CN116148802B - 一种双基sar相位同步抗干扰方法 - Google Patents

一种双基sar相位同步抗干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双基SAR相位同步抗干扰方法，包括：步骤1、获取同步信号、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；步骤2、根据同步信号的众数分布特性剔除饱和失真信号，保留未失真的同步信号；步骤3、通过加窗匹配滤波器对未失真的同步信号进行脉冲压缩得到脉压信号，通过时域陷波器消除脉压峰值处的信号；步骤4、运用Fast MIAA技术恢复干扰信号，从脉压信号中减去干扰信号，获得无干扰的同步信号；步骤5、从无干扰同步信号中提取同步相位，插值得到饱和失真同步信号的同步相位；步骤6、根据双星的同步相位获得粗同步补偿相位，对粗同步补偿相位进行升采样，补偿内定标补偿相位和多普勒补偿相位，得到高精度同步补偿相位。

Description

一种双基SAR相位同步抗干扰方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种双基SAR（Synthetic Aperture Radar, 合成孔径雷达）相位同步抗干扰方法。
背景技术
双基合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）系统是一种收发分置的微波成像系统，相比于传统的单基SAR，双基SAR因其丰富的观测模式、多样的系统构型、灵活的基线配置、良好的电磁隐蔽和广泛的应用领域等独特优势而倍受关注，已经成为微波遥感和对地观测领域的重点发展方向。
然而，由于电磁环境日益复杂，电磁波频谱资源日渐紧张，尤其是在L波段，SAR与诸多电子系统如全球导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）、通信卫星、空中管制雷达、电视广播系统等共享相同的频段。拥挤的频谱导致了频繁的射频干扰（Radio Frequency Interference, RFI）现象。而作为双基SAR的关键组成部分，相位同步系统一旦受到干扰，导致的同步相位误差将直接影响到双基SAR图像的质量和全球数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）的精度，因此抗干扰也是双基SAR相位同步系统中亟需解决的关键问题。
LT-1系统采用了先进的非中断相位同步方案，而在RFI的影响下，将会引入额外的相位误差，从而降低同步精度。经典的抗干扰方案如频域陷波方法和基于特征值分解（Eigenvalue Decomposition, EVD）的方法，在一定程度上可以去除干扰信号，但是也存在遗漏或则误判干扰成分的风险，并且将导致同步信号频谱的非连续性。最近提出的时域陷波方法，在干扰信号完全覆盖同步信号时也是失效的。上述方法均是针对于SAR回波信号，鲜有研究对同步链路中的干扰信号针对性地设计有效的抑制算法。而采取逆向思维，先消除接收信号中的同步信号成分，再恢复出完整的干扰信号，最后从原接收信号中将所有干扰成分消除，也不失为双基SAR相位同步抗干扰的一种可靠方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双基SAR相位同步抗干扰方法，能够消除同步信号中的干扰信号，有效提升双基SAR相位同步精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种双基SAR相位同步抗干扰方法，包括如下步骤：
步骤1、获取同步信号、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；
步骤2、统计同步信号的众数特征，根据众数的分布特性剔除同步信号中的饱和失真信号，并保留未失真的同步信号；
步骤3、通过加窗匹配滤波器对未失真的同步信号进行脉冲压缩得到脉压信号，并通过时域陷波器消除脉压峰值处的信号；
步骤4、运用Fast MIAA技术快速准确地恢复陷波处的干扰信号，然后从脉压信号中减去恢复的干扰信号，获得无干扰的同步信号；
步骤5、从获得的无干扰的同步信号峰值处提取未失真的同步信号的同步相位，根据获得的未失真的同步信号的同步相位插值获得饱和失真的同步信号的同步相位；
步骤6、根据双星的同步相位获得粗同步补偿相位，对粗同步补偿相位进行升采样，补偿内定标补偿相位和多普勒补偿相位，得到高精度同步补偿相位。
进一步地，所述步骤2包括：
分离同步信号的实部和虚部，统计实虚部数据的众数，并运用K-means算法将众数分为两类，一类属于饱和失真的同步信号，另一类属于未失真的同步信号，从而剔除同步信号中的饱和失真的同步信号信号，并保留未失真的同步信号。
进一步地，所述步骤3包括：
运用加Kaiser窗的匹配滤波器对未失真的同步信号进行脉冲压缩，从而获得脉压信号，然后利用峰值检测，通过时域陷波器消除脉压峰值处的信号。
进一步地，所述步骤5包括：
提取无干扰同步信号峰值处的相位即为未失真的同步信号的同步相位，以此为样本，使用Spline（三次样条）插值方法在饱和失真的同步信号处进行插值，从而获得完整的无干扰的同步相位。
进一步地，所述步骤6包括：
根据获得的双星的无干扰同步相位求得粗同步补偿相位，使用Spline插值方法对粗同步补偿相位进行升采样，然后补偿随时间变化的内定标补偿相位和多普勒补偿相位，即得到高精度同步补偿相位，用于对双基SAR数据相位的精确补偿，进而实现精确成像和干涉处理。
有益效果：
相比于现有的频域陷波方法和ESP方法，本发明通过“正难则反”的逆向思维完全消除了RFI信号，从根本上杜绝了遗漏和误判干扰成分的情况，同时还避免了同步信号频谱不连续的问题。此外，本发明还对信号中的噪声起到了抑制作用，从而获得更高精度的相位同步效果。
附图说明
图1为本发明的双基SAR相位同步抗干扰方法流程图；
图2为陆地探测一号相位同步系统受射频干扰示意图；
图3为同步信号众数统计图及其分类结果；
图4a，图4b，图4c为未进行抗干扰的同步信号及其时频图；其中，图4a为同步信号的实部，图4b为同步信号的虚部，图4c为同步信号的时频图；
图5a，图5b，图5c为进行抗干扰后的同步信号及其时频图；其中，图5a为同步信号的实部，图5b为同步信号的虚部，图5c为同步信号的时频图；
图6a，图6b为未进行抗干扰的同步相位及其频率图；其中，图6a为同步相位图，图6b为频率图；
图7a，图7b为进行抗干扰后的同步相位及其频率图；其中，图7a为同步相位图，图7b为频率图。
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。
根据本发明的实施例，如图1所示，一种双基SAR相位同步抗干扰方法，包括如下步骤：
步骤101：获取同步信号、内定标补偿相位和多普勒补偿相位。
双基SAR系统工作时，由主星生成的同步信号在
Figure SMS_1
时刻发射，经过时间/>
Figure SMS_2
的时延后，辅星接收并记录该信号。当考虑同步链路中的非理想因素时，记录的信号/>
Figure SMS_3
可以表示为同步信号、干扰信号和噪声的和，即：
Figure SMS_4
（1）
其中，
Figure SMS_5
，/>
Figure SMS_6
，/>
Figure SMS_7
分别表示同步信号、干扰信号、和零均值高斯白噪声。在公式（1）中，未受干扰和噪声污染的同步信号可以表示为：
Figure SMS_8
（2）
其中，
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表示矩形窗函数，/>
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表示指数函数，/>
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表示虚数单位，/>
Figure SMS_12
表示同步信号脉宽，/>
Figure SMS_13
表示信号调频率，则信号带宽/>
Figure SMS_14
。/>
Figure SMS_15
包含了由卫星时钟频率偏差引起的相位误差。
窄带RFI通常可以建模为
Figure SMS_16
个正弦成分：
Figure SMS_17
（3）
其中，
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表示干扰信号的幅度，在短时间内可视为一恒定的常数。/>
Figure SMS_19
和/>
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分别表示干扰信号的时宽和中心时间。/>
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表示干扰信号频率，/>
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表示干扰信号的相位。
而后，分别根据定标回路和主辅星之间的相对速度，获得随方位向慢时间
Figure SMS_23
变化的内定标补偿相位/>
Figure SMS_24
和多普勒相位误差/>
Figure SMS_25
。
步骤102：统计同步信号的众数特征，根据众数的分布特性剔除同步信号中的饱和失真信号，并保留未失真的同步信号。
在双基SAR相位同步系统中，接收信号将在采样、保持和量化后被存储，正常情况下同步信号均处于模数转换器的动态范围内，而由于射频干扰的意外介入，超过动态范围的信号将被截断，从而导信号的致饱和失真。鉴于截断信号具有较多的端点值，因此采用信号的众数
Figure SMS_26
来表征接收信号的特征：
Figure SMS_27
（4）
其中，
Figure SMS_28
表示取众数函数，/>
Figure SMS_29
与/>
Figure SMS_30
分别表示取实部和虚部的函数。/>
Figure SMS_31
表示接收信号/>
Figure SMS_32
经量化后的复向量。K-means算法被用于将众数分为两类，一类属于饱和失真信号，另一类属于未饱和的信号。检测出的饱和失真信号将被剔除不再作任何处理，而未失真的信号将被进一步处理以消除其中的干扰信号。
步骤103：通过加窗匹配滤波器对未失真的同步信号进行脉冲压缩得到脉压信号，并对通过时域陷波器消除脉压峰值处的信号。
忽略噪声项，将未失真的同步信号
Figure SMS_33
通过傅里叶变换转换到频域：
Figure SMS_34
（5）
Figure SMS_35
（6）
Figure SMS_36
（7）
其中，
Figure SMS_37
表示频率，/>
Figure SMS_38
表示频率包络，/>
Figure SMS_39
表示常数相位，/>
Figure SMS_40
表示符号函数。
用于脉冲压缩的频域匹配滤波器表示为：
Figure SMS_41
（8）
为了缓解有限长度信号的截断效应和抑制chirp信号脉压后的旁瓣，将在频域添加平滑窗，则加窗匹配滤波后的脉压信号表示为：
Figure SMS_42
（9）
其中，
Figure SMS_43
为快速傅里叶逆变换函数，/>
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表示辛格函数，/>
Figure SMS_45
表示频域平滑窗函数，通常使用在分辨率和旁瓣之间具有优异均衡效果的Kaiser窗。/>
Figure SMS_46
表示同步信号/>
Figure SMS_47
加窗匹配滤波后的时域权值。
设计时域陷波器在脉压峰值位置处进行陷波，消除同步信号：
Figure SMS_48
（10）
其中，
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表示陷波窗的长度。加窗后，当时间/>
Figure SMS_50
远离/>
Figure SMS_51
时，脉压后的信号的衰减非常快。例如当加/>
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的Kaiser窗时，/>
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函数的峰值旁瓣比将低于/>
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dB。当通过选取适当窗长的矩形窗陷波后，/>
Figure SMS_55
中的同步信号分量被完全消除，仅剩下窄带RFI信号：
Figure SMS_56
（11）
步骤104：运用Fast MIAA（快速缺失数据迭代自适应方法，Fast Missing-dataIterative Adaptive Approach）技术快速准确地恢复陷波处的干扰信号，然后从脉压信号中减去恢复的干扰信号，获得无干扰的同步信号。
对比公式（11）和（3）可知，窄带RFI信号经匹配滤波器后并未被压缩，而是保持频率不变，仅改变了幅度和相位。而经过时域陷波后，不只同步信号被消除，矩形窗内的干扰信号也被置零了。而在频率成分较为单一、数据缺失率较小的情况下，Fast MIAA技术足以胜任缺失数据恢复的工作，且数据恢复的准确度较高。
设信号
Figure SMS_57
的向量形式为：
Figure SMS_58
（12）
其中，
Figure SMS_62
，/>
Figure SMS_66
和/>
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均表示已知的采样，/>
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表示缺失的采样。/>
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，/>
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，/>
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和/>
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分别表示/>
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，/>
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，/>
Figure SMS_71
和/>
Figure SMS_60
的长度。/>
Figure SMS_64
表示矩阵转置。Fast MIAA恢复缺失数据的过程可分为两步，如下所示：
首先，运用Fast IAA技术估计出
Figure SMS_72
与/>
Figure SMS_73
相应的频谱和协方差矩阵。Fast IAA的迭代公式如下所示：
Figure SMS_74
（13）
Figure SMS_75
（14）
Figure SMS_76
（15）
其中，
Figure SMS_92
和/>
Figure SMS_78
分别表示待求得频谱和协方差矩阵，/>
Figure SMS_86
表示/>
Figure SMS_89
的共轭向量，/>
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为频率点数且远大于已知采样点数，通常取已知采样点数的8倍。/>
Figure SMS_91
和
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分别表示进行/>
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点的快速傅里叶变换和逆变换，下标/>
Figure SMS_87
表示取前/>
Figure SMS_77
个元素。
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表示矩阵对应元素相除，/>
Figure SMS_80
表示矩阵的哈达玛积。公式（14）即为著名的Gohberg Semencul（GS）因子分解，/>
Figure SMS_95
、/>
Figure SMS_81
和/>
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在/>
Figure SMS_82
上应用Levinson-Durbin（LD）算法求取。事实上，/>
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和/>
Figure SMS_84
也均为Toeplitz矩阵，公式（14）也可以使用傅里叶变换来避免矩阵乘法，以降低算法的计算复杂度。/>
Figure SMS_90
的迭代初值可以通过/>
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给出。通常情况下，15次迭代足以使迭代收敛。
获得已知采样
Figure SMS_97
的频谱/>
Figure SMS_98
和协方差矩阵/>
Figure SMS_99
后，Fast MIAA的第二步是通过最小均方差估计获得缺失采样：
Figure SMS_100
（16）
Figure SMS_101
（17）
Figure SMS_102
（18）
Figure SMS_103
（19）
其中，
Figure SMS_104
和/>
Figure SMS_105
均表示过采样的傅里叶矩阵。
通过相同的方式，可以估计已知采样
Figure SMS_106
对应的频谱和协方差矩阵，进而获得由已知采样/>
Figure SMS_107
估计的缺失采样/>
Figure SMS_108
。最后通过对/>
Figure SMS_109
和/>
Figure SMS_110
加权求和恢复缺失数据/>
Figure SMS_111
，完整的窄带RFI信号则通过Fast MIAA技术得以恢复：
Figure SMS_112
（20）
其信号形式可以表示为：
Figure SMS_113
（21）
从压缩信号中减去恢复的干扰信号，即可得到脉压后的无干扰同步信号：
Figure SMS_114
（22）
步骤105：从获得的无干扰同步信号峰值处提取未失真同步信号的同步相位，根据获得的未失真同步信号的同步相位插值获得饱和失真同步信号的同步相位。
对于未失真信号，正确的同步相位
Figure SMS_115
可以从无干扰同步信号峰值处提取：
Figure SMS_116
（23）
其中，
Figure SMS_117
表示取复数辐角函数。
而对于饱和失真位置处的同步相位，可以基于获得的未失真同步信号的同步相位Spline（三次样条）插值获得。
步骤106：根据双星的同步相位获得粗同步补偿相位，对粗同步补偿相位进行升采样，补偿内定标补偿相位和多普勒补偿相位，得到高精度同步补偿相位。
抗干扰后，分别获得主星和辅星的同步相位
Figure SMS_118
和/>
Figure SMS_119
，/>
Figure SMS_120
和/>
Figure SMS_121
的差值用于获取粗同步补偿相位：
Figure SMS_122
（24）
将粗同步补偿相位运用Spline插值升采样到与SAR回波方位向采样相同的长度，然后补偿由硬件系统和卫星间的多普勒效应引入相位误差，即内定标补偿相位
Figure SMS_123
和多普勒补偿相位/>
Figure SMS_124
，最终高精度同步补偿相位可以表示为：
Figure SMS_125
（25）
获得高精度同步补偿相位
Figure SMS_126
后，即可用于对双基SAR数据的精确补偿，进而实现后续的高精度成像和干涉处理。
实施例1
实施例选取LT-1任务星载实测数据进行处理，LT-1相位同步系统受射频干扰示意图如图2所示。
图3给出了饱和失真信号和未失真信号的分类结果，可以看到信号众数的分布特征非常明显，饱和失真信号的众数居于两端，而未失真信号的分布在中心位置。本发明能够有效地根据该分布特性对信号完成分类，并剔除同步信号中的饱和失真信号。图4a，图4b，图4c展示了一帧未进行抗干扰处理的同步信号，图4a与图4b分别为信号的实部与虚部，图4c为该帧同步信号的时频图。由图可见，该帧同步信号中至少包含了4个不同频率的窄带干扰信号。图5a，图5b，图5c展示了图4a，图4b，图4c所示信号经本发明抗干扰后的同步信号和时频图，窄带干扰被完全消除。图6a给出了未进行抗干扰的同步相位，同步相位因为RFI的介入而引起同步相位误差，在图中表现为许多异常的相位跳变。在无干扰时，鉴于LT-1系统的高稳定度时钟源，同步相位对时间的导数（即频率）应当保持在一个相当稳定的水平。而图6b所示的频率表现出非常明显的跳变，频率的标准差为5.3921 Hz。而经本发明算法处理后，如图7a，图7b所示，相位跳变得到消除，频率趋于平坦，其标准差降低至0.1782 Hz，同步相位精度得以大幅提升。上述实验结果充分验证了所发明的双基SAR相位同步抗干扰方法的有效性，能够出色地消除由RFI引入的同步相位误差，实现高精度相位同步。
以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双基SAR相位同步抗干扰方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取同步信号、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；
步骤2、统计同步信号的众数特征，根据众数的分布特性剔除同步信号中的饱和失真信号，并保留未失真的同步信号；
步骤3、通过加窗匹配滤波器对未失真的同步信号进行脉冲压缩得到脉压信号，并通过时域陷波器消除脉压峰值处的信号；
步骤4、运用Fast MIAA技术恢复陷波处的干扰信号，然后从脉压信号中减去恢复的干扰信号，获得无干扰的同步信号；
步骤5、从获得的无干扰的同步信号峰值处提取未失真的同步信号的同步相位，根据获得的未失真的同步信号的同步相位插值获得饱和失真的同步信号的同步相位；
步骤6、根据双星的同步相位获得粗同步补偿相位，对粗同步补偿相位进行升采样，补偿内定标补偿相位和多普勒补偿相位，得到高精度同步补偿相位。
2.根据权利要求1所述的一种双基SAR相位同步抗干扰方法，其特征在于，所述步骤2包括：
分离同步信号的实部和虚部，统计实虚部数据的众数，并运用K-means算法将众数分为两类，一类属于饱和失真的同步信号，另一类属于未失真的同步信号，从而剔除同步信号中的饱和失真的同步信号，并保留未失真的同步信号。
3.根据权利要求2所述的一种双基SAR相位同步抗干扰方法，其特征在于，所述步骤3包括：
运用加Kaiser窗的匹配滤波器对未失真的同步信号进行脉冲压缩，从而获得脉压信号，然后利用峰值检测，通过时域陷波器消除脉压峰值处的信号。
4.根据权利要求3所述的一种双基SAR相位同步抗干扰方法，其特征在于，所述步骤5包括：
提取无干扰同步信号峰值处的相位即为未失真的同步信号的同步相位，以此为样本，使用三次样条插值方法在饱和失真的同步信号处进行插值，从而获得完整的无干扰的同步相位。
5.根据权利要求4所述的一种双基SAR相位同步抗干扰方法，其特征在于，所述步骤6包括：
根据获得的双星的无干扰同步相位求得粗同步补偿相位，使用三次样条插值方法对粗同步补偿相位进行升采样，然后补偿随时间变化的内定标补偿相位和多普勒补偿相位，即得到高精度同步补偿相位，用于对双基SAR数据相位的精确补偿，进而实现精确成像和干涉处理。
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