基于DBF‑TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法技术

本发明专利技术提供基于DBF‑TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法，包括：步骤一、建立雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示式；步骤二、加权系数ωn(τ)为：

InSAR signal processing method DBF TOPS weighted based on Spaceborne Ka

The present invention provides DBF TOPS weighted spaceborne Ka based on InSAR signal processing method, which comprises the following steps: establishing a radar echo data in a baseband Burst data block within the representation; step two, weighted coefficient (tau) for Omega n:

【技术实现步骤摘要】
基于DBF-TOPS加权的星载KaInSAR信号处理方法
本专利技术涉及星载KaInSAR信号处理方法，特别涉及基于DBF-TOPS加权的星载KaInSAR信号处理方法。
技术介绍
Ka波段SAR具有波长短、穿透性弱、反射强的特点，因此获取的SAR图像纹理及目标细微特征更加清晰；但是其穿透性弱的特点对陆地地表测绘是不利因素。由于海面没有遮挡，且Ka波段反射性强，因此Ka波段InSAR在海面高度测量中优势明显。与传统高度计(如Skylab、Seasat-A、ERS-1/2、Jason-1、TOPEX等)所采用的Ku波段相比，Ka波段电离层衰减延迟低，基本上可以忽略。国外的Saral/AltiKa高度计首次采用Ka波段，但受限于其底视工作模式，观测幅宽非常窄，通常只有公里量级，而采用KaInSAR系统，可以很好地解决测绘带宽有限的问题。此外，由于波长短，在同样的测高精度要求下，Ka波段干涉SAR与低频采用Ka波段的雷达高度计如段干涉SAR相比所需要的干涉测高基线更短，利于单星实现。因此，Ka波段InSAR已成为目前国际上海面高程测量的一个重要发展方向。但是，传统的星载条带KaInSAR幅宽为几十公里量级，如果要实现几百公里的测绘带宽，需要研究新体制Ka波段星载InSAR系统。标准的扫描(SCAN)模式通过周期性地转换天线俯仰波束的方式实现宽测绘带成像，但是具有分辨率低以及存在扇贝效应(scalloping)的缺点，而且由于目标在方位向不能被完整的天线方向图覆盖，如果进行干涉处理将引入额外的相位误差，无法实现高精度的干涉测高。而TOPS(TerrainObservationbyProgressiveScans)工作模式采用了Burst工作体制，可以实现SCAN模式的分辨率和宽测绘带能力，TOPS的概念最早由Zan等提出，其与SCAN模式最大的区别是波束在方位向上做从后到前的均匀转动，天线指向的这种改变可以克服scalloping问题，目标在方位向能够遍历完整的天线方向图，避免天线方位图引入的干涉相位误差。目前TOPS模式已应用于欧洲空间局(ESA)新一代星载SAR系统Sentinel-1中的宽幅干涉模式中。相同幅宽Ka波段相比于低频频段，SAR天线更窄、增益更小。为了解决这一矛盾，可以利用高程向多个子孔径同时接收，但这又带来星载SAR系统数据量超大的问题。近几年来，一种在接收端结合数字波束形成(DBF)的SAR工作体制——DBF-SAR，可以很好地解决这一问题。它能有效地突破最小天线面积限制，获得更低的模糊电平、更高的信噪比和更好的辐射分辨率，减轻了测绘带宽和空间分辨率之间的平衡，同时极大降低系统数据率，进而缓和SAR系统设计的限制。SCORE(Scan-on-Receive)算法是一种基于调整高度向波束模式的方法，即宽测绘带通过使用小的发射天线获得，而在接收端采用了多通道接收天线并利用DBF技术获得一个高增益笔状波束。其显著优点是减小了星上数据下传量，避免了高分辨率和宽测绘带成像带来的大数据量和多通道获取引入的冗余信息，从而降低了对数据下传率的要求。美国在研的SWOT(SurfaceWaterOceanTopography)计划，由于接收天线只有单个孔径，因此，其单侧观测刈幅只有60公里。本专利采用基于DBFTOPS的InSAR系统，TOPS扫描拼接子测绘带，DBF-SCORE提高接收天线增益，在获得同等测高精度的前提下可以将测绘带宽提高三倍。但是，在进行数字波束合成的过程中，由于高程向各子通道均工作在TOPS模式，即在每一组Burst内，距离向各个子接收通道对应的波束指向由后向前变化，使得回波视角不断变化，因此在进行DBF加权时需要考虑波束指向变化对DBF加权合成的影响，现有的基于条带模式的DBF加权算法不再适用。此外，在Ka波段情况下，由于波长短，干涉测高精度对相位误差更敏感，相位误差对干涉测高精度的影响更严重，因此在进行干涉SAR系统成像处理时，需要考虑成像算法的保相性。经典的RD、CS、ωk算法都具有相位保持的特点，但是星载TOPS模式下由于波束扫描使得场景方位频谱发生混叠，同时本系统中TOPS回波信号是通过对距离向多个子接收通道信号进行DBF加权得到的，因此不能直接使用上述保相算法，需要针对DBF-TOPS模式研究能够解决频谱混叠问题的保相成像算法。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是需要针对DBF-TOPS模式，提供能够解决频谱混叠问题的信号处理方法；为解决所述问题，本专利技术提供基于DBF-TOPS加权的星载KaInSAR信号处理方法。本专利技术提供的基于DBF-TOPS加权的星载KaInSAR信号处理方法，包括：步骤一、雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示为：γ0表示目标的后向散射系数，Ga(·)表示方位向天线方向图，t和τ分别对应方位慢时间和距离快时间，X表示波束足迹在地面的长度，τp表示发射脉冲宽度，kr表示发射脉冲的调频率，Tb为Burst长度在目标上的驻留时间，vf为平面模型下波束在地面的移动速度，x为目标的方位向位置，tn为目标相对于第n个接收通道的回波时延，f0为发射信号载频；步骤二、加权系数ωn(τ)为：N为通道数，α(τ)为接收波束中心与天线法线的夹角，d0为相邻接收天线相位中心之间的距离、λ为工作频率；步骤三、形成波束为：其中Rn(t)为点目标到接收通道n的斜距；步骤四、对步骤三的公式进行傅里叶变换得到：fr为距离向频率；步骤五、频域加权系数为：步骤六、加权后的信号频域表达式为：R(t)为目标到发射天线中心的斜距；步骤七、对加权后的频域信号先进行距离向IFFF，再进行保相性成像处理。进一步，所述距离向IFFF后信号形式为：进一步，所述保相性成像处理包括：步骤7.1、利用去斜操作进行方位向预滤波处理，包括：步骤7.1.1、对距离向IFFF后信号乘以线性调频信号，所述线性调频信号为rf表示参考斜距，fsdc表示场景中心目标多普勒中心频率；步骤7.1.2、进行方位向FFT之后，乘以传递函数i＝-P/2,...,P/2-1；其中Δt”表示方位向输出采样间隔，P表示方位输出采样间隔为Δt”时的方位采样点数；步骤7.2、采用RD成像算法进行二维压缩，包括：步骤7.2.1、采用距离向匹配滤波器进行距离压缩，Kkr为距离向调频率；步骤7.2.2、通过在距离多普勒域中进行距离插值运算，完成距离徙动校正；步骤7.2.3、通过方位匹配滤波器进行方位聚焦，方位匹配滤波器为：fa为方位向频率，Ka为方位向调频率；步骤7.3、进行方位向后滤波处理，包括：步骤7.3.1、将方位聚焦后的输出乘以线性调频信号G1，为参考信号的调频率；再进行方位向IFFT；步骤7.3.2、乘以传递函数i＝-P/2,...,P/2-1，Δt”表示方位向输出采样间隔，P表示方位输出采样间隔为Δt”时的方位采样点数；经方位向IFFT后得到聚焦的TOPSAR图像；步骤7.3.3、将所述TOPSAR图像乘以进行相位补偿。本专利技术的优点包括：首先，通过推导TOPS回波的DBF-SCORE加权系数，给出了对距离向多通道TOPS回波信号先进行时域加权再进行分孔径频域加权的DBF-SCORE算法，通过频域加权消除了由于时域直接加权导本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于DBF‑TOPS加权的星载Ka InSAR信号处理方法，其特征在于，包括：步骤一、雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示为：

【技术特征摘要】
1.基于DBF-TOPS加权的星载KaInSAR信号处理方法，其特征在于，包括：步骤一、雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示为：γ0表示目标的后向散射系数，Ga(·)表示方位向天线方向图，t和τ分别对应方位慢时间和距离快时间，X表示波束足迹在地面的长度，τp表示发射脉冲宽度，kr表示发射脉冲的调频率，Tb为Burst长度在目标上的驻留时间，vf为平面模型下波束在地面的移动速度，x为目标的方位向位置，tn为目标相对于第n个接收通道的回波时延，f0为发射信号载频；步骤二、加权系数ωn(τ)为：N为通道数，α(τ)为接收波束中心与天线法线的夹角，d0为相邻接收天线相位中心之间的距离、λ为工作频率；步骤三、形成波束为：其中Rn(t)为点目标到接收通道n的斜距；步骤四、对步骤三的公式进行傅里叶变换得到：

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，
申请(专利权)人：王辉，
类型：发明
国别省市：北京,11