述步骤S1中的卫星照射源发射装置在发射射频信号之前还包括，
S1.1、根据脉冲触发信号，产生基带信号；
S1.2、将接收到的基带信号通过IQ调制，得到射频信号；
S1.3、在开关信号信号作用下将射频信号功率放大，并将放大后的射频信号发送至地面区域，实现对地面区域的照射。
根据本发明的方法，优选的，所述步骤S2中在接收发射回波时还包括，
S2.1、实时接收被目标区域反射的射频信号，
S2.2、对接收到的射频信号进行处理，得到相对纯净的中频信号，再通过触发控制信号延时，采样，准确获取回波数字信号。
根据本发明的方法，优选的，所述步骤S3根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像包括，对接收到的回波信号进行AD采样、数字正交解调、脉冲压缩，并进行运动补偿和校正，输出高分辨双基地SAR图像。
采用本发明所述的星地前视双基地SAR图像区域监视系统及方法，可以通过收发分置的方式实现地面设备不运动的情况下对设定区域的全天候成像，形成全天候、全天时高分辨成像监视能力，解决在多云或雨天等恶劣天候条件下的重点区域监视问题，提高区域监控能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为星地前视双基地SAR图像区域监视系统工作示意图。
图2为星地前视双基地SAR图像区域监视系统组成框图。
图3为星地前视双基地SAR图像区域监视方法流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据本发明的一实施例，如图1和图2所示，本发明提供了一种基于星地前视双基地SAR图像的区域监视系统，所示系统包括卫星照射源发射装置、位于地面的区域监视系统以及卫星与区域监视系统之间进行通信的传输链路。
在本发明中所提供的卫星照射源发射装置，作为信号照射源的发射端可以是专门设计的具有理想发射功率、大信号带宽及同步特性的合作信号源,也可以是广播电视卫星、数据通信卫星或导航卫星等非合作信号源。从目前的双基地系统发展状况中可以知晓，目前GPS导航仍然为当下研究双基地SAR技术的关键技术，因此，在本发明中的卫星照射源发射装置使用的是GPS导航系统，此外，本发明的卫星照射源发射装置还包括信号处理模块、收发模块、第一信号源、第一同步系统、第一航姿模块、功放模块。区域监视系统包括第二GPS模块、信号处理模块、收发模块、信号源、第二同步系统、第二航姿模块、数据采集处理模块、高分辨图像感知模块、显示模块。
其中，所述信号处理模块用于接收所述第一同步系统发送的脉冲触发信号，产生一定规格的基带信号，分为I、Q两路信号分辨调制后通过差分的方式发送至第一信号源。同时，为了实现时钟相参，信号处理模块还用于来自于第一信号源的高精度相参时钟信号，将该信号传输到第一同步系统，从而实现信号处理模块的时钟相参，此外，根据系统具有延时的特性，将脉冲触发信号延时产生MARKER信号，作为功放开关信号。
所述第一信号源产生单频信号作为载波，将接收到的基带信号通过IQ调制，得到射频信号，并将该射频信号发送至功放模块；由于信号时宽和占空比小，功放只需要在短时间内放大信号，当开关信号为高电平时，功放放大信号，否则暂停工作，因此，功放模块用于在开关信号信号作用下将射频信号功率放大，并将放大后的信号发送至收发模块，在本发明中，收发模块中包括天线，通过天线来接收和传输信号，所述收发模块用于接收来自功放模块的射频信号并按照一定指向角发送到自然空间。
在本发明中，双基地SAR技术需要对时间频率校准及实现时间同步，同时，还需要进行空间同步，因此，卫星照射源装置包括第一同步系统，同时，在地面的区域监视系统中设置第二同步系统，在此，本发明中，第一同步系统用于接收来自信号处理模块的时钟相参信号实现时钟相参的情况下，将该信号分频产生触发脉冲返回至信号处理模块。
为了实现发射端和接收端的同步，在卫星照射装置和区域监视系统中分别设置了第一航姿模块和第二航姿模块，起作用都是用于接收GPS信号，输出各自的经度、维度、海拔高度、平台速度、航向角、俯仰角以及GPS秒脉冲等信息，第一同步系统和第二同步系统分别接收各自的第一航姿模块、第二航姿模块的数据，解算后通过控制天线实现两个装置之间的空间同步、时频同步。
在本发明中，本发明的目的是为了获取地面周边目标区域的清晰图像，因此，在区域监视系统中设置了高分辨图像感知模块，在前述的内容中，实现了卫星照射装置以及地面的时频同步和空间同步，卫星照射装置实时向地面发射射频信号，地面根据目标区域反射的回波信号来形成图像，本发明中，高分辨图像感知模块通过对回波信号进行AD采样、数字正交调解、脉冲压缩之后，进行运动补偿和校正，从而输出高分辨双基地SAR图像。
其中，所述高分辨图像感知模块包括底层数据交换板和与底层数据交换板信号连接的信号预处理板、信号成像处理板、交换接口板；所述信号预处理板内置有依次信号连接的AD采样处理器、数字正交解调模块和脉冲压缩模块。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，本发明提供了一种基于星地前视双基地SAR图像区域感知识别方法，该方法包括如下步骤：
S1、卫星照射源发射装置沿着卫星轨道飞行，并连续不断的发射射频信号，实现对地面区域的照射；
S2、地面的区域监视系统按照预先设置的波束指向对准设定区域，接收预定目标区域的反射回波；
S3、根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像。
在本发明中，提供的前视双基地SAR图像区域感知识别方法，在实现本方法的过程中，需要解决的问题是如何实现双基地SAR系统稳定有效运行。由于双基地SAR的发射端及接收端雷达分置在不同的载体平台上,并且各自使用独立的频率源，一方面,发射端及接收端采用各自的触发脉冲触发产生发射和接收时序,使得接收和发送的信号在时序上不能严格对齐,产生所谓时间同步问题；另一方面,发射机的载频信号与接收机本振信号不相关,接收端和发送端频率源间的任何频率偏差及输出频率的不稳定都将导致解调后回波信号的相位误差,从而影响聚焦效果。另外，卫星的飞行速度以及地面的运行速度差异，将导致覆盖区域的限制，因此，有必要采取措施尽可能提高接收端和发送端波束的重叠时间，并进而提高成像场景的长度，在实际的系统成像过程中，卫星过顶时间的估计值、地面导航系统、收发平台的实际位置及姿态等数据都可能存在误差，因此需要设计出空间同步的方法。
在本发明中，实现卫星与地面的同步，其包括三个部分，时频同步、空间同步，而时频同步即为时间同步和频率同步。
所述步骤S1之前还包括，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视系统通过各自的同步系统对时间/频率进行对准、确保时间与频率的同步。
在时间同步中，需要精确的估计三个参数，参考时间点、该参考时间点对应的接收端与发送端距离以及发射装置的脉冲重复周期，从而将一维回波数据转换为二维回波矩阵。在本发明中采用卫星到地面的最短距离时间作为参考时间，而接收端与发送端距离则利用轨道信号和地面接收端位置信息计算得到。根据卫星轨道以及星历数据，以预计的零参考时间点为时间零点，得到卫星到地面接收端的直线距离，并基于不同的时间点，得出不同时间点的卫星与地面接收端之间的距离。包括如下过程：(1)对直达波进行脉冲压缩，提取峰值相位信息；(2)在提取到的峰值相位中消去理想距离历程引入的相位信息；
(3)估计并消去残余相位中的线性相位，主要保留残余相位中的低频分量；
(4)在第三步的基础上，对残余相位进行分块相位纠缠，对解缠绕之后的相位进行M阶多项式拟合，计算各波瓣中心时刻对应的相位导数值，估计真实的直达波距离历程，最后根据实际距离历程与理想距离历程之间的差来估计多普勒时间，并以该时间为时间参考点，最后计算出的卫星与地面之间的距离。
在视频同步中，即采用高精度的本地频率源，没过一段时间使用一个远程时间基准信号来校准本地频率源，保证在一个时间间隔内误差在允许范围内，时频同步分为三个部分，本地时钟源、标准时钟信号、时钟源校准。
SAR处理为相参处理过程，频率同步是实现SAR相参处理的基础。由于发、收分置，发、收系统的本振信号存在着差异，因此接收端解调过程会引入相位误差，这样就难以保证回波信号的相参性。频率同步技术可以尽量消除由于收发系统本振信号不同而引入的相位误差，从而达到相参处理的目的。其包括如下步骤：对直达波数据矩阵进行距离压缩；提出直达波矩阵中各次采样脉冲幅度最强的“峰值信号”，构成一个“峰值信号”矢量；利用时间同步中对零多普勒时间的精确估计，结合卫星轨道数据可以精确重建直达波距离历程，从而得到直达波距离历程相位；提取“峰值信号”矢量的相位，消去直达波距离历程引入的相位，即可得到所需要的频率同步误差。对直达波矩阵和回波矩阵中的频率同步误差进行补偿。
在对时间/频率进行对准，确保时间同步之后还包括，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视系统根据所述传输链路传输各自的位置定位信息以及预设目标区域位置定位信息，并进行天线值解算，根据解算结果对天线实时调整，实现卫星与地面的空间同步。
所述步骤S1中的卫星照射源发射装置在发射射频信号之前还包括：
S1.1、根据脉冲触发信号，产生基带信号；
S1.2、将接收到的基带信号通过IQ调制，得到射频信号；
S1.3、在开关信号信号作用下将射频信号功率放大，并将放大后的射频信号发送至地面区域，实现对地面区域的照射。
所述步骤S2中在接收发射回波时还包括，
S2.1、实时接收被目标区域反射的射频信号，
S2.2、对接收到的射频信号进行处理，得到相对纯净的中频信号，再通过触发控制信号延时，采样，准确获取回波数字信号。
在本发明中，所述的目标区域包括静止目标区域和运动目标区域。
如果是运动目标区域，则系统的斜距历程R(t)表示如下：
其中，Rt0合成孔径中心时刻卫星发射装置的斜距，Rr0为合成孔径中心时刻地面接收装置的斜距，vt为卫星速度，vr为地面速度，θt为卫星发射装置斜视角，为地面接收端前视角，t为方位时间。
则获取的回波信号的表达式为：
其中，c为光速，ωr(τ)和ωa(t)分别为距离向信号包络和方位向信号包络，Kr为信号调频率，τ为距离向时间。
对于静止目标而言，就是将运动目标置零即可。
所述步骤S3根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像包括，对接收到的回波信号进行AD采样、数字正交解调、脉冲压缩，并进行运动补偿和校正，输出高分辨双基地SAR图像。
步骤3中的获取图像的算法过程为，在双基地前视SAR系统中，一般用于进行小区域侦测成像，在成像处理时，先取参考距离Rref处的补偿函数对双基附加项进行补偿，然后进行聚焦处理，补偿函数为
此时回波信号频谱为
式中，fa为方向频率，fr为距离频率。
将接收到的回波信号作距离向和方位向傅里叶变换，进行双基相和高阶耦合相补偿，距离压缩和二次压缩，再次进行距离向傅里叶变换，距离徙动校正，最后进行方向位压缩和方向位傅里叶变换后获取成像结果。
在本发明中，步骤三之前的内容为获取图像的过程，而获取图像后则需要对图像进行分析处理。
采用本发明所述的星地前视双基地SAR图像感知与识别装置及方法，可以通过收发分置的方式实现地面全天候前视成像，形成全天候、全天时、全程高分辨成像感知与识别能力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于星地前视双基地SAR图像的区域监视系统，其特征在于，所述系统包括：卫星照射源发射装置、地面的区域监视装置以及卫星与地面之间进行通信的传输链路；
其中，所述卫星照射源发射装置沿着卫星轨道飞行，并连续不断的发射射频信号，实现对地面区域的照射，地面的区域监视装置用于按照预先设置的波束指向对准设定区域，接收预定目标区域的反射回波，根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述卫星照射源发射装置包括第一GPS模块、第一信号处理模块、第一收发模块、第一信号源、第一同步系统、第一航姿模块、功放模块；
所述第一信号处理模块用于接收所述第一同步系统发送的脉冲触发信号，产生基带信号，并通过差分的方式发送至第一信号源；所述第一信号源用于产生单频信号作为载波，将接收到的基带信号通过IQ调制，得到射频信号，并将该射频信号发送至功放模块；所述功放模块用于在开关信号信号作用下将射频信号功率放大，并将放大后的信号发送至第一收发模块；所述第一收发模块用于接收来自功放模块的射频信号并按照一定指向角发送到自然空间；所述第一同步系统用于接收来自第一信号处理模块的时钟相参信号实现时钟相参的情况下，将该信号分频产生触发脉冲返回至第一信号处理模块；所述第一航姿模块用于接收GPS信号，输出相关参数数据，并传输至第一同步系统。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述地面的区域监视装置包括第二GPS模块、第二信号处理模块、第二收发模块、第二信号源、第二同步系统、第二航姿模块、数据采集处理模块；
所述第二收发模块用于接收被目标区域反射的射频信号，并将该信号传送至第二信号处理模块，所述第二信号处理模块接收到所述射频信号后进行信号处理，所述数据采集处理模块用于对处理后的射频信号进行采样获取回波信号后进行存储，并从所述第二同步系统读取由第二航姿模块通过第二GPS模块获取的参数数据，对应地插入到每一帧回波中；
所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视装置通过所述第一同步系统和所述第二同步系统对时间/频率进行对准，确保时频同步。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视装置根据所述传输链路传输各自的位置定位信息以及预设目标区域位置定位信息，在卫星照射源发射装置的第一伺服模块与区域监视装置的第二伺服模块中进行天线值解算，根据解算结果对天线实时调整，实现空间同步。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述区域监视装置还包括高分辨图像感知模块；
其中，所述高分辨图像感知模块用于对接收到的回波信号进行AD采样、数字正交解调、脉冲压缩，并进行运动补偿和校正，输出高分辨双基地SAR图像。
6.一种基于星地前视双基地SAR图像区域监视方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、卫星照射源发射装置沿着卫星轨道飞行，并连续不断的发射射频信号，实现对地面区域的照射；
S2、地面的区域监视装置按照预先设置的波束指向对准设定区域，接收预定目标区域的反射回波；
S3、根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在对时间/频率进行对准，确保时间同步之后还包括，所述卫星照射源发射装置与所述地面的区域监视装置根据所述传输链路传输各自的位置定位信息以及预设目标区域位置定位信息，并进行天线值解算，根据解算结果对天线实时调整，实现卫星与地面的空间同步。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的卫星照射源发射装置在发射射频信号之前还包括，
S1.1、根据脉冲触发信号，产生基带信号；
S1.2、将接收到的基带信号通过IQ调制，得到射频信号；
S1.3、在开关信号信号作用下将射频信号功率放大，并将放大后的射频信号发送至地面区域，实现对地面区域的照射。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中在接收发射回波时还包括，
S2.1、实时接收被目标区域反射的射频信号，
S2.2、对接收到的射频信号进行处理，得到相对纯净的中频信号，再通过触发控制信号延时，采样，准确获取回波数字信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S3根据所述回波信号获取高分辨率双基地SAR图像包括，对接收到的回波信号进行AD采样、数字正交解调、脉冲压缩，并进行运动补偿和校正，输出高分辨双基地SAR图像。
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