CN110488282A - 一种基于卡尔曼滤波器的高精度相位同步算法 - Google Patents

一种基于卡尔曼滤波器的高精度相位同步算法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于卡尔曼滤波器的高精度相位同步算法，其中，第一合成孔径雷达(SAR)发射的雷达信号产生的回波信号由第一SAR和第二SAR同时接收，得到第一回波接收信号和第二回波接收信号；所述第一SAR接收由所述第二SAR发送的相位同步信号，得到第一同步接收信号；所述第二SAR接收由第一SAR发送的相位同步信号，得到第二同步接收信号；确定所述第一同步接收信号和第二同步接收信号分别经过压缩后的峰值相位，峰值相位作差除以2后得到补偿相位。所述补偿相位经过卡尔曼滤波器后得到高精度的精确补偿相位。所述卡尔曼滤波器参数根据系统具体参数确定。所述精确补偿相位经过插值后，对所述第二回波接收信号进行相位补偿。

Description

一种基于卡尔曼滤波器的高精度相位同步算法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种基于卡尔曼滤波器的高精度相位同步算法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种主动式微波成像雷达，它可以安装在飞机、卫星、导弹等飞行平台上。由于SAR能够全天时、全天候地实施观测，并且具有一定的地表穿透能力，因此，SAR在灾害监测、资源勘探、海洋监测、环境监测、测绘和军事侦察等方面的应用上具有独特的优势。
与单基地雷达相比，双基地雷达收发分置的特殊配置使其具有配置灵活、获取信息丰富、抗拦截、抗干扰等优点，这些优势以及应用前景使得双基地雷达近几年来越来越受到青睐。双基SAR系统是一种新的重要的雷达系统，该系统将雷达搭载在编队飞行的多颗卫星上，构成双基地雷达系统，共同完成大测绘带高分辨率成像、地面高程测量、洋流测速和地面动目标监测等任务；双星编队通过主星发射信号，辅星同时接收信号实现。但是，由于主辅星使用不同的晶振，这样，一方面，在方位向会存在由于晶振频率误差引入的相位误差并随时间积累；另一方面，由于发射、接收相位噪声不相关，不能如单站情况下抵消低频相噪分量，相位不同步产生的回波域相位误差会影响成像聚焦和干涉相位精度；因此，需要进行相位同步。
卡尔曼滤波是一种时域滤波方法，采用状态空间方法描述系统，算法采用递推形式，数据存储量小，不仅可以处理平稳随机过程，也可以处理多维和非平稳随机过程。Kalman滤波器应用范围广泛，设计方法简单易行，广泛应用在国防、军事、跟踪、制导等许多高科技领域。将卡尔曼滤波方法应用到相位同步中去，可以提高相位同步精度，从而提高双基SAR成像质量。
发明内容
为解决双星编队SAR系统中的相位同步问题，本发明提供一种基于卡尔曼滤波器的高精度相位同步算法，利用发射雷达信号和接收雷达回波信号的时间间隙发送和接收相位同步信号，将同步信号脉冲压缩后求解补偿相位，根据系统模型求解卡尔曼滤波器模型中的各个参数，将补偿相位经过卡尔曼滤波器后得到高精度的精确补偿相位，精确补偿相位插值得到与回波数据方位向维度相同的精确补偿相位，将插值后的精确补偿相位补偿到回波信号中后，能实现双星编队SAR系统中回波信号的相位同步，提高成像质量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
1.第一合成孔径雷达(SAR)发射的雷达信号产生的回波信号由第一SAR和第二SAR接收，得到第一回波接收信号sr1和第二回波接收信号sr2；
在所述雷达信号发射时间段和回波信号的回波采样窗之外的空余时间，进行所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的发送和接收。所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的载频与所述雷达信号的载频相同。
所述第一SAR接收由所述第二SAR发送的第一相位同步信号，得到第一同步接收信号ssyn1；
第二SAR接收由第一SAR发送的第二相位同步信号，得到第二同步接收信号ssyn2；
对第一同步接收信号ssyn1脉冲压缩得到峰值相位对第二同步接收信号ssyn2脉冲压缩得到峰值相位
补偿相位的计算公式为
利用卡尔曼滤波对补偿相位进行滤波得到高精度的精确补偿相位
对精确补偿相位按照第二回波接收信号sr2的方位向点数进行插值，得到插值后的精确补偿相位
对第二回波接收信号sr2进行相位补偿得到补偿后的第二回波接收信号
2.所述卡尔曼滤波器器的构建方法如下：
系统状态量其中为t时刻的补偿相位，Δf(t)为t时刻主星和辅星之间的频率偏差。
系统的状态方程为:
X(ti+1)＝AX(ti)+W
其中表示ti时刻的系统状态量，表示ti+1时刻的系统状态量。W表示系统过程噪声，为一个2×1阶的矩阵向量。A为状态转移矩阵，可以表示为
其中，Δt＝ti+1-ti表示时间监测
系统观测量其中为t时刻观测得到的补偿相位，为t时刻观测得到的主星和辅星之间的频率偏差。
系统观测量方程为
Y(ti)＝HX(ti)+V
其中，V为观测噪声，为一个2×1阶的矩阵向量。H为观测矩阵，可以表示为
3.所述卡尔曼滤波器算法步骤如下：
步骤一：参数初始化，初始化X(t0)和P(t0)，其中，X(t0)为状态量初始值，P(t0)为后验误差方差阵的初始值；
步骤二：根据上一时刻后验估计状态量对本时刻状态量进行先验估计得到根据上一时刻后验估计误差的方差阵Pk-1对本时刻误差的方差阵进行先验估计得到公式如下：
P(ti|ti-1)＝AP(ti-1)AT+Q
其中Q＝E[WWT]为过程噪声方差阵，E[·]表示求解协方差矩阵。
步骤三：计算本时刻先验估计误差的方差阵，计算卡尔曼增益矩阵，公式如下
K(ti)＝P(ti|ti-1)HT[HP(ti|ti-1)HT+R]-1
其中，R＝E[VVT]为测量噪声方差阵。
步骤四：根据卡尔曼增益阵K(ti)和时刻ti观测值Y(ti)，对本时刻先验估计状态量进行修正，得到本时刻状态量的后验估计同时根据卡尔曼增益阵K(ti)和本时刻先验估计误差的方差阵P(ti|ti-1)得到本时刻后验估计误差的方差阵P(ti)，具体计算公式如下：
P(ti)＝[I-K(ti)H]P(ti|ti-1)
步骤五：中的第一个元素为经过卡尔曼纳滤波后高精度的精确补偿相位的输出值，返回步骤二，依次进行递推。
附图说明
图1为本发明实施例主星和辅星收发信号的时序图；
图2为本发明实施例相位同步补偿的实现流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
本发明实施例中，第一合成孔径雷达(SAR)发射的雷达信号产生的回波信号由第一SAR和第二SAR接收，得到第一回波接收信号sr1和第二回波接收信号sr2；
在所述雷达信号发射时间段和回波信号的回波采样窗之外的空余时间，进行所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的发送和接收。所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的载频与所述雷达信号的载频相同。
如图1所示，所述第一SAR接收由所述第二SAR发送的第一相位同步信号，得到第一同步接收信号ssyn1；
第二SAR接收由第一SAR发送的第二相位同步信号，得到第二同步接收信号ssyn2；
如图2所示，对第一同步接收信号ssyn1脉冲压缩得到峰值相位对第二同步接收信号ssyn2脉冲压缩得到峰值相位
补偿相位的计算公式为
利用卡尔曼滤波对补偿相位进行滤波得到高精度的精确补偿相位
对精确补偿相位按照第二回波接收信号sr2的方位向点数进行插值，得到插值后的精确补偿相位
对第二回波接收信号sr2进行相位补偿得到补偿后的第二回波接收信号
所述卡尔曼滤波器器的构建方法如下：
系统状态量其中为t时刻的补偿相位，Δf(t)为t时刻主星和辅星之间的频率偏差。
系统的状态方程为:
X(ti+1)＝AX(ti)+W
其中表示ti时刻的系统状态量，表示ti+1时刻的系统状态量。W表示系统过程噪声，为一个2×1阶的矩阵向量。A为状态转移矩阵，可以表示为
其中，Δt＝ti+1-ti表示时间监测
系统观测量其中为t时刻观测得到的补偿相位，为t时刻观测得到的主星和辅星之间的频率偏差。
系统观测量方程为
Y(ti)＝HX(ti)+V
其中，V为观测噪声，为一个2×1阶的矩阵向量。H为观测矩阵，可以表示为
所述卡尔曼滤波器算法步骤如下：
步骤一：参数初始化，初始化X(t0)和P(t0)，其中，X(t0)为状态量初始值，P(t0)为后验误差方差阵的初始值；
步骤二：根据上一时刻后验估计状态量对本时刻状态量进行先验估计得到根据上一时刻后验估计误差的方差阵Pk-1对本时刻误差的方差阵进行先验估计得到公式如下：
P(ti|ti-1)＝AP(ti-1)AT+Q
其中Q＝E[WWT]为过程噪声方差阵，E[·]表示求解协方差矩阵。
步骤三：计算本时刻先验估计误差的方差阵，计算卡尔曼增益矩阵，公式如下
K(ti)＝P(ti|ti-1)HT[HP(ti|ti-1)HT+R]-1
其中，R＝E[VVT]为测量噪声方差阵。
步骤四：根据卡尔曼增益阵K(ti)和时刻ti观测值Y(ti)，对本时刻先验估计状态量进行修正，得到本时刻状态量的后验估计同时根据卡尔曼增益阵K(ti)和本时刻先验估计误差的方差阵P(ti|ti-1)得到本时刻后验估计误差的方差阵P(ti)，具体计算公式如下：
P(ti)＝[I-K(ti)H]P(ti|ti-1)
步骤五：中的第一个元素为经过卡尔曼纳滤波后高精度的精确补偿相位的输出值，返回步骤二，依次进行递推。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于卡尔曼滤波器的高精度相位同步算法，其特征在于，所述方法包括：
第一合成孔径雷达(SAR)发射的雷达信号产生的回波信号由第一SAR和第二SAR接收，得到第一回波接收信号sr1和第二回波接收信号sr2；
所述第一SAR接收由所述第二SAR发送的第一相位同步信号，得到第一同步接收信号ssyn1；
第二SAR接收由第一SAR发送的第二相位同步信号，得到第二同步接收信号ssyn2；
对第一同步接收信号ssyn1脉冲压缩得到峰值相位对第二同步接收信号ssyn2脉冲压缩得到峰值相位
补偿相位的计算公式为
利用卡尔曼滤波对补偿相位进行滤波得到高精度的精确补偿相位
对精确补偿相位按照第二回波接收信号sr2的方位向点数进行插值，得到插值后的精确补偿相位
对第二回波接收信号sr2进行相位补偿得到补偿后的第二回波接收信号
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的发送和接收，包括：
在所述雷达信号发射时间段和回波信号的回波采样窗之外的空余时间，进行所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的发送和接收。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述雷达信号发射时间段和回波信号的回波采样窗之外的空余时间，进行所述相位同步信号的发送和接收，包括：
所述第一SAR在第一脉冲重复时间(PRT)的空余时间发射第二相位同步信号，所述第二SAR接收所述第二同步接收信号；
所述第二SAR在第二脉冲重复时间(PRT)的空余时间发射第一相位同步信号，所述第一SAR接收所述第一同步接收信号。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据用于传输所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的空余时间的时长，以及第一相位同步信号和第二相位同步信号的传输时长，根据第二预设规则确定所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的脉冲宽度最大值；
根据预设信噪比阈值，根据第三预设规则确定所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的脉冲宽度最小值。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述第一相位同步信号和第二相位同步信号的载频与所述雷达信号的载频相同。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器器的构建方法如下：
系统状态量其中为t时刻的补偿相位，Δf(t)为t时刻主星和辅星之间的频率偏差；
系统的状态方程为:
X(ti+1)＝AX(ti)+W
其中表示ti时刻的系统状态量，表示ti+1时刻的系统状态量；W表示系统过程噪声，为一个2×1阶的矩阵向量；A为状态转移矩阵，可以表示为
其中，Δt＝ti+1-ti表示时间监测
系统观测量其中为t时刻观测得到的补偿相位，为t时刻观测得到的主星和辅星之间的频率偏差；
系统观测量方程为
Y(ti)＝HX(ti)+V
其中，V为观测噪声，为一个2×1阶的矩阵向量；
H为观测矩阵，可以表示为
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器算法步骤如下：
步骤一：参数初始化，初始化X(t0)和P(t0)，其中，X(t0)为状态量初始值，P(t0)为后验误差方差阵的初始值；
步骤二：根据上一时刻后验估计状态量对本时刻状态量进行先验估计得到根据上一时刻后验估计误差的方差阵Pk-1对本时刻误差的方差阵进行先验估计得到公式如下：
P(ti|ti-1)＝AP(ti-1)AT+Q
其中Q＝E[WWT]为过程噪声方差阵，E[·]表示求解协方差矩阵；
步骤三：计算本时刻先验估计误差的方差阵，计算卡尔曼增益矩阵，公式如下
K(ti)＝P(ti|ti-1)HT[HP(ti|ti-1)HT+R]-1
其中，R＝E[VVT]为测量噪声方差阵；
步骤四：根据卡尔曼增益阵K(ti)和时刻ti观测值Y(ti)，对本时刻先验估计状态量进行修正，得到本时刻状态量的后验估计同时根据卡尔曼增益阵K(ti)和本时刻先验估计误差的方差阵P(ti|ti-1)得到本时刻后验估计误差的方差阵P(ti)，具体计算公式如下：
P(ti)＝[I-K(ti)H]P(ti|ti-1)
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111812643A (zh) * 2020-06-03 2020-10-23 中国科学院空天信息创新研究院 一种雷达成像方法、装置、设备及存储介质
CN113466855A (zh) * 2021-07-22 2021-10-01 中国科学院空天信息创新研究院 一种信号重构方法及装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102508278A (zh) * 2011-11-28 2012-06-20 北京航空航天大学 一种基于观测噪声方差阵估计的自适应滤波方法
CN103888237A (zh) * 2014-04-04 2014-06-25 瑞斯康达科技发展股份有限公司 一种实现时钟时间同步的方法及装置
EP3396406A1 (en) * 2017-04-27 2018-10-31 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Phase synchronization method, device thereof and equipment
CN108833071A (zh) * 2018-03-19 2018-11-16 中国科学院电子学研究所 一种相位同步方法和装置
CN109917388A (zh) * 2019-04-08 2019-06-21 中国科学院电子学研究所 双基合成孔径雷达相位同步方法、装置、设备及存储介质
CN110018506A (zh) * 2019-04-08 2019-07-16 南京航空航天大学 基于和差组合卡尔曼滤波器的gnss双频联合跟踪算法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102508278A (zh) * 2011-11-28 2012-06-20 北京航空航天大学 一种基于观测噪声方差阵估计的自适应滤波方法
CN103888237A (zh) * 2014-04-04 2014-06-25 瑞斯康达科技发展股份有限公司 一种实现时钟时间同步的方法及装置
EP3396406A1 (en) * 2017-04-27 2018-10-31 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Phase synchronization method, device thereof and equipment
CN108833071A (zh) * 2018-03-19 2018-11-16 中国科学院电子学研究所 一种相位同步方法和装置
CN109917388A (zh) * 2019-04-08 2019-06-21 中国科学院电子学研究所 双基合成孔径雷达相位同步方法、装置、设备及存储介质
CN110018506A (zh) * 2019-04-08 2019-07-16 南京航空航天大学 基于和差组合卡尔曼滤波器的gnss双频联合跟踪算法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111812643A (zh) * 2020-06-03 2020-10-23 中国科学院空天信息创新研究院 一种雷达成像方法、装置、设备及存储介质
CN113466855A (zh) * 2021-07-22 2021-10-01 中国科学院空天信息创新研究院 一种信号重构方法及装置
CN113466855B (zh) * 2021-07-22 2023-04-25 中国科学院空天信息创新研究院 一种信号重构方法及装置

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