星机双基地时间误差同步方法及频域成像方法技术

本发明专利技术公开了一种星机双基地时间误差同步方法及频域成像方法，时间误差同步方法中首先获取直达波数据，对接收到的直达波信号进行距离压缩处理并提取一维向量信号，对一维向量信号进行分数阶傅里叶变换提取时间误差构造时间误差补偿函数，进而对目标回波信号进行时间误差补偿；频域成像方法中对无时间误差的目标回波信号进行方位谱模糊，然后通过改进点泰勒展开得到目标回波信号二维频谱表达式，再对二维频谱表达式进行补偿后，进行聚焦成像。本发明专利技术方法均借助FFT实现并不需要插值处理，保证了成像效率。证了成像效率。证了成像效率。

【技术实现步骤摘要】
星机双基地时间误差同步方法及频域成像方法


[0001]本专利技术涉及星机双基地系统成像方法领域，具体是一种星机双基地时间误差同步方法及频域成像方法。

技术介绍

[0002]相对于传统单基地雷达，星机双基地雷达系统有着诸多优势，例如发射端以卫星作为载体平台，接收端处于无源状态(只接收信号)，可极大提高系统隐蔽性；卫星与飞机可以工作在双向滑动聚束式、双聚束式、双宽波束式等协同模式下，可以根据需要获得目标各个方位散射信息，以及借助卫星波束广泛的覆盖实现对观测场景的大面积成像。但由于收发雷达并不共用同一频率振荡源，导致随着卫星的长时间运行，时间误差对成像的影响不可忽略；同时星机双基地SAR在斜距历程上表现为双根号形式，如何获取高精度二维频谱也是成像关键。
[0003]在双基地中，由于接收端与发射端不共用一个频率振荡源，在成像处理前就需要对时间进行同步。如果不对时间误差加以校正会造成成像质量下降，例如主瓣增大引起的空间分辨率下降、成像位置偏离实际位置等。目前的方法有利用基于幅度的方法对直达波进行多普勒的小数部分与整数部分分别进行估计，再对直达波峰值进行多项式拟合，但整个步骤存在多种误差来源且计算量大。
[0004]星机双基地SAR工作在双聚束模式下几何模型如图1所示，其中v
s
，v
a
分别表示卫星与无人机的飞行速度，R
s0
，R
p0
分别表示在零时刻卫星与无人机到场景中心的斜距。卫星发射信号，飞机上安装有两幅接收天线，一幅用来接收卫星发射的直达波信号，另一幅用来接收场景目标P反射的回波。
[0005]双聚束式可以提供更长的合成孔径时间从而获得更高的方位分辨率，但同时也会导致方位谱的展宽。卫星通常距离地面几百公里，如果设置满足方位带宽的脉冲重复频率(PRF)可能导致距离向产生模糊，而且要求系统处理的数据量也会增加，不利于成像系统的实时性。因此，在星机双聚束模式下通常采用条带模式下近似的PRF，但这种PRF通常会导致方位频谱的模糊。解决此问题，一般采用两步处理法与空域滤波法。其中空域滤波法是通过增加卫星数量来提高系统自由度，但每增加一颗卫星，雷达系统成像成本大大提高，系统结构也更加复杂，本专利技术通过两步处理法使用一颗卫星获得无模糊方位频谱。
[0006]此外，双基地雷达的斜距历程为双根号形式，其二维频谱的求解相对于单基地也更加困难，也不利于后续补偿算法设计。文献“星机双基地SAR二维频谱解析表达式求解方法研究”中，刘喆等人提出的Air
‑
Phase(AP)算法将收发历程看作为一个整体，通过选取合适的泰勒展开点来获取二维频谱解析式，在卫星与飞机速度相差较大的情况下目标可以良好地聚焦，但该算法所选取泰勒展开点时忽略飞机斜距历程贡献，当卫星运行在中轨时此泰勒展开点只考虑卫星多普勒变化率对系统驻相点的贡献，并不能表征系统驻相点全部特征。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种星机双基地时间误差同步方法及频域成像方法，以解决现有技术星机双基地系统进行成像数据处理时时间误差估计存在的计算量大、精度低、成本高的问题，以及不能表征系统驻相点全部特征的问题。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0009]星机双基地时间误差同步方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1、令星机双基地系统中的飞机直接接收卫星发射的直达波信号；
[0011]步骤2、通过距离向脉压函数对所述直达波信号进行距离压缩处理，并提取距离压缩处理结果的峰值信号组成一个一维向量信号；
[0012]步骤3、对步骤2得到的一维向量信号进行分数阶傅里叶变换，并确定分数阶傅里叶变换后信号的最大值位置坐标(u,α)，根据(u,α)计算一维向量信号相位的线性部分；
[0013]步骤4、获取所述直达波信号的多普勒质心f
dc
，将步骤3得到的线性部分减去多普勒质心f
dc
，得到时间误差变化率δ；
[0014]步骤5、利用步骤4得到的时间误差变化率δ构造时间误差补偿函数，基于时间误差补偿函数对星机双基地系统中飞机接收的目标回波信号进行补偿，得到无时间误差的目标回波信号。
[0015]进一步的步骤3中，通过搜索法确定分数阶傅里叶变换后信号的最大值位置坐标。
[0016]进一步的步骤4中，基于所述直达波信号斜距历程计算得到直达波信号的多普勒质心f
dc
。
[0017]星机双基地频域成像方法，包括以下步骤：
[0018]步骤S1、按权利要求1
‑
3中任意一项所述星机双基地SAR时间误差同步方法，得到无时间误差的目标回波信号；
[0019]步骤S2、对步骤S1得到的目标回波信号进行Deramp操作，得到方位无模糊的时域回波信号；
[0020]步骤S3、对步骤S2得到的时域无模糊回波信号进行距离向匹配滤波，得到快时间频域
‑
慢时间时域目标回波信号，再对慢时间时域进行傅里叶变换得到目标回波信号二维频谱积分表达式；
[0021]步骤S4、提取步骤S3二维频谱中积分中的相位进行二阶泰勒展开并进行整理，得到近似相位的表达式：
[0022][0023]其中，t
b
表示系统驻相点t
k
邻域内的一个时间点；表示t
b
点处的相位，分别表示的一阶导数和二阶导数；
[0024]步骤S5、综合考虑卫星与飞机多普勒变化率的贡献，选取t
b
满足d(2π(f
c
+f
r
)/cR(t
b
)+2πf
a
t
b
)/dt
b
＝0，其中R(t
b
)＝R
s
(t
b
)+R
p
(t
b
)，R(t
b
)表示在t
b
时刻无人机到目标的瞬时斜距，R
p
(t
b
)表示在t
b
时刻无人机到目标的瞬时斜距，R
s
(t
b
)表示在t
b
时刻卫星到目标的瞬时斜距，并对R(t
b
)在t
b
＝0处进行泰勒展开至4次项，再应用级数反演法求取改进的展开点t'
b
，改进后的展开点t'
b
表达式为：
[0025][0026]其中，DR(t'
b
)＝R
′
s
(t'
b
)+R'
a
(t'
b
)+cf
a
/(f
c
+f
r
)，t
m
表示慢时间，R
s
(t
m
)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.星机双基地时间误差同步方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、令星机双基地系统中的飞机直接接收卫星发射的直达波信号；步骤2、通过距离向脉压函数对所述直达波信号进行距离压缩处理，并提取距离压缩处理结果的峰值信号组成一个一维向量信号；步骤3、对步骤2得到的一维向量信号进行分数阶傅里叶变换，并确定分数阶傅里叶变换后信号的最大值位置坐标(u,α)，根据(u,α)计算一维向量信号相位的线性部分；步骤4、获取所述直达波信号的多普勒质心f
dc
，将步骤3得到的线性部分减去多普勒质心f
dc
，得到时间误差变化率δ；步骤5、利用步骤4得到的时间误差变化率δ构造时间误差补偿函数，基于时间误差补偿函数对星机双基地系统中飞机接收的目标回波信号进行补偿，得到无时间误差的目标回波信号。2.根据权利要求1所述的星机双基地时间误差同步方法，其特征在于，步骤3中，通过搜索法确定分数阶傅里叶变换后信号的最大值位置坐标。3.根据权利要求1所述的星机双基地时间误差同步方法，其特征在于，步骤4中，基于所述直达波信号斜距历程计算得到直达波信号的多普勒质心f
dc
。4.星机双基地频域成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、按权利要求1
‑
3中任意一项所述星机双基地SAR时间误差同步方法，得到无时间误差的目标回波信号；步骤S2、对步骤S1得到的目标回波信号进行Deramp操作，得到方位无模糊的时域回波信号；步骤S3、对步骤S2得到的时域无模糊回波信号进行距离向匹配滤波，得到快时间频域
‑
慢时间时域目标回波信号，再对慢时间时域进行傅里叶变换得到目标回波信号二维频谱积分表达式；步骤S4、提取步骤S3二维频谱中积分中的相位进行二阶泰勒展开并进行整理，得到近似相位的表达式：其中，t
b
表示系统驻相点t
k
邻域内的一个时间点；表示t
b
点处的相位，分别表示的一阶导数和二阶导数；步骤S5、综合考虑卫星与飞机多普勒变化率的贡献，选取t
b
满足d(2π(f
c
+f
r
)/cR(t
b
)+2πf
a
t
b
)/dt
b
＝0，其中R(t
b
)＝R
s
(t
b
)+R
p
(t
b
)，R(t
b
)表示在t
b
时刻无人机到目标的瞬时斜距，R
p
(t
b
)表示在t
b
时刻无人机到目标的瞬时斜距，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彤，王张博宇，桂长春，周芳，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：