CN116520261A - 一种基于盲源分离的双基sar相位同步干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，包括：步骤1、建立多通道双基SAR相位同步系统，双基SAR相位同步系统包含多个接收天线，且各接收天线具有不同的安装角；步骤2、获取多通道同步信号、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；步骤3、利用二阶盲辨识技术对多通道同步信号进行处理，分离干扰信号，获得无干扰的同步信号；步骤4、对分离出的无干扰的同步信号进行脉冲压缩，在峰值处提取无干扰的同步信号的同步相位；步骤5、对双星同步信号进行相同处理，获得双星的同步相位，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，得到高精度的同步补偿相位。

Description

一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种基于盲源分离的双基SAR（SyntheticAperture Radar, 双基合成孔径雷达）相位同步干扰抑制方法。

背景技术

双基合成孔径雷达（Bistatic SAR, BiSAR）系统以微波信号的发射子系统和接收子系统处于不同的空间位置为基本特征，和单基SAR相比，双基SAR具有诸多独特优势，包括：收发系统分置，观测维度丰富；静默接收，隐蔽性强；基线配置灵活机动；系统构型丰富多样等。基于上述优势，双基SAR系统在地球科学研究和环境监测领域中发挥不可替代的作用，日益成为微波遥感领域的研究热点。

随着无线电设备以及移动通信技术的发展，电磁环境变得十分拥挤和复杂，频谱资源日益紧张。这大大增加了主动遥感系统受到同信道干扰的可能性，导致产生射频干扰现象（Radio Frequency Interference, RFI）。SAR系统十分容易受到RFI的影响，尤其是L波段的低频SAR系统。由于RFI的存在，从SAR原始回波数据收集到各种解译处理都将受到极大干扰。陆地探测一号（LuTan-1, LT-1）01组卫星搭载了全球首个L波段分布式编队多极化干涉合成孔径雷达测高卫星系统。由于LT-1工作在低频L波段，该系统不仅接收到的回波数据受到射频干扰的影响，其搭载的相位同步系统也因同步天线的宽波束接收范围特性而极易受到射频干扰影响。相位同步作为成像和干涉处理的关键步骤，一旦受到干扰，产生的相位误差将直接降低图像质量和干涉处理精度，因此同步干扰抑制是双基SAR相位同步系统中迫切需要解决的关键问题。

针对射频干扰对SAR系统的影响，提出了诸多干扰抑制方案和方法，例如时频域陷波方法、自适应滤波方法和低秩分解方法等。这些方法在一定程度上可以缓解RFI的影响，但大多都针对于一种类型信号，对于宽带干扰信号和窄带干扰信号的混合信号效果较差，同时存在将有用信号部分丢失的风险，导致有用信号频谱的非连续性。此外，上述方法均针对于SAR回波信号，而针对于同步系统中的干扰信号抑制鲜有研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，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。本发明引入信号处理领域中经典的盲源分离思想，建立多通道双基SAR相位同步系统，直接将干扰信号和同步信号进行分离，可有效缓解干扰信号对同步相位的影响，为双基SAR相位同步干扰抑制提供一种可靠方案。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，包括如下步骤：

步骤1、建立多通道双基SAR相位同步系统，所述多通道双基SAR相位同步系统包含多个接收天线，且各接收天线具有不同的安装角；

步骤2、获取多通道同步信号、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；

步骤3、利用二阶盲辨识技术对通道同步信号进行处理，分离干扰信号，获得无干扰的同步信号；

步骤4、对分离出的无干扰的同步信号进行脉冲压缩，在峰值处提取无干扰的同步信号的同步相位；

步骤5、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，得到高精度的同步补偿相位。

进一步地，所述步骤2包括：

多通道双基SAR相位同步系统配备的多个接收天线同时获得多个通道信号；每个通道信号为同步信号、干扰信号和噪声信号的叠加，且因为各接收天线安装角的不同，导致各接收天线波束中心指向各不相同，从而使得同步信号、干扰信号和噪声信号混合叠加的权重也不相同，满足瞬时线性混合模型要求。

进一步地，所述步骤3包括：

利用盲源分离领域中的二阶盲辨识技术进行干扰抑制；首先对通道信号进行中心化处理；然后对零均值的通道信号进行白化处理得到白化矩阵；其次，对白化后通道信号进行联合对角化处理，寻求最优酉矩阵；最后利用白化矩阵和最优酉矩阵确定分离矩阵，实现同步信号和干扰信号的分离。

进一步地，所述步骤5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低秩分解方法，本发明通过盲源分离的思想分离出RFI信号，无论是针对宽带干扰信号、窄带干扰信号还是宽带和窄带混合干扰信号都能进行分离。此外，从根本上杜绝了同步信号丢失的问题，避免了同步信号频谱的不连续性。利用本方案，可以获得更高精度的相位同步效果。

附图说明

图1为本发明的基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法流程图；

图2为多通道相位同步系统示意图；

图3a，图3b，图3c为原始信号图；其中，图3a为理想同步信号；图3b为宽带干扰信号；图3c为窄带干扰信号；

图4a，图4b，图4c为第一、二、三通道接收信号；其中，图4a为第一通道接收信号，图4b为第二通道接收信号，图4c为第三通道接收信号；

图5a，图5b，图5c为进行干扰抑制后分离出来的理想同步信号、宽带干扰信号以及窄带干扰信号；其中，图5a为分离后的同步信号，图5b为分离后宽带干扰信号，图5c为分离后的窄带干扰信号；

图6为未进行干扰抑制的脉冲压缩结果图；

图7为进行干扰抑制后的脉冲压缩结果图。

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，一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，包括如下步骤：

步骤101：建立多通道双基SAR相位同步系统，所述多通道双基SAR相位同步系统包含多个接收天线，且各接收天线具有不同的安装角。

该双基系统每颗卫星含有多个接收天线，具体的接收天线数由分离信号数目决定。每个接收天线的天线安装角不同，导致个接收天线波束中心指向角有一定偏置，从而使得接收到的同步信号和干扰信号进行不同权重的混合。以LT-1相位同步系统为例，其每颗卫星上具有四个接收天线。

步骤102：获取多通道同步信号、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某一时刻发射，经过相应时延后，辅星接收并记录该信号。假设系统具有个接收天线，由于射频干扰信号的存在，在不考虑噪声的情况下，/>个接收通道记录的信号可以表示为理想同步信号、宽带干扰信号和窄带干扰信号经由天线方向图调制后的加权叠加，即：

（1），

其中，表示距离向时间，/>，/>，/>分别表示理想同步信号、宽带干扰信号和窄带干扰信号。/>表示同步天线增益，/>、/>和/>分别表示理想同步信号来波方向、宽带干扰信号来波方向和窄带干扰信号来波方向。在公式（1）中，理想同步信号可以表示为：

（2），

其中，表示同步信号脉宽，/>表示同步信号调频率，则信号带宽。/>包含了由卫星时钟频率偏差引起的相位误差，/>表示信号由主星发射到被辅星接收的时间延迟。/>表示窗函数，/>表示指数函数，/>表示虚数单位。

宽带干扰信号通常可以建模为个线性调频信号成分：

（3），

其中，表示宽带干扰信号相对于理想同步信号的幅度，在短时间内可视为一恒定的常数。/>和/>分别表示宽带干扰信号的时宽和中心时间。/>表示解调后的载波频率，即宽带干扰信号载波频率和同步信号载波频率之差，/>表示宽带干扰信号的调频率。表示宽带干扰信号的初始相位。

窄带干扰信号通常可以建模为个正弦成分：

（4），

其中，表示窄带干扰信号相对于理想同步信号的幅度，在短时间内可视为一恒定的常数。/>和/>分别表示窄带干扰信号的时宽和中心时间。/>表示解调后窄带干扰信号频率。/>表示窄带干扰信号的初始相位。

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变化的内定标补偿相位/>和多普勒相位误差/>。

步骤103：利用二阶盲辨识技术对多通道同步信号进行处理，分离干扰信号，获得无干扰的同步信号。

二阶盲辨识技术利用联合对角化的思想，可以高效进行盲源分离。

设多通道同步信号组成的混合同步矩阵为：

（5），

其中，表示通道个数，/>表示第/>个通道信号的采样信号，混合同步矩阵/>。/>表示采样点数，/>表示矩阵转置。二阶盲辨识技术分离信号过程可分为三个步骤，如下所示：

首先，对混合同步矩阵进行预处理，包括中心化处理和白化处理。中心化处理使得各个信号分量的均值为零，通过如下公式可进行实现：

（6），

其中，表示均值操作，/>表示中心化处理后的混合同步矩阵。然后对中心化处理后的混合同步矩阵进行白化处理。白化处理通过寻求变换矩阵使得变换后的信号分量之间彼此正交。白化处理通过自适应信号处理的方法实现，以白化后的信号满足协方差矩阵为单位矩阵的要求为约束条件，采用梯度下降法进行优化可得：

其中，表示第/>次迭代获得的白化矩阵，/>表示学习速率，/>表示第/>次迭代获得的白化信号，/>表示矩阵转置，/>表示单位矩阵。进而获得最优白化矩阵。最后可得白化处理后的混合同步矩阵/>：

，

白化后的混合同步矩阵的协方差矩阵，表明各个信号分量之间彼此正交。

其次，对白化处理后的混合同步矩阵进行联合对角化处理，以确定最佳酉矩阵。选取一系列不同的时延/>，/>。计算时延后的白化处理后的混合同步矩阵/>的协方差矩阵/>：

（/>）（7），

由于源信号相互独立且经过白化后的信号分量彼此正交，因此存在一个酉矩阵使得/>可以进行对角化。利用不同时延的协方差矩阵和最优化方法可以求得一个最优酉矩阵/>。

最后，利用白化矩阵和最优酉矩阵/>计算分离矩阵/>：

（8），

恢复出的源信号矩阵：

（9），

步骤104：对分离出的无干扰的同步信号进行脉冲压缩，在峰值处提取无干扰的同步信号的同步相位。

对于分离出的源信号矩阵，从中分离出同步信号：

（10），

其中，表示期望获得的同步信号，/>表示第/>个宽带干扰信号，/>表示第/>个窄带干扰信号。

对同步信号进行脉冲压缩，所得结果为：

（11），

其中，为快速傅里叶逆变换函数，/>为快速傅里叶变换函数。/>表示脉冲压缩的频域匹配滤波器：

（12），

其中，表示频率，/>表示常数相位，/>表示符号函数。

对于脉冲压缩后的信号，正确的同步相位可从峰值时间处进行提取：

（13），

步骤105：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，得到高精度的同步补偿相位。

干扰抑制后，分别获得主星和辅星的同步相位和/>，/>表示方位向时间。和/>的差值用于获取粗同步补偿相位：

（14），

将粗同步补偿相位运用插值方法升采样到与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，即内定标补偿相位和多普勒补偿相位/>，最终获得高精度同步补偿相位/>：

（15），

获取高精度同步补偿相位后，即可对双基SAR数据进行精确补偿，为后续实现高精度成像和干涉处理奠定基础。

实施例1

实施例以LT-1系统参数为仿真参数进行模拟仿真，设计三通道接收天线系统，以此来验证所提系统和方法的可行性。多通道相位同步系统示意图如图2所示。

射频干扰信号设置为一个窄带干扰信号和一个宽带干扰信号，干扰信号通过天线方向图不同方向上的幅度调制后，与理想同步信号进行混合。图3a，图3b，图3c给出了仿真当中设置的三个原始信号的实部，其中同步信号的相位值设置为45°。图4a、图4b和图4c展示了三个通道的接收信号，图4a、图4b和图4c分别为第一通道接收信号、第二通道接收信号和第三通道接收信号。由图可见，各通道接收信号与理想同步信号差异甚大，直接进行脉冲压缩获得的相位将远远偏离正确的同步相位。图5a、图5b和图5c展示了运用本发明进行干扰抑制后的信号分离结果，图5a、图5b和图5c分别表示分离出的同步信号、宽带干扰信号和窄带干扰信号。可以看出，与图3a、图3b和图3c中的原始信号相比，宽带干扰信号和窄带干扰信号均可从混合信号中被完整地分离开，获得的同步信号与理想同步信号基本一致。图6给出了未进行干扰抑制的单一通道接收信号脉冲压缩结果，获得的同步相位为43.2182°，相位误差接近2°。图7给出了经过本发明干扰抑制后，对分离出的同步信号进行脉冲压缩的结果，获得的同步相位为44.9671°，与正确的同步相位相差无几。由此可见，经过干扰抑制过后同步相位精度得以大幅提升，出色地消除由各种类型的RFI信号所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 (4)

1.一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建立多通道双基SAR相位同步系统，所述多通道双基SAR相位同步系统包含多个接收天线，且各接收天线具有不同的安装角；

步骤2、获取多通道同步信号、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；

步骤3、利用二阶盲辨识技术对多通道同步信号进行处理，分离干扰信号，获得无干扰的同步信号；

步骤4、对分离出的无干扰的同步信号进行脉冲压缩，在峰值处提取无干扰的同步信号的同步相位；

步骤5、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，得到高精度的同步补偿相位。

2.根据权利要求1所述的一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

多通道双基SAR相位同步系统配备的多个接收天线同时获得多个通道信号；每个通道信号为同步信号、干扰信号和噪声信号的叠加，且因为各接收天线安装角的不同，导致各接收天线波束中心指向各不相同，从而使得同步信号、干扰信号和噪声信号混合叠加的权重也不相同，满足瞬时线性混合模型要求。

3.根据权利要求2所述的一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤3包括：

利用盲源分离领域中的二阶盲辨识技术进行干扰抑制；首先对通道信号进行中心化处理；然后对零均值的通道信号进行白化处理得到白化矩阵；其次，对白化处理后的通道信号进行联合对角化处理，寻求最优酉矩阵；最后利用白化矩阵和最优酉矩阵确定分离矩阵，实现同步信号和干扰信号的分离。

4.根据权利要求3所述的一种基于盲源分离的双基SAR相位同步干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤5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。