CN115575956A - 编队sar卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，主要包括：相位同步信号的缺失检测；对相位同步信号进行脉冲压缩，并进行升采样操作；提取每一帧脉冲压缩后信号峰值处的复信号，并计算该帧信号的主瓣能量；根据脉冲压缩增益，计算每一帧信号的能量阈值，并进行信号有效性的判定；对提取出的复信号序列进行滤波操作；对滤波操作后的复信号序列进行相位解缠绕；对解缠绕后的相位序列，根据主星和辅星的星上时间，分两种情况判断主星和辅星的数据缺失位置；判断完缺失数据位置后，通过局部数据拟合得到拟合系数，对缺失位置的数据进行拟合外推。本发明主要解决编队SAR卫星相位同步信号中干扰信号的检测与补偿的问题。

Description

编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法

技术领域

本发明属于星载编队合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)领域，具体涉及一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法。

背景技术

编队合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）是一种接收机和发射机处于空间中相隔一定距离的不同工作平台的SAR成像体制。由于收发平台分置，编队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。此外，双星编队也可组成双基SAR系统，比如目前在轨的德国TanDEM-X系统，以双星编队获取全球高精度的数字高程信息。由于双基系统的基线配置灵活，避免了单基SAR系统在进行干涉处理时的时间去相干和大气效应问题，能够得到比单基SAR系统更好的地形高程测量结果。

对于双基SAR系统，由于主辅星使用不同的晶振，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，相位同步信号处理方法在编队SAR系统中发挥着重要的作用。而在实际数据处理中，同步信号中可能存在干扰信号，并且可能存在星上数据缺失的现象。这些问题都将影响后续相位同步信号处理的精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，主要解决同步信号中干扰信号的检测与补偿的问题，同时可以解决实际数据中同步信号缺失的问题，从而提高后续相位同步信号处理的精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，包括如下步骤：

步骤S101、对相位同步信号进行缺失检测；

步骤S102、对相位同步信号进行脉冲压缩，并进行升采样操作；

步骤S103、提取每一帧脉冲压缩后的相位同步信号峰值处的复信号，并计算该每一帧脉冲压缩后的相位同步信号的主瓣能量；

步骤S104、根据脉冲压缩增益，计算每一帧脉冲压缩后的相位同步信号的能量阈值，并进行信号有效性的判定，标识出较强干扰下的无效脉冲；将无效脉冲提取的复信号重新赋值为前一个有效脉冲的复数峰值；

步骤S105、对无效脉冲提取的复信号的序列进行滤波操作；

步骤S106、对滤波操作后的无效脉冲提取的复信号的序列进行相位解缠绕；

步骤S107、对解缠绕后的复信号的序列，根据主星和辅星的星上时间，分两种情况判断主星和辅星的数据缺失位置；

步骤S108、判断数据缺失位置后，通过局部数据拟合得到拟合系数，对缺失位置的数据进行拟合外推。

进一步地，所述步骤S101包括：

根据相位同步信号的辅助数据，提取每一帧相位同步信号的星上时间，对星上时间做差分处理；将差分处理后的结果与相位同步信号的时间进行对比，得到相位同步信号缺失数据的时间点位，并对缺失的脉冲帧数进行补零操作；补零之后的主星相位同步信号和辅星相位同步信号是连续的。

进一步地，所述步骤S102包括：

对每一帧相位同步信号进行脉冲压缩操作，并通过频域补零的方式实现时域升采样。

进一步地，所述步骤S104中，当前帧信号在脉冲压缩之后的能量如果超过阈值，则当前帧信号脉冲压缩后的峰值相位被判定为有效信号；如果低于阈值，则被判定为无效信号，此时选择前一帧有效信号作为该帧的有效信号预选值。

进一步地，所述步骤S105包括：

将复信号的序列变换到频域，选择主瓣，设计带通巴特沃斯滤波器，对信号频谱进行滤波，然后再变换回时域以完成复信号的噪声去除。

进一步地，所述步骤S107中的两种情况为：

情况一：主星的相位同步帧数大于辅星的相位同步帧数，此时辅星的相位同步信号缺失数据；当主星的第一个星上时间小于辅星的第一个星上时间，则辅星的相位同步信号的起始位置缺失数据；当主星的最后一个星上时间大于辅星的最后一个星上时间，则辅星的相位同步信号的终止位置缺失数据；

情况二：主星的相位同步帧数小于辅星的相位同步帧数，此时主星的相位同步信号缺失数据；当主星的第一个星上时间大于辅星的第一个星上时间，则主星的相位同步信号的起始位置缺失数据；当主星的最后一个星上时间小于辅星的最后一个星上时间，则主星的相位同步信号的终止位置缺失数据。

有益效果：

本发明所提出的一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法可以有效的解决存在于同步信号中的干扰信号的检测与消除的问题，同时可以解决实际数据中同步信号缺失的问题，从而提高后续相位同步信号处理的精度。

附图说明

图1为本发明的编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法的信号处理流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法具体包括如下步骤：

步骤S101：对相位同步信号进行缺失检测。

根据同步信号的辅助数据，提取每一帧同步信号的星上时间，设提取出的星上时间序列为

。对提取出的星上时间进行差分处理，得到差分时间序列∆t(η)：

(1)

如果差分时间序列在某些时间点上存在不连续的情况，则说明该时间点位存在缺失数据。将同步信号时间序列与差分时间序列进行对比，获得同步信号缺失数据的时间点位。根据缺失时间点位，对同步信号中的缺失脉冲进行补零操作。补偿之后的主星相位同步信号和辅星相位同步信号是连续的。

步骤S102：对同步信号进行脉冲压缩处理，并进行升采样操作。

对相位同步信号s(τ,η)进行脉冲压缩处理，脉冲压缩的匹配滤波器表示为：

(2)

其中，K _r 表示同步信号的距离向调频率，j为虚数，f _τ 表示距离频率，τ,η分别表示距离向时间和方位向时间。

根据下式进行距离向脉冲压缩操作：

s _compress (τ,η)=IFFT _r [FFT _r [s(τ,η)]•H_r(f _τ )] (3)

其中，FFT _r [·]和IFFT _r [·]表示距离向傅里叶变换和傅里叶逆变换；s _compress (τ,η)表示经过脉冲压缩后的相位同步信号。脉冲压缩处理之后，通过频域补零的方式进行时域升采样。

步骤S103：提取每一帧脉冲压缩后的信号峰值处的复信号，并计算该帧信号的主瓣能量。

对于第

帧的相位同步信号

，主瓣能量

计算公式由下式给出：

(4)

其中，sum[·]表示求和运算；|·|表示求均值运算；

和

表示3dB主瓣宽度对应的时间点位。

步骤S104：根据脉冲压缩增益，计算每一帧相位同步信号的能量阈值，并进行信号有效性的判定。

首先，根据脉冲压缩增益计算每一帧同步信号的能量阈值。线性调频信号经过匹配滤波后的输出信号可以表示为：

(5)

其中，A表示同步信号的幅度；B和T表示相位同步信号的宽度和脉冲宽度；τ ₀表示时间延迟。考虑到FFT对信号幅频特性的影响，最后脉冲压缩系统的增益可以表示为：

(6)

其中，K _r =B/T，Fs表示距离向采样率。

假设脉冲压缩之前，信号的主瓣能量为P ₀(η)，则信号的能量阈值P _threshold (η)可以设置为：

(7)

其中，α是为了避免阈值设置过高而出现误判的调整系数，通常α的取值可在1.2至1.4之间。

比较当前帧信号脉冲压缩后的主瓣能量P(η)与能量阈值P _threshold (η)的情况。当P(η)超过P _threshold (η)，则将当前帧信号判定为有效信号；如果P(η)低于P _threshold (η)，则将当前帧信号判定为无效信号，此时选择前一帧有效信号作为当前帧的有效信号预选值。

步骤S105：对提取出的复信号序列进行滤波操作。

经过步骤S104后，获得了一组由各帧信号脉冲压缩峰值处的复信号所组成的复信号序列，设为z(η)。将此序列变换到频域，设计带通的巴特沃斯滤波器，对信号的频谱进行滤波操作。巴特沃斯滤波器的幅频特性可以通过下式来表示：

(8)

其中，n为滤波器的阶数，ω _c 为截止频率，即振幅下降为-3dB时的频率，ω表示角频率。

滤波操作可以表示如下：

Z(f _η )=Z(f _η )·|H(ω)|² (9)

其中，Z(f _η )表示复信号序列z(η)的频域形式。

将滤波操作后的信号变换回时域，完成复信号的噪声去除。

步骤S106：对滤波操作后的复信号序列进行相位解缠绕操作。

步骤S107：对解缠绕后的相位序列，根据主、辅星的星上时间，分两种情况判断主辅星的数据缺失位置。

对于第一种情况，主星的相位同步帧数大于辅星的相位同步帧数，此时辅星相位同步信号将缺失数据。当主星的第一个星上时间小于辅星的第一个星上时间，则辅星的相位同步信号的起始位置缺失数据；当主星的最后一个星上时间大于辅星的最后一个星上时间，则辅星的相位同步信号的终止位置缺失数据。

对于第二种情况，主星的相位同步帧数小于辅星的相位同步帧数，此时主星相位同步信号将缺失数据。当主星的第一个星上时间大于辅星的第一个星上时间，则主星的相位同步信号的起始位置缺失数据；当主星的最后一个星上时间小于辅星的最后一个星上时间，则主星的相位同步信号的终止位置缺失数据。

步骤S108：判断完缺失数据位置后，通过局部数据拟合得到拟合系数，对缺失位置的数据进行拟合外推。

选定拟合多项式的阶数为m，针对一部分较完整的局部数据计算拟合系数p _i ，其中i=1,2,…m。根据拟合多项式以及计算获得的各阶系数，外推获得缺失位置处的复信号数据。其中拟合阶数根据经验以2阶为宜。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S101、对相位同步信号进行缺失检测；

步骤S102、对相位同步信号进行脉冲压缩，并进行升采样操作；

步骤S103、提取每一帧脉冲压缩后的相位同步信号峰值处的复信号，并计算该每一帧脉冲压缩后的相位同步信号的主瓣能量；

步骤S104、根据脉冲压缩增益，计算每一帧脉冲压缩后的相位同步信号的能量阈值，并进行信号有效性的判定，标识出较强干扰下的无效脉冲；将无效脉冲提取的复信号重新赋值为前一个有效脉冲的复数峰值；

步骤S105、对无效脉冲提取的复信号的序列进行滤波操作；

步骤S106、对滤波操作后的无效脉冲提取的复信号的序列进行相位解缠绕；

步骤S107、对解缠绕后的复信号的序列，根据主星和辅星的星上时间，分两种情况判断主星和辅星的数据缺失位置；

步骤S108、判断数据缺失位置后，通过局部数据拟合得到拟合系数，对缺失位置的数据进行拟合外推。

2.根据权利要求1所述的一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，其特征在于，所述步骤S101包括：

根据相位同步信号的辅助数据，提取每一帧相位同步信号的星上时间，对星上时间做差分处理；将差分处理后的结果与相位同步信号的时间进行对比，得到相位同步信号缺失数据的时间点位，并对缺失的脉冲帧数进行补零操作；补零之后的主星相位同步信号和辅星相位同步信号是连续的。

3.根据权利要求2所述的一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，其特征在于，所述步骤S102包括：

对每一帧相位同步信号进行脉冲压缩操作，并通过频域补零的方式实现时域升采样。

4.根据权利要求3所述的一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，其特征在于，所述步骤S104中，当前帧信号在脉冲压缩之后的能量如果超过阈值，则当前帧信号脉冲压缩后的峰值相位被判定为有效信号；如果低于阈值，则被判定为无效信号，此时选择前一帧有效信号作为该帧的有效信号预选值。

5.根据权利要求4所述的一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，其特征在于，所述步骤S105包括：

将复信号的序列变换到频域，选择主瓣，设计带通巴特沃斯滤波器，对信号频谱进行滤波，然后再变换回时域以完成复信号的噪声去除。

6.根据权利要求5所述的一种编队SAR卫星的相位同步干扰信号的检测与补偿方法，其特征在于，所述步骤S107中的两种情况为：

情况一：主星的相位同步帧数大于辅星的相位同步帧数，此时辅星的相位同步信号缺失数据；当主星的第一个星上时间小于辅星的第一个星上时间，则辅星的相位同步信号的起始位置缺失数据；当主星的最后一个星上时间大于辅星的最后一个星上时间，则辅星的相位同步信号的终止位置缺失数据；

情况二：主星的相位同步帧数小于辅星的相位同步帧数，此时主星的相位同步信号缺失数据；当主星的第一个星上时间大于辅星的第一个星上时间，则主星的相位同步信号的起始位置缺失数据；当主星的最后一个星上时间小于辅星的最后一个星上时间，则主星的相位同步信号的终止位置缺失数据。

Images