CN111751822B - 一种时间和相位同步方法、系统、设备和介质 - Google Patents

一种时间和相位同步方法、系统、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种时间和相位同步方法、系统、设备和介质。所述方法包括：S1，得到主星回波信号和辅星回波信号；S2，获取辅星相对主星的相位误差和时间误差，对所述辅星回波信号进行补偿，对补偿后的辅星回波信号成像处理得到辅星图像；S3，对辅星图像进行自聚焦处理，并获取估算相位误差和时间误差，得到重新聚焦后的辅星图像；S4，获取更新后的相位误差和更新后的时间误差，S5，判断所述估算相位误差和所述估算时间误差是否满足预设条件，若是，将此时更新后的相位误差和更新后的时间误差作为最终相位误差和最终时间误差；若否，重复执行S2至S5。从而可以对辅星回波数据进行精确补偿，提高成像质量和干涉精度。

Description

一种时间和相位同步方法、系统、设备和介质
技术领域
本发明涉及一种时间和相位同步方法、系统、设备和介质。
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，能够全天时、全天候实施观测，且具有一定的地表穿透能力，因此，SAR在灾害监测、资源勘探、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。
双基SAR收发分置，具有基线配置灵活、获取信息丰富、抗拦截、抗干扰等优点。星载双基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，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。双星编队中，主星发射信号，主星和辅星同时接收地面回波。但由于主星和辅星使用不同的晶振，一方面，在方位向会存在由于双星晶振频率误差引入的相位误差；另一方面，辅星相对主星的参考时间也会逐渐漂移，引入时间误差。引入的时间和相位误差会造成目标成像散焦，图像质量下降，而且目标位置偏移且含有相位误差，影响干涉精度。因此，在双基SAR信号处理中，如何进行时间和相位误差校正，以实现双基SAR图像精聚焦和高精度干涉处理，是目前研究人员关注的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
在双基SAR信号处理中，如何进行时间和相位误差校正，以实现双基SAR图像精聚焦和高精度干涉处理。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种时间和相位同步方法，所述方法包括：步骤S1，主星发射向地面发射的雷达信号产生的回波信号由主星和辅星同时接收，得到主星回波信号S主和辅星回波信号S辅；对所述主星回波信号S主进行成像处理得到主星图像；步骤S2，获取辅星相对主星的相位误差Δφ和时间误差Δt，利用所述相位误差Δφ和时间误差Δt对所述辅星回波信号S辅进行补偿，得到补偿后的辅星回波信号S辅′，对所述补偿后的辅星回波信号S辅′成像处理得到辅星图像；步骤S3，对所述辅星图像进行自聚焦处理，并获取估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest，得到重新聚焦后的辅星图像；步骤S4，获取更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′，其中，Δφ′＝Δφ+Δφest，Δt′＝Δt+Δtest；步骤S5，判断所述估算相位误差Δφest和所述估算时间误差Δtest是否满足预设条件，若是，将此时所述更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′作为最终相位误差和最终时间误差；若否，重复执行步骤S2至步骤S5。
可选地，所述步骤S2中，所述补偿后的辅星回波信号S辅′通过下式得到：
Stemp＝S辅·exp(jΔφ)
S辅′＝IFFTrange(FFTrange(Stemp)·exp(j2πfΔt))
其中，FFTrange为距离向傅里叶变换，IFFTrange为距离向逆傅里叶变换，·为相乘操作，S辅为辅星回波信号，Δt为辅星相对主星的时间误差，Δφ为辅星相对主星的相位误差，f为距离向频率，
Figure BDA0002568715660000021
为复常数。
可选地，所述步骤S3中，所述对所述辅星图像进行自聚焦处理，包括：在图像数据序列中获取特显点所在的若干个距离单元；对所述距离单元的数据序列作方位向傅里叶变换，得到该些距离单元的方位维，并对每个所述特显点利用窗函数截取复图像序列；将每个所述复图像序列作圆位移，并将所述特显点的峰值移至图像中心；将每个所述复图像序列通过逆傅里叶变换，得到若干个复图像数据序列和相关向量，估算该若干个复图像数据序列的误差，并将所述误差合并，得到最终的估计误差。
可选地，所述窗函数的窗宽包含所述特显点的能量。
可选地，所述估算时间误差Δtest通过下式得到：
Δtest＝Δφest/(2πf0)
其中，f0为雷达系统载频。
可选地，所述步骤S5中，所述预设条件为：
|Δφest|＜Δφthres，且|Δtest|＜Δtthres，
其中，Δφthres为预设相位误差阈值，Δtthres为预设时间误差阈值。
本发明另一方法提供一种时间和相位同步系统，所述系统包括：主星图像获取模块，用于主星发射向地面发射的雷达信号产生的回波信号由主星和辅星同时接收，得到主星回波信号S主和辅星回波信号S辅；对所述主星回波信号S主进行成像处理得到主星图像；辅星图像获取模块，用于获取辅星相对主星的相位误差Δφ和时间误差Δt，利用所述相位误差Δφ和时间误差Δt对所述辅星回波信号S辅进行补偿，得到补偿后的辅星回波信号S辅′，对所述补偿后的辅星回波信号S辅′成像处理得到辅星图像；聚焦后的辅星图像获取模块，用于对所述辅星图像进行自聚焦处理，并获取估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest，得到重新聚焦后的辅星图像；更新误差模块，用于获取更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′，其中，Δφ′＝Δφ+Δφest，Δt′＝Δt+Δtest；判断迭代模块，用于判断所述估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest是否满足预设条件，若是，将此时所述更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′作为最终相位误差和最终时间误差；若否，重复执行辅星图像获取模块、聚焦后的辅星图像获取模块和判断迭代模块。
本发明又一方面提供了一种电子设备，所述设备包括：处理器；存储器，其存储有计算机可执行程序，该程序在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上文所述的方法。
本发明再一方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上文所述的方法。
(三)有益效果
本发明提出的时间和相位同步方法可以有效的估计出星载双基SAR系统中的时间和相位误差，从而可以对辅星回波数据进行精确补偿，提高成像质量和干涉精度。该方法在星载双基SAR系统中具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明的一个实施例提供的一种时间和相位同步方法流程图；
图2是现有技术提供的未经过时间误差和同步误差补偿的辅星成像结果；
图3是本发明的一个实施例提供的一种时间和相位同步方法中预设的相位误差；
图4是本发明的一个实施例提供的一种时间和相位同步方法中估计的最终相位误差；
图5是本发明的一个实施例提供的一种时间和相位同步方法中预设的时间误差；
图6是本发明的一个实施例提供的一种时间和相位同步方法中估计的最终时间误差；
图7是本发明的一个实施例提供的一种时间和相位同步方法中经过时间误差和同步误差补偿后的辅星数据的成像结果；
图8是本发明一个实施例提供的一种时间和相位同步系统框图；
图9是本发明一个实施例提供的电子设备的框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
参见图1，本发明的一个实施例提供了一种时间和相位同步方法，所述方法包括步骤S1-S5的内容：
步骤S1，主星发射向地面发射的雷达信号产生的回波信号由主星和辅星同时接收，得到主星回波信号S主和辅星回波信号S辅；对所述主星回波信号S主进行成像处理得到主星图像。
在本发明的一个具体实施例中，卫星轨道高度为607km，主星和辅星之间间距为5km，载频f0＝1.26GHz。带宽为80MHz，采样率为90MHz，方位向合成孔径时间为3s。入射角为45度。此时，对辅星回波信号S辅进行成像处理，得到的成像结果如图2所示，从图中可以看出，目标散焦，图像质量下降。
步骤S2，获取辅星相对主星的相位误差Δφ和时间误差Δt，利用所述相位误差Δφ和时间误差Δt对所述辅星回波信号S辅进行补偿，得到补偿后的辅星回波信号S辅′，对所述补偿后的辅星回波信号S辅′成像处理得到辅星图像。
在该步骤中，所述补偿后的辅星回波信号S辅′通过下式得到：
Stemp＝S辅·exp(jΔφ)
S辅′＝IFFTrange(FFTrange(Stemp)·exp(j2πfΔt))
其中，FFTrange为距离向傅里叶变换，IFFTrange为距离向逆傅里叶变换，·为相乘操作，S辅为辅星回波信号，Δt为辅星相对主星的时间误差，Δφ为辅星相对主星的相位误差，f为距离向频率，
Figure BDA0002568715660000051
为复常数。
需要说明的是，在步骤S2之前，该方法还包括初始化相位误差Δφ＝0，初始化时间误差Δt＝0。
步骤S3，对所述辅星图像进行自聚焦处理，并获取估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest，得到重新聚焦后的辅星图像。
在该步骤中，所述估算时间误差Δtest通过下式得到：
Δtest＝Δφest/(2πf0)
其中，f0为雷达系统载频。
另外，在该步骤中，所述对所述辅星图像进行自聚焦处理，包括：
操作一：选取参考点：在图像数据序列中获取特显点所在的若干个距离单元；
操作二：加窗：对所述距离单元的数据序列作方位向傅里叶变换，得到该些距离单元的方位维，并对每个所述特显点利用窗函数截取复图像序列；其中，所述窗函数的窗宽包含所述特显点的能量，该窗宽根据散焦情况确定，其宽度可以为几十个到百余个方位分辨单元。
操作三：圆周移位：将每个所述复图像序列作圆位移，并将所述特显点的峰值移至图像中心；
操作四：估计序列误差：将每个所述复图像序列通过逆傅里叶变换，得到若干个复图像数据序列和相关向量，估算该若干个复图像数据序列的误差，并将所述误差合并，得到最终的估计误差。
步骤S4，获取更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′，其中，Δφ′＝Δφ+Δφest，Δt′＝Δt+Δtest。
步骤S5，判断所述估算相位误差Δφest和所述估算时间误差Δtest是否满足预设条件，若是，将此时所述更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′作为最终相位误差和最终时间误差；若否，重复执行步骤S2至步骤S5。
在该步骤中，所述预设条件为：
|Δφest|＜Δφthres，且|Δtest|＜Δtthres，
其中，Δφthres为预设相位误差阈值，Δtthres为预设时间误差阈值。
在本发明的一个具体实施例中，预设的相位误差如图3所示，预设的时间误差如图5所示。采用本发明提供的步骤S1-S5的方法后，估计的最终相位误差如图4所示，估计的最终时间误差如图6所示。从图3和图4对比，图5和图6对比中，可以看出，估计精度较高，本发明提供的步骤S1-S5的方法具备有效性和可靠性。利用估计的最终相位误差和估计的最终时间误差对辅星数据进行补偿，然后进行成像处理，得到的成像结果如图7所示，可见，此时聚焦精度良好。
本发明另一个实施例提供了一种时间和相位同步系统，参见图8，所述系统800包括：主星图像获取模块801，用于主星发射向地面发射的雷达信号产生的回波信号由主星和辅星同时接收，得到主星回波信号S主和辅星回波信号S辅；对所述主星回波信号S主进行成像处理得到主星图像；辅星图像获取模块802，用于获取辅星相对主星的相位误差Δφ和时间误差Δt，利用所述相位误差Δφ和时间误差Δt对所述辅星回波信号S辅进行补偿，得到补偿后的辅星回波信号S辅′，对所述补偿后的辅星回波信号S辅′成像处理得到辅星图像；聚焦后的辅星图像获取模块803，用于对所述辅星图像进行自聚焦处理，并获取估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest，得到重新聚焦后的辅星图像；更新误差模块804，用于获取更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′，其中，Δφ′＝Δφ+Δφest，Δt′＝Δt+Δtest；判断迭代模块805，用于判断所述估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest是否满足预设条件，若是，将此时所述更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′作为最终相位误差和最终时间误差；若否，重复执行辅星图像获取模块、聚焦后的辅星图像获取模块和判断迭代模块。
根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。
图9示意性示出了根据本发明实施例的电子设备的框图。
如图9所示，电子设备900包括处理器901和存储器902。该电子设备900可以执行根据本发明实施例的方法。
具体地，处理器901例如可以包括通用微处理器、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器901还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器901可以是用于执行根据本发明实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
存储器902，例如可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，可读存储介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。可读存储介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。其存储有计算机可执行程序，该程序在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上文所述的直播间标签的添加方法。
本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本发明实施例的方法。
根据本发明的实施例，计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、有线、光缆、射频信号等等，或者上述的任意合适的组合。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (4)

1.一种时间和相位同步方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，主星发射向地面发射的雷达信号产生的回波信号由主星和辅星同时接收，得到主星回波信号S主和辅星回波信号S辅；对所述主星回波信号S主进行成像处理得到主星图像；
步骤S2，获取辅星相对主星的相位误差Δφ和时间误差Δt，利用所述相位误差Δφ和时间误差Δt对所述辅星回波信号S辅进行补偿，得到补偿后的辅星回波信号S辅′，对所述补偿后的辅星回波信号S辅′成像处理得到辅星图像；
所述补偿后的辅星回波信号S辅′通过下式得到：
S辅′＝Stemp·exp(jΔφ)
Stemp＝IFFTrange(FFTrange(S辅)·exp(j2πfΔt))
其中，FFTrange为距离向傅里叶变换，IFFTrange为距离向逆傅里叶变换，·为相乘操作，S辅为辅星回波信号，Δt为辅星相对主星的时间误差，Δφ为辅星相对主星的相位误差，f为距离向频率，
Figure FDA0003411861480000011
为复常数；
步骤S3，对所述辅星图像进行自聚焦处理，并获取估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest，得到重新聚焦后的辅星图像；
所述对所述辅星图像进行自聚焦处理，包括：
在图像数据序列中获取特显点所在的若干个距离单元；
对所述距离单元的数据序列作方位向傅里叶变换，得到该些距离单元的方位维，并对每个所述特显点利用窗函数截取复图像序列；
将每个所述复图像序列作圆位移，并将所述特显点的峰值移至图像中心；
将每个所述复图像序列通过逆傅里叶变换，得到若干个复图像数据序列和相关向量，估算该若干个复图像数据序列的误差，并将所述误差合并，得到最终的估计误差；
所述窗函数的窗宽包含所述特显点的能量；
所述估算时间误差Δtest通过下式得到：
Δtest＝Δφest/(2πf0)
其中，f0为雷达系统载频；
步骤S4，获取更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′，其中，Δφ′＝Δφ+Δφest，Δt′＝Δt+Δtest；
步骤S5，判断所述估算相位误差Δφest和所述估算时间误差Δtest是否满足预设条件，若是，将此时所述更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′作为最终相位误差和最终时间误差；若否，重复执行步骤S2至步骤S5；
所述预设条件为：
|Δφest|＜Δφthres，且|Δtest|＜Δtthres，
其中，Δφthres为预设相位误差阈值，Δtthres为预设时间误差阈值。
2.一种时间和相位同步系统，其特征在于，所述系统包括：
主星图像获取模块，用于主星发射向地面发射的雷达信号产生的回波信号由主星和辅星同时接收，得到主星回波信号S主和辅星回波信号S辅；对所述主星回波信号S主进行成像处理得到主星图像；
辅星图像获取模块，用于获取辅星相对主星的相位误差Δφ和时间误差Δt，利用所述相位误差Δφ和时间误差Δt对所述辅星回波信号S辅进行补偿，得到补偿后的辅星回波信号S辅′，对所述补偿后的辅星回波信号S辅′成像处理得到辅星图像；
所述补偿后的辅星回波信号S辅′通过下式得到：
S辅′＝Stemp·exp(jΔφ)
Stemp＝IFFTrange(FFTrange(S辅)·exp(j2πfΔt))
其中，FFTrange为距离向傅里叶变换，IFFTrange为距离向逆傅里叶变换，·为相乘操作，S辅为辅星回波信号，Δt为辅星相对主星的时间误差，Δφ为辅星相对主星的相位误差，f为距离向频率，
Figure FDA0003411861480000021
为复常数；
聚焦后的辅星图像获取模块，用于对所述辅星图像进行自聚焦处理，并获取估算相位误差Δφest和估算时间误差Δtest，得到重新聚焦后的辅星图像；
所述对所述辅星图像进行自聚焦处理，包括：
在图像数据序列中获取特显点所在的若干个距离单元；
对所述距离单元的数据序列作方位向傅里叶变换，得到该些距离单元的方位维，并对每个所述特显点利用窗函数截取复图像序列；
将每个所述复图像序列作圆位移，并将所述特显点的峰值移至图像中心；
将每个所述复图像序列通过逆傅里叶变换，得到若干个复图像数据序列和相关向量，估算该若干个复图像数据序列的误差，并将所述误差合并，得到最终的估计误差；
所述窗函数的窗宽包含所述特显点的能量；
所述估算时间误差Δtest通过下式得到：
Δtest＝Δφest/(2πf0)
其中，f0为雷达系统载频；
更新误差模块，用于获取更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′，其中，
Δφ′＝Δφ+Δφest，Δt′＝Δt+Δtest；
判断迭代模块，用于判断所述估算相位误差Δφest和所述估算时间误差Δtest是否满足预设条件，若是，将此时所述更新后的相位误差Δφ′和更新后的时间误差Δt′作为最终相位误差和最终时间误差；若否，重复执行辅星图像获取模块、聚焦后的辅星图像获取模块和判断迭代模块；
所述预设条件为：
|Δφest|＜Δφthres，且|Δtest|＜Δtthres，
其中，Δφthres为预设相位误差阈值，Δtthres为预设时间误差阈值。
3.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括：
处理器；
存储器，其存储有计算机可执行程序，该程序在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1中所述的时间和相位同步方法。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1中所述的时间和相位同步方法。
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