CN116520268B - 一种双基sar同步相位异常抖动检测与消除方法 - Google Patents
一种双基sar同步相位异常抖动检测与消除方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116520268B CN116520268B CN202310800575.0A CN202310800575A CN116520268B CN 116520268 B CN116520268 B CN 116520268B CN 202310800575 A CN202310800575 A CN 202310800575A CN 116520268 B CN116520268 B CN 116520268B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- phase
- jitter
- abnormal
- synchronous
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 title claims abstract description 58
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 title claims abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 230000008030 elimination Effects 0.000 title claims description 4
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 title claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title description 11
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 3
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 20
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012804 iterative process Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 230000035485 pulse pressure Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种双基SAR同步相位异常抖动检测与消除方法，包括：步骤1、获取主辅星粗同步相位、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；步骤2：将粗同步相位对方位向时间求导，获得瞬时频率；步骤3：采用迭代重加权最小二乘法消除瞬时频率的线性频率，获得异常抖动频率，并通过阈值将异常抖动频率三值化；步骤4：设计卷积核，通过互相关运算检测三值瞬时频率中的异常抖动；步骤5：运用线性预测模型预测异常抖动处的相位，从而辅助相位解缠绕；步骤6：对消除抖动后的粗同步相位进行升采样后，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。本发明能够消除因射频干扰导致的相位抖动，有效提升双基SAR相位同步精度。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种双基SAR（Synthetic Aperture Radar）同步相位异常抖动检测与消除方法。
背景技术
作为一种收发分置的微波成像系统，双基合成孔径雷达（Synthetic ApertureRadar, SAR）系统以其丰富的观测模式、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在微波遥感学界倍受关注，为未来多基SAR系统和SAR卫星星座组网运行奠定了理论和技术基础。
同步相位是双基SAR系统的关键组成部分，其同步精度将直接关系到双基SAR图像的质量和全球数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）的精度。然而，由于电磁环境日益复杂，电磁波频谱资源日渐紧张，同步信号易受到空间和地面射频干扰的影响，导致同步相位中出现异常抖动。若不经剔除，该异常抖动将对SAR信号的方位向带来额外的调制，严重时会导致目标散焦和干涉测高精度降低，因此同步相位异常抖动检测与消除也是双基SAR相位同步系统中亟需解决的关键问题。
经典的研究多从信号抗干扰方面着手缓解相位抖动问题，如频域陷波、特征值分解等，但是仍然因为对射频干扰的漏检而难以实现相位抖动的完全消除。从脉压后提取的同步相位着手，直接对同步相位进行处理，根据异常抖动的特征进行特征匹配，从而检测并消除相位抖动，或为解决该问题的一种可靠方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种双基SAR同步相位异常抖动检测与消除方法，能够消除因射频干扰导致的相位抖动，有效提升双基SAR同步相位精度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双基SAR同步相位异常抖动检测与消除方法，包括如下步骤：
步骤1、获取主辅星粗同步相位、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；
步骤2：将粗同步相位对方位向时间求导，获得瞬时频率；
步骤3：采用迭代重加权最小二乘法消除瞬时频率中的线性频率，获得异常抖动频率，并通过阈值将异常抖动频率三值化。
步骤4：设计卷积核，通过互相关运算检测三值瞬时频率中的异常抖动；
步骤5：运用线性预测模型预测异常抖动处的相位，从而辅助相位解缠绕；
步骤6：对消除抖动后的粗同步相位进行升采样后，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。
有益效果：
相比于现有的从处理流程前端消除干扰影响的算法，例如频域陷波方法和特征值分解方法等，本发明选择从处理流程末端“堵截”射频干扰带来的同步相位异常抖动，从而避免前端处理中遗漏干扰成分传递到双基SAR回波中，从而可以达到更好的相位同步效果。
附图说明
图1为本发明的一种双基SAR同步相位异常抖动检测与消除方法流程图；
图2a，图2b为未进行异常抖动消除的粗同步相位及其瞬时频率图；其中，图2a为同步相位图，图2b为瞬时频率图；
图3为设计的不同长度的卷积核的示意图；其中，图中（a）为卷积核，图中（b）为卷积核/>，图中（c）为卷积核/>，图中（d）为卷积核/>；
图4a，图4b为进行异常抖动消除后的粗同步相位及其瞬时频率图；其中，图4a为同步相位图，图4b为瞬时频率图。
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同步相位异常抖动检测与消除方法，包括如下步骤：
步骤101：获取主辅星粗同步相位、内定标补偿相位和多普勒补偿相位。
双基SAR系统工作时，主星发射同步信号，辅星接收并记录该信号。随后切换为辅星发射主星接收并记录。以主星发射辅星接收为例，当考虑同步链路中的非理想因素时，从脉冲压缩后的同步信号峰值处提取的粗同步相位可以表示为：
，
其中，表示方位向时间，/>表示可由二次多项式表示的相位，/>表示三次及以上的残余相位，/>表示异常抖动的相位。/>可以进一步表示为：
，
其中，表示二次多项式的系数。三次及以上的残余相位/>较小，可以视为服从正态分布噪声。
从雷达接收回路CR、参考回路RE、同步发射回路ST和同步接收回路SR中提取由硬件系统引入的相位误差，即内定标补偿相位：
，
其中，、/>、/>、和/>分别表示回路CR、RE、ST、SR的相位。上标和/>表示相位分别采集于主星和辅星。
在轨运行时，卫星处于高速运动状态，卫星间的多普勒频率为，其中/>表示主星和辅星之间的相对速度，/>表示光速，/>表示载频。因此多普勒补偿相位可以表示为：
，
其中，为同步信号传输时间。
步骤102：将粗同步相位对方位向时间求导，获得瞬时频率。
将提取的粗同步相位对方位向时间求导，得到瞬时频率：
，
其中，和/>分别表示线性频率和异常抖动频率：
，
，
其中，表示多项式的阶数。
由残余相位产生的频率成分较小，一般可以忽略。
步骤103：采用迭代重加权最小二乘法消除瞬时频率中的线性频率，获得异常抖动频率，并通过阈值将异常抖动频率三值化。
设时间序列的向量形式为，其中/>表示矩阵的转置，其中，/>表示第/>个时间采样点，/>为时间序列/>的总长度；设瞬时频率/>的向量形式为；进一步设/>，/>，/>为中间参数，其中为全1向量；令系数向量/>，其中，/>和/>分别表示公式（2）中多项式的一阶和二阶系数，则通过迭代重加权最小二乘法可获得系数向量最优估计，迭代过程为：
，
，
，
其中，表示误差向量，/>表示对角矩阵，/>表示/>范数，/>表示权重向量，表示权重矩阵，/>表示迭代重加权最小二乘将收敛到/>范数最小。
迭代初值为，当误差或迭代次数达到相应阈值时终止迭代。
根据系数向量的最优估计，其中，/>和/>分别表示多项式系数/>和/>的估计值。可以估计出瞬时频率中的线性频率成分：
，
从瞬时频率中减去线性频率成分，获得异常抖动频率：
，
设计合适的阈值，将异常抖动频率进行三值化，获得三值异常抖动频率：
，
其中，表示频率阈值，用于界定正常抖动和异常抖动，可根据卫星时钟精度进行确定。
步骤104：设计卷积核，通过互相关运算检测三值异常抖动频率中的异常抖动。
分析异常相位抖动可知，其抖动方式主要表现为两类，一类表现为解缠绕错误相位抖动，另一类为一般性相位抖动，表现为相位单次或多次陡升或陡降，随后回到原相位趋势中。解缠绕错误相位抖动可以在三值异常抖动频率中使用的卷积核/>进行描述：
，
一般性相位抖动可以用组卷积核进行描述：
，
其中，为全0向量，/>表示卷积核的长度。
设三值异常抖动频率的向量形式为/>，则通过与卷积核进行相关运算，可以检测到相应的异常抖动。首先是解缠绕错误相位抖动的检测结果，可以表示为：
，
，
其中，表示与卷积核/>的相关运算结果，/>表示卷积核/>的检测结果，/>表示取绝对值，因为相位可能出现陡升或陡降，取绝对值可同时检测这两种相位抖动情况。m为索引值。一般性相位抖动的检测结果可以表示为：
，
，
，
其中，表示与卷积核/>的相关运算结果，/>表示中间运算结果，/>表示卷积核/>的检测结果。/>表示逻辑或运算，用于标记卷积核/>对应的相位均出现了异常抖动。
最终，综合多种相位异常抖动情况的检测结果可以表示为：
，
通常情况下，保持多次上升或下降的情况较少，取4即可实现多种相位异常抖动检测。
步骤105：运用线性预测模型预测异常抖动处的相位，从而辅助相位解缠绕。
对于同步相位异常抖动引起的解缠绕错误，可根据线性预测模型对异常抖动处的相位进行预测，从而辅助完成正确的相位解缠绕处理。设检测到时刻处出现了相位异常抖动，即/>，则可以利用上一个无相位抖动时刻/>处（/>）的粗同步相位的相位值/>，并结合公式（8）的最小二乘解构建线性预测模型，对时刻/>处的同步相位进行预测获得其预测值/>：
，
表示，时刻处的同步相位的预测值。
遍历所检测到的所有异常抖动，从而达到消除相位抖动的目的。随后进行相位解缠绕，获得连续的粗同步相位的预测值。
步骤106：对消除抖动后的粗同步相位进行升采样后，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。
通过线性预测和解卷绕后，将主辅星获得的同步相位运用Spline插值，升采样到与回波数据相同的长度，随后辅星同步相位与主星同步相位/>作差获得同步补偿相位：
，
在同步补偿相位的基础上，补偿内定标补偿相位和多普勒补偿相位，最终精确的高精度同步补偿相位可以表示为：
，
获得高精度同步补偿相位后，即可用于对双基SAR数据相位的精确补偿，进而实现后续的精确成像和干涉处理。
实施例1
实施例选取了我国《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》中首个启动的卫星型号任务陆地探测一号（LuTan-1, LT-1）实测同步数据进行处理，其相位同步系统工作于L波段，极易受到射频干扰而导致同步相位中出现异常抖动。如图2a所示，未进行异常抖动消除的粗同步相位主要呈现线性趋势，但因为射频干扰等非理想因素，出现了许多相位陡升或陡降，呈现“毛刺”现象。而图2b所示的瞬时频率表现出更为明显的跳变现象，频率的标准差为2.3156 Hz。根据相位跳变在频率中的特征，本发明设计的卷积核示意图如图3所示，其中，图3中（a）为卷积核，图3中（b）为卷积核/>，图3中（c）为卷积核，图3中（d）为卷积核/>。经本发明算法处理后，如图4a，图4b所示，同步相位异常跳变得到消除，瞬时频率趋于平坦，其标准差降低至0.2804 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同步相位异常抖动检测与消除方法的有效性，能够出色地消除由射频干扰引入的相位误差，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同步相位异常抖动检测与消除方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取主辅星粗同步相位、内定标补偿相位和多普勒补偿相位；
步骤2：将粗同步相位对方位向时间求导，获得瞬时频率；
步骤3：采用迭代重加权最小二乘法消除瞬时频率中的线性频率，获得异常抖动频率，并通过阈值将异常抖动频率三值化，获得三值瞬时频率；
步骤4：设计卷积核，通过互相关运算检测三值瞬时频率中的异常抖动；
步骤5：运用线性预测模型预测异常抖动处的相位，从而辅助相位解缠绕；
步骤6：对消除抖动后的粗同步相位进行升采样后，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同步相位异常抖动检测与消除方法，其特征在于，所述步骤3包括：
运用迭代重加权最小二乘法对瞬时频率进行一次多项式拟合，然后从瞬时频率中减去拟合结果，获得零均值瞬时频率；随后通过阈值法，将零均值瞬时频率三值化为-1、0和1。
3.根据权利要求2所述的一种双基SAR同步相位异常抖动检测与消除方法，其特征在于，所述步骤4包括：
根据同步相位异常抖动的特征，设计卷积核，通过与三值瞬时频率互相关运算进行特征匹配，检测并剔除异常抖动处的相位。
4.根据权利要求3所述的一种双基SAR同步相位异常抖动检测与消除方法，其特征在于，所述步骤5包括：
通过线性预测模型，对异常抖动处的相位进行预测，根据预测的相位再次对同步相位进行解缠绕，消除因抖动导致的相位不连续性。
5.根据权利要求4所述的一种双基SAR同步相位异常抖动检测与消除方法，其特征在于，所述步骤6包括：
以消除抖动后的粗同步相位为样本，使用Spline插值方法对粗同步相位进行升采样，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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310800575.0A CN116520268B (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 一种双基sar同步相位异常抖动检测与消除方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310800575.0A CN116520268B (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 一种双基sar同步相位异常抖动检测与消除方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116520268A CN116520268A (zh) | 2023-08-01 |
| CN116520268B true CN116520268B (zh) | 2023-08-25 |
Family
ID=87405105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310800575.0A Active CN116520268B (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 一种双基sar同步相位异常抖动检测与消除方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116520268B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1426785A2 (de) * | 2002-12-02 | 2004-06-09 | DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren und Einrichtung zur Kompensation von Phasenfehlern eines bi- oder multistatischen Synthetik-Apertur-Radarsystems |
| US6864827B1 (en) * | 2003-10-15 | 2005-03-08 | Sandia Corporation | Digital intermediate frequency receiver module for use in airborne SAR applications |
| CN103777178A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-05-07 | 中国科学院电子学研究所 | 一种同步误差补偿方法、设备及系统 |
| EP3771921A1 (en) * | 2019-07-29 | 2021-02-03 | Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences | Method for processing non-interrupted phase synchronization signal of bistatic sar based on coded signal |
| CN115032638A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-09 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于压缩感知的双基sar相位同步精度提升方法 |
| CN116148802A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-05-23 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种双基sar相位同步抗干扰方法 |
-
2023
- 2023-07-03 CN CN202310800575.0A patent/CN116520268B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1426785A2 (de) * | 2002-12-02 | 2004-06-09 | DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren und Einrichtung zur Kompensation von Phasenfehlern eines bi- oder multistatischen Synthetik-Apertur-Radarsystems |
| US6864827B1 (en) * | 2003-10-15 | 2005-03-08 | Sandia Corporation | Digital intermediate frequency receiver module for use in airborne SAR applications |
| CN103777178A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-05-07 | 中国科学院电子学研究所 | 一种同步误差补偿方法、设备及系统 |
| EP3771921A1 (en) * | 2019-07-29 | 2021-02-03 | Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences | Method for processing non-interrupted phase synchronization signal of bistatic sar based on coded signal |
| CN115032638A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-09 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于压缩感知的双基sar相位同步精度提升方法 |
| CN116148802A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-05-23 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种双基sar相位同步抗干扰方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 星载合成孔径雷达干扰与抗干扰技术研究;林晓烘;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》(第2期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116520268A (zh) | 2023-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xu et al. | Robust autofocusing approach for highly squinted SAR imagery using the extended wavenumber algorithm | |
| De Macedo et al. | An autofocus approach for residual motion errors with application to airborne repeat-pass SAR interferometry | |
| US11209540B2 (en) | SAR imaging method for interferometric analyses | |
| EP3012658B1 (en) | Method and device for implementing sar imaging | |
| CN110488285B (zh) | 基于编码信号的非中断的双基sar相位同步信号处理方法 | |
| CA2229767C (en) | Method of correcting an object-dependent spectral shift in radar interferograms | |
| US8279113B2 (en) | Method for filtering a radar signal after it has been reflected by a target | |
| CN110261833B (zh) | 高分辨星载sar成像误差估计与补偿方法 | |
| CN116148802B (zh) | 一种双基sar相位同步抗干扰方法 | |
| CN115032638A (zh) | 一种基于压缩感知的双基sar相位同步精度提升方法 | |
| Xu et al. | Efficient ISAR phase autofocus based on eigenvalue decomposition | |
| CN116520268B (zh) | 一种双基sar同步相位异常抖动检测与消除方法 | |
| Jing et al. | A novel two-step approach of error estimation for stepped-frequency MIMO-SAR | |
| CN115616628B (zh) | 基于角跟踪环路的gnss天线阵接收机盲波束形成方法 | |
| US20220120844A1 (en) | Method for interference suppression and method for signal restoration | |
| Zhang et al. | Sparse stripmap SAR autofocusing imaging combining phase error estimation and L₁-norm regularization reconstruction | |
| Pinheiro et al. | Reconstruction methods of missing SAR data: Analysis in the frame of TanDEM-X synchronization link | |
| CN113219457A (zh) | 超宽带调频连续波sar自聚焦成像方法 | |
| Ruf | Constraints on the polarization purity of a Stokes microwave radiometer | |
| CN108132460B (zh) | 基于频域通道均衡的脉冲压缩补偿算法 | |
| Cai et al. | Detecting and Removing Phase Jitters for the Phase Synchronization of LT-1 Bistatic SAR | |
| Li et al. | A Multi-Target ISAR Imaging Method Based on Zhang-Suen Thinning and Radon Transform | |
| CN116482686B (zh) | 一种基于方位向自适应分块的高分辨率isar成像方法 | |
| Rosu et al. | Sub-resolution multipath mitigation in radar transponders by range compression and adaptive filtering | |
| CN116482687B (zh) | 基于最小均方误差的幅变目标isar成像平动补偿方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |