CN116859344B - 一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法 - Google Patents
一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116859344B CN116859344B CN202311082559.9A CN202311082559A CN116859344B CN 116859344 B CN116859344 B CN 116859344B CN 202311082559 A CN202311082559 A CN 202311082559A CN 116859344 B CN116859344 B CN 116859344B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- radar
- satellite
- antenna
- steps
- auxiliary
- 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
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims description 25
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 title claims description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 45
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 claims description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 11
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 208000004350 Strabismus Diseases 0.000 claims description 3
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 4
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 101000606504 Drosophila melanogaster Tyrosine-protein kinase-like otk Proteins 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 238000002789 length control Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 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
-
- 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
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
- G01S13/9023—SAR image post-processing techniques combined with interferometric techniques
-
- 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
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/904—SAR modes
- G01S13/9058—Bistatic or multistatic SAR
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明涉及一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，包括：空间同步的建立：包括基于能量最优措施和方位频谱重叠最优措施建立空间同步，基于能量最优措施包括：设计高系统灵敏度的雷达系统和采用辅星瞄准主星波束的回波录取方式；基于方位频谱重叠最优措施包括：脉冲重复频率提升、对顺轨基线长度进行限制以及方位频谱的预滤波处理；空间同步的保持：包括雷达一次开机工作时长控制、卫星平台姿态高精度控制以及相控阵天线波束指向高精度控制。本申请能够实现编队卫星干涉SAR系统一发多收工作模式下，在空间上天线波束与主SAR的天线波束实现在地面的良好重合，在回波的相位上实现辅SAR与主SAR信号的高相干性。
Description
技术领域
本发明涉及星载微波成像雷达领域，尤其涉及一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法。
背景技术
根据公开资料，我国已建立自己的编队卫星载的天基干涉合成孔径雷达（干涉合成孔径雷达，简称InSAR）系统，该类雷达系统可以全天时、全天候，不受国界限制地获取全球范围内陆地的高精度数字高程模型（DEM）。具有重要的军事和民事应用价值。
对于编队卫星InSAR系统的实现来说，由于其多基地雷达的属性，使得空间同步技术（有的文献也称为波束同步）成为编队卫星InSAR系统的一项关键技术。为便于后续的介绍，将编队卫星InSAR系统中主动发射对地探测信号、接收地面反射回波的雷达卫星称为主星，将不发射对地探测信号，只被动接收主星发射对地探测信号的地面反射回波的雷达卫星称为辅星，并分别将主、辅星上的SAR雷达称为主星SAR和辅星SAR。
对编队卫星系统来说，空间同步的目的一方面是降低或消除编队卫星内由于顺轨基线分量引起的主辅星波束不重合，保证协同工作的辅星SAR的天线波束与主星SAR的天线波束具有良好重叠，以保证辅星SAR接收回波的能量及其信噪比满足性能指标要求，减小信噪比去相干影响；另一方面，还要保证由于双星波束同步指向不同引起的回波方位多普勒谱尽可能重叠，减小方位多普勒去相干的影响。因此，不同的空间同步策略或方法对编队卫星干涉SAR系统中主辅星SAR回波的相干性影响不同，对最终干涉测高精度的影响也不同。
国内外公开报道的文献中，已有不少对编队卫星载干涉SAR系统的空间同步实现方法的报道。
Rerhard Krieger等人在文献《TanDEM-X:A Satellite Formation for High-Resolution SAR Interferometry》中对TanDEM-X系统及其空间同步实现方式进行了介绍。德国TanDEM-X是双星编队卫星InSAR系统，于2007和2010年分两次发射，是世界第一个双星编队干涉SAR系统，可以实现对全球陆地的双基地干涉成像，获取全球高精度数字高程地图。TanDEM-X系统未直接强调空间同步技术，而是将其称作一种一发双收双基地数据获取方式，工作期间双星采取了各自由卫星平台实现全零多普勒姿态牵引的方式，未有其它操作。这种方法优点是实现简单，相干性较高，代价是牺牲了一定的辅星回波的信噪比。HaukeFiedler等在文献《Total Zero Doppler Steering—A New Method for Minimizing theDoppler Centroid》，IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS, VOL. 2, NO. 2,APRIL 2005，一文中报道的TerraSAR-X采用的全零多普勒导引（TZDS, Total ZeroDoppler Steering）技术。
穆冬等人在《一种编队卫星载干涉SAR空间同步方法》中提出的方法基于两卫星上对各自雷达回波多普勒中心频率估计，进而求出主辅星SAR的雷达波束指向的差别，通过辅星SAR波束调整，来实现空间同步。这是一种理论上比较可行的方法，核心技术在于波束指向偏差的估计，但是这需要星上进行较大量的实时信号处理能力，实现较为困难。
楼良盛等人2022年在《卫星编队InSAR系统设计系列关键技术》一文中介绍了我国天绘二号编队卫星InSAR系统的空间同步情况。文章指出空间同步目的是主辅星接收的回波相干性最优。使SAR天线的波束在地面有足够的重叠，以保障被动接收的辅星能够获取高信噪比的SAR回波信号；或使主辅星波束脚印照射在同一个测绘带内并使回波多普勒中心频率相同，以保障较高的多普勒去相干。由此，实现空间同步有最大能量法和最大相干法两种方案，这两种方案在距离向要求是相同的，其区别就是方位向要求不同。
最大能量法的同步方案，即“辅瞄主”模式，通过对辅星导引规律的偏置，在不考虑波束指向误差的情况下，可使辅星波束脚印与主星波束脚印重合，从而使辅星接收到的回波能量达到最大。该方案下，主辅星波束中心指向测绘带中心同一点，这时系统信噪比去相干影响较小，但对多普勒去相干影响较大。
与最大能量法相比，最大相干法并不要求主辅星波束中心同时指向地面同一点，而要求主辅星分别按照各自的偏航、俯仰二维导引规律将波束脚印照射在同一个测绘带内，并使主辅星回波多普勒中心频率相同，保证较高的多普勒去相干。一般情况下，同步后的波束在方位向不完全重叠，主辅星波束中心不指向同一点，辅星信噪比会有所下降，因此会影响信噪比去相干。
基于上述公开资料可知，当前的编队卫星InSAR空间同步方法，主要是最大能量法、最大相干法两类。最大能量法使得辅星回波能量最大，信噪比最高，但由于双星指向差别大，对多普勒去相干影响大。最大相干法能保证双星多普勒谱良好重叠，但由于顺轨基线存在，牺牲了较大的辅星回波信噪比。因此，探索一种能够实现辅星回波信噪比最高、多普勒去相干最小、且工程可实现性良好的天基编队卫星干涉SAR系统的空间同步方法，对于发展我国新一代的编队卫星干涉SAR系统，具有重大的技术价值和意义。
发明内容
为解决现有的技术问题，本发明提供了一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法。
本发明的具体内容如下：一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，包括：
（1）空间同步的建立：包括基于能量最优措施和方位频谱重叠最优措施建立空间同步，其中，
基于能量最优措施包括：设计高系统灵敏度的雷达系统和采用辅星瞄准主星波束的回波录取方式；
基于方位频谱重叠最优措施包括：脉冲重复频率提升、对顺轨基线长度进行限制以及方位频谱的预滤波处理；
（2）空间同步的保持：包括雷达一次开机工作时长控制，卫星平台姿态高精度控制以及相控阵天线波束指向高精度控制。
进一步的，设计高系统灵敏度的雷达系统包括如下：
星载雷达的系统灵敏度NEσ 0 计算公式如下：
，
其中，P t 为雷达天线的峰值发射功率、G为天线发射接收功率增益、λ为雷达载波波长、ρ gr 为雷达地距分辨率、τ为脉冲宽度，PRF为脉冲重复频率，τ·PRF为雷达工作占空比，R为雷达到目标的距离、V s 为卫星速度、T s 为接收机系统噪声温度、L为雷达系统损耗，k为波尔兹曼常数，且k=1.38054*10 -23 J/K；
设计高系统灵敏度包括降低系统噪声温度T s 、降低系统损耗L、增大峰值发射功率P t 、增大天线发射接收增益G以及增大系统的工作占空比τ·PRF。
进一步的，系统噪声温度T s 计算公式为
T s ≈T 0 F n L r ，
其中，F n 为T/R组件的噪声系数，L r 为天线至T/R组件的馈线损耗，通过降低T/R组件的噪声系数F n 和天线至T/R组件的馈线损耗L r 来降低系统噪声温度T s 。
进一步的，通过降低天线至T/R组件的馈线损耗L r 来降低雷达系统损耗L；通过选用更大发射功率的T/R组件或为阵面装备更多的T/R组件，来提高雷达峰值发射功率；通过增大天线面积或选用效率更高的天线子阵形式增大天线发射接收增益G；通过增大发射脉冲宽度或提升脉冲重复频率增大系统的工作占空比τ·PRF。
进一步的，辅星瞄主星波束的回波录取方式，包括以下步骤：
（1）设计主雷达具有自发自收能力，辅雷达具有被动接收能力，主辅雷达在编队卫星飞行过程中，能够以一发双收方式同步协同工作；
（2）在空间上通过卫星平台姿态的高精度控制能力、有源相控阵天线波束指向高精度控制能力，使得辅星雷达接收波束指向主星雷达波束：
（3）通过编队构型的可用工作段限制方位向和距离向两星分离的最大间距，将主辅星雷达波束重叠限制在一定范围内；
（4）再由辅星沿方位向进行波束扫描，搜索回波信号能量最大的位置，并指向该位置使得辅星回波的能量最大。
进一步的，基于方位频谱重叠最优措施，其中，脉冲重复频率PRF提升至常规星载SAR的最小PRF值的1.1倍以上，常规星载SAR的最小PRF值为1.1倍的方位多普勒带宽f dop ，f dop 计算公式为：
，
其中，L a 为雷达天线方位向尺寸，θ sq 为雷达波束工作斜视角。
进一步的，对顺轨基线长度进行限制，使顺轨基线长度d Balong 满足主辅星多普勒中心频率偏差Δf dop 不超过10%，主辅星多普勒中心频率偏差与顺轨基线的关系如下：
。
进一步的，方位频谱的预滤波处理包括：在进行方位干涉处理前，进行进行方位预滤波处理，将主辅回波不重叠的多普勒频率过滤，保留主辅星回波公共的频谱部分。
进一步的，雷达一次开机工作时长根据雷达每圈工作脉冲数与脉冲重复周期的乘积再乘以一次成像总的圈次循环数计算，并且受卫星热控能力、供电能力的制约；
卫星平台姿态的高精度保持包括：卫星平台姿轨控分系统高精度测量卫星平台姿态与卫星位置信息，并与卫星在该轨道位置应当保持的姿态信息进行比对，当偏移量超过门限时，进行姿态控制。
进一步的，相控阵天线波束指向高精度保持包括：在轨天线温度一致性的控制、天线架构优化降低天线热变形、采用移相衰减延时的虚位技术、采用高精度平面近场测试方法。
本发明的有益效果：本申请的空间同步方法，基于回波能量优化措施、方位频谱优化措施，能够实现编队卫星干涉SAR系统一发多收工作模式下，在空间上天线波束与主动发射的主SAR的天线波束实现在地面的良好重合，在回波的相位上实现辅SAR与主SAR信号的高相干性，实现相干性最优和高度适应性。本方法还可为编队卫星干涉SAR系统其它类似的多基地星载雷达系统的空间同步实现，提供有意义的技术参考。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
图1为本发明的编队卫星干涉SAR能谱最优的空间同步实现方法框图；
图2为编队卫星干涉SAR高系统灵敏度设计措施；
图3为编队卫星干涉SAR辅星瞄主星波束的回波录取方法；
图4为编队卫星干涉SAR辅星瞄主星波束的回波录取示意；
图5为编队卫星干涉SAR最小PRF提升后各波位参数示意图；
图6为通过预滤波处理提高方位频谱重叠度示意图；
图7为某一编队卫星干涉SAR实施系统组成框图；
图8为相干最优的空间同步实现方法验证试验系统；
图9为相干最优的空间同步实现方法验证试验结果；
图10为样本区域图像及相干系数图；
图11为样本区域图像及相干系数分布图。
实施方式
结合图1-图11，本发明的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法如下。
以某编队干涉SAR空间同步验证系统实施为例，验证系统采用本文描述的空间同步实现方法。
（1）空间同步的实现分为建立和保持两个阶段，建立的方法基于能量最优措施、方位频谱重叠最优措施，实现系统相干性最优。空间同步保持，基于卫星工作时间控制、卫星平台姿态控制精度和雷达天线波束指向精度保证，工作期间全程保持。
（2）空间同步建立阶段
（2.1）能量最优措施
在能量最优方面，主要采取了两项措施：一方面开展了高系统灵敏度的雷达系统设计，灵敏度指标优于一般星载雷达系统的-19dB要求，达到-20dB以上，确保对同一地面可获得比一般星载雷达更高的回波信噪比；另一方面，采取了辅星瞄准主星波束的回波录取方式，保证辅星回波的高信噪比。
（2.1.1）高系统灵敏度的雷达系统设计
在雷达系统的高系统灵敏度设计方面，由于系统灵敏度是越小越好。根据星载雷达系统决定系统灵敏度的雷达方程，如下所示。
其中，P t 为雷达天线的峰值发射功率、G为天线发射接收功率增益、λ为雷达载波波长、ρ gr 为雷达地距分辨率、τ为脉冲宽度，PRF为脉冲重复频率，τ·PRF为雷达工作占空比，R为雷达到目标的距离、V s 为卫星速度、T s 为接收机系统噪声温度、L为雷达系统损耗，k为波尔兹曼常数，且k=1.38054*10 -23 J/K。
对于雷达载荷的设计来说，一般是在给定卫星高度（相应的卫星速度、卫星到目标的距离都已确定）、地面分辨率、雷达载波频率（相应确定了雷达载波波长）等要求下，来开展雷达系统的设计。在此条件下，雷达设计师为优化系统灵敏度能够采取的措施主要有五个方面。
a)降低系统噪声温度T s
其与T/R组件的噪声系数F n 和天线至T/R组件的馈线损耗L r 的关系为：T s = T a +T r + L r T e ≈T 0 F n L r 。因此，要降低系统噪声温度T s ，需要降低T/R组件的噪声系数F n 和天线至T/R组件的馈线损耗L r 。要求T/R组件的噪声系数F n 小于2.5dB，馈线损耗L r 小于0.5dB。
b)降低系统损耗L
对于有源相控阵天线来说，系统损耗就等于T/R组件值天线单元间的馈线损耗。一般情况下都是收发共用的，其等于L r 。因此，要降低系统损耗，就要降低天线至T/R组件的馈线损耗L r ，在此要求天线至馈线的传输损耗L r 小于0.5dB。
c)增大峰值发射功率P t
要增加雷达天线发射峰值功率，对于有源相控阵天线来说，一方面可以选用更大发射功率的T/R组件，还可以为阵面装备更多的T/R组件，达到提高雷达峰值发射功率的目的。但同时也要考虑成本的增加。峰值功率的设计要视占空比、成本、成像带幅宽等因素，需要迭代计算，但总的来说峰值发射功率越大系统灵敏度性能越好。就设计的系统而言，对比某星载SAR来说，其发射峰值功率约4000W，相应的系统灵敏度为优于-19dB；本分布式InSAR系统优化后的实现结果为优于8000W，相比传统星载SAR系统具有显著提升。
d)增大天线发射接收增益G
要增大天线增益，根据其与天线面积和效率成正比关系，可以增大天线面积，也可考虑选用效率更高的天线子阵形式。在天线子阵效率难以提升的情况下，增大天线面积对增大天线增益，提升系统灵敏度的效果立竿见影。但面积的增加会给卫星平台、天线展架机构的设计带来困难。本系统优化后的天线为5*0.8=4平方米，对应理论增益约47dB。
e)增大系统的工作占空比τ·PRF
系统占空比与发射脉冲宽度和脉冲重复频率成正比。但PRF一般是根据方位分辨率要求和星载雷达发射时序选择的，提升幅度比较有限。因此，增大占空比一方面尽量增大发射脉冲宽度，另一方面可适当提升PRF。共同达到增大工作占空比的目的。但占空比的增加不能随心所欲，受到地面观测窗宽度等因素的限制。总体来说系统占空比越大，系统灵敏度指标越好。本系统的占空比选择在17~18%。
综上所述，通过从以上五个方面采取优化措施，达到综合提升系统灵敏度的目的，确保雷达系统各工作波位的灵敏度均优于-20dB或更低的目标，实际实现指标优于-23dB。
（2.1.2）辅星瞄准主星波束的回波录取
图4所示为编队卫星InSAR辅星瞄准主星波束的回波录取示意图，编队卫星InSAR系统通常采用一发多收的工作方式。辅星瞄主星波束的回波录取方式，能最大保证被动接收的辅星回波信号的能量，其实现方法主要包括以下步骤。
a)设计主雷达具有自发自收能力，辅雷达具有被动接收能力，使得主辅雷达在编队卫星飞行过程中，能够以一发双收方式同步协同工作。
b)在空间上通过卫星平台姿态的高精度控制能力、有源相控阵天线波束指向高精度控制能力，使得辅星雷达接收波束指向主星雷达波束。通过采用双星各自二维姿态牵引技术保证了各星姿态和同波位波束指向的一致性。
c)通过编队构型的可用工作段基线控制，限制方位向和距离向两星分离的最大间距，将主辅星雷达波束重叠限制在一定范围内。
d)再由辅星沿方位向进行波束扫描，搜索回波信号能量最大的位置，并指向该位置使得辅星回波的能量最大。
（2.2）方位频谱重叠最优措施
在方位频谱重叠最优方面，采取了三项措施：一是在设计系统工作参数时，采用高于一般星载雷达10%以上的脉冲重复频率（PRF）工作，以保证系统具有比一般星载雷达更宽的方位回波信号频谱，保证后续处理中方位分辨率不下降；二是限制顺轨基线长度不超过500m，以保证辅星瞄准主星所引起的多普勒中心频率差异不超过10%。三是采用方位谱的预滤波处理，截取主辅星公共的方位频谱进行干涉成像处理，消除方位频谱不重叠对相干性的影响，保证相干性最优。
（2.2.1）脉冲重复频率提升
在一般星载SAR的波位设计中，脉冲重复频率PRF是一个重要参数，且一般要求是PRF>1.1倍的方位多普勒带宽f dop 。
其中，L a 为雷达天线方位向尺寸，θ sq 为雷达波束工作斜视角。
对于方位分辨率为3m的星载SAR来说，按轨道高度约500km考虑，其飞行速度约7600m/s，雷达天线方位尺寸约5m，工作载波波长为0.3125m。对应的方位多普勒带宽约为：2694Hz。对应的常规星载SAR的最小PRF值为其1.1倍，约为2963Hz。
对星载编队卫星InSAR来说，要将最小PRF值进一步提升10%，即最小PRF值应当为2963的1.1倍，为3260Hz以上。在实际中选择的PRF均大于3450Hz，实现了将PRF选择结果提升10%以上的目标。图4为编队卫星干涉SAR最小PRF提升后各波位参数示意图。
（2.2.2）对顺轨基线长度进行限制
顺轨基线长度将引起辅星波束瞄准主星波束后，主辅星回波多普勒中心频率的差异，且长度越长该频率差异越大。在最小PRF提升10%的保证下，要求双星间多普勒中心频率偏差Δf dop 不超过10%。主辅星多普勒中心频率偏差Δf dop 与顺轨基线的关系近似如下式所示：
其中d Balong 为顺轨基线长度。
对于500km飞行高度、载波波长为0.3125m的雷达卫星，其至目标的斜距通常大于500~700km，对于500m的顺轨基线，其多普勒中心偏差约为243Hz，不超过方位多普勒带宽的10%。
（2.2.3）方位频谱的预滤波处理
由于辅星瞄准主星以及顺轨基线的存在，使得辅星回波能量达到了最大，但是主辅星方位多普勒中心存在了一定的差异，该差异使得主辅星回波方位多普勒谱不完全重合，会引起方位多普勒去相干。为了减小方位多普勒谱不重合度引起的去相干，提升编队卫星InSAR干涉相位误差，本系统在进行方位干涉处理前，进行进行方位预滤波处理，将主辅回波不重叠的多普勒频率过滤，保留主辅星回波公共的频谱部分，提升回波相干性。通过预滤波处理提高方位频谱重叠度示意图如图5所示。
（3）空间同步保持阶段
空间同步保持阶段，主要采取三项措施，来保证空间同步精度在一次成像数据录取期间保持不变，分别是控制雷达一次开机工作时长，卫星平台姿态高精度控制、相控阵天线波束指向高精度控制。
（3.1）雷达一次开机工作时长控制
通过雷达工作参数指令包中的雷达开机时刻、首定标时刻、时间同步时刻、尾定标时刻、雷达每圈工作脉冲数、脉冲重复周期（或频率）、一次成像总的圈次循环数等参数的设置，由雷达计算机来实施控制。一般来说，时间同步时刻与尾定标时刻之间的时间大约等于雷达一次成像的工作时长。更详细的时长设置是雷达每圈工作脉冲数与脉冲重复周期的乘积再乘以一次成像总的圈次循环数计算的。此外，雷达一次开机工作时长也收到卫星热控能力、供电能力的制约。本实施例中，综合考虑各种因素，将编队卫星InSAR一次开机工作时长设置为不超过5分钟。
（3.2）卫星平台姿态的高精度保持
卫星平台姿态测量与控制，通常是由平台姿轨控分系统来实施的。姿轨控分系统通过星敏感器、陀螺仪、GNSS系统高精度测量卫星平台姿态与卫星位置信息，并与卫星在该轨道位置应当保持的姿态信息进行比对，当偏移量超过门限时，通过飞轮或者小推理发动机等手段，进行姿态控制，达到卫星凭条姿态高精度保持的目的。由于该技术是卫星平台技术，雷达载荷仅对卫星平台姿态控制精度提出要求即可，其余工作由平台实现。编队卫星InSAR载荷对平台姿态控制精度的要求是优于0.01度（3σ）。
（3.3）相控阵天线波束指向高精度保持
相控阵天线具有波束快速电扫描的能力，其波束指向精度高。影响波束指向的因素主要有：天线在轨工作过程中的电讯因素、天线温度梯度差异以及天线热变形、以及测试精度等。采取的措施主要有：在轨天线温度一致性的控制：通过天线热控措施，将天线在轨温度差异控制在±4℃之间；天线架构优化降低天线热变形：通过游离设计减小热变形对辐射天线的影响；采用移相衰减延时的虚位技术，提升波束指向的精度；采用高精度平面近场测试方法，提升波束指向精度。
通过控制天线电讯电机的幅相误差、天线阵面的温度梯度、以及天线热变形到较小量级，能够实现相控阵天线指向精度优于波束宽度5%高精度保持。
（4）实施结果
如图7、图8所示，实施系统为一双星编队卫星地面试验系统，主星1颗，辅星1颗，包含卫星编队保持控制设备和完整的2套雷达载荷，主动发射的SAR卫星称为主星，其SAR载荷称为主SAR；只被动接收的SAR卫星称为辅星，其SAR载荷称为辅SAR。实施系统在卫星编队保持控制设备的控制下，完成各种工作模式控制。其中主辅SAR各自具有独立收发的功能，也可以在控制设备的控制下进行主星发射主辅星同时接收。
每套雷达设备由舱内电子设备和天线阵面组成，舱内电子设备完成全系统同步控制、信号产生、信号接收及其处理、天线阵面波束控制等功能。天线阵面完成发射信号的驱动放大并根据舱内电子设备的波束控制命令进行移相后由天线发射并接收地面反射回波和放大移相后送舱内电子设备接收。
该试验系统进行了编队卫星空间同步实现技术的验证试验，图9-图11以及表1为试验过程及结果。
表1 样本区域相干系数均值统计
| 样本区域 | 样本1 | 样本2 | 样本3 | 样本4 | 样本5 | 样本6 |
| 相干系数 | 0.883 | 0.890 | 0.922 | 0.930 | 0.898 | 0.908 |
可以看出，试验系统达到了很高的空间同步实现精度，实现了系统最优相干，各样本区域的相干性均优于0.88。
本申请的方法实现编队卫星干涉SAR的相干最优的空间同步的实现过程中，基于对现有技术的整合和优化实现，实现原理清晰明了；无需增加额外的设备，具有较高可靠性，对现有空间同步技术策略进行优化和改进，实现难度和成本都较低；本方法适用于编队卫星干涉SAR系统的空间同步的实现，还可用于其它多星和类似多基地星载雷达系统的空间同步，具有一定的推广应用价值，应用前景广阔。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：包括：
（1）空间同步的建立：包括基于能量最优措施和方位频谱重叠最优措施建立空间同步，其中，
基于能量最优措施包括：设计高系统灵敏度的雷达系统和采用辅星瞄准主星波束的回波录取方式；
基于方位频谱重叠最优措施包括：脉冲重复频率提升、对顺轨基线长度进行限制以及方位频谱的预滤波处理；
（2）空间同步的保持：包括雷达一次开机工作时长控制，卫星平台姿态高精度控制以及相控阵天线波束指向高精度控制；
设计高系统灵敏度的雷达系统包括如下：
星载雷达的系统灵敏度NEσ 0 计算公式如下：
，
其中， P t 为雷达天线的峰值发射功率、G为天线发射接收功率增益、λ为雷达载波波长、ρ gr 为雷达地距分辨率、τ为脉冲宽度，PRF为脉冲重复频率，τ·PRF为雷达工作占空比，R为雷达到目标的距离、V s 为卫星速度、T s 为接收机系统噪声温度、L为雷达系统损耗，k为波尔兹曼常数，且k=1.38054*10 -23 J/K；
设计高系统灵敏度包括降低系统噪声温度T s 、降低系统损耗L、增大峰值发射功率P t 、增大天线发射接收增益G以及增大系统的工作占空比τ·PRF；
辅星瞄主星波束的回波录取方式，包括以下步骤：
（1）设计主雷达具有自发自收能力，辅雷达具有被动接收能力，主辅雷达在编队卫星飞行过程中，能够以一发双收方式同步协同工作；
（2）在空间上通过卫星平台姿态的高精度控制能力、有源相控阵天线波束指向高精度控制能力，使得辅星雷达接收波束指向主星雷达波束：
（3）通过编队构型的可用工作段限制方位向和距离向两星分离的最大间距，将主辅星雷达波束重叠限制在一定范围内；
（4）再由辅星沿方位向进行波束扫描，搜索回波信号能量最大的位置，并指向该位置使得辅星回波的能量最大。
2.根据权利要求1所述的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：系统噪声温度T s 计算公式为
T s ≈T 0 F n L r ，
其中，F n 为T/R组件的噪声系数，L r 为天线至T/R组件的馈线损耗，通过降低T/R组件的噪声系数F n 和天线至T/R组件的馈线损耗L r 来降低系统噪声温度T s 。
3.根据权利要求2所述的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：通过降低天线至T/R组件的馈线损耗L r 来降低雷达系统损耗L；通过选用更大发射功率的T/R组件或为阵面装备更多的T/R组件，来提高雷达峰值发射功率；通过增大天线面积或选用效率更高的天线子阵形式增大天线发射接收增益G；通过增大发射脉冲宽度或提升脉冲重复频率增大系统的工作占空比τ·PRF。
4. 根据权利要求1所述的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：基于方位频谱重叠最优措施，其中，脉冲重复频率PRF提升至常规星载SAR的最小PRF值的1.1倍以上，常规星载SAR的最小PRF值为1.1倍的方位多普勒带宽f dop ， f dop 计算公式为：
，
其中， L a 为雷达天线方位向尺寸，θ sq 为雷达波束工作斜视角。
5.根据权利要求4所述的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：对顺轨基线长度进行限制，使顺轨基线长度d Balong 满足主辅星多普勒中心频率偏差Δf dop 不超过10%，主辅星多普勒中心频率偏差与顺轨基线的关系如下：
。
6.根据权利要求4所述的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：方位频谱的预滤波处理包括：在进行方位干涉处理前，进行进行方位预滤波处理，将主辅回波不重叠的多普勒频率过滤，保留主辅星回波公共的频谱部分。
7.根据权利要求1所述的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：雷达一次开机工作时长根据雷达每圈工作脉冲数与脉冲重复周期的乘积再乘以一次成像总的圈次循环数计算，并且受卫星热控能力、供电能力的制约；
卫星平台姿态的高精度保持包括：卫星平台姿轨控分系统高精度测量卫星平台姿态与卫星位置信息，并与卫星在该轨道位置应当保持的姿态信息进行比对，当偏移量超过门限时，进行姿态控制。
8.根据权利要求7所述的面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法，其特征在于：相控阵天线波束指向高精度保持包括：在轨天线温度一致性的控制、天线架构优化降低天线热变形、采用移相衰减延时的虚位技术、采用高精度平面近场测试方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311082559.9A CN116859344B (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311082559.9A CN116859344B (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116859344A CN116859344A (zh) | 2023-10-10 |
| CN116859344B true CN116859344B (zh) | 2023-11-03 |
Family
ID=88223773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311082559.9A Active CN116859344B (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116859344B (zh) |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6011505A (en) * | 1996-07-11 | 2000-01-04 | Science Applications International Corporation | Terrain elevation measurement by interferometric synthetic aperture radar (IFSAR) |
| US6633253B2 (en) * | 2001-04-02 | 2003-10-14 | Thomas J. Cataldo | Dual synthetic aperture radar system |
| CN101339245A (zh) * | 2008-08-08 | 2009-01-07 | 西安电子科技大学 | 多基线干涉合成孔径雷达干涉相位展开方法 |
| KR20110036430A (ko) * | 2009-10-01 | 2011-04-07 | 영남대학교 산학협력단 | 표적의 회전 이동을 보상하는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법 및 장치 |
| CN104714231A (zh) * | 2015-02-01 | 2015-06-17 | 中国传媒大学 | 一种基于完全互补序列和相位补偿的mimo sar成像方法 |
| CN106842157A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-06-13 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种sar卫星模拟在轨载荷数据获取系统及获取方法 |
| CN107271995A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-10-20 | 上海卫星工程研究所 | 基于波束指向调整的系统灵敏度优化设计方法 |
| CN109270529A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-01-25 | 电子科技大学 | 基于虚拟天线的前视阵列sar高分辨成像方法及系统 |
| CN111142105A (zh) * | 2020-01-06 | 2020-05-12 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | 复杂运动目标isar成像方法 |
| CN112346028A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-09 | 上海卫星工程研究所 | 分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法及系统 |
| CN114779803A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-07-22 | 南京航空航天大学 | InSAR卫星集群构型NSGA-III智能优化算法 |
| CN114779184A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-07-22 | 西安大衡天成信息科技有限公司 | 一种非完整信息条件下认知对抗建模方法 |
| CN114910911A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-08-16 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于多相位中心重构的星载多基sar成像方法 |
| WO2022171202A1 (zh) * | 2021-04-02 | 2022-08-18 | 青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心 | 干涉成像高度计与激光雷达双星伴飞海洋观测方法及系统 |
| CN115267780A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-11-01 | 中国电子科技集团公司第十四研究所 | 一种同时实现顺轨和切轨干涉的多通道极化sar系统及其方法 |
| CN115372964A (zh) * | 2022-10-26 | 2022-11-22 | 中国电子科技集团公司第十四研究所 | 一种双频多尺度地表形变测量试验系统 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014074631A1 (en) * | 2012-11-07 | 2014-05-15 | Neva Ridge Technologies | Sar point cloud generation system |
| ITUA20164568A1 (it) * | 2016-06-21 | 2017-12-21 | Thales Alenia Space Italia Spa Con Unico Socio | Metodo di formazione di immagini sar per analisi interferometriche |
| US10649081B2 (en) * | 2017-09-29 | 2020-05-12 | United States of America as represented by the Administrators of NASA | Spaceborne synthetic aperture radar system and method |
| WO2021036066A1 (zh) * | 2019-08-23 | 2021-03-04 | 长沙天仪空间科技研究院有限公司 | 一种基于卫星编队的遥感系统及星座系统 |
| CN113534154B (zh) * | 2021-09-16 | 2021-11-30 | 成都理工大学 | 一种sar视线向变形与坡度坡向敏感度计算方法 |
-
2023
- 2023-08-28 CN CN202311082559.9A patent/CN116859344B/zh active Active
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6011505A (en) * | 1996-07-11 | 2000-01-04 | Science Applications International Corporation | Terrain elevation measurement by interferometric synthetic aperture radar (IFSAR) |
| US6633253B2 (en) * | 2001-04-02 | 2003-10-14 | Thomas J. Cataldo | Dual synthetic aperture radar system |
| CN101339245A (zh) * | 2008-08-08 | 2009-01-07 | 西安电子科技大学 | 多基线干涉合成孔径雷达干涉相位展开方法 |
| KR20110036430A (ko) * | 2009-10-01 | 2011-04-07 | 영남대학교 산학협력단 | 표적의 회전 이동을 보상하는 역합성 개구면 레이더 영상을 생성하는 방법 및 장치 |
| CN104714231A (zh) * | 2015-02-01 | 2015-06-17 | 中国传媒大学 | 一种基于完全互补序列和相位补偿的mimo sar成像方法 |
| CN106842157A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-06-13 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种sar卫星模拟在轨载荷数据获取系统及获取方法 |
| CN107271995A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-10-20 | 上海卫星工程研究所 | 基于波束指向调整的系统灵敏度优化设计方法 |
| CN109270529A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-01-25 | 电子科技大学 | 基于虚拟天线的前视阵列sar高分辨成像方法及系统 |
| CN111142105A (zh) * | 2020-01-06 | 2020-05-12 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | 复杂运动目标isar成像方法 |
| CN112346028A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-09 | 上海卫星工程研究所 | 分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法及系统 |
| WO2022171202A1 (zh) * | 2021-04-02 | 2022-08-18 | 青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心 | 干涉成像高度计与激光雷达双星伴飞海洋观测方法及系统 |
| CN114779803A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-07-22 | 南京航空航天大学 | InSAR卫星集群构型NSGA-III智能优化算法 |
| CN114779184A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-07-22 | 西安大衡天成信息科技有限公司 | 一种非完整信息条件下认知对抗建模方法 |
| CN114910911A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-08-16 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于多相位中心重构的星载多基sar成像方法 |
| CN115267780A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-11-01 | 中国电子科技集团公司第十四研究所 | 一种同时实现顺轨和切轨干涉的多通道极化sar系统及其方法 |
| CN115372964A (zh) * | 2022-10-26 | 2022-11-22 | 中国电子科技集团公司第十四研究所 | 一种双频多尺度地表形变测量试验系统 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Monitoring Building Deformation with InSAR: Experiments and Validation;Yang, Kui等;SENSORS;第16卷(第12期);全文 * |
| Total zero Doppler steering - A new method for minimizing the Doppler centroid;Fiedler, H等;IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS;第2卷(第2期);全文 * |
| 多基站星载InSAR系统通道幅相一致性研究;姬亚龙等;信息化研究;第48卷(第2期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116859344A (zh) | 2023-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4843397A (en) | Distributed-array radar system comprising an array of interconnected elementary satellites | |
| CN103383448B (zh) | 适用于hprf波形机载雷达的杂波抑制方法 | |
| CN102169173B (zh) | 一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达模糊度分析方法 | |
| CN110221299B (zh) | 一种星载双通道双波束InSAR测流系统 | |
| Muehe et al. | Displaced-phase-center antenna technique | |
| CA3083033A1 (en) | Synthetic aperture radar apparatus and methods | |
| US5847675A (en) | Radar with a wide instantaneous angular field and a high instantaneous angular resolution in particular for a missile homing head | |
| CN113960620B (zh) | 高精度波束跟踪系统 | |
| CN103149564A (zh) | 斜视偏置相位中心方位多波束星载sar 成像方法 | |
| CN114660552B (zh) | 星载gnss-s雷达舰船目标信号接收与直射干扰抑制方法 | |
| CN111509404A (zh) | 用于卫星广播数据接收与风廓线测量的多功能相控阵天线 | |
| Vaze et al. | The surface water and ocean topography mission | |
| CN104122555A (zh) | 一种应用于低空飞行安全的前视视景增强装置 | |
| CN116859344B (zh) | 一种面向相干最优的能谱自适应分布式InSAR空间同步方法 | |
| CN111965642A (zh) | 一种基于高超声速平台的前斜视多通道sar-gmti杂波抑制方法 | |
| CN115113204B (zh) | 分布式卫星双频段分置发射的星载InSAR实现方法 | |
| CN115792816A (zh) | 一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法 | |
| Yoon et al. | A modified SweepSAR mode with dual channels for high resolution and wide swath | |
| Wang et al. | High altitude platform multichannel SAR for wide-area and staring imaging | |
| Zhang et al. | A modified single-base equivalent imaging algorithm for MEO space-missile borne BiSAR | |
| Wang et al. | Analysis of Spatial Synchronization Errors for Spaceborne Bistatic SAR System | |
| Chen et al. | Very High-Resolution Synthetic Aperture Radar Systems and Imaging: A Review | |
| Spencer et al. | The planned Soil Moisture Active Passive (SMAP) mission L-band radar/radiometer instrument | |
| Xu et al. | The altimeter precision comparison between SAR mode and conventional mode through airborne experiment | |
| CN113687313B (zh) | 一种基于双反射面天线的星载x+s双频sar系统 |
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 |