CN109725295A - 一种基于双向同步的星载双基sar系统相位同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，当系统工作在相位同步模式下，双星同步时钟单元为系统提供高精度时间同步信息、基准秒脉冲信号以及高精度基准频率源，包含以下步骤：S1、发射星通过同步天线发射相位同步脉冲信号并被接收星接收，接收星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差；S2、接收星在接收到发射星的相位同步脉冲信号后，经过系统延时，通过同步天线发射相位同步脉冲信号并被发射星接收，发射星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差；S3、发射星与接收星将各自的载波相位差下传至地面，进行差分后即可作为回波相位补偿值补偿接收星回波信号，以完成相位同步。

Description

一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法及系统

技术领域

本发明涉及双基SAR系统技术领域，具体涉及一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法及系统。

背景技术

星载双基地合成孔径雷达(SAR)系统(简称双基SAR系统)是发射机和接收机分别放置于两颗卫星上的一种新体制雷达系统。与单基SAR系统相比，双基SAR系统收发分置，能够实现高分辨率和大测绘带成像；可以获得目标或场景的前视或后视成像；可用于干涉成像，获得目标或场景的三维图像；具备良好的“四抗”能力，即抗反辐射导弹、抗电子干扰、抗低空入侵、抗隐形，在现代电子战争及未来信息战中具有重要地位。收发分置为双基SAR带来多项优势，但也带来了收发系统的同步问题，包括空间同步、时间同步、相位同步等问题，其中，相位同步的研究相对较少。2004年，Weiβ等人分析讨论了分布式SAR系统对基准频率信号相干性的特殊要求。Krieger G和Younis M研究了频率源相位噪声在分布式相位噪声在分布式SAR中引入相位误差的机理，不同卫星使用非相干频率源，导致回波信号中存在频率源噪声，低频分量无法消除，引入的相位误差不容忽视，为了保证系统的正常运行，需要双基SAR系统的相位同步。Younis M等人提出了一种相位同步方案，用于TanDEM-X系统中，在双星之间构建同步链路，双向对传同步信号，解调后随原始数据下传，地面处理并提取相位同步误差，补偿回波信号实现相位同步。

目前国内有专利CN106019278A(“一种基于分布式卫星的FMCW SAR相位同步方法”)，提出一种基于信号交换的分布式卫星FMCW SAR相位同步方法，解决分布式卫星FMCWSAR系统中的相位同步问题。利用发射卫星和接收卫星之间不同的三条链路同时进行信号收发，不用打断正常工作模式，可以提高载波相位差异的测量频率，提高相位同步精度。将星上载波相位差异提取和地面载波相位差异补偿分开进行，只需将星上的载波相位差异进行地面传输，即可实现地面载波相位差异补偿，能够同步实现多颗卫星间的相位同步。该方法有效提高相位同步测量频率，但是同时进行三路信号的收发及处理，系统成本较高，实际工程实现有难度。

专利CN103823206A(“一种基于导航卫星的星地双基地SAR时频同步方法”)，提出一种直达波提取导航电文信息，解码获取时间和卫星轨道信息，从而计算接收数据对应的理论延时历史和理论多普勒相位历史，并与其在时间延迟历史和视在多普勒相位历史做差，得到时间和相位的同步误差的参数计算方法。该方法能够提高成像处理的实时性，降低了时间偏差引起的误差影响，但是相位同步误差提取计算比较复杂，并且仅限于单向同步。

专利CN103823210A(“一种非合作式星地双基地SAR时频同步方法”)，介绍了一种非合作星地双基地SAR时频同步方法，将天线接收的信号进行二维划分、脉冲压缩操作后进行数据处理，能够将接收信号中旁瓣接收的直达波信号提取出来，实现并利用先验信息进一步抑制噪声对估计精度的影响。该方法不需要单独的直达波天线，降低了硬件复杂度，但是计算量比较大，在低信噪比情况下，同步结果估计误差较大。

2009年第10期的《数据采集与处理》期刊中公开文献《一种双站SAR同步方法及同步系统设计》基于同步链思想提出一种高精度双站SAR相位同步系统方案，在数据处理阶段综合使用双站同步数据、收发单元运动测量数据和系统定标数据对双站相位同步误差、同步系统相位误差和运动误差对同步的影响进行补偿，并搭建X波段SAR实验系统，进行半物理仿真实验验证。该方法采用同步链思想，可实现相位同步精度优于3o，但是所需时间较长，计算量较大，且未对双站基准频率源引起的误差进行分析与消除。

2013年第3期的《信号处理》期刊中公开文献《星机双基地SAR时频同步技术研究》介绍一种仅基于直达波信号的星地双基地SAR的时频同步误差估计方法。该方法对直达波信号进行建模和分析，对传统的时频同步方法进行结果修正，验证了先验信息较少时，仅通过直达波数据进行同步误差估计方法的可行性。该方法的误差估计精度由信号的信噪比、信号带宽和载频频率等共同决定，系统参数的选择有局限性，仅适合低载频和大带宽信号，工程应用价值较低，有待提高。

目前关于双基SAR系统的同步问题研究，大多集中于时间、空间同步，相位同步研究相对较少，且未和其他同步问题联合讨论。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法及系统，利用GPS接收机提供高精度时间同步信息，并通过铷钟校准频率单元，使得双星系统基准频率源误差足够小，在此基础上，基于同步链思想，利用同步脉冲进行双向对传，提取相位误差，下传至地面进行相位补偿，系统可靠性高，便于应用在实际工程中。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其特征是，该系统包含一个双星同步时钟单元；当系统工作在相位同步模式下，双星同步时钟单元为系统提供高精度时间同步信息、基准秒脉冲信号以及高精度基准频率源，该方法包含以下步骤：

S1、发射星通过同步天线发射相位同步脉冲信号并被接收星接收，接收星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差；

S2、接收星在接收到发射星的相位同步脉冲信号后，经过系统延时，通过同步天线发射相位同步脉冲信号并被发射星接收，发射星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差；

S3、发射星与接收星将各自的载波相位差下传至地面，进行差分后即可作为回波相位补偿值补偿接收星回波信号，以完成相位同步；

S4、在相位同步模式下，反复执行上述步骤S1～S3。

上述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其特征在于：

双星同步时钟单元包含：GPS天线、GPS接收机以及铷钟频率校准单元；其中，GPS接收机通过GPS天线接收GPS导航信号，测量信号传播时延，将本地时间与卫星时间同步，实现高精度授时，利用GPS接收机为双星SAR系统提供高精度的时间同步信息和基准秒脉冲；

铷钟频率校准单元包含频率修正单元和频率锁相单元；

其中，铷钟作为双星SAR系统的基准时钟源，铷钟输出的10MHz信号进入频率修正单元，频率修正单元包含倍频器、直接数字频率综合器及滤波器，铷钟输出的10MHz信号作为直接数字频率综合器的参考源，由直接数字频率综合器的频率控制字来可对铷钟信号进行频率修正；频率修正单元输出的10MHz信号作为参考源通过频率锁相单元锁定100MHz恒温晶振产生所需要的基准频率；频率锁相单元用于滤除直接数字频率综合器产生的杂散，改善相噪。

上述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其中，所述的步骤S1具体包含：

设时刻t发射星发射的相位同步脉冲信号频率为：

f_T(t)＝f_ref1+Δf_T(t) (1)

其中，f_ref1为发射星基准频率源的基准频率，Δf_T(t)为发射星的频率偏移，t时刻的发射星发射的相位同步脉冲信号的相位为：

其中，为与时间无关的初始相位，θ_T(t)为发射星频率源相位噪声引入的相位，发射星发射的相位同步脉冲信号经过延时τ_d被接收星接收，接收星接收的相位同步脉冲信号的相位为：

此时，相位差为：

上述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其中，所述的步骤S2具体包含：

设时刻t接收星发射的相位同步脉冲信号频率为：

f_R(t)＝f_ref2+Δf_R(t) (5)

其中，f_ref2为接收星基准频率源的基准频率，Δf_R(t)为接收星频率偏移，则t时刻的接收星发射的相位同步脉冲信号的相位为：

其中，为与时间无关的初始相位，θ_R(t)为接收星频率源相位噪声引入的相位，接收星发出的相位同步脉冲信号经过延时τ_d被发射星接收，发射星接收到的相位同步脉冲信号的相位为：

此时，相位差为：

上述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其中，所述的步骤S3具体包含：

定义为发射星和接收星的相位差的差分值：

将式(9)右边分为两部分，第一部分为第二部分延时τ_d的函数；令u＝t+τ_d，两部分分别对u、t求微分：

的微分反映频率变化差，由来调整频率源达到频率同步；

将下传至地面补偿接收星回波信号相位，进行差分后作为回波相位补偿值以实现相位同步。

一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步系统，其特征是，包含：

双星同步时钟单元，为系统提供高精度时间同步信息、基准秒脉冲信号以及高精度基准频率源；

发射星，在相位同步模式下，发射相位同步脉冲信号并被接收星接收，接收星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差；

接收星，在相位同步模式下，在接收到发射星的相位同步脉冲信号后，经过系统延时，发射相位同步脉冲信号并被发射星接收，发射星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差；

将发射端以及接收端各自的载波相位差，下传至地面，经过计算补偿接收星回波信号，以完成相位同步。

本发明与现有技术相比具有以下优点：利用GPS接收机提供高精度时间同步信息，并通过铷钟校准频率单元，使得双星系统基准频率源误差足够小，在此基础上，基于同步链思想，利用同步脉冲进行双向对传，提取相位误差，下传至地面进行相位补偿，系统可靠性高，便于应用在实际工程中。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的系统框图；

图3为本发明的实施例中的铷钟频率校准单元的工作原理图；

图4为本发明的实施例中的发射星与接收星的同步信号时间关系图；

图5为本发明的实施例中的初始相位提取结果图；

图6为本发明的实施例中补偿后剩余相位误差的数据图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，该系统包含一个双星同步时钟单元；当系统工作在相位同步模式下，双星同步时钟单元为发射星和接收星提供高精度时间同步信息、基准秒脉冲信号(PPS)以及高精度基准频率源(即时钟信号)，该方法包含以下步骤：

S1、发射星发射相位同步脉冲信号(例如Ka波段同步信号)并被接收星接收，接收星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差；

S2、接收星在接收到发射星的相位同步脉冲信号后，经过系统延时，发射相位同步脉冲信号并被发射星接收，发射星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差；

S3、发射星与接收星将各自的载波相位差下传至地面，双星同步时钟单元经过计算补偿接收星回波信号，以完成相位同步；

S4、在相位同步模式下，反复执行上述步骤S1～S3。

所述的双星同步时钟单元包含：

GPS天线；通过接收GPS导航信号测量信号传播时延将本地时间与卫星时间同步，并为发射星和接收星提供时间同步信息PPS和基准秒脉冲信号的GPS接收机；为发射星和接收星提供基准频率源的铷钟频率校准单元，且该基准频率源为校准后的基准频率源。将本地时间与卫星时间同步，实现高精度授时，经过分析，GPS授时精度理论上可以达到14.5ns，GPS授时秒脉冲PPS同步精度理论上达到30ns，因此可利用GPS接收机为双星系统提供高精度的时间同步信息和基准秒脉冲。

由于铷钟作为双星系统的基准时钟源，频率准确度为5×10^-11，但长期工作后，随着温度变化，铷钟的输出频率会产生漂移，其准确度受限于原子钟本身的精度以及钟的老化、漂移等，需要进行频率校准，较佳的，本实施例中，如图3所示，所述的铷钟频率校准单元包含：

作为系统基准时钟源的铷钟，用于输出基准频率源；

用于对铷钟输出的基准频率源进行频率校准的频率修正单元和频率锁相单元；频率修正单元包含倍频器、直接数字频率综合器DDS及带通滤波器。

铷钟输出的基准频率源作为频率修正单元中直接数字频率综合器DDS的参考源，频率控制字控制直接数字频率综合器DDS输出的基准频率源的频率准确度，以对铷钟输出的基准频率源进行频率修正；

将频率修正单元输出的经过频率修正的基准频率源作为参考源，通过频率锁相单元，锁定相应频率的恒温晶振OCXO，产生校准后的基准频率源。

本实施例中，铷钟输出的10MHz信号作为DDS的参考源，DDS输出的10MHz信号的频率准确度由DDS的频率控制字来实现，可对铷钟信号进行频率修正，使输出的频率准确度满足指标要求。当DDS的系统时钟为100MHz，频率控制字为48位时，计算可得其最小步进约为(0.35×10^-6)Hz，对应输出的10MHz信号，理论可实现频率准确度约为：(0.35×10^-6)÷(10×10⁶)＝0.35×10^-13，满足指标要求。

将频率修正单元输出的10MHz信号作为参考源，通过频率锁相单元，锁定100MHz恒温晶振OCXO，产生所需要的基准频率。锁相电路可以滤除DDS产生的杂散，改善相噪，最后得到高精度、低相噪、高稳定度的基准频率，实现双星频率的高精度同步，大大简化相位同步误差的提取难度。

本实施例中，所述的步骤S1具体包含：

设时刻t发射星发射的相位同步脉冲信号频率为：

f_T(t)＝f_ref1+Δf_T(t) (1)

其中，f_ref1为发射星基准频率源的基准频率，Δf_T(t)为发射星的频率偏移，t时刻的发射星发射的相位同步脉冲信号的相位为：

其中，为与时间无关的初始相位，θ_T(t)为发射星频率源相位噪声引入的相位，发射星发射的相位同步脉冲信号经过延时τ_d被接收星接收，接收星接收的相位同步脉冲信号的相位为：

此时，相位差为：

所述的步骤S2具体包含：

设时刻t接收星发射的相位同步脉冲信号频率为：

f_R(t)＝f_ref2+Δf_R(t) (5)

其中，f_ref2为接收星基准频率源的基准频率，Δf_R(t)为接收星频率偏移，则t时刻的接收星发射的相位同步脉冲信号的相位为：

其中，为与时间无关的初始相位，θ_R(t)为接收星频率源相位噪声引入的相位，接收星发出的相位同步脉冲信号经过延时τ_d被发射星接收，发射星接收到的相位同步脉冲信号的相位为：

此时，相位差为：

所述的步骤S3具体包含：

定义为发射星和接收星的相位差的差分值，

将式(9)右边分为两部分，第一部分为第二部分延时τ_d的函数；令u＝t+τ_d，两部分分别对u、t求微分：

的微分反映了频率变化差，由来调整频率源达到频率同步；

将下传至地面补偿接收星回波信号相位，进行差分后作为回波相位补偿值以实现相位同步；

对接收的中频信号进行FFT频谱分析，由频谱峰值谱线提取发射星、接收星相位差值，进行差分后求出

如图2所示，本发明还提供了一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步系统，包含：

发射星，在相位同步模式下，发射相位同步脉冲信号并被接收星接收，接收星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差；

接收星，在相位同步模式下，在接收到发射星的相位同步脉冲信号后，经过系统延时，也发射相位同步脉冲信号并被发射星接收，发射星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差；

双星同步时钟单元，为发射星和接收星提供基准频率源、时间同步信息PPS以及授时，接收发射端以及接收端各自的载波相位差，经过计算补偿接收星回波信号，以完成相位同步。

实施例一

搭建具有双向同步链路的双基SAR中央电子设备，如图2所示，发射中央电子设备由发射同步信号处理机、频综及中频接收机、同步高频组件、发射定标机组成，接收中央电子设备的设计与之相同。双星同步时钟单元包括GPS天线、GPS接收机、铷钟及频率校准单元，为系统提供PPS秒脉冲、授时信息以及100MHz时钟信号。首先测试基于铷钟的频率校准系统的准确性，铷钟输出10MHz信号进入频率修正单元、频率锁相单元后，被锁定在100MHz，利用频率计测量输出信号的频率值，每次测量半小时，取平均值，共测量5次，测量结果如下表所示。

测量次序	1	2	3	4	5
						频率均值/Hz	100000000.15	100000000.33	99999999.88	99999999.83	100000000.28
频率均方差	0.1721	0.2533	0.1351	0.3076	0.2871

从表中可知，经过校准后，基准频率源偏差小于1Hz，具有较高的频率准确度、频率稳定度、低相噪，为相位同步误差的提取奠定良好基础。

根据上文所述方法步骤，当系统工作在相位同步模式，发射星通过同步天线发射Ka波段同步脉冲信号，经过延时τ_d被接收星接收，接收星接收后通过接收定标环形器选通、同步高频接收组件及中频接收机混频得到200MHz中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差。接收星在接收到发射星的同步信号后，经过系统延时τ_sys，通过同步天线发射Ka波段同步信号被发射星接收，发射星通过混频得到200MHz中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差。以上过程以同步脉冲重复频率f_syn周期性进行。仿真实验中，参数设置为：τ_sys为25ms，f_syn为10Hz，同步信号脉宽τ_p为20us。

在一个秒脉冲内，接收星在接收到8个周期的同步脉冲信号后，进行相参积累并进行FFT频谱分析，提取频谱峰值相位值。为验证相位提取算法的有效性，用Matlab模拟产生200MHz的中频同步脉冲信号，如图5、6所示，初始相位分别为-90°、-60°、-45°、-30°、0°、30°、45°、60°、90°，输入接收同步信号处理机，相位提取结果误差均在1度以内，相位提取结果稳定，满足系统精度要求。同样可验证发射星的相位提取结果，结果稳定。当双基SAR系统工作在相位同步模式下，将发射星、接收星提取的相位值下传至地面，进行差分后作为回波相位补偿值，补偿后的剩余相位同步误差小于3°，验证了该方法的可行性，具有较高的相位同步精度，能够满足双基SAR系统的需求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其特征在于，该系统包含一个双星同步时钟单元；当系统工作在相位同步模式下，双星同步时钟单元为系统提供高精度时间同步信息、基准秒脉冲信号以及高精度基准频率源，该方法包含以下步骤：

S1、发射星通过同步天线发射相位同步脉冲信号并被接收星接收，接收星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差；

S2、接收星在接收到发射星的相位同步脉冲信号后，经过系统延时，通过同步天线发射相位同步脉冲信号并被发射星接收，发射星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差；

S3、发射星与接收星将各自的载波相位差下传至地面，进行差分后即可作为回波相位补偿值补偿接收星回波信号，以完成相位同步；

S4、在相位同步模式下，反复执行上述步骤S1～S3。

2.如权利要求1所述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其特征在于：

双星同步时钟单元包含：GPS天线、GPS接收机以及铷钟频率校准单元；其中，GPS接收机通过GPS天线接收GPS导航信号，测量信号传播时延，将本地时间与卫星时间同步，实现高精度授时，利用GPS接收机为双星SAR系统提供高精度的时间同步信息和基准秒脉冲；

铷钟频率校准单元包含频率修正单元和频率锁相单元；

其中，铷钟作为双星SAR系统的基准时钟源，铷钟输出的10MHz信号进入频率修正单元，频率修正单元包含倍频器、直接数字频率综合器及滤波器，铷钟输出的10MHz信号作为直接数字频率综合器的参考源，由直接数字频率综合器的频率控制字来可对铷钟信号进行频率修正；频率修正单元输出的10MHz信号作为参考源通过频率锁相单元锁定100MHz恒温晶振产生所需要的基准频率；频率锁相单元用于滤除直接数字频率综合器产生的杂散，改善相噪。

3.如权利要求1所述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，

其特征在于，所述的步骤S1具体包含：

设时刻t发射星发射的相位同步脉冲信号频率为：

f_T(t)＝f_ref1+Δf_T(t) (1)

其中，f_ref1为发射星基准频率源的基准频率，Δf_T(t)为发射星的频率偏移，t时刻的发射星发射的相位同步脉冲信号的相位为：

其中，为与时间无关的初始相位，θ_T(t)为发射星频率源相位噪声引入的相位，发射星发射的相位同步脉冲信号经过延时τ_d被接收星接收，接收星接收的相位同步脉冲信号的相位为：

此时，相位差为：

4.如权利要求1所述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包含：

设时刻t接收星发射的相位同步脉冲信号频率为：

f_R(t)＝f_ref2+Δf_R(t) (5)

其中，f_ref2为接收星基准频率源的基准频率，Δf_R(t)为接收星频率偏移，则t时刻的接收星发射的相位同步脉冲信号的相位为：

其中，为与时间无关的初始相位，θ_R(t)为接收星频率源相位噪声引入的相位，接收星发出的相位同步脉冲信号经过延时τ_d被发射星接收，发射星接收到的相位同步脉冲信号的相位为：

此时，相位差为：

5.如权利要求1所述的基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包含：

定义为发射星和接收星的相位差的差分值：

将式(9)右边分为两部分，第一部分为第二部分延时τ_d的函数；令u＝t+τ_d，两部分分别对u、t求微分：

的微分反映频率变化差，由来调整频率源达到频率同步；

将下传至地面补偿接收星回波信号相位，进行差分后作为回波相位补偿值以实现相位同步。

6.一种基于双向同步的星载双基SAR系统相位同步系统，其特征在于，包含：

双星同步时钟单元，为系统提供高精度时间同步信息、基准秒脉冲信号以及高精度基准频率源；

发射星，在相位同步模式下，发射相位同步脉冲信号并被接收星接收，接收星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取发射端载波相位差；

接收星，在相位同步模式下，在接收到发射星的相位同步脉冲信号后，经过系统延时，发射相位同步脉冲信号并被发射星接收，发射星通过混频得到中频信号，并进行A/D转换和FFT频谱分析提取接收端载波相位差；

将发射端以及接收端各自的载波相位差，下传至地面，经过计算补偿接收星回波信号，以完成相位同步。