CN109581362A - 合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，所述方法包括：步骤1)雷达高度计在可变脉冲簇模式下采集每个脉冲簇的回波信号，获得海面观测的原始IQ数据，将原始IQ数据按脉冲簇的距离向和方位向组成二维原始数据矩阵；步骤2)对二维原始数据矩阵进行顺轨向合成孔径处理，在处理中利用方位向欠采样导致频谱混叠的特点，对距离多普勒的回波矩阵的方位向采样样本进行扩充，处理后得到扩充条带回波；步骤3)对扩充条带回波进行多视处理得到可变脉冲簇周期工作模式的多视回波；步骤4)对多视回波进行波形重跟踪处理，获得重跟踪结果：所需的海洋特征参数。

Description

合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，特别涉及合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法。

背景技术

雷达高度计是一种主要应用于海洋探测的微波遥感器，它可以测量仪器正下方海面的平均高度、海面的有效波高和后向散射系数，这些测量结果经过进一步处理可以获得海面高度、海面有效波高和海面风速等数据产品，这些产品在海洋学、地球物理学和军事上具有广泛而重要的应用。

合成孔径雷达高度计是目前雷达高度计的热门研究方向之一，它在顺轨向引入合成孔径技术，具有更高的测量精度。Crosat2和Sentinel-3A/B卫星的雷达高度计载荷具有固定脉冲簇周期的合成孔径工作模式，其在轨飞行结果验证了合成孔径雷达高度计具有更高的测量精度。

在固定脉冲簇合成孔径雷达高度计的工作模式下，雷达首先以一定脉冲重复频率发射一系列脉冲，然后在信号的返回窗口接收该脉冲串的回波；在这种工作模式下，一个脉冲重复间隔只存在一个发射脉冲或者一个接收脉冲。

为了进一步提高雷达高度计的测量精度，Raney提出了可变脉冲簇合成孔径雷达高度计的概念，在可变脉冲簇合成孔径雷达高度计的工作模式下，雷达在一个脉冲重复周期内发射一个观测脉冲并接收脉冲回波；在这种工作模式下，一个脉冲重复间隔内同时存在一个发射脉冲和一个接收脉冲。但目前尚未有该模式合成孔径雷达高度计的信号处理方法。

发明内容

本发明的目的在于提出合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，可以提高合成孔径雷达高度计的测量精度。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，所述方法包括：

步骤1)雷达高度计在可变脉冲簇模式下采集每个脉冲簇的回波信号，获得海面观测的原始IQ数据，将原始IQ数据按脉冲簇的距离向和方位向组成二维原始数据矩阵；

步骤2)对二维原始数据矩阵进行顺轨向合成孔径处理，在处理中利用方位向欠采样导致频谱混叠的特点，对距离多普勒的回波矩阵的方位向采样样本进行扩充，处理后得到扩充条带回波；

步骤3)对扩充条带回波进行多视处理得到可变脉冲簇周期工作模式的多视回波；

步骤4)对多视回波进行波形重跟踪处理，获得重跟踪结果：所需的海洋特征参数。

作为上述方法的一种改进，所述可变脉冲簇模式为：在每个脉冲重复周期内，雷达高度计发射一个观测脉冲，记该脉冲为K发射脉冲；并接收前一个脉冲簇的发射脉冲的回波信号，记该脉冲为K接收脉冲；K发射脉冲和K接受脉冲合称为K收发脉冲对，K为正整数；每个脉冲簇共包含N_p个收发脉冲对，脉冲簇周期满足关系：B_p＝N_p*PRT+t_var，其中B_p为脉冲簇周期；PRT为脉冲重复时间，t_var是一个可变时间延迟，通过调节t_var使当前脉冲簇的K号发射脉冲的回波恰好落在下一个脉冲簇的K号接收脉冲内。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)对二维原始数据矩阵的残留误差进行校正，获得校正后二维原始数据矩阵；

步骤2-2)对步骤2-1)获得的校正后二维原始数据矩阵按列做快速傅里叶变换，获得距离多普勒的回波矩阵，该回波矩阵为方位向多普勒锐化结果；

步骤2-3)利用方位向欠采样导致频谱混叠的特点对距离多普勒的回波矩阵的方位向采样样本进行扩充，得到扩充的距离多普勒矩阵；

步骤2-4)对扩充距的离多普勒矩阵进行延时校正，获得延迟对齐的距离多普勒矩阵并校正其残余误差，对齐后的矩阵的折叠回波位于两条斜直线上；

步骤2-5)对步骤2-4)的延迟对齐的距离多普勒矩阵进行距离向压缩；得到压缩后的距离多普勒矩阵；

步骤2-6)采用滤波器对步骤2-5)得到的压缩后的距离多普勒矩阵进行滤波，得到扩充条带回波。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-2)具体过程为：

若距离向采样率为F_s，共采样M个点，方位向采样率为PRF，共采样N个点，则距离多普勒的回波矩阵P_r(τ,f_d)为：

其中，τ_m为第m个距离向采样点的距离采样；f_dn为第n个方位向采样点的方位向采样；p_r(τ_m,f_dn)为第m个距离向采样点和第n个方位向采样点上的采样值；

混叠后的回波矩阵P_r1(τ,f_d)为：

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-3)具体包括：

步骤2-3-1)计算观测目标的最大多普勒频率：

其中，V为雷达高度计平台运动速度，θ为雷达高度计的3dB波束宽度，λ为观测使用的电磁波波长；

步骤2-3-2)将方位向采样数扩充到N1＝2f_{d_max}/PRF*N，对方位向采样点进行扩充得到扩充的距离多普勒回波矩阵P_r2(τ,f_d)为：

则获得方位向采样率PRF1＝2f_{d_max}的回波矩阵；

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-6)的距离门滤波器H₁(τ,f_d)为：

上式中，f_cut表示要去除的混叠严重的多普勒条带。

本发明的优点在于：

常规的信号处理方法只能利用方位向多普勒频率小于方位向采样频率的脉冲回波能量；本发明的方法能够利用合成孔径雷达高度计脉冲簇回波信号方位向3dB波束内的全部能量，从而获得更多的不相关观测样本数，具有更高的测量精度。

附图说明

图1是本发明的合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法的流程图；

图2是本发明的合称孔径雷达高度计的可变脉冲簇模式工作时序图；

图3(a)是方位向多普勒锐化示意图；

图3(b)是方位向采样扩充示意图；

图3(c)是方位向延迟校正示意图；

图3(d)是方位向滤波示意图；

图3(e)是方位向处理结果示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，所述方法包括：

步骤1)设置雷达高度计的工作模式：以可变脉冲簇模式收发脉冲；

脉冲簇内的脉冲重复频率为9KHz，在每个脉冲重复周期内，雷达高度计发射一个观测脉冲，记该脉冲为K发射脉冲(K＝1,2,3……)；并接收前一个脉冲簇的发射脉冲的回波信号，记该脉冲为K接收脉冲；K发射脉冲和K接受脉冲合称为K收发脉冲对；每个脉冲簇共包含N_p个收发脉冲对，脉冲簇周期满足关系：B_p＝N_p*PRT+t_var，其中B_p为脉冲簇周期；PRT为脉冲重复时间，它与PRF是倒数关系，t_var是一个可变时间延迟，通过调节t_var使当前脉冲簇的K号发射脉冲的回波恰好落在下一个脉冲簇的K号接受脉冲内。

在本实施例中，雷达高度计在脉冲簇Bp1周期发射N_p＝48个发射脉冲，脉冲宽度为51.2us，脉冲重复频率PRF为9KHz，调节时间t_var1使Bp1周期的发射脉冲的回波落在Bp2周期的发射脉冲之间，与接收脉冲对齐；如图2所示；

步骤2)雷达高度计采集每个脉冲簇的回波信号，获得海面观测的原始IQ数据，原始IQ数据按脉冲簇的距离向和方位向组成二维原始数据矩阵；

在本实施例中，在接收时间窗对回波信号进行IQ数据采集，采集速率为5MSPS，每个脉冲256个采样点，脉冲簇共48个脉冲信号，由此形成48×256的二维原始数据矩阵；

步骤3)对二维原始数据矩阵顺轨向合成孔径处理，得到扩充条带回波；具体包括：

步骤3-1)校正二维原始数据矩阵的残留误差，获得校正后二维原始数据矩阵；

步骤3-2)对步骤3-1)获得的校正后二维原始数据矩阵按列做FFT，获得距离多普勒的回波矩阵，该矩阵为方位向多普勒锐化结果；

合成孔径雷达高度计窄条带足迹的回波可以表示为P_r(τ,f_d)，若距离向采样率为F_s，共采样M个点，方位向采样率为PRF，共采样N个点，则距离多普勒域的回波矩阵可以表示为：

其中，τ_m为第m个距离向采样点的时间延迟；f_dn为第n个方位向采样点的多普勒频移；可变脉冲簇周期工作模式的最大多普勒频率f_{d_max}＝7.7kHz，方位向采样率PRF＝9k，不失一般性，本发明讨论方位向采样率小于2倍最大多普勒频移，且大于1倍的情况。这种情况下混叠后的回波矩阵为：

方位向多普勒锐化结果如图3(a)所示，圆弧实曲线表示多普勒中心频率小于方位向采样频率的条带的回波，两条虚线曲线表示多普勒中心频率大于方位向采样频率的条带的回波被折叠到多普勒锐化后的条带当中；

步骤3-3)利用方位向欠采样导致频谱混叠的特点，对距离多普勒的回波矩阵的方位向采样样本进行扩充；如图3(b)所示，具体包括：

步骤3-3-1)计算观测目标的最大多普勒频率：

其中，V为雷达高度计平台运动速度，θ为雷达高度计的3dB波束宽度，λ为观测使用的电磁波波长。

步骤3-3-2)将方位向采样数扩充到N1＝2f_{d_max}/PRF*N，对方位向采样点进行扩充得到扩充的距离多普勒回波矩阵P_r2(τ,f_d)为：

则获得方位向采样率PRF1＝2f_{d_max}的回波矩阵；获得方位向采样率PRF1＝2f_{d_max}的回波矩阵，这个矩阵是存在方位向混叠的，在-PRF/2＜f_d＜PRF/2的回波区域，p_r(τ_m,f_dn)混叠了|f_d|≥PRF/2的回波；在|f_d|≥PRF/2的区域，则叠加了-PRF/2＜f_d＜PRF/2部分的回波。

步骤3-4)对扩充距离多普勒矩阵进行延时校正，获得延迟对齐的距离多普勒矩阵并校正其残余误差，对齐后的矩阵的折叠回波位于两条斜直线上；如图3(c)所示；

步骤3-5)对步骤3-4)得到的距离多普勒矩阵进行距离向压缩；得到压缩后的距离多普勒矩阵；

步骤3-6)采用滤波器对步骤3-5)得到的压缩后的距离多普勒矩阵进行滤波，得到扩充条带回波；

所用的距离门滤波器为：

上式中，f_cut表示要去除的混叠严重的多普勒条带。

滤波过程如图3(d)所示，图3(d)阴影部分为要滤除的回波能量部分；经过本步骤获得扩充条带回波，如图3(e)所示。

步骤4)对扩充条带回波进行多视处理：以第一个脉冲簇条带回波为基准，将所有的脉冲簇条带回波都对齐，然后再进行非相干叠加，就可得到可变脉冲簇周期工作模式的多视回波；具体包括：

步骤4-1)将每个脉冲簇处理获得的扩充条带回波对齐到真实地理条带上；

步骤4-2)对同一地理条带对应的不同脉冲簇处理获得的扩充条带回波对齐到统一的参考高度上，然后进行平均处理。

经过顺轨向合成孔径处理后，就获得了一个脉冲簇观测周期内的条带回波。雷达高度计以脉冲簇模式工作，由于平台的运动，每个多普勒锐化后地面条带足迹被多个脉冲簇所观测到。多视处理就是要将不同脉冲簇所观测到的同一条带的样本进行非相干叠加，降低随机噪声的影响。

步骤5)对多视回波进行波形重跟踪处理，获得重跟踪结果。

重跟踪处理的实质是调整回波模型中的参数，使经顺轨向合成孔径处理、多视处理后的回波信号与回波模型的误差达到最小状态，此时回波模型对应的参数即为所需的海洋特征参数。

在多视处理后的平均海面回波和理想海面的脉冲响应平均波形之后，就可以采用最小二乘算法对两者进行重跟踪处理。由于不同距离门上的回波信号的噪声统计特性是已知得的，故使用加权最小二乘算法为最佳的重跟踪算法。

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)

1.一种合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，所述方法包括：

步骤1)雷达高度计在可变脉冲簇模式下采集每个脉冲簇的回波信号，获得海面观测的原始IQ数据，将原始IQ数据按脉冲簇的距离向和方位向组成二维原始数据矩阵；

步骤2)对二维原始数据矩阵进行顺轨向合成孔径处理，在处理中利用方位向欠采样导致频谱混叠的特点，对距离多普勒的回波矩阵的方位向采样样本进行扩充，处理后得到扩充条带回波；

步骤3)对扩充条带回波进行多视处理得到可变脉冲簇周期工作模式的多视回波；

步骤4)对多视回波进行波形重跟踪处理，获得重跟踪结果：所需的海洋特征参数。

2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，其特征在于，所述可变脉冲簇模式为：在每个脉冲重复周期内，雷达高度计发射一个观测脉冲，记该脉冲为K发射脉冲；并接收前一个脉冲簇的发射脉冲的回波信号，记该脉冲为K接收脉冲；K发射脉冲和K接受脉冲合称为K收发脉冲对，K为正整数；每个脉冲簇共包含N_p个收发脉冲对，脉冲簇周期满足关系：B_p＝N_p*PRT+t_var，其中B_p为脉冲簇周期；PRT为脉冲重复时间，t_var是一个可变时间延迟，通过调节t_var使当前脉冲簇的K号发射脉冲的回波恰好落在下一个脉冲簇的K号接收脉冲内。

3.根据权利要求2所述的合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)对二维原始数据矩阵的残留误差进行校正，获得校正后二维原始数据矩阵；

步骤2-2)对步骤2-1)获得的校正后二维原始数据矩阵按列做快速傅里叶变换，获得距离多普勒的回波矩阵，该回波矩阵为方位向多普勒锐化结果；

步骤2-3)利用方位向欠采样导致频谱混叠的特点对距离多普勒的回波矩阵的方位向采样样本进行扩充，得到扩充的距离多普勒矩阵；

步骤2-4)对扩充距的离多普勒矩阵进行延时校正，获得延迟对齐的距离多普勒矩阵并校正其残余误差，对齐后的矩阵的折叠回波位于两条斜直线上；

步骤2-5)对步骤2-4)的延迟对齐的距离多普勒矩阵进行距离向压缩；得到压缩后的距离多普勒矩阵；

步骤2-6)采用距离门滤波器对步骤2-5)得到的压缩后的距离多普勒矩阵进行滤波，得到扩充条带回波。

4.根据权利要求3所述的合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，其特征在于，所述步骤2-2)具体过程为：

若距离向采样率为F_s，共采样M个点，方位向采样率为PRF，共采样N个点，则距离多普勒的回波矩阵P_r(τ,f_d)为：

其中，τ_m为第m个距离向采样点的距离采样；f_dn为第n个方位向采样点的方位向采样；p_r(τ_m,f_dn)为第m个距离向采样点和第n个方位向采样点上的采样值；

混叠后的回波矩阵p_r1(τ,f_d)为：

5.根据权利要求4所述的合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，其特征在于，所述步骤2-3)具体包括：

步骤2-3-1)计算观测目标的最大多普勒频率：

其中，V为雷达高度计平台运动速度，θ为雷达高度计的3dB波束宽度，λ为观测使用的电磁波波长；

步骤2-3-2)将方位向采样数扩充到N1＝2f_{d_max}/PRF*N，对方位向采样点进行扩充得到扩充的距离多普勒回波矩阵P_r2(τ,f_d)为：

则获得方位向采样率PRF1＝2f_{d_max}的回波矩阵。

6.根据权利要求5所述的合成孔径雷达高度计在可变脉冲簇模式下的信号处理方法，其特征在于，所述步骤2-6)的距离门滤波器H₁(τ,f_d)为：

上式中，f_cut表示要去除的混叠严重的多普勒条带。