CN116482705B - 一种合成孔径激光高度计测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合成孔径激光高度计测量方法,采用连续波体制使得系统发射功率较脉冲体制减小,因此系统可以小型化。在高度向(距离向)发射三角调频连续波对目标进行连续观测,回波信号与参考信号做相干后,根据差频信号的频率可以确定测距值。与传统激光高度计测回波到达时间相比,本发明利用相干接收来进行距离压缩的测距精度更高。在方位向利用运动合成孔径,将一个光斑分辨成沿方位向排布的几个光斑,提升方位分辨率。在激光光斑小的优势基础上,合成孔径使得激光高度计具有更好的沿航迹方向分辨率。
Description
技术领域
本发明属于合成孔径高度计技术领域,具体涉及一种合成孔径激光高度计测量方法。
背景技术
雷达高度计是一种重要的主动遥感设备,可有效测量海面高度、有效波高以及航天器与星体表面距离,在地球海平面高度测量、冰架高度变化监测、以及火星、月球等深空探测的地形测绘方面具有重要应用,其测量数据的进一步反演结果,可广泛应用于海洋动力学、海洋气候与环境监测、星体表面三维影像构建等方面。
传统雷达高度计采用单天线实孔径下视观测方式,脉冲体制,全去斜技术进行脉冲压缩,其一般在卫星上使用,足迹很大,无法对中小尺度海洋现象和陆地进行观测。激光高度计同样采用脉冲体制,通过测量接收脉冲的到达时间来测距。相较于微波波段的雷达高度计,激光的波长缩小三个数量级以上,光束发散角非常小,因此作用在地面上的光斑更小,具有较好的分辨率,具有全天时、测距精度高等特点。但由于光斑大小与作用距离相关,因此,在天基等远作用距离应用场景下激光高度计方位分辨率将随着光斑的扩大而恶化,严重限制其应用。
随着合成孔径技术的发展,将其应用于传统激光高度计,利用平台运动在沿轨方向上合成孔径,可有效提升方位分辨率,实现光斑沿轨迹方向的分辨,提升传统高度计的分辨性能。合成孔径激光高度计不仅带来分辨的提升,而且将在高度计系统设计上带来低功耗、平台误差要求低等优势,同时,其高分辨能力对重力场等高精度测量应用具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明公开了一种合成孔径激光高度计测量方法,其为一种基于三角波调制的调频连续波合成孔径激光高度计的方法,采用连续波体制使得系统发射功率较脉冲体制减小,因此系统可以小型化。在高度向(距离向)发射三角调频连续波对目标进行连续观测,回波信号与参考信号做相干后,根据差频信号的频率可以确定测距值。与传统激光高度计测回波到达时间相比,利用相干接收来进行距离压缩的测距精度更高。在方位向利用运动合成孔径,将一个光斑分辨成沿方位向排布的几个光斑,提升方位分辨率。在激光光斑小的优势基础上,合成孔径使得激光高度计具有更好的沿航迹方向分辨率。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种合成孔径激光高度计测量方法,包括如下步骤:
步骤一:构建信号模型;
步骤二:去除视频相位项;
步骤三:抑制振动误差;
步骤四:校正距离延迟;
步骤五:获得方位合成孔径的结果。
进一步地,所述步骤一中,合成孔径激光高度计发射的调频连续波信号为:
(1)
其中,rect()为矩形函数,对任意变量,若/> ,/>,若/> ,;exp[]代表e的指数幂运算,/>表示脉冲重复周期,/>是沿航迹方向慢时间,是距离快时间,/>是信号载频,/>是调频率,正调频时是正值,负调频时是负值;
以正负调频相干接收后的差频信号分别为:
(2)
其中,为正调频信号去斜接收后的回波信号,/>为负调频信号去斜接收后的回波信号,/>是光速;/>是目标与雷达高度计间的距离值;,/>是高度计到底视点的高度,/>为平台振动引起的频率误差,/>为平台运动速度。
进一步地,所述步骤二包括:
对正负调频相干接收后的差频信号沿高度向进行快速傅里叶变换,并去除视频相位项,再反变换回距离时域;
正调频信号的表达式为:
(3)
其中,表示沿高度向进行傅里叶变换,/>表示沿高度向进行逆傅里叶变换,/>是距离频率;/>为去斜接收的正调频信号去除视频相位后的表达式,/>为该信号的幅度;
负调频信号乘以相反的相位项消除视频相位项;
去除视频相位项后正负调频信号的表达式为:
(4)
其中,为去斜接收的负调频信号去除视频相位后的表达式。
进一步地,所述步骤三包括:
在去除视频相位项以后对正负调频信号的相位进行对消,去除多普勒相位与振动误差相位,对消后的表达式为:
,
其中,为正负调频信号对消后的结果,/>为/>的共轭,/>代表虚数;
进而将频率信息转换为目标与激光高度计间的距离关系:
,
式中,为目标的差频。
进一步地,所述步骤四包括:
对正调频信号进行分析,对去除视频相位项与振动抑制后的时域信号进行方位向傅里叶变换:
(5)
其中,是/>的近似/>,/>是方位频率,/>是系数;
方位频域距离时域信号的相位为:
(6)
使用驻定相位原理,由公式(6)得到沿航迹向时间域方位频率的关系,将其用泰勒公式展开,舍弃高阶项并代入上式,得到方位频域距离时域信号的表达式为:
(7)
其中,为距离向脉冲压缩包络,/>,/>为多普勒中心频率,/>为方位频谱包络;
针对偏移量产生偏移的原因,分析偏移量:
,
上式中的为距离徙动量,对其进行泰勒展开,得到:
,
利用上式对目标距离进行校正,校正后得到:
(8)
负调频信号的变化在含调频率的项上加负号。
进一步地,所述步骤五包括:
根据式(8)构建方位向频域匹配滤波函数:
,
对方位向匹配滤波之后函数进行逆傅里叶变换,得到方位合成孔径后的结果为:
,
其中,为方位向脉冲响应函数。
有益效果:
本发明提出的方法结合了合成孔径技术和激光高度计的特点,连续波体制使得系统发射功率降低,重量减轻。相较于传统的激光高度计,可以获得更高的沿航迹向的分辨率,相当于沿航迹向上的光斑变小,具有更高的高度测量精度。
附图说明
图1为本发明的一种合成孔径激光高度计测量方法流程图;
图2为实孔径波束与合成孔径波束示意图。
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。
本发明的一种合成孔径激光高度计测量方法中,回波信号与参考信号相干接收后,在高度向进行脉冲压缩并在距离频域去除视频相位(RVP),通过三角波正负调频对消消除平台振动影响,在距离多普勒域校正距离延迟,最后进行方位压缩,实现方位合成孔径的高分辨处理。
如图1所示,本发明的一种合成孔径激光高度计测量方法包括如下步骤:
步骤一:构建信号模型:
合成孔径激光高度计发射的调频连续波信号为:
(1)
其中,rect()为矩形函数(对任意变量,若/> ,/>,若/> ,);exp[]代表e的指数幂运算,/>表示脉冲重复周期,/>是沿航迹方向慢时间,是距离快时间,/>是信号载频,/>是调频率(正调频时是正值,负调频时是负值)。
将正负调频相干接收后的差频信号分解为上差频信号、分解为下差频信号:
(2)
其中,为正调频信号去斜接收后的回波信号,/>为负调频信号去斜接收后的回波信号,/>是光速。/>是目标与雷达高度计间的距离值;,/>是高度计到底视点的高度,/>为平台振动引起的频率误差,/>为平台运动速度。
公式(2)指数相位项中,第一项是点频信号,其频率表示目标的位置;第二项是多普勒相位项,包含了目标和平台的运动信息;第三项是视频相位项,在三角波调制的调频连续波雷达测距中,该项相较于前两项很小,第四项为平台振动引入的相位误差,会叠加到目标频率,对目标位置测量有较大影响。
步骤二:去除视频相位项:
对正负调频相干接收的差频信号沿高度向进行快速傅里叶变换(FFT)实现高度向脉冲压缩,并去除视频相位(RVP)项,再反变换回距离时域。以正调频部分为例,表达式为:
(3)
其中,表示沿高度向进行傅里叶变换,/>表示沿高度向进行逆傅里叶变换,/>是距离频率。/>为去斜接收的正调频信号去除视频相位后的表达式,/>为该信号的幅度。
负调频信号乘以相反的相位项可以同样的消除RVP项的效果。RVP项相位小于90°时可忽略,去除RVP项后正负调频信号的表达式为:
(4)
其中,为去斜接收的负调频信号去除视频相位后的表达式。
步骤三:抑制振动误差:
根据三角波的对称性,通过三角波频率和差消除振动误差对测距的影响。具体地,在去除RVP项以后对正负调频信号的相位进行对消,去除多普勒相位与振动误差相位,对消后的表达式为:
,
其中,为正负调频信号对消后的结果,/>为/>的共轭,代表虚数。
进而可将频率信息转换为目标与雷达高度计间的距离关系:
,
式中,为目标的差频。
步骤四:校正距离延迟:
对雷达高度计进行沿航迹向合成孔径以提高该方向上的分辨率。多普勒波束锐化后,各子波束测出的距离值不同,如图2所示,其中中间子波束所测得的底视点的距离为准确的高度信息,所以需要对不同子波束的测距值进行延迟校正。该校正模型与方法与脉冲体制SAR的距离徙动校正相同,都是在方位频域中进行的。
如图2所示,A、B、C为雷达高度计沿飞行方向上的三个位置,B点位于目标平面的垂直平面与飞行方向的交点处,A、C点位于以B为中心的合成孔径的两个端点处, R为目标与雷达高度计间的距离,h为飞行方向与目标平面的垂直距离。以正调频信号为例进行分析,负调频信号的变化只需在含调频率项上加负号,其余相同。对去除视频相位与振动抑制后的时域信号进行方位向傅里叶变换:
(5)
其中,是/>的近似/>,/>是方位频率,/>是系数。
方位频域距离时域信号的相位为:
(6)
使用驻定相位原理,由公式(6)得到沿航迹向时间域方位频率的关系,将其用泰勒公式展开,舍弃高阶项并代入上式,可得方位频域距离时域信号的近似表达式为:
(7)
其中,为距离向脉冲压缩包络,/>,/>为多普勒中心频率,/>为方位频谱包络;
导致距离压缩之后位置偏离目标与雷达高度计间的距离值/>,如果偏移的距离值发生跨距离门的情况,则会对方位向的聚焦产生较大的影响,因此需要在方位向合成孔径前中予以去除。
针对产生偏移的原因,对偏移量进行了分析以计算距离徙动因子。
,
上式中的为距离徙动量,对其进行泰勒展开,得到:
,
利用上式,根据距离徙量进行距离延迟校正,校正后得到:
(8)
步骤五:获得方位合成孔径的结果:
根据式(8)构建方位向频域匹配滤波函数,进行方位向匹配滤波进行压缩:
,
对方位向匹配滤波之后函数进行逆傅里叶变换,得到方位合成孔径后的结果(高度测量结果)为:
,
其中,为方位向脉冲响应函数。
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 (1)
1.一种合成孔径激光高度计测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:构建信号模型,包括:
合成孔径激光高度计发射的调频连续波信号为:
(1)
其中,rect()为矩形函数,对任意变量,若 /> ,/> ,若/> , ;exp[]代表e的指数幂运算,/>表示脉冲重复周期,/>是沿航迹方向慢时间,/>是距离快时间,/>是信号载频,/>是调频率,正调频时是正值,负调频时是负值;
以正负调频相干接收后的差频信号分别为:
(2)
其中,为正调频信号去斜接收后的回波信号,/>为负调频信号去斜接收后的回波信号,/>是光速;/>是目标与雷达高度计间的距离值;,/>是高度计到底视点的高度,/>为平台振动引起的频率误差,/>为平台运动速度;
步骤二:去除视频相位项,包括:
对正负调频相干接收后的差频信号沿高度向进行快速傅里叶变换,并去除视频相位项,再反变换回距离时域;
正调频信号的表达式为:
(3)
其中,表示沿高度向进行傅里叶变换,/>表示沿高度向进行逆傅里叶变换,是距离频率;/>为去斜接收的正调频信号去除视频相位后的表达式,/>为该信号的幅度;
负调频信号乘以相反的相位项消除视频相位项;
去除视频相位项后正负调频信号的表达式为:
(4)
其中,为去斜接收的负调频信号去除视频相位后的表达式;
步骤三:抑制振动误差,包括:
在去除视频相位项以后对正负调频信号的相位进行对消,去除多普勒相位与振动误差相位,对消后的表达式为:
,
其中,为正负调频信号对消后的结果,/>为/>的共轭,/>代表虚数;
进而将频率信息转换为目标与激光高度计间的距离关系:
,
式中,为目标的差频;
步骤四:校正距离延迟,包括:
对正调频信号进行分析,对去除视频相位项与振动抑制后的时域信号进行方位向傅里叶变换: (5)
其中,是/>的近似/>,/>是方位频率,/>是系数;
方位频域距离时域信号的相位为: (6)
使用驻定相位原理,由公式(6)得到沿航迹向时间域方位频率的关系,将其用泰勒公式展开,舍弃高阶项并代入上式,得到方位频域距离时域信号的表达式为:
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负调频信号的变化在含调频率的项上加负号;
步骤五:获得方位合成孔径的结果,包括:
根据式(8)构建方位向频域匹配滤波函数:
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对方位向匹配滤波之后函数进行逆傅里叶变换,得到方位合成孔径后的结果为:
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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