CN113933805A - 一种星机混合模式成像同步误差估计方法 - Google Patents

一种星机混合模式成像同步误差估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星机混合模式成像同步误差估计方法，包括如下步骤：步骤1、星载合成孔径雷达发射信号，机载合成孔径雷达接收回波信号；步骤2、星载合成孔径雷达的载频为f T ，脉冲重复频率为PRF sat ，机载合成孔径雷达系统的载频为f R ，脉冲重复频率为PRF air ，对所述回波信号进行载频偏差预补偿，得到预补偿后的回波信号；步骤3、估计星载合成孔径雷达和机载合成孔径雷达的频率偏差，对回波信号选取两条相邻的距离向数据，计算频率偏差；步骤4、进一步对预补偿后回波信号的同步误差进行补偿；步骤5、对所述同步补偿后的回波信号利用反向投影算法进行成像处理，得到星机双基SAR图像。

Description

一种星机混合模式成像同步误差估计方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种双基合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar, SAR)的同步误差估计方法。
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。
双基SAR，发射系统和接收系统空间分置，具有隐蔽性好、重放周期短、基线灵活等优势。由于收发平台分置，双基SAR系统具备许多传统单基SAR不具备的优势：首先，收发系统分离，可以用较低的硬件费用实现“ 一发多收”的配置；其次，发射机和接收机搭载的平台多样，构成不同的双基成像系统，比如以在轨的星载SAR作为发射源，以机载平台构成接收系统形成星-机双基SAR系统，或将接收机置于固定位置构成星-地一站固定式双基SAR系统。然后由于发射系统和接收系统使用不同的时钟系统，因此发射系统和接收系统的载频存在偏差，该偏差会造成成像目标散焦、位置偏移，降低成像质量，因此必须进行校正和补偿。
在一般的双基SAR系统中，可通过双向对传脉冲信号、直达波同步等设置专门的同步链路进行同步误差补偿。然而，如果在某些双基SAR系统中，未设置同步链路，则需要通过同步误差估计方法进行同步误差补偿。同步误差估计方法是在未有同步链路时进行同步误差补偿的一种必要手段。现有的同步误差估计方法多依赖于场景强点目标，进行自聚焦处理，因此若场景中无强点目标，则该方法的估计精度会下降，因此，亟需研究新的同步误差估计方法，实现双基SAR精聚焦成像。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种星机混合模式成像同步误差估计方法，包括如下步骤：
步骤1、星载合成孔径雷达发射信号，机载合成孔径雷达接收回波信号
Figure 678541DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 391282DEST_PATH_IMAGE002
为方位向时间，
Figure 987480DEST_PATH_IMAGE003
为距离向时间；
步骤2、星载合成孔径雷达的载频为f T ，脉冲重复频率为PRF sat ，机载合成孔径雷达系统的载频为f R ，脉冲重复频率为PRF air ，由于回波信号
Figure 621724DEST_PATH_IMAGE004
存在载频偏差
Figure 984572DEST_PATH_IMAGE005
，因此对所述回波信号
Figure 692765DEST_PATH_IMAGE006
进行载频偏差预补偿，得到预补偿后的回波信号
Figure 787760DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤3、估计星载合成孔径雷达和机载合成孔径雷达的频率偏差，对回波信号
Figure 971617DEST_PATH_IMAGE008
选取两条相邻的距离向数据，分别记为
Figure 75839DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 372959DEST_PATH_IMAGE010
，基于
Figure 966751DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 310008DEST_PATH_IMAGE010
计算频率偏差；
步骤4、对于所述步骤1中进行了载频偏差预补偿得到的预补偿后回波信号
Figure 155604DEST_PATH_IMAGE011
，星载合成孔径雷达的载频fT与机载合成孔径雷达系统的载频fR之差fT-fR与实际的载频偏差还存在同步误差，进一步对预补偿后回波信号
Figure 697444DEST_PATH_IMAGE011
的同步误差进行补偿；
步骤5、对所述同步补偿后的回波信号
Figure 399821DEST_PATH_IMAGE012
利用反向投影算法进行成像处理，得到星机双基SAR图像。
进一步的，所述步骤1、星载合成孔径雷达发射信号，机载合成孔径雷达接收回波信号
Figure 168057DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 410819DEST_PATH_IMAGE002
为方位向时间，表示为
Figure 10428DEST_PATH_IMAGE013
=0,PRT,2PRT,…,(Na﹣1)PRT，其中PRT为脉冲重复周期，Na为脉冲个数，
Figure 821389DEST_PATH_IMAGE003
为距离向时间，表示为
Figure 139238DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure 920112DEST_PATH_IMAGE015
为距离向采样间隔，
Figure 577490DEST_PATH_IMAGE016
为采样起始时间，Nr为距离向采样点数。
进一步的，所述步骤2中，对所述回波信号
Figure 621669DEST_PATH_IMAGE006
进行载频偏差预补偿，得到预补偿后的回波信号
Figure 223552DEST_PATH_IMAGE017
，具体如下：
Figure 949062DEST_PATH_IMAGE018
其中，函数
Figure 523263DEST_PATH_IMAGE019
表示为：
Figure 535081DEST_PATH_IMAGE020
经过载频偏差预补偿后，机载合成孔径雷达系统以与星载合成孔径雷达相同的载频接收回波信号，使得双载频系统接收的回波数据等效为单载频系统接收的回波数据。
进一步的，所述步骤3、估计星载合成孔径雷达和机载合成孔径雷达的频率偏差，对回波信号
Figure 499626DEST_PATH_IMAGE008
选取两条相邻的距离向数据，分别记为
Figure 91145DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 582169DEST_PATH_IMAGE010
，基于
Figure 968151DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 419992DEST_PATH_IMAGE010
计算频率偏差，具体如下：
计算
Figure 611939DEST_PATH_IMAGE009
与
Figure 895153DEST_PATH_IMAGE010
的卷积函数
Figure 401438DEST_PATH_IMAGE021
：
Figure 465209DEST_PATH_IMAGE022
利用
Figure 398530DEST_PATH_IMAGE021
的峰值位置，计算卫星脉冲重复频率PRF sat 的估计值PRF esti ；
计算频率偏差∆f off ：
Figure 473933DEST_PATH_IMAGE023
。
进一步的，所述步骤4、对于所述步骤1中进行了载频偏差预补偿得到的预补偿后回波信号
Figure 467297DEST_PATH_IMAGE011
，星载合成孔径雷达的载频fT与机载合成孔径雷达系统的载频fR之差fT-fR与实际的载频偏差还存在同步误差，进一步对预补偿后回波信号
Figure 752785DEST_PATH_IMAGE011
的同步误差进行补偿；具体如下：
对预补偿后回波信号
Figure 161900DEST_PATH_IMAGE011
进行同步误差补偿，得到同步补偿后的回波信号
Figure 419706DEST_PATH_IMAGE024
；具体为：
Figure 646288DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 28859DEST_PATH_IMAGE026
表示为：
Figure 303983DEST_PATH_IMAGE027
。
进一步的，所述步骤5、对所述同步补偿后的回波信号
Figure 744191DEST_PATH_IMAGE012
利用反向投影算法进行成像处理，得到星机双基SAR图像，具体为：利用反向投影算法的成像过程是计算每个方位时刻合成孔径雷达平台位置与成像区域每点的双程延时，然后在距离压缩的时域数据中取出每点对应的回波数据并加以补偿相位，在不同方位时刻对应的投影数据进行相干累加，最后得出成像结果的过程。
有益效果
本发明的优点是无需依赖于场景目标特性，即可实现同步误差估计，因此本发明适用范围广。同时可基于多条回波数据进行估计，实现双星载频误差的精确估计，估计精度较高。此外，相比于传统设计同步链路的方法，该方法无需同步链路，因此，系统设计更加简单，可应用于多种双基SAR系统构型，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为发明的回波信号
Figure 813779DEST_PATH_IMAGE029
；
图3 为本发明回波信号处理流程图；
图4为本发明实施例数据处理结果对比图；（a）进行同步误差补偿前成像结果；（b）进行同步误差补偿后成像结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种星机混合模式成像同步误差估计方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤1、星载合成孔径雷达发射信号，机载合成孔径雷达接收回波信号
Figure 949225DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 824777DEST_PATH_IMAGE002
为方位向时间，可表示为
Figure 57175DEST_PATH_IMAGE030
=0,PRT,2PRT,…,(Na﹣1)PRT，其中PRT为脉冲重复周期，Na为脉冲个数，
Figure 235347DEST_PATH_IMAGE003
为距离向时间，可表示为
Figure 982723DEST_PATH_IMAGE031
，其中，
Figure 599649DEST_PATH_IMAGE032
为距离向采样间隔，
Figure 624237DEST_PATH_IMAGE033
为采样起始时间，Nr为距离向采样点数。得到的回波信号
Figure 301206DEST_PATH_IMAGE004
如图2所示。
步骤2、星载合成孔径雷达的载频为f T ，脉冲重复频率为PRF sat ，机载合成孔径雷达系统的载频为f R ，脉冲重复频率为PRF air ，由于回波信号
Figure 270299DEST_PATH_IMAGE004
存在载频偏差
Figure 363020DEST_PATH_IMAGE005
，因此需要对对所述回波信号
Figure 570010DEST_PATH_IMAGE006
进行载频偏差预补偿，得到预补偿后的回波信号
Figure 214618DEST_PATH_IMAGE034
，如图3所示，具体如下：
Figure 546373DEST_PATH_IMAGE035
其中，函数
Figure 505102DEST_PATH_IMAGE019
表示为：
Figure 628916DEST_PATH_IMAGE020
经过载频偏差预补偿后，可认为机载合成孔径雷达系统以与星载合成孔径雷达相同的载频接收回波信号，使得双载频系统接收的回波数据等效为单载频系统接收的回波数据，从而简化后续成像处理环节，提高成像效率。
步骤3、估计星载合成孔径雷达和机载合成孔径雷达的频率偏差，对回波信号
Figure 647688DEST_PATH_IMAGE008
选取两条相邻的距离向数据，分别记为
Figure 466739DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 25896DEST_PATH_IMAGE010
；
计算
Figure 941900DEST_PATH_IMAGE009
与
Figure 69256DEST_PATH_IMAGE010
的卷积函数
Figure 500237DEST_PATH_IMAGE021
：
Figure 800768DEST_PATH_IMAGE022
通过选取两条相邻距离线，可基于两条距离线数据的自相关特性，提取峰位置计算频率偏差，提高成像质量。在操作上简单易行，且不依赖于外部数据，适用性强。
利用
Figure 508961DEST_PATH_IMAGE021
的峰值位置，计算卫星脉冲重复频率PRF sat 的估计值PRF esti ；
计算频率偏差∆f off ：
Figure 666273DEST_PATH_IMAGE023
步骤4、虽然第一步中对回波信号
Figure 787813DEST_PATH_IMAGE036
进行了载频偏差预补偿得到回波信号
Figure 298560DEST_PATH_IMAGE011
，但是由于晶振偏差，合成孔径雷达的载频f T 与机载合成孔径雷达系统的载频fR之差f T -fR与实际的载频偏差还存在一定误差，该误差即为同步误差，因此需要对该同步误差进行补偿，如图3所示。
对星机双基的预补偿后的回波信号
Figure 251472DEST_PATH_IMAGE011
进行同步误差补偿，得到同步补偿后的回波信号
Figure 782948DEST_PATH_IMAGE024
；具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
其中
Figure 595046DEST_PATH_IMAGE026
表示为：
Figure 502959DEST_PATH_IMAGE027
。
由于同步误差引入的误差影响成像过程，降低成像质量，因此经过同步误差补偿后，成像质量会得到提升。
步骤5、对所述同步补偿后的回波信号
Figure 185744DEST_PATH_IMAGE012
利用反向投影算法进行成像处理，得到星机双基SAR图像。反向投影算法的成像过程是计算每个方位时刻合成孔径雷达平台位置与成像区域每点的双程延时，然后在距离压缩的时域数据中取出每点对应的回波数据并加以补偿相位，在不同方位时刻对应的投影数据进行相干累加，最后得出成像结果的过程，如图3所示。反向投影算法是一种较为通用的成像算法，可实现任意双基构型合成孔径雷达成像，成像结果如图4（b）所示。
对获取的数据进行成像分析。经过载频偏差预补偿后，不进行同步误差补偿，直接利用反向投影算法成像处理，得到的成像结果部分区域如图4（a）所示。
如图4（a）和如图4（b）对比可见，可见通过本发明的方法处理的如图4（b）此时目标聚焦良好，从而验证了同步补偿算法的有效性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种星机混合模式成像同步误差估计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、星载合成孔径雷达发射信号，机载合成孔径雷达接收回波信号
Figure 22213DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 532829DEST_PATH_IMAGE002
为方位向时间，
Figure 312566DEST_PATH_IMAGE003
为距离向时间；
步骤2、星载合成孔径雷达的载频为f T ，脉冲重复频率为PRF sat ，机载合成孔径雷达系统的载频为f R ，脉冲重复频率为PRF air ，由于回波信号
Figure 442196DEST_PATH_IMAGE004
存在载频偏差
Figure 990989DEST_PATH_IMAGE005
，因此对所述回波信号
Figure 547872DEST_PATH_IMAGE006
进行载频偏差预补偿，得到预补偿后的回波信号
Figure 673960DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤3、估计星载合成孔径雷达和机载合成孔径雷达的频率偏差，对回波信号
Figure 607281DEST_PATH_IMAGE008
选取两条相邻的距离向数据，分别记为
Figure 10581DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 738365DEST_PATH_IMAGE010
，基于
Figure 351749DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 823182DEST_PATH_IMAGE010
计算频率偏差；
步骤4、对于所述步骤1中进行了载频偏差预补偿得到的预补偿后回波信号
Figure 346567DEST_PATH_IMAGE011
，
星载合成孔径雷达的载频fT与机载合成孔径雷达系统的载频fR之差fT-fR与实际的载频偏差还存在同步误差，进一步对预补偿后回波信号
Figure 510832DEST_PATH_IMAGE011
的同步误差进行补偿；
步骤5、对所述同步补偿后的回波信号
Figure 486878DEST_PATH_IMAGE012
利用反向投影算法进行成像处理，得到星机双基SAR图像。
2.根据权利要求1所述的一种星机混合模式成像同步误差估计方法，其特征在于，所述步骤1、星载合成孔径雷达发射信号，机载合成孔径雷达接收回波信号
Figure 621057DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 998948DEST_PATH_IMAGE002
为方位向时间，表示为
Figure 68535DEST_PATH_IMAGE013
=0,PRT,2PRT,…,(Na﹣1)PRT，其中PRT为脉冲重复周期，Na为脉冲个数，
Figure 531878DEST_PATH_IMAGE003
为距离向时间，表示为
Figure 469747DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure 702145DEST_PATH_IMAGE015
为距离向采样间隔，
Figure 208213DEST_PATH_IMAGE016
为采样起始时间，Nr为距离向采样点数。
3.根据权利要求1所述的一种星机混合模式成像同步误差估计方法，其特征在于，所述步骤2中，对所述回波信号
Figure 158851DEST_PATH_IMAGE017
进行载频偏差预补偿，得到预补偿后的回波信号
Figure 775777DEST_PATH_IMAGE018
，具体如下：
Figure 987316DEST_PATH_IMAGE019
其中，函数
Figure 664285DEST_PATH_IMAGE020
表示为：
Figure 836640DEST_PATH_IMAGE021
经过载频偏差预补偿后，机载合成孔径雷达系统以与星载合成孔径雷达相同的载频接收回波信号，使得双载频系统接收的回波数据等效为单载频系统接收的回波数据。
4.根据权利要求1所述的一种星机混合模式成像同步误差估计方法，其特征在于，所述步骤3、估计星载合成孔径雷达和机载合成孔径雷达的频率偏差，对回波信号
Figure 991678DEST_PATH_IMAGE008
选取两条相邻的距离向数据，分别记为
Figure 323302DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 171172DEST_PATH_IMAGE010
，基于
Figure 830824DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 789553DEST_PATH_IMAGE010
计算频率偏差，具体如下：
计算
Figure 710104DEST_PATH_IMAGE009
与
Figure 994455DEST_PATH_IMAGE010
的卷积函数
Figure 141403DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure 903822DEST_PATH_IMAGE023
利用
Figure 819826DEST_PATH_IMAGE022
的峰值位置，计算卫星脉冲重复频率PRF sat 的估计值PRF esti ；
计算频率偏差∆f off ：
Figure 868553DEST_PATH_IMAGE024
。
5.根据权利要求1所述的一种星机混合模式成像同步误差估计方法，其特征在于，所述步骤4、对于所述步骤1中进行了载频偏差预补偿得到的预补偿后回波信号
Figure 502797DEST_PATH_IMAGE011
，星载合成孔径雷达的载频fT与机载合成孔径雷达系统的载频fR之差fT-fR与实际的载频偏差还存在同步误差，进一步对预补偿后回波信号
Figure 803328DEST_PATH_IMAGE011
的同步误差进行补偿；具体如下：
对预补偿后回波信号
Figure 104996DEST_PATH_IMAGE011
进行同步误差补偿，得到同步补偿后的回波信号
Figure 59046DEST_PATH_IMAGE025
；具体为：
Figure 446165DEST_PATH_IMAGE026
其中
Figure 550387DEST_PATH_IMAGE027
表示为：
Figure 175404DEST_PATH_IMAGE028
。
6.根据权利要求1所述的一种星机混合模式成像同步误差估计方法，其特征在于，所述步骤5、对所述同步补偿后的回波信号
Figure 706879DEST_PATH_IMAGE012
利用反向投影算法进行成像处理，得到星机双基SAR图像，具体为：利用反向投影算法的成像过程是计算每个方位时刻合成孔径雷达平台位置与成像区域每点的双程延时，然后在距离压缩的时域数据中取出每点对应的回波数据并加以补偿相位，在不同方位时刻对应的投影数据进行相干累加，最后得出成像结果的过程。
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