CN110133652B - 一种提高gnss-sar距离向压缩信号分辨率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种提高GNSS‑SAR距离向压缩信号分辨率的方法。技术方案包括以下步骤：将收到的GNSS‑SAR回波信号进行预处理，生成距离向压缩信号；对距离向压缩信号在每一个采样点上进行平方处理；对上述结果进行关于距离向延时的二阶导数处理，得到分辨率增强的距离向压缩信号；对分辨率增强的距离向压缩信号进行载波相位恢复的处理，即得到高分辨率的距离向压缩信号。本发明可以显著地提升信号的距离向分辨率，并且不影响雷达成像的后续处理。

Description

一种提高GNSS-SAR距离向压缩信号分辨率的方法
技术领域
本发明属于SAR(SyntheticAperture Radar，合成孔径雷达)成像技术领域，具体地说，本发明涉及一种对获得的距离向压缩信号进行处理，以提升其距离向分辨率的方法。
背景技术
利用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)为机会式发射源(Transmission ofopportunity)的被动式SAR系统，简称GNSS-SAR，在近十年内得到了广泛的关注。由于其系统无需特定的信号发射装置，其成本比传统主动式SAR的要低很多，并且隐蔽性以及抗电子侦察的性能更好。又因为GNSS信号的发射是从不间断的，因此，比起其他形式的被动式SAR，GNSS-SAR可全天候、无盲区的进行目标探测。
但是，由于GNSS原始信号带宽的限制，导致了GNSS-SAR的距离向分辨率较低，这将导致在距离向坐标中很近的两个物体很难从GNSS-SAR图像上区分开来，严重影响了其在实际应用中的效果。基于现有的方法[1,2]，在最优双基地角的情况下，两倍信号带宽值是决定距离向分辨率的唯一因素。反应到距离向压缩信号中，时域上的压缩脉冲的主瓣宽度值(伪随机码相关函数的主瓣宽度)即两倍信号带宽值。GNSS-SAR中最佳距离向分辨率与其对应的带宽如表一所示。
基于表一所示的性质，现阶段大部分GNSS-SAR相关工作采用带宽较高的GNSS信号以达到较高的距离向分辨率。也有相关工作利用Galileo E5信号频谱连续的特性，合成Galileo E5a和E5b的信号以提升距离向分辨率[2]。但是，在这些工作中，最佳距离向分辨率仍然束缚于两倍信号带宽的水平，能否打破该束缚，进一步的提升距离向分辨率以满足高分遥感的需求是非常值得探讨的问题。
表1 GNSS信号带宽与最佳距离向分辨率一览表
GNSS信号 带宽 距离向分辨率
GPSC/A码信号 1.023MHz 150m
GPSP码信号 10.23MHz 15m
GLONASS信号 5.115MHz 30m
伽利略E5a/b信号 10.23MHz 15m
全带宽伽利略E5信号 51.15MHz 3m
北斗卫星信号 10.23MHz 15m
发明内容
本发明的目的在于，针对现有最佳距离向分辨率限制于两倍信号带宽值的问题，提出一种提高GNSS-SAR距离向压缩信号分辨率的方法。该方法能够降低GNSS信号中伪随机码相关函数时域上主瓣宽度，将不同距离向延时GNSS-SAR信号的可识别度提升至两个伪码延时的水平，从而使得最佳距离向分辨率远远高于两倍信号带宽值，为GNSS-SAR高分遥感的实现奠定了基础。
为实现所述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：
将收到的GNSS-SAR回波信号进行预处理，生成距离向压缩信号；对距离向压缩信号在每一个采样点上进行平方处理；对上述结果进行关于距离向延时的二阶导数处理，得到分辨率增强的距离向压缩信号；对分辨率增强的距离向压缩信号进行载波相位恢复的处理，即得到高分辨率的距离向压缩信号。
进一步地，当信号强度较低，或者直射天线与反射信号天线不在同一接收平台的情况下，需对距离向压缩信号在每一个采样点上进行平方处理之前，进行降噪处理或运动补偿处理。
进一步地，当信号强度较低时，可对高分辨率的距离向压缩信号进行门限处理，进一步去除噪声。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
·本发明通过进行距离向延时的二阶导数处理，可在两个伪码延时的时长上区分多个GNSS-SAR回波信号，从而显著地提升了距离向分辨率。
·本发明在进行距离向延时的二阶导数处理之前先对每一个采样点上进行平方处理，使得二阶导数处理后的信号旁瓣减小，从而减小了对主瓣信号的干扰。
·本发明通过载波相位恢复的处理，使得本发明的处理步骤不给信号方位向处理带来负面影响，从而不影响雷达成像的后续处理。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明一个实施例的参数图；
图3为本发明的实验设备图：
·图3(a)天线配置；
·图3(b)GNSS软件接收机前端；
·图3(c)GNSS信号采集软件；
·图3(d)目标物体；
图4为本发明的实验场景模型图；
图5为本发明所提出的方法与现有方法的成像结果对比图：
·图5(a)现有方法；
·图5(b)本发明的方法。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明提供的GNSS-SAR高分辨率遥感成像的方法作进一步详细的解释。
第一步，将收到的GNSS-SAR回波信号进行预处理，生成距离向压缩信号。
GNSS-SAR信号的接收以及接收到的信号模型可参考文献[1-2]。设在GNSS-SAR中，
Figure BDA0002075775780000041
表示距离向为t方位向为u时，在距离向时域内的第k个回波信号；sm(t,u)表示距离向为t方位向为u时的本地匹配滤波信号。本发明距离向压缩的预处理即将
Figure BDA0002075775780000042
与sm(t,u)在每一个码周期T内进行相关运算，其信号项表达式为：
Figure BDA0002075775780000043
其中
Figure BDA0002075775780000044
代表预处理的结果；
Figure BDA0002075775780000045
表示伪随机码相关函数；Nr表示在一个码周期T内，不同码延时的回波信号
Figure BDA0002075775780000046
的总个数；
Figure BDA0002075775780000047
表示回波信号
Figure BDA0002075775780000048
的幅度值；τ(u)表示一个距离向时域内，sm(t,u)相对于GNSS卫星发送端的信号传播延时；
Figure BDA0002075775780000049
表示距离向时域内回波信号
Figure BDA00020757757800000410
相对于本地匹配滤波信号sm(t,u)的传播延时；
Figure BDA0002075775780000051
和
Figure BDA0002075775780000052
分别代表回波信号
Figure BDA0002075775780000053
和本地匹配滤波信号sm(t,u)的载波相位，在同一距离向时域内，它们通常是不变的。由式(1)可以看出，距离向压缩信号主要由与一组正交相位所构成。
第二步，对距离向压缩信号在每一个采样点上进行平方处理。
基于式(1)，对信号的每个数字化采样点进行取平方处理，其表达式如下：
Figure BDA0002075775780000054
第三步，对(2)中的结果在关于每一个距离向延时做二阶导的处理，其数学表达式如下：
Figure BDA0002075775780000055
由式(2)和式(3)可以看到，由于对信号的每个采样点进行了平方处理，使得原始的载波相位发生了变化。为了保留原始载波相位用于方位向的压缩，进行完二阶导处理后需进行恢复载波相位的处理。
第四步，基于(3)的结果，生成载波相位恢复因子，方便后续进行恢复载波相位的处理，其过程如下：
4a)基于式(3)取正切值，其表达式如下：
Figure BDA0002075775780000056
4b)随后，可以得到：
Figure BDA0002075775780000061
4c)之后，基于式(5)，相位恢复的算子生成如下：
Figure BDA0002075775780000062
第五步，基于载波相位恢复因子，利用式(6)进行恢复载波相位的处理，最终得到高分辨率的距离向压缩信号
Figure BDA0002075775780000063
Figure BDA0002075775780000064
由于在实际应用中，在信号接收端普遍存在背景噪声，并且不同延时的回波信号强度也不一样，因此对式(6)得到的结果，需要通过设置判定门限的方式，从背景噪声中识别高分辨率的压缩脉冲信号。与多径脉冲信号的相关峰值识别类似，式(6)中的每一个脉冲峰值Diff2peak与码延时的关系可推导为：
Figure BDA0002075775780000065
其中，xk表示第k个脉冲的峰值，Diff2Thres表示区分噪声与脉冲的门限值。该门限的设定基于如下表达式：
Figure BDA0002075775780000071
其中，ω代表权重因子，n表示背景噪声幅度。经过仿真与实验，基于BPSK(BinaryPhase Shift Keying，二进制相移键控)信号的调制模式，ω的取值范围为[0.22,0.3]较合适；基于BOC(Binary-Offset-Carrier，二进制偏移载波)信号的调制模式，ω的取值范围为[0.37,0.5]比较合适。
此外，若接收到的GNSS-SAR回波信号很弱，则进行完式(1)的处理后，式(2)处理之前，需要进行信号增强的处理。通过将式(1)的方位向分解成多个不重叠的小时隙，然后再将预处理得到的距离向信号在每一个划分的方位向小时隙中进行累加将有助于提升信号的增益，从而达到降噪的目的，小时隙的长度根据实际情况确定。与此同时，若反射信号接收天线与直射信号接收天线不在同一平台，则会出现距离向迁移。在这种情况下，在式(1)的步骤和式(2)的步骤之间需进行迁移矫正。基于探测区域与雷达接收机的距离，可生成距离向迁移矫正因子，将该因子与式(1)所得到的信号相乘即可完成距离向迁移的矫正。
下面通过基于GPS C/A码信号的实地实验，对本发明所提出的方法进行验证。本实验的参数如图2所示。本实验距离向的采样率是16.368 MHz，GPS C/A码信号的周期T为1ms，且传播速度为c＝3×108m/s，因此，每个采样点所表示的距离为18m。本发明实验的装置图如图3(a)至(c)所示，其中图3(a)为直射信号天线(direct antenna)与反射信号天线(surveillance antenna)的配置图；图3(b)所示为基于GPS C/A码信号的接收机前端，图3(c)为信号采集软件。在本发明的验证中，目标物体为两个相同的反射板，反射板是由截面积约为0.2m2(44cm×44cm)锡箔材质制成，图3(d)示出一个反射板。验证实验的模型图如图4所示。图4中，以GPS C/A码信号接收机所在位置(Receiver Location)为距离向0点，两个反射板依次分布于距离向6m以及距离向70m的位置，其成像结果如图5所示。图5中，横轴为距离向距离，纵轴为方位向角距离。通过将本发明的方法(图5(b))和现有方法[1,2](图5(a))的对比，可以看出，本发明所提出的算法对距离向分辨率的提升非常显著，这两个目标物体距离向位置的差异能够很好地在GNSS-SAR图像上表达出来。而在图5(a)中，基于现有的距离向压缩方法，由于基于图2所示参数，理论上现有距离向压缩方法可提供的最佳分辨率只有
Figure BDA0002075775780000081
(c为信号传播速度)，这导致了这两个目标的距离向位置的差异很难在GNSS-SAR图像上识别出来。而通过图5(b)，可看出基于本发明方法能够提供40m的距离向分辨率，突破了两倍带宽值的限制，这为GNSS-SAR高分辨率遥感的方法提供了一个全新的思路。
参考文献
[1]Tzagkas,D.Coherent Change Detection with GNSS-based SAR–Experimental Study,Doctoral dissertation,University ofBirmingham,2013.
[2]Ma,H.；Antoniou,M.and Cherniakov,M.Passive GNSS-Based SARResolution Improvement Using Joint Galileo E5 Signals.IEEE Geoscience andRemote Sensing Letters,2015,12(8),1640–1644.

Claims (4)

1.一种提高GNSS-SAR距离向压缩信号分辨率的方法，GNSS是指全球导航卫星系统，SAR是指合成孔径雷达，其特征在于，包括下述步骤：
将收到的GNSS-SAR回波信号进行预处理，生成距离向压缩信号；对距离向压缩信号在每一个采样点上进行平方处理；对平方处理后的结果进行关于距离向延时的二阶导数处理，得到分辨率增强的距离向压缩信号；对分辨率增强的距离向压缩信号进行载波相位恢复的处理，得到高分辨率的距离向压缩信号。
2.根据权利要求1所述的提高GNSS-SAR距离向压缩信号分辨率的方法，其特征在于，
对距离向压缩信号在每一个采样点上进行平方处理之前，进行降噪处理。
3.根据权利要求1所述的提高GNSS-SAR距离向压缩信号分辨率的方法，其特征在于，
对距离向压缩信号在每一个采样点上进行平方处理之前，进行运动补偿处理。
4.根据权利要求1至3之一所述的提高GNSS-SAR距离向压缩信号分辨率的方法，其特征在于，
对高分辨率的距离向压缩信号进行门限处理。
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