CN112379374A - 基于双天线sar频分两发两收的测绘带成像方法及装置 - Google Patents

基于双天线sar频分两发两收的测绘带成像方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开了一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法，包括：接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；通过第一天线向所述第一区域发射第一测量信号；通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；根据所述第一回波信号成像得到第一测绘图像；通过第二天线向所述第二区域发射第二测量信号；通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；根据所述第二回波信号成像得到第二测绘图像；根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。本申请实施例还公开了一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像装置。

Description

基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法及装置
技术领域
本申请涉及星载合成孔径雷达总体技术领域，尤其涉及一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法及装置。
背景技术
双天线干涉合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)卫星能够实现全天时、全天候的陆地和海洋监视监测，其获取的高精度的DEM数据，是国家重要的地理空间基础信息。星载双天线干涉合成干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic ApertureRadar，InSAR)系统包括主、副天线，天线支撑臂，基线测量系统以及波束对准系统等，与重复通过InSAR模式相比，它不存在时间去相干，具有数据干涉型号，质量高等优点。可形成对境内DEM的业务化覆盖，广泛应用于国民经济与社会发展的多个行业，全面提高在国土测绘、资源勘探、地震及灾害监测方面的能力。
双天线SAR卫星采取水平飞行模式，发射前两幅天线折叠在星体两侧，入轨后向两侧伸展；工作期间天线通过电扫、转动机构来满足工作任务要求。卫星在轨工作状态如图2所示。
目前双天线干涉SAR卫星的系统工作状态所采用的传统收发模式，在计算某波位的距离模糊时存在两个天线互相干扰的问题，严重影响了双天线干涉SAR卫星的距离模糊。
发明内容
本申请实施例提供一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法，所述方法包括：
接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；
通过第一天线向所述第一区域发射第一测量信号；
通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；
根据所述第一回波信号成像得到第一测绘图像；
通过第二天线向所述第二区域发射第二测量信号；
通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；
根据所述第二回波信号成像得到第二测绘图像；
根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。
上述方案中，所述第一测量信号和所述第二测量信号的频谱不同。
上述方案中，所述通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号，包括：
通过所述第一天线接收所述第一区域的回波信号，对所述第一区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第一回波信号，其中，所述第一回波信号是对应所述第一测量信号的回波信号。
上述方案中，所述通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号，包括：
通过所述第二天线接收所述第二区域的回波信号，对所述第二区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第二回波信号，其中，所述第二回波信号是对应所述第二测量信号的回波信号。
上述方案中，所述根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像，包括：
将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。
本申请实施例提供一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像装置，所述装置包括：
主控模块，用于接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；
第一测量模块，用于通过第一天线向所述第一区域发射第一测量信号；通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；
第二测量模块，用于通过第二天线向所述第二区域发射第二测量信号；通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；
图像处理模块，用于根据所述第一回波信号成像得到第一测绘图像；根据所述第二回波信号成像得到第二测绘图像；根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。
上述方案中，所述第一测量信号和所述第二测量信号的频谱不同。
上述方案中，所述第一测量模块，具体用于：通过所述第一天线接收所述第一区域的回波信号，对所述第一区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第一回波信号，其中，所述第一回波信号是对应所述第一测量信号的回波信号。
上述方案中，所述第二测量模块，具体用于：通过所述第二天线接收所述第二区域的回波信号，对所述第二区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第二回波信号，其中，所述第二回波信号是对应所述第二测量信号的回波信号。
上述方案中，所述图像处理模块，具体用于：将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。
本申请实施例提供的技术方案中，通过接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；通过第一天线向所述第一区域发射第一测量信号；通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；根据所述第一回波信号成像得到第一测绘图像；通过第二天线向所述第二区域发射第二测量信号；通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；根据所述第二回波信号成像得到第二测绘图像；根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像；通过两个天线分别发送不同频谱的测量信号，避免同频谱的互相干扰，提高了双天线干涉SAR卫星的距离模糊性能。
附图说明
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为本申请实施例一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法流程示意图；
图2为本申请一些实施例中双天线干涉SAR卫星的在轨工作状态模拟示意图；
图3为本申请实施例双天线时分方式的系统原理框图；
图4为本申请实施例两发两收工作模式示意图；
图5为本申请实施例双天线码分工作时序示意图；
图6为本申请实施例双天线码分方式的系统原理框图；
图7为本申请实施例双天线频分的工作时序示意图；
图8为本申请实施例双天线频分方式的系统原理框图；
图9为本申请实施例实验的波位图；
图10为本申请实施例实验的地距分辨率示意图；
图11为本申请实施例实验的系统灵敏度示意图；
图12为本申请实施例实验的方位模糊示意图；
图13为本申请实施例实验的距离模糊示意图；
图14为本申请实施例一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像装置结构示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。
在本申请实施例记载中，需要说明的是，除非另有说明和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例可以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
图1为本申请实施例一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法流程示意图，如图1所示，本申请实施例基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法包括以下步骤：
步骤101，接收针对目标区域的测绘指令，其中，目标区域包括相邻的第一区域和第二区域。
测绘指令包括目标区域的坐标范围，通过对所述测绘指令的分析，获取所述目标区域的位置信息。
在一些实施例中，目标区域可以包括测绘带，测绘带可以包括两个以上子带，子带即子测绘带；对应地，相邻的第一区域和第二区域，第一区域可以包括测绘带的一个子测绘带，第二区域可以包括测绘带中与第一区域相邻的另一个子测绘带；在一些实施例中，相邻的第一区域和第二区域共同构成了目标区域。
在一些实施例中，上述方法还包括：根据测绘指令确定测量信号的波束宽度。
在一些实施例中，上述方法还包括：根据测绘指令确定测量信号的入射角范围。
步骤102，通过第一天线向第一区域发射第一测量信号。
步骤103，通过第一天线接收第一区域的第一回波信号。
在一些实施例中，通过第一天线接收第一区域的第一回波信号，包括：
通过第一天线接收第一区域的回波信号，对第一区域的回波信号进行滤波处理，得到第一回波信号，其中，第一回波信号是对应第一测量信号的回波信号。
步骤104，根据第一回波信号成像得到第一测绘图像。
步骤105，通过第二天线向第二区域发射第二测量信号。
在一些实施例中，第一测量信号和第二测量信号的频谱不同。
在一些实施例中，采用双天线频分的方式，两天线分别发射两个频点的脉冲信号，频点间距大于系统要求的最大带宽。
步骤106，通过第二天线接收第二区域的第二回波信号。
在一些实施例中，通过第二天线接收第二区域的第二回波信号，包括：
通过第二天线接收第二区域的回波信号，对第二区域的回波信号进行滤波处理，得到第二回波信号，其中，第二回波信号是对应第二测量信号的回波信号。
步骤107，根据第二回波信号成像得到第二测绘图像。
步骤108，根据第一测绘图像和第二测绘图像确定目标区域的测绘图像。
在一些实施例中，根据第一测绘图像和第二测绘图像确定目标区域的测绘图像，包括：
将第一测绘图像和第二测绘图像拼接得到目标区域的测绘图像。
在一些实施例中，双天线时分方式获得的两幅图像为同一测绘区域，常对两幅图像进行精确配准后用于干涉成像；双天线时分方式的系统原理框图如图3所示；双天线干涉SAR卫星的雷达载荷由天线、中央电子设备和远端电子设备以及支撑臂电缆组成。其主要功能是产生信号源、通过射频系统将信号转送至发射天线、再通过天线阵面将信号辐射至指定区域、两幅天线同时接收回波信号并对其放大、变频、解调后转换为数字信号并下传至地面处理系统，为后续的成像处理提供原始数据。
双天线SAR系统的两个天线也可以分别指向两个相邻的测绘带中心，同时发射脉冲、同时接收两个子带的回波，然后进行图像拼接以实现宽测绘带成像的目的，图4给出了这种工作模式的示意图。
本申请一些实施例提供两种可实现两发两收图像拼接的工作方式。
(1)双天线码分工作方式
码分工作方式的天线发射正交编码的脉冲信号，在接收通道通过正交解码来分离回波信号。两发两收模式在双天线码分方式的系统中，两天线的波束中心分别指向两个相邻测绘带的中心，同时或相继发射两个正交编码的脉冲信号，两天线同时接收两个相邻测绘带的雷达回波，在接收通道通过正交解码来对回波信号进行分离，双天线码分的工作时序如附图5所示。
两天线的发射信号分别采用两种不同正交编码信号，因此需要两套调频信号源，双天线码分方式的系统原理框图如附图6所示。
正负调频斜率编码的工作方式，通过对目标回波进行非匹配滤波可以使得回波信号的幅度将为原信号的
Figure BDA0002743314350000071
信号长度变为原来发射信号的两倍，即原线性调频(chirp)信号被拉伸并降低了幅度。但是，正负调频率方法并没有将距离模糊的能量降低，而是将能量分散在一个时间范围内，达到峰值不突出的抑制效果。这种特性就决定了该方法只对强点目标有效，而对回波能量较均匀的场景目标无效，因为多个点目标分散的模糊能量叠加起来，也会增加模糊能量的幅度。
计算两发两收图像拼接模式的距离模糊时，除了考虑常规待测天线自己的信号引入的模糊能量以外，还要考虑另一个天线发射的信号被待测天线接收引入的模糊能量。主要的模糊能量来源于另一天线发射的信号被待测天线在主瓣内接收(与待测天线的主瓣信号能量相近)引入的误差。因此虽然正负调频率方法原理简单，系统复杂度也低，但是基本只是在舰船监测等海洋观测任务中有较高的应用价值，而对陆地探测的SAR系统基本无效。
(2)双天线频分工作方式
双天线频分的工作方式由两幅天线同时发射和接收不同中心频率脉冲信号，分别对相邻的两个测绘带进行成像，并在两个接收通道各自进行接收回波并进行记录，然后通过滤波器对回波信号进行分离，从而得到两幅待拼接的图像，双天线频分的工作时序如附图7所示，
在双天线频分方式的系统中，两个天线的波束中心分别指向两个相邻测绘带的中心，两天线可以以不同的脉冲重复频率发射线性调频信号，然后分别接收相邻测绘带内的雷达回波。一套调频信号源可以生成两个频点，两天线发射的信号分别占据不同频谱位置，对应一个天线有一个独立的接收通道，为进行信号分离，每一接收通道应包含一套带通滤波器。一套数据形成器具备双通道处理两个天线的回波数据，双天线频分方式的系统原理框图如附图8所示。
由以上分析可知，为实现双天线两发两收收图像拼接的工作模式，宜采用双天线频分的方式，两天线分别发射两个频点的脉冲信号(频点间距大于系统要求的最大带宽)，两天线的接收信号分别通过各自的带通滤波器后再进入数据形成器，从原理上去除了非目标信号的回波能量的混叠，能够保证理想的距离模糊性能。频分的工作方式使得两天线可独立工作，20°～50°入射角范围内均可协同工作，两幅相邻子带的图像进行拼接可形成近两倍于单天线子带的成像幅宽，便于以更短的重访周期进行高分辨率全球对地观测。
为便于说明本申请实施例的有益效果，在一些实施例中，对本申请的基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法系统设计及仿真验证进行了实验，具体地：
双天线SAR系统为实现高分辨率、宽测绘带的高要求，采用方位向双通道技术实现2米分辨率30km条带模式。为覆盖20°～50°入射角范围，需设计13个波位。具体参数如表1：
Figure BDA0002743314350000081
Figure BDA0002743314350000091
表1
单子带成像幅宽是30km，考虑相邻波位重叠是13％～20％，对相邻测绘带进行图像拼接后可实现距离向54～56km的幅宽。双天线SAR系统若采用该方案进行高分辨率全球对地观测成像，其时间理论上相比单天线SAR系统节省一半，这是该方案的最大优势。
具体的波位设计如图9所示，覆盖入射角20°～50°的范围。
相应入射角下的地距分辨率为1.31～2.4m，如图10所示。
频分两发两收方式的系统灵敏度如图11所示，全入射角下系统灵敏度优于-20dB。该方案不存在宽发两窄收模式由于发射宽波束引入天线增益较大损失的问题，避免了波位边沿的系统灵敏度极具下降的现象。
方位模糊如图12所示，全入射角优于-20.9dB。
距离模糊如图13所示，频分两发两收方式避免了相邻波位的能量混叠，可实现全入射角优于-20dB。
以上结果可以看出，该方案能够得到良好的图像性能。
图14为本申请实施例一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像装置结构示意图，如图14所示，本申请实施例的基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像装置包括：主控模块21、第一测量模块22、第二测量模块23及图像处理模块24；其中，
主控模块21，用于接收针对目标区域的测绘指令，其中，目标区域包括相邻的第一区域和第二区域。
测绘指令包括目标区域的坐标范围，通过对所述测绘指令的分析，获取所述目标区域的位置信息。
在一些实施例中，目标区域可以包括测绘带，测绘带可以包括两个以上子带，子带即子测绘带；对应地，相邻的第一区域和第二区域，第一区域可以包括测绘带的一个子测绘带，第二区域可以包括测绘带中与第一区域相邻的另一个子测绘带；在一些实施例中，相邻的第一区域和第二区域共同构成了目标区域。
在一些实施例中，主控模块21，还用于根据测绘指令确定测量信号的波束宽度；根据测绘指令确定测量信号的入射角范围。
第一测量模块22，用于通过第一天线向第一区域发射第一测量信号；通过第一天线接收第一区域的第一回波信号。
在一些实施例中，第一测量模块22，具体用于：通过第一天线接收第一区域的回波信号，对第一区域的回波信号进行滤波处理，得到第一回波信号，其中，第一回波信号是对应第一测量信号的回波信号。
第二测量模块23，用于通过第二天线向第二区域发射第二测量信号；通过第二天线接收第二区域的第二回波信号。
在一些实施例中，第二测量模块23，具体用于：通过第二天线接收第二区域的回波信号，对第二区域的回波信号进行滤波处理，得到第二回波信号，其中，第二回波信号是对应第二测量信号的回波信号。
在一些实施例中，第一测量信号和第二测量信号的频谱不同。
在一些实施例中，采用双天线频分的方式，两天线分别发射两个频点的脉冲信号，频点间距大于系统要求的最大带宽。
图像处理模块24，用于根据第一回波信号成像得到第一测绘图像；根据第二回波信号成像得到第二测绘图像；根据第一测绘图像和第二测绘图像确定目标区域的测绘图像。
在一些实例中，图像处理模块24，具体用于：将第一测绘图像和第二测绘图像拼接得到目标区域的测绘图像。
本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像方法，其特征在于，所述方法包括：
接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；
通过第一天线向所述第一区域发射第一测量信号；
通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；
根据所述第一回波信号成像得到第一测绘图像；
通过第二天线向所述第二区域发射第二测量信号；
通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；
根据所述第二回波信号成像得到第二测绘图像；
根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一测量信号和所述第二测量信号的频谱不同。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号，包括：
通过所述第一天线接收所述第一区域的回波信号，对所述第一区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第一回波信号，其中，所述第一回波信号是对应所述第一测量信号的回波信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号，包括：
通过所述第二天线接收所述第二区域的回波信号，对所述第二区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第二回波信号，其中，所述第二回波信号是对应所述第二测量信号的回波信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像，包括：
将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。
6.一种基于双天线SAR频分两发两收的测绘带成像装置，其特征在于，所述装置包括：
主控模块，用于接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；
第一测量模块，用于通过第一天线向所述第一区域发射第一测量信号；通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；
第二测量模块，用于通过第二天线向所述第二区域发射第二测量信号；通过所述第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；
图像处理模块，用于根据所述第一回波信号成像得到第一测绘图像；根据所述第二回波信号成像得到第二测绘图像；根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一测量信号和所述第二测量信号的频谱不同。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一测量模块，具体用于：通过所述第一天线接收所述第一区域的回波信号，对所述第一区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第一回波信号，其中，所述第一回波信号是对应所述第一测量信号的回波信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二测量模块，具体用于：通过所述第二天线接收所述第二区域的回波信号，对所述第二区域的回波信号进行滤波处理，得到所述第二回波信号，其中，所述第二回波信号是对应所述第二测量信号的回波信号。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述图像处理模块，具体用于：将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。
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