CN111781563A - 一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，包括：TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元、RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元；TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元安置于发射卫星上，RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元安置于接收卫星上，TX分部与RX分部联合统一调度，实现双星SAR系统的时序同步以及回波数据接收。时频同步工作模式下，TX分部与RX分部实现SAR系统的时间、频率、相位同步工作，并将同步信息存储于数字接收单元；SAR成像工作模式下，TX分部与RX分部控制SAR系统工作时序，完成双星SAR系统的正常工作，并将最终的SAR回波数据存储于数字接收单元中，经后续图像处理得到高分辨Ka频段SAR图像。

Description

一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统
技术领域
本发明涉及一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，属于遥感观测技术领域。
背景技术
星载SAR(合成孔径雷达)系统在指标参数一致的前提下，要获得相同的平均发射功率，脉冲体制(设占空比为10％)的星载SAR系统需要的峰值发射功率远大于连续波体制的星载SAR系统。受限于国内功率源发展水平，Ka频段T组件(发射组件)单通道发射功率较小，峰值发射功率的增大将导致发射天线T组件数量大大增加，载荷重量和成本随之增加，难以使用小平台搭载，不满足轻小型星载SAR的需求。同样，单星准连续波体制(占空比<50％)的SAR系统所需的峰值发射功率约为双星连续波SAR系统的两倍，同样存在T组件数量翻倍、载荷重量增大的问题；同时为了在时序上实现发射信号与回波信号的隔离，单星准连续波SAR对系统时序的要求极为严苛，将给系统实现带来严峻的挑战。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，综合多方面因素考虑，通过将发射分系统与接收分系统分置于不同卫星平台实现发射信号与回波信号的隔离，可以实现近100％的占空比；同时，使用两个卫星平台分担载荷重量和功耗需求，大大降低了对卫星平台的要求，有利于使用小卫星平台实现，可以更好的满足轻量化星载SAR的要求。
本发明解决的技术方案为：一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，发射卫星上的双星数字接收系统和接收卫星上的双星数字接收系统；
发射卫星上的双星数字接收系统，包括：TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元；接收卫星上的双星数字接收系统，包括：RX同步信号处理单元、RX定时时序控制单元、数字接收单元。
发射卫星与接收卫星上各设有双星同步单元，接收GPS信号，产生高稳时钟和GPS秒脉冲信号，为发射卫星和接收卫星上的双星数字接收系统提供高稳时钟和GPS秒脉冲信号；
其中TX定时时序控制单元与TX同步信号处理单元安装在发射卫星上形成发射卫星的双星数字接收系统，TX定时时序控制单元，接收发射卫星的星务计算机输出的命令，在星务计算机输出的命令控制下，TX定时时序控制单元根据高稳时钟和GPS秒脉冲信号输出定时时序1，送至TX同步信号处理单元和外部载荷；优选的，外部载荷收到定时时序1后，生成发射卫星的同步信号，通过预功率放大接收单元进行功率放大后，经过发射卫星的Ka喇叭天线发送至空间…载荷，包括哪些东西；
TX同步信号处理单元，根据定时时序1，完成外部同步模拟信号采集(优选的，Ka喇叭天线接收从接收卫星发来的Ka频段同步模拟信号，送至预功率放大接收单元，进行下变频后，送至TX同步信号处理单元)，对采集的同步模拟中频信号进行模数转换、预处理，得到中频数字信号1；提取中频数字信号1的相位信息，反馈给TX定时时序控制单元；TX定时时序控制单元将中频数字信号1的相位信息，与外部送来的载荷信息组帧形成遥测信息1，通过发射卫星上的星间数据链天线发射至空间；
RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元以及数字接收单元安装在接收卫星上形成接收卫星上的双星数字接收系统，RX定时时序控制单元接收接收卫星的星务计算机输出的命令，在星务计算机输出的命令控制下，RX定时时序控制单元根据高稳时钟和GPS秒脉冲信号输出定时时序2，送至RX同步信号处理单元、数字接收单元和外部载荷；(优选的，外部载荷收到定时时序2后，生成接收卫星的同步信号，通过高频接收组件进行功率放大后，经过接收卫星的Ka喇叭天线发送至空间…载荷，包括哪些东西)；
RX同步信号处理单元，根据定时时序2，完成外部同步模拟信号采集(优选的，Ka喇叭天线接收从发射卫星发来的Ka频段同步模拟信号，送至高频接收与放大组件，进行下变频后，送至RX同步信号处理单元)，对采集的同步模拟中频信号进行模数转换、预处理，得到中频数字信号，提取中频数字信号2的相位信息反馈给RX定时时序控制单元；
RX定时时序控制单元将中频数字信号2的相位信息，与外部送来的载荷信息组帧形成遥测信息2，送至数字接收单元；
接收卫星上的星间数据链天线，接收到发射卫星发出的遥测信息1后，通过RX定时时序控制单元送至数字接收单元；
数字接收单元，在定时时序2的控制下对外部载荷送来的数据通过多通道进行采集，再进行数字化，然后进行通道一致性误差提取补偿、BAQ压缩、与遥测信息1和遥测信息2组帧，将组帧后的数据，发送至外部的数传系统。
优选的，Ka波段SAR系统所输出的系统信号为百分之百占空比的Ka波段线性调频连续波(FMCW)体制信号；
优选的，Ka波段双星调频连续波数字接收系统分别置于两个卫星平台上，间隔距离可以适应线性调频连续波体制SAR系统要求的时序及收发隔离要求；
优选的，双星调频连续波SAR系统一个工作时间内工作模式次序为：时频同步工作模式-SAR系统成像工作模式。时频同步工作模式是双星调频连续波SAR系统能够正常工作的前提条件，只有完成了双星调频连续波SAR系统的时间、频率、相位同步工作才能确保双星调频连续波SAR系统工作时序正常有效，获得有效的SAR回波数据，否则SAR系统成像工作模式下采集处理的回波数据为无效数据。
优选的，时频同步工作模式下，借助发射卫星和接收卫星上的GPS秒脉冲信号作为时间基准实现双星调频连续波SAR系统的时间一致性，有效解决了Ka波段调频连续波SAR系统分置于发射卫星和接收卫星两个卫星平台上的时序问题；
优选的，时频同步工作模式下，借助发射卫星和接收卫星上的Ka喇叭天线实现相位同步信号的空间通信链路对传，完成相位同步信号的相位信息提取，完成双星调频连续波SAR系统收发子系统的相位同步；
优选的，Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统中，发射卫星上的TX定时时序控制单元、接收卫星上的RX定时时序控制单元采用统一的硬件平台实现；发射卫星上的TX同步信号处理单元、接收卫星上的RX同步信号处理单元采用统一的硬件平台实现，降低硬件设计复杂性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明综合多方面因素考虑，通过将双星调频连续波SAR系统的发射分系统与接收分系统分置于不同卫星平台实现发射信号与回波信号的隔离，可以实现近100％的占空比，从而大大减少T组件数量。
(2)本发明使用两个卫星平台分担载荷重量和功耗需求，大大降低了对卫星平台的要求，有利于使用小卫星平台实现，可以更好的满足轻量化星载SAR的要求。
(3)本发明集合Ka波段、调频连续波体制，可以有效的解决调频连续波体制SAR系统收发时序及收发隔离度问题，其中调频连续波信号占空比可以达到百分之百，对降低SAR系统峰值发射功率有很好的作用；
(4)本发明分别置于两个卫星平台上，间隔距离可以适应调频连续波体制SAR系统要求的时序及收发隔离要求。可解决调频连续波体制SAR系统收发系统间发射信号与回波信号的隔离问题，根本上解决发射信号泄露到接收系统。
(5)本发明在每次SAR正常成像工作前必须完成时频同步工作，并将时频同步信息存储下来对后续SAR成像工作提供保障，后续对判断此段成像数据是否有效具有重要意义，同时后续可对存储下来的同步信息进行处理，补偿到SAR成像数据中提高成像处理效果。
(6)本发明采用GPS驯服后的秒脉冲(PPS)信号作为时间基准，实现双星调频连续波SAR系统发射分系统与接收分系统的时间同步，有效解决了Ka波段调频连续波SAR系统分置于发射卫星和接收卫星两个卫星平台上的时序问题；
(7)本发明采用Ka频段同步载波信号的空间对传，实现双星调频连续波SAR系统发射分系统与接收分系统间时钟信号相位同步信息的提取与处理，实现了双星调频连续波SAR系统的相位同步。
(8)本发明硬件设计上采用同样的定时时序控制单元(TX定时时序控制单元/RX定时时序控制单元)、同步信号处理单元(TX同步信号处理单元/RX同步信号处理单元)，有效的降低了Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统的硬件复杂度。
附图说明
图1本发明数字接收系统工作流程示意图；
图2本发明数字接收系统优选的时间同步流程示意图；
图3本发明数字接收系统相位提取算法流程示意图；
图4本发明优选的数字接收单元实现示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，包括：TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元、RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元；TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元安置于发射卫星上，RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元安置于接收卫星上，TX分部与RX分部联合统一调度，实现双星SAR系统的时序同步以及回波数据接收。时频同步工作模式下，TX分部与RX分部实现SAR系统的时间、频率、相位同步工作，并将同步信息存储于数字接收单元；SAR成像工作模式下，TX分部与RX分部控制SAR系统工作时序，完成双星SAR系统的正常工作，并将最终的SAR回波数据存储于数字接收单元中，经后续图像处理得到高分辨Ka频段SAR图像。
本发明的Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统属于双星调频连续波SAR系统的一部分，TX分部(TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元)安装在发射卫星平台上，RX分部(RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元)安装在接收卫星平台上。发射卫星与接收卫星处于跟飞状态，相距一定距离，发射卫星用于发射调频连续波信号，接收卫星用于接收地面回波信号。
Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统用于解决双星调频连续波SAR系统分置于发射卫星与接收卫星两个平台上的时序问题，使得Ka波段SAR系统可以输出百分之百占空比的Ka波段线性调频连续波(FMCW)体制信号，并且满足收发隔离要求。同时Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统要完成星载SAR系统地面回波数据的采集与预处理功能。传统的星载调频连续波体制SAR系统为解决收发隔离要求，需要通过降低输出线性调频信号的占空比，加大系统天线间距等措施解决，使得星载SAR系统峰值发射功率变大、载荷重量增大、系统时序严苛，系统实现困难。要从根本上解决上诉问题，必须将星载调频连续波体制SAR系统的发射信号与回波信号隔离开，即将用于发射信号的发射分系统与用于接收回波信号的接收分系统分置于相隔一定距离的不同平台上来实现。Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统成功解决了发射分系统与接收分系统分置于发射卫星与接收卫星上的时序问题以及SAR系统回波数据接收问题，是双星调频连续波SAR系统的重要组成及系统能够实现的基础与前提。
Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，包括：发射卫星上的双星数字接收系统和接收卫星上的双星数字接收系统；
发射卫星上的双星数字接收系统，包括：TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元；
接收卫星上的双星数字接收系统，包括：RX同步信号处理单元、RX定时时序控制单元、数字接收单元。
发射卫星与接收卫星上各设有双星同步单元，接收GPS信号，产生高稳时钟和GPS秒脉冲信号，为发射卫星和接收卫星上的双星数字接收系统提供高稳时钟和GPS秒脉冲信号；
其中，TX定时时序控制单元与TX同步信号处理单元安装在发射卫星上形成发射卫星上的双星数字接收系统，发射卫星主要用于发射双星调频连续波SAR雷达信号。TX定时时序控制单元，接收发射卫星的星务计算机输出的命令，在该星务计算机输出的命令控制下，TX定时时序控制单元根据高稳时钟和GPS秒脉冲信号输出定时时序1，定时时序1优选包括发射选通信号、发射扫频起始信号、发射同步采集起始信号等，定时时序1信号相互之间具有相关性，各路信号之间满足SAR系统要求的时序关系，定时时序1送至TX同步信号处理单元和外部载荷；优选方案为：外部载荷为双星调频连续波SAR系统发射分系统的发射频率综合器，外部载荷在发射选通信号、发射扫频起始信号等的作用下产生发射分系统的同步信号；
TX同步信号处理单元，根据定时时序1，为发射同步采集起始信号完成外部同步模拟信号采集，(优选的，同步模拟信号为双星调频连续波SAR系统接收分系统生成的同步信号，该同步信号为Ka喇叭天线接收从接收卫星发来的Ka频段同步模拟信号，送至预功率放大接收单元，进行下变频后，送至TX同步信号处理单元)，对采集的同步模拟中频信号进行模数转换、预处理(优选包括数据缓存、数字下变频、滤波等)，得到中频数字信号1；提取中频数字信号1的相位信息，主要通过TX同步信号处理单元中的DSP进行瞬时频率测量，完成正交化处理后进行瞬时相位提取，然后对固定间隔点数的相位进行积累得出一段时间的相位值1，反馈给TX定时时序控制单元；TX定时时序控制单元将中频数字信号1的相位信息，优选为一定时间内相位值1的集合，与外部送来的载荷信息组帧形成遥测信息1，通过发射卫星上的星间数据链天线发射至空间；
RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元以及数字接收单元安装在接收卫星上形成接收卫星上的双星数字接收系统，接收卫星主要用于接收双星调频连续波SAR回波信号并完成解调和数据存储。RX定时时序控制单元接收接收卫星的星务计算机输出的命令，在该星务计算机输出的命令控制下，RX定时时序控制单元根据高稳时钟和GPS秒脉冲信号输出定时时序2，定时时序2主要包括接收选通信号、接收扫频起始信号、接收同步采集起始信号、采样起始信号等，定时时序2信号相互之间具有相关性，各路信号之间满足SAR系统要求的时序关系，同时定时时序2与定时时序1信号具有相关性，定时时序2送至RX同步信号处理单元、数字接收单元和外部载荷；(外部载荷优选是接收分系统的接收频率综合器，在接收选通信号和接收扫频起始信号的作用下生成接收卫星的同步信号，通过高频接收与放大组件进行功率放大后，经过接收卫星的Ka喇叭天线发送至空间)；
RX同步信号处理单元，根据定时时序2，为接收同步采集起始信号完成外部同步模拟信号采集，(优选的，同步模拟信号为双星调频连续波SAR系统发射分系统生成的同步信号，该同步信号为Ka喇叭天线接收从发射卫星发来的Ka频段同步模拟信号，送至高频接收与放大组件，进行下变频后，送至RX同步信号处理单元)，对采集的同步模拟中频信号进行模数转换、预处理(优选包括数据缓存、数字下变频、滤波等)，得到中频数字信号2；提取中频数字信号2的相位信息，主要通过RX同步信号处理单元中的DSP进行瞬时频率测量，完成正交化处理后进行瞬时相位提取，然后对固定间隔点数的相位进行积累得出一段时间的相位值2，反馈给RX定时时序控制单元；
RX定时时序控制单元将中频数字信号2的相位信息，为一定时间内相位值2的集合与外部送来的载荷信息组帧形成遥测信息2，送至数字接收单元；
接收卫星上的星间数据链天线，接收到发射卫星发出的遥测信息1后，通过RX定时时序控制单元送至数字接收单元；
数字接收单元，根据定时时序2(具体为采样起始信号的控制下对外部载荷送来的数据通过多通道进行采集，通道之间采集具有时间一致性)，再进行数字化，然后进行通道一致性误差提取补偿，完成不同通道间数据幅度与相位差异的补偿；最后进行数据BAQ8:4比例的压缩，同时完成与遥测信息1和遥测信息2信息组帧，，将组帧后的数据，发送至外部的数传系统。数传系统统一将双星调频连续波SAR系统的数据传送至地面完成后续的数据处理与分析。
本发明与传统星载SAR数字接收系统相比双星调频连续波SAR数字接收系统分置于两颗卫星上，需要完成双星调频连续波SAR系统发射分系统与接收分系统间时间和相位同步功能(双星调频连续波SAR系统间的频率同步由星上双星同步时钟单元借助星地协同铷钟校准技术实现)。发射分系统与接收分系统时间同步，优选包括本地时间校准和调频连续波系统高精度时间基准两个部分，校准后的本地时间主要用于SAR发射分系统与接收分系统开机、成像开始、关机的控制。TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元优选采用DSP+FPGA架构实现，其中DSP优选采用TI公司SMV320C6701完成与卫星CAN总线通信，FPGA优选采用ACTEL公司反熔丝型的A54SX72A-1CQ208B芯片，主要完成双星调频连续波SAR系统时序控制。双星调频连续波SAR系统时序控制流程即双星SAR系统时间同步过程，TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元通过星间数据链天线完成握手功能，借助双星同步时钟单元输出的绝对时间戳定义双星SAR系统时间基准完成定时时序输出，其中星间双星同步单元输出星间秒脉冲时差数据精度优于5ns(1σ)。
Ka波段双星星载调频连续波数字接收系统，优选具有两种工作模式，分别为：时频同步工作模式和SAR成像模式。
时频同步工作模式下：
星载双星调频连续波SAR数字接收系统接收到卫星星务计算机工作指令，开始完成双星调频连续波SAR发射分系统与接收分系统的时间及相位同步工作。双星调频连续波SAR发射分系统与接收分系统的频率同步工作由卫星上双星同步单元借助星地协同铷钟校准技术实现。Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统时间同步流程优选如下：
TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元分别以星间双星同步单元输出的经GPS驯服后的秒脉冲PPS为时间基准。流程如图2。发射卫星与接收卫星上的星务计算机通过CAN总线发送工作指令，TX定时时序控制单元DSP生成定时中断，完成命令更新。TX定时时序单元FPGA发送握手命令，该命令通过RS422接口传输给发射卫星的星间数据链天线，星间数据链天线将握手命令传输给接收卫星RX定时时序控制单元。RX定时时序控制单元FPGA完成握手应答，TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元根据事先约定的规则借助秒脉冲时间边沿选定双星调频连续波SAR系统工作零时刻，完成双星调频连续波SAR系统时间同步，优选方案如下：
TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元时钟驱动源由双星同步单元输出，定时时序控制单元产生间隔为1秒的定时中断，发射星星务计算机通过CAN总线向双星调频连续波SAR系统发送开机成像指令，TX定时时序控制单元完成命令更新并在定时中断到达后通知FPGA定时模块，定时模块开始向星间链路发起通信开始发射卫星与接收卫星握手应答，星间数据链通信在1秒内完成收发定时握手应答，TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元将下一个PPS秒脉冲到来时刻作为双星调频连续波SAR系统零时刻基准同时执行定时操作。双星调频连续波SAR系统正常成像时间一般在几分钟量级，设计定时时序控制单元中断服务程序中每间隔5秒进行一次时间校准，确保双星调频连续波SAR系统发射分系统与接收分系统的本地绝对时间一致。
双星调频连续波SAR发射分系统与接收分系统完成时间同步后形成了统一的时间基准，TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元生成定时时钟控制双星调频连续波SAR系统进入相位同步过程。星上双星同步单元借助星地协同铷钟校准技术，可以保证雷达载波频率差小于1Hz，使得相位误差测量过程中的采样满足Nyquist定理，可大大简化相位同步误差提取和补偿的复杂性，提高相位同步的可靠性。通过对发射卫星与接收卫星间的双星Ka频段同步模拟信号的双向对传(由Ka喇叭天线实现)，获得两个星的频率差和相位噪声信号，用它补偿到SAR成像模式下接收的回波数据中，即可实现相位同步。
根据工程经验，雷达收发通道的相位抖动一般可以控制在5°以内，对相位同步性能影响也较小；当卫星相对运动的速度稳定或变化不大时，多普勒效应引入的相位近似为常数，对相位同步性能影响较小，因此影响相位同步性能的主要因素将是接收机噪声。
双星调频连续波SAR系统相位同步的基本流程是发射分系统与接收分系统通过卫星上的Ka喇叭天线对传Ka频段同步模拟信号实现。具体过程为如附图1所示：TX定时时序控制单元通过定时时序1控制双星调频连续波SAR系统中的发射频率综合器产生Ka波段同步模拟信号1，Ka波段同步模拟信号1经预功率放大接收单元功率放大后，由Ka喇叭天线对外辐射。接收卫星上的Ka喇叭天线接收Ka波段同步模拟信号1经高频接收与放大组件接收并完成混频，生成同步模拟中频信号2，最终由RX同步信号处理单元完成同步模拟中频信号2采集、数字化得到中频数字信号2，对中频数字信号2进行相位提取操作得到相位信息。同时，接收卫星上RX定时时序控制单元通过定时时序2控制双星调频连续波SAR系统接收频率综合器产生Ka波段同步模拟信号2，Ka波段同步模拟信号2经接收卫星上的高频接收与放大组件功率放大后，由接收卫星Ka喇叭天线辐射。经空间辐射后由发射星上Ka喇叭天线接收，发射星上的预功率放大接收单元完成Ka波段同步模拟信号2的接收与混频，生成同步模拟中频信号1。发射星上TX同步信号处理单元完成同步模拟中频信号1的采集、数字化得到中频数字信号1，对中频数字信号1进行相位提取操作得到相位信息。收发卫星同步模拟信号交替对传完成发射分系统与接收分系统的相位提取，发射卫星上TX同步信号处理单元提取的接收分系统相位值经星间数据链天线回传给接收卫星，与接收卫星上的RX同步信号处理单元提取的发射分系统相位值一道传输给数字接收单元，完成相位信息的存储与处理。
本发明进一步的实现过程如下：
TX同步信号处理单元与RX同步信号处理单元主要采用A/D+FPGA+DSP形式的硬件组成，负责同步模拟中频信号的采集，完成同步模拟信号采样、预处理(优选包括数据缓存、数字下变频、滤波)和相位信息的实时提取。FPGA完成采样数据的缓存、数字下变频、滤波处理，对送入DSP的信号进行预处理。DSP主要完成根据相关参数分析系统状态，实现对系统的控制和信号信息的提取。处理DSP软件的主要功能是利用相位差分法进行瞬时频率测量，在正交化处理之后，采用反正切算法对正交化基带信号进行瞬时相位提取，然后对固定间隔点数的相位差进行滑窗积累，最后采用低通滤波器对相位差积累结果进行低通滤波，其工作流程如图3所示。
优选方案为：sQ(n)，sI(n)分别表示中频数字信号s(n)(TX定时时序控制单元中s(n)为中频数字信号1；RX定时时序控制单元中s(n)为中频数字信号2)的同相分量和正交分量。则信号s(n)在n时刻的相位θ(n)可以通过取sQ(n)/sI(n)的反正切进行估计，即
Figure BDA0002511936800000121
则信号在取样间隔为k的两个不同时刻的相位差Δθ(k)的估计为
Figure BDA0002511936800000131
因此，fd可由下式进行估计
Figure BDA0002511936800000132
信号相位在[-π,π)范围内线性变化，因此每个周期内都有相位突变点(由π突变到-π)。突变的相位会引起相位的模糊，本设计中解模糊的方式为在相位突变点处，根据相位突变方向，加-2π/2π的偏移，使突变后相位保持一段时间的线性变化，同时设置选择器，使之在突变点出现前使用正常的相位输出，在突变点出现后k(k为设定的取样间隔)点内采用偏移后的相位输出。提取后的相位信息通过星间数据链天线分别发送给数字接收单元存储用于双星调频连续波SAR成像相位补偿。
SAR成像模式下，优选方案如下：
Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统完成双星调频连续波SAR发射分系统与接收分系统的时间、相位同步工作后开始进入双星调频连续波SAR正常的成像工作模式，完成SAR系统的回波接收、处理工作。这一过程主要由接收卫星上的数字接收单元实现。
数字接收单元安装在接收卫星上，用于完成回波采集、通道一致性误差提取补偿、原始数据BAQ压缩、辅助数据组帧、模拟同步信息存储并实时传输给星上数传单元。数字接收单元采用A/D+FPGA形式的硬件组成，FPGA作为主控制芯片采用Xilinx公司XC7VX485T系列FPGA芯片。数字接收单元功能实现主要由FPGA软件实施。FPGA软件主要实现多通道模拟回波信号的采集，对数据进行通道一致性误差提取补偿、BAQ压缩并将压缩的数据以及原始数据发送给数传分系统。基于FPGA设计的进一步优选实现方案如图4所示。主要包含ADC采集接口模块、DDC数字下变频模块、定标模块、DDR3接口模块、与数传接口模块、RS422接口等模块组成，其中每个模块又包含一些小模块组成。
如图4所示，依照FPGA功能需求，算法实现流程主要包含ADC接口模块、定时时序控制接口模块、DDC下变频模块、定标模块、BAQ压缩模块以及TLK传输模块。作为连续波采集系统，数据采集、处理和打包过程需以流水线方式持续进行。下变频模块是由混频模块、抽取滤波模块、FIR滤波模块等子模块组成。混频模块的功能是将中频信号正交解调模块解调成IQ两路的基带数据；抽取滤波器是为了滤除混频后的高频分量和高频杂散信号，防止频谱混叠，同时按照16抽1比率对数据抽取，降低数据量；FIR滤波器是为了降低由于半带滤波器过渡带比较大，导致带外衰减比较低，影响通带信号指标。双星调频连续波SAR系统设计时AD采集后中心频率和采样频率满足fc/fs＝1/4关系，可以直接利用fs/4混频来实现中频到基带的转换。定标模块设计以第1通道的幅值和相位为参考，分别与第2、3、4、5通道作幅值相除和相位相减。将相位相减的结果进行逆CORDIC运算，产生cos和sin，再与幅值之商作相乘，以得到实部和虚部的补偿系数。定标数据会发送32次，将所有产生的补偿系数求平均，以作为此通道的最终补偿系数，并输出给打包数据。打包补偿后的SAR回波数据送TLk2711接口模块实时传输给数传设备。BAQ压缩模块将每一路输入的I或者Q数据按8:4压缩处理，处理后的数据经FIFO数据缓存及重组后送TLk2711发送给数传设备。
优选的，Ka频段双星调频连续波SAR系统所输出的系统信号为百分之百占空比的Ka波段线性调频连续波(FMCW)体制信号；
优选的，Ka频段双星调频连续波数字接收系统分别置于两个卫星平台上，间隔距离可以适应线性调频连续波SAR系统要求的时序及收发隔离要求；
优选的，可以控制双星调频连续波SAR系统一次工作时间内工作模式次序为：时频同步工作模式-SAR系统成像工作模式。时频同步工作模式是双星调频连续波SAR系统能够正常工作的前提条件，只有完成了双星调频连续波SAR系统的时间、频率、相位同步工作才能确保双星调频连续波SAR系统工作时序正常有效，获得有效的SAR回波数据，否则SAR成像工作模式下采集处理的回波数据为无效数据；
优选的，时频同步工作模式下，借助双星GPS驯服后的秒脉冲信号作为时间基准实现双星调频连续波SAR系统的时间一致性，有效解决了Ka波段调频连续波SAR系统分置于发射卫星和接收卫星两个卫星平台上的时序问题；
优选的，时频同步工作模式下，借助双星调频连续波SAR系统Ka喇叭天线实现相位同步信号的空间通信链路对传，完成发射分系统与接收分系统间时钟信号相位同步信息的提取与处理，实现了双星调频连续波SAR系统的相位同步；
优选的，Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统，发射星TX定时时序控制单元、接收星RX定时时序控制单元采用统一的硬件平台实现；发射星TX同步信号处理单元、接收星RX同步信号处理单元采用统一的硬件平台实现。降低硬件设计复杂性。
本发明的优选方案为：
本发明Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统，包括：TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元、RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元；TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元安置于发射卫星上，RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元安置于接收卫星上，TX分部与RX分部联合统一调度，实现双星调频连续波SAR系统的时序同步以及回波数据接收。时频同步工作模式下，TX分部与RX分部实现SAR系统的时间、相位同步工作，并将同步信息存储于数字接收单元；SAR成像工作模式下，TX分部与RX分部控制SAR系统工作时序，完成双星调频连续波SAR系统的正常工作，并将最终的SAR回波数据存储于数字接收单元中，经后续图像处理得到高分辨Ka频段SAR图像。
本系统优选可用于星载双星调频连续波SAR系统，实现星载对地高分辨率成像，用于大地测绘、农林业监测、特定区域监测等方面。本发明系统适用于采用调频连续波体制的SAR成像系统，对于解决调频连续波SAR系统收发时序及隔离度问题给出了解决措施及方法。可以使调频连续波SAR系统的信号占空比达到百分之百，使合成孔径雷达(SAR)系统峰值发射功率比相同平均功率的脉冲雷达的峰值发射功率大大降低；在其它SAR系统参数一致的前提下，100％占空比连续波体制的SAR系统所需要的T组件数量大大降低。对于改进调频连续波SAR系统，使系统更容易实现小型化。
本发明Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统，如图1所示，包括：TX分部(TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元)；RX分部(RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元、数字接收单元)；Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统中，发射TX分部安装在双星调频连续波SAR系统发射卫星平台上；接收RX分部安装在双星调频连续波SAR系统接收卫星平台上；
TX分部中TX定时时序控制单元，RX分部中RX定时时序控制单元分别接收卫星星上设备时钟同步单元输出的GPS驯服秒脉冲PPS信号，保证双星调频连续波SAR发射分系统与接收分系统时间基准统一。TX同步信号处理单元、RX同步信号处理单元实现同步信号的采集与相位提取，数字接收单元实现回波采集、通道一致性误差提取补偿、原始数据BAQ压缩、辅助数据组帧、同步信息存储等功能。
本系统优选具有两种工作模式：分别为时频同步工作模式和SAR成像工作模式。
优选的，如图1所示，在时频同步工作模式下：
时频同步工作模式下完成双星调频连续波SAR系统时间、相位同步。
本发明的系统实现时间同步，优选方案如下：
首先星上设备双星同步单元接收GPS信号实现统一的时间域，输出高度一致的秒脉冲信号，两者时间差可以控制在5ns以内。双星SAR系统通过星间数据链完成握手操作，确定发射TX分部与接收RX分部一致的时间基准(t0时刻)，具体如图2所示完成双星SAR系统的时间同步。TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元，以t0时刻为基准分别输出相应的SAR系统定时时序控制信号，如发射选通信号、发射扫频起始信号、发射同步采集起始信号、接收选通信号、接收扫频起始信号、接收同步采集起始信号、采样起始信号等。通过定时时序控制信号分别控制双星调频连续波SAR系统各载荷工作时序。
本发明的系统频率同步优选方案如下：
频率同步工作主要通过星上双星同步单元借助星地协同铷钟校准技术实现。频率同步后收发卫星频率差可控制在1Hz以内，保障后续系统相位同步工作。
本发明的系统实现相位同步，优选方案如下：
TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元分别控制双星调频连续波SAR系统收发频率综合器输出Ka频段同步模拟信号，流程如图1所示。经功率放大后，分别由收发卫星上的Ka喇叭天线实现同步模拟信号对传。相位同步模拟信号经双星SAR系统的高频接收放大组件接收并完成下变频到中频信号，由数字接收系统的TX同步信号处理单元、RX同步信号处理单元分别完成收发双星相位同步信号的采集与相位提取。TX同步信号处理单元处理得到的接收星相位信息经星间数据链天线传输给接收卫星，并由RX分部数字接收单元完成同步信息存储。RX同步信号处理单元处理得到的发射星相位信息也传输给RX分部数字接收单元完成同步信息存储。经卫星数传通道传到地面的相位信息可以作为信号补偿因子，在双星调频连续波SAR成像数据处理时校准双星SAR系统收发分系统之间的相位差异。具体的相位处理过程如图3所示。
SAR成像工作模式下，优选方案如下：
TX定时时序控制单元与RX定时时序控制单元输出正常的SAR工作时序，控制双星SAR载荷正常工作并由RX分部数字接收单元完成中频回波信号的采集以及数字化处理。具体处理流程如图4所示。
数字接收单元主要功能是完成回波采集、通道一致性误差提取补偿、原始数据BAQ压缩、辅助数据组帧、同步信息存储并实时传输给星上数传单元。数字接收单元采用A/D+FPGA形式的硬件组成，FPGA作为主控制芯片采用Xilinx公司XC7VX485T系列FPGA芯片。数字接收单元功能实现主要由FPGA软件实施。FPGA软件主要实现多通道模拟回波信号的采集，对数据进行通道一致性误差提取补偿、BAQ压缩并将压缩的数据以及原始数据发送给数传分系统。数字接收单元最多可以接收5路回波数据的采集与处理，基于FPGA设计的软件实现方案如图4所示。主要包含ADC采集接口模块、DDC数字下变频模块、定标模块、DDR3接口模块、与数传接口模块、RS422接口等模块组成，其中每个模块又包一些小模块组成。
ADC采集模块主要完成回波数据的AD转换以及数据格式组帧，DDC数字下变频模块主要实现回波数据的数字下变频到基带，同时完成数据的正交解调。依照FPGA功能需求，算法实现流程主要包含ADC接口模块、定时时序控制接口模块、DDC下变频模块、定标模块、BAQ压缩模块以及TLK传输模块。作为连续波采集系统，数据采集、处理和打包过程需以流水线方式持续进行。下变频模块是由混频模块、抽取滤波模块、FIR滤波模块等子模块组成。混频模块的功能是将中频信号正交解调模块解调成IQ两路的基带数据；抽取滤波器是为了滤除混频后的高频分量和高频杂散信号，防止频谱混叠，同时按照16抽1比率对数据抽取，降低数据量；FIR滤波器是为了降低由于半带滤波器过渡带比较大，导致带外衰减比较低，影响通带信号指标。双星调频连续波SAR系统设计时AD采集后中心频率和采样频率满足fc/fs＝1/4关系，可以直接利用fs/4混频来实现中频到基带的转换。定标模块设计以第1通道的幅值和相位为参考，分别与第2、3、4、5通道作幅值相除和相位相减。将相位相减的结果进行逆CORDIC运算，产生cos和sin，再与幅值之商作相乘，以得到实部和虚部的补偿系数。定标数据会发送32次，将所有产生的补偿系数求平均，以作为此通道的最终补偿系数，并输出给打包数据。打包补偿后的SAR回波数据送TLk2711接口模块实时传输给数传设备。BAQ压缩模块将每一路输入的I或者Q数据按8:4压缩处理，处理后的数据经FIFO数据缓存及重组后送TLk2711发送给数传设备。
本发明集合Ka波段、调频连续波体制，解决了双星调频连续波SAR系统的时间基准及相位同步问题，以及多通道回波数据实时采集处理功能。是解决Ka波段调频连续波SAR系统高功率辐射导致的收发隔离度问题的一种有效解决措施，为Ka波段调频连续波SAR系统能够采用双星平台来实现提供了实现途径。
本发明针对多通道回波数据实时采集处理提供了有效的解决措施，可实现最多5通道实时回波数据的数字化处理，同时能够获取双星调频连续波SAR系统相位同步信息，为后续SAR成像处理提供相位信息补偿，有效的提高了SAR图像数据质量。
本发明给出了收发分置双星SAR系统的时序解决措施及回波处理措施，是分布式SAR系统的重要组成部分。为分布式SAR系统雷达数字接收实现提供了新的实现途径。
本发明进一步的优选方案为：Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统设计采样频率fs与AD采样后的中心频率fc满足关系式fc/fs＝1/4关系，可以直接利用fs/4混频来实现中频到基带的转换。本发明中使用采样频率为160MHz，多通道模拟回波数据中心频率在200MHz，经AD采样后中心频率变为40MHz。而fs/4混频在I Q正交信号实现过程中混频因子优选为：1 0 -1 0及0 -1 0 1，故不需要采用FPGA中的直接数字式频率合成器(DDS模块)产生cos因子及sin因子信号，减少系统设计复杂度及芯片占用资源，同时减小因DDS模块产生sin因子及cos因子信号数字化所带来的量化误差。fs/4混频后基带I Q数据如下：
Figure BDA0002511936800000201
基带实部I数据由输入数据经由混频因子[1 0 -1 0]产生，即第1个数据为其本身，第3个数据为其补码，第2、4数据为0，循环往复。基带虚部Q数据由输入数据经由混频因子[0 -1 0 1]产生，即第1、3数据为0，第2个数据为其补码，第4个数据为其本身，循环往复。可以大大降低了系统计算复杂度。
本发明综合多方面因素考虑，通过将双星调频连续波SAR系统的发射分系统与接收分系统分置于不同卫星平台实现发射信号与回波信号的隔离，可以实现近100％的占空比，从而大大减少T组件数量，且本发明使用两个卫星平台分担载荷重量和功耗需求，大大降低了对卫星平台的要求，有利于使用小卫星平台实现，可以更好的满足轻量化星载SAR的要求。
本发明集合Ka波段、调频连续波体制，可以有效的解决调频连续波体制SAR系统收发时序及收发隔离度问题，其中调频连续波信号占空比可以达到百分之百，对降低SAR系统峰值发射功率有很好的作用；且本发明分别置于两个卫星平台上，间隔距离可以适应调频连续波体制SAR系统要求的时序及收发隔离要求。可解决调频连续波体制SAR系统收发系统间发射信号与回波信号的隔离问题，根本上解决发射信号泄露到接收系统。
本发明在每次SAR正常成像工作前必须完成时频同步工作，并将时频同步信息存储下来对后续SAR成像工作提供保障，后续对判断此段成像数据是否有效具有重要意义，同时后续可对存储下来的同步信息进行处理，补偿到SAR成像数据中提高成像处理效果，且本发明采用GPS驯服后的秒脉冲(PPS)信号作为时间基准，实现双星调频连续波SAR系统发射分系统与接收分系统的时间同步，有效解决了Ka波段调频连续波SAR系统分置于发射卫星和接收卫星两个卫星平台上的时序问题；
本发明采用Ka频段同步载波信号的空间对传，实现双星调频连续波SAR系统发射分系统与接收分系统间时钟信号相位同步信息的提取与处理，实现了双星调频连续波SAR系统的相位同步。

Claims (7)

1.一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，其特征在于：发射卫星上的双星数字接收系统和接收卫星上的双星数字接收系统；
发射卫星上的双星数字接收系统，包括：TX定时时序控制单元、TX同步信号处理单元；接收卫星上的双星数字接收系统，包括：RX同步信号处理单元、RX定时时序控制单元、数字接收单元；
发射卫星与接收卫星上各设有双星同步单元，接收GPS信号，产生高稳时钟和GPS秒脉冲信号，为发射卫星和接收卫星上的双星数字接收系统提供高稳时钟和GPS秒脉冲信号；
其中TX定时时序控制单元与TX同步信号处理单元安装在发射卫星上形成发射卫星的双星数字接收系统，TX定时时序控制单元，接收发射卫星的星务计算机输出的命令，在星务计算机输出的命令控制下，TX定时时序控制单元根据高稳时钟和GPS秒脉冲信号输出定时时序1，送至TX同步信号处理单元和外部载荷；
TX同步信号处理单元，根据定时时序1，完成外部同步模拟信号采集，对采集的同步模拟中频信号进行模数转换、预处理，得到中频数字信号1；提取中频数字信号1的相位信息，反馈给TX定时时序控制单元；TX定时时序控制单元将中频数字信号1的相位信息，与外部送来的载荷信息组帧形成遥测信息1，通过发射卫星上的星间数据链天线发射至空间；
RX定时时序控制单元、RX同步信号处理单元以及数字接收单元安装在接收卫星上形成接收卫星上的双星数字接收系统，RX定时时序控制单元接收接收卫星的星务计算机输出的命令，在星务计算机输出的命令控制下，RX定时时序控制单元根据高稳时钟和GPS秒脉冲信号输出定时时序2，送至RX同步信号处理单元、数字接收单元和外部载荷；
RX同步信号处理单元，根据定时时序2，完成外部同步模拟信号采集，对采集的同步模拟中频信号进行模数转换、预处理，得到中频数字信号，提取中频数字信号2的相位信息，反馈给RX定时时序控制单元；
RX定时时序控制单元将中频数字信号2的相位信息，与外部送来的载荷信息组帧形成遥测信息2，送至数字接收单元；
接收卫星上的星间数据链天线，接收到发射卫星发出的遥测信息1后，通过RX定时时序控制单元送至数字接收单元；
数字接收单元，在定时时序2的控制下对外部载荷送来的数据通过多通道进行采集，再进行数字化，然后进行通道一致性误差提取补偿、BAQ压缩、与遥测信息1和遥测信息2组帧，将组帧后的数据，发送至外部的数传系统。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，其特征在于：Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统所输出的系统信号为百分之百占空比的Ka波段线性调频连续波(FMCW)体制信号。
3.根据权利要求1所述的一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，其特征在于：Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统分别置于两个卫星平台上，间隔距离能够适应线性调频连续波体制SAR系统要求的时序及收发隔离要求。
4.根据权利要求1所述的一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，其特征在于：Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统一次工作时间内工作模式次序为：时频同步工作模式-SAR系统成像工作模式；时频同步工作模式是Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统能够正常工作的前提条件，只有完成了Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统的时间、频率、相位同步工作才能确保Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统工作时序正常有效，获得有效的SAR回波数据，否则Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统成像工作模式下采集处理的回波数据为无效数据。
5.根据权利要求1所述的一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，其特征在于：时频同步工作模式下，借助发射卫星和接收卫星上的GPS秒脉冲信号作为时间基准实现双星调频连续波SAR系统的时间一致性，有效解决了Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统分置于发射卫星和接收卫星两个卫星平台上的时序问题。
6.根据权利要求1所述的一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，其特征在于：时频同步工作模式下，借助发射卫星和接收卫星上的Ka喇叭天线实现相位同步信号的空间通信链路对传，完成相位同步信号的相位信息提取，完成双星调频连续波SAR系统收发子系统的相位同步。
7.根据权利要求1所述的一种Ka波段双星调频连续波SAR数字接收系统，其特征在于：Ka频段双星调频连续波SAR数字接收系统中，发射卫星上的TX定时时序控制单元、接收卫星上的RX定时时序控制单元采用统一的硬件平台实现；发射卫星上的TX同步信号处理单元、接收卫星上的RX同步信号处理单元采用统一的硬件平台实现，降低硬件设计复杂性。
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