遆晶晶,索志勇,王婷婷,2,趙秉吉,張樂茹

(1.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071;2．四川航天電子設(shè)備研究所,四川 成都 610100;3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引 言

地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(GEo synchronous Orbital Synthetic Aperture Radar,GEO SAR)具有寬覆蓋、高重訪、持續(xù)觀測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),是當(dāng)前遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。與低軌合成孔徑雷達(dá)(Low Earth Orbital SAR,LEO SAR)衛(wèi)星相比,GEO SAR成像最顯著的特點(diǎn)就是合成孔徑時(shí)間急劇增加,電離層影響、天線振動(dòng)、星歷誤差等非理想因素[5]對(duì)于GEO SAR成像或定位的影響十分嚴(yán)重。近年來,研究人員從理論上研究了GEO SAR長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間對(duì)地成像機(jī)理的可行性。但由于目前國(guó)內(nèi)外在軌的SAR基本上屬于低軌合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星,對(duì)GEO SAR成像的可行性僅能進(jìn)行部分驗(yàn)證。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,研究人員發(fā)現(xiàn)北斗3號(hào)傾斜地球同步軌道(Inclined Geo Synchronous Orbit,IGSO)與GEO SAR的軌道高度均在3 500 km左右,屬于高軌衛(wèi)星,因此利用北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星與地面靜止放置直達(dá)波接收站和地面反射波接收站的星地雙基構(gòu)型[6-7]可以進(jìn)一步對(duì)GEO SAR的長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間聚焦成像處理進(jìn)行驗(yàn)證。

雙基合成孔徑雷達(dá)成像中最為關(guān)鍵的問題就是收發(fā)雙置引起的同步問題[8]。新體制下由于距離向和方位向二維耦合的存在,以及要求在很長(zhǎng)的積累時(shí)間內(nèi)保持系統(tǒng)的相干性等,使得系統(tǒng)對(duì)同步問題的要求更加嚴(yán)苛。雙基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)研究初期是通過在收發(fā)站之間建立光纖鏈路達(dá)到同步的效果[9],隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,研究人員提出了一系列利用導(dǎo)航衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法,例如雙向授時(shí)[10-11],衛(wèi)星共視[12]等;LI等[13]在實(shí)驗(yàn)中使用GPS對(duì)系統(tǒng)的收發(fā)站進(jìn)行授時(shí)來實(shí)現(xiàn)收發(fā)站之間的時(shí)間同步;中國(guó)科學(xué)院大學(xué)為L(zhǎng)T-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)了利用雷達(dá)信號(hào)之間的時(shí)間間隙來交換同步信號(hào)[14-16]的同步方案;上述研究方法均為增加同步信號(hào)傳輸鏈路以實(shí)現(xiàn)雙基SAR的時(shí)頻同步,同時(shí)隨著導(dǎo)航衛(wèi)星的快速發(fā)展,該方法結(jié)合了導(dǎo)航衛(wèi)星晶振高精度的優(yōu)點(diǎn),使得收發(fā)信號(hào)之間時(shí)頻同步精度非常高,但是此類方法均需要增加系統(tǒng)的硬件和同步鏈路,大大增加了成本。2007年德國(guó)開展的TerraSAR-X雙基實(shí)驗(yàn)首次利用直達(dá)波處理完成了星機(jī)雙基合成孔徑雷達(dá)同步處理[17],之后出現(xiàn)了許多基于TerraSAR的成像及同步研究[18-20]。TerraSAR-X衛(wèi)星的運(yùn)行高度為514 km,相比于高軌衛(wèi)星來說具有傳輸延時(shí)短、路徑損耗小以及信噪比高的優(yōu)點(diǎn),因此地面接收到的高軌衛(wèi)星信號(hào)相比于低軌衛(wèi)星受到的干擾因素更多,高軌雙基SAR的時(shí)頻同步算法也更加復(fù)雜。謝輝等[21]提出了一種通過使用最小二乘計(jì)算得到系統(tǒng)時(shí)間誤差進(jìn)而完成對(duì)雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)的方法,但該方法僅對(duì)雙基合成孔徑雷達(dá)成像中的時(shí)間同步誤差進(jìn)行了校正,并沒有考慮頻率同步誤差對(duì)成像質(zhì)量的影響。北京理工大學(xué)的張?zhí)靃22]在其博士論文中提出了基于北斗2號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星的時(shí)頻同步方法,并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性,但該方法運(yùn)用在北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星星地雙基SAR成像過程中存在時(shí)間同步后,距離脈壓信號(hào)包絡(luò)分布與理論推導(dǎo)模型失配的問題。

針對(duì)上述問題,筆者提出了基于回波數(shù)據(jù)估計(jì)導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)距碼延遲誤差,并進(jìn)行誤差修正的星地雙基地合成孔徑雷達(dá)回波數(shù)據(jù)時(shí)頻同步誤差估計(jì)方法,并以北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星為例,分析處理了雙基構(gòu)型帶來的時(shí)頻同步誤差。該方法首先根據(jù)北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和信號(hào)傳播延遲模型獲得直達(dá)波數(shù)據(jù)非理想采樣環(huán)境下正確的峰值位置序列來估計(jì)時(shí)間同步誤差和修正本地測(cè)距碼;然后通過修正后的本地測(cè)距碼對(duì)完成時(shí)間同步誤差校正的直達(dá)波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮來估計(jì)頻率同步誤差;最后利用估計(jì)的時(shí)頻誤差對(duì)反射波數(shù)據(jù)進(jìn)行同步誤差校正和成像處理來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的聚焦成像。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理驗(yàn)證了此方法的有效性。

2 星地雙基SAR系統(tǒng)空間觀測(cè)幾何模型

建立星地雙基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)空間觀測(cè)幾何模型,如圖1所示。圖1中的坐標(biāo)系為目標(biāo)本體坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)位于目標(biāo)位置;Z軸為地心與目標(biāo)的連線,方向指向目標(biāo);Y軸為IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星速度方向在Z軸垂直方向上的投影;X軸由右手螺旋定則確定。

圖1中PT(t)為IGSO衛(wèi)星位置矢量;VT(t)為IGSO衛(wèi)星速度矢量;AD為直達(dá)波接收天線位置矢量;AR為反射波接收天線位置矢量。實(shí)際外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),北斗3號(hào)IGSO衛(wèi)星的運(yùn)行高度約為35 786 km左右,而直達(dá)波接收天線與反射波接收天線間的距離為1 m左右,此時(shí)的空間大異構(gòu)特性使得直達(dá)波通道和反射波通道之間信號(hào)的相位具有高相參性和時(shí)頻同步誤差的一致性[23],也即直達(dá)波信號(hào)和反射波信號(hào)的誤差特性可近似看成一樣的;利用此一致性可以消除實(shí)際成像處理時(shí)非理想因素對(duì)于成像的影響,最終得到一個(gè)聚焦良好的圖像。

圖1 星地雙基SAR系統(tǒng)空間觀測(cè)幾何模型

3 IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星星-地雙基SAR回波模型

3.1 發(fā)射信號(hào)模型

導(dǎo)航信號(hào)不同于常見的脈沖雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)成像信號(hào),如線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulated,LFM)脈沖信號(hào),導(dǎo)航信號(hào)為連續(xù)波信號(hào),且導(dǎo)航信號(hào)中攜帶的導(dǎo)航信息會(huì)引入新的相位調(diào)制項(xiàng)。北斗3號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)已發(fā)布的公開服務(wù)信號(hào)為B3I信號(hào),它是由“測(cè)距碼+數(shù)據(jù)碼”采用二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調(diào)制在載波上構(gòu)成的,其發(fā)射信號(hào)表達(dá)式為[24]

(1)

其中,j表示衛(wèi)星編號(hào);AB3I表示B3I信號(hào)振幅;CB3I表示B3I信號(hào)測(cè)距碼;DB3I表示B3I信號(hào)測(cè)距碼上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼,數(shù)據(jù)碼是由“導(dǎo)航電文+Neumann-Hoffman”構(gòu)成的;fc表示B3I信號(hào)載波頻率;φB3I表示B3I信號(hào)載波初始相位。筆者將針對(duì)北斗3號(hào)B3I信號(hào)進(jìn)行分析,且各個(gè)編號(hào)的衛(wèi)星的分析處理過程并無差別,故可將式(1)簡(jiǎn)寫為

S(t)=AC(t)D(t)cos(2πfct+φ) 。

(2)

3.2 接收信號(hào)模型

回波信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的時(shí)延,設(shè)τD、τR分別為直達(dá)波、反射波收發(fā)之間電磁波傳播路徑引起的時(shí)延,衛(wèi)星星歷可通過導(dǎo)航電文解算得到,且電文中含有發(fā)射時(shí)間,因此接收信號(hào)的時(shí)延只與發(fā)射時(shí)間t有關(guān)。由圖1可知:

(3)

其中,c為光速;PT(t)表示衛(wèi)星位置;AD表示直達(dá)波接收天線的天線相位中心位置;AR表示反射波接收天線的天線相位中心位置。

星地雙基合成孔徑雷達(dá)收發(fā)設(shè)備時(shí)間系統(tǒng)不一致使得發(fā)射通道與兩個(gè)接收通道之間存在時(shí)間同步誤差,地面接收端無法準(zhǔn)確獲得發(fā)射信號(hào)的發(fā)射時(shí)間,即回波信號(hào)的起始采樣距離存在誤差;而收發(fā)本振不同則使得發(fā)射通道與兩個(gè)接收通道之間存在頻率同步誤差;發(fā)射通道與兩個(gè)接收通道之間的鐘差和頻差會(huì)造成后向投影(Back Projection,BP)成像結(jié)果散焦或者移位。假設(shè)Δt和Δfc分別為收發(fā)設(shè)備時(shí)間系統(tǒng)不一致和收發(fā)本振不同引起的信號(hào)誤差,則直達(dá)波、反射波基帶信號(hào)表達(dá)式為

(4)

(5)

其中,I(t)表示信號(hào)傳輸鏈路上非理想因素(電離層、對(duì)流層)引起的時(shí)延,可由電離層、對(duì)流層延遲改正預(yù)報(bào)模型[13]求得。

3.3 IGSO導(dǎo)航信號(hào)二維回波構(gòu)建

進(jìn)行星地雙基SAR成像處理之前,首先應(yīng)將連續(xù)的導(dǎo)航信號(hào)按照一定的規(guī)則構(gòu)建SAR成像所需的二維時(shí)域信號(hào),也即對(duì)接收到的回波信號(hào)(4)和(5)進(jìn)行二維分塊。(4)和(5)中測(cè)距碼周期為1 ms,為保留整個(gè)采集信號(hào)的完整性,可直接將連續(xù)的一維信號(hào)數(shù)據(jù)按照測(cè)距碼周期對(duì)應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequence,PRF)進(jìn)行二維分塊,此時(shí)所有的回波數(shù)據(jù)都能被充分利用。接收信號(hào)(4)和(5)二維分塊后的時(shí)延和多普勒相位都是快慢時(shí)間的函數(shù),但時(shí)延和多普勒相位隨時(shí)間的變化量存在明顯差異,時(shí)延可以近似認(rèn)為是慢時(shí)間的矢量,而多普勒相位需要考慮隨快時(shí)間的變化情況[23]。

采用上述近似后,二維分塊后的直達(dá)波信號(hào)表達(dá)式為

(6)

其中,0≤η

(7)

其中,ΔTCA為接收端時(shí)間系統(tǒng)與發(fā)射端時(shí)間系統(tǒng)下測(cè)距碼的周期差,會(huì)造成一個(gè)隨慢時(shí)間η變化的時(shí)間徙動(dòng)誤差。

由圖1可知,在目標(biāo)本體坐標(biāo)系下,北斗IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星的衛(wèi)星高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AD的長(zhǎng)度,衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度也遠(yuǎn)大于地表物體的運(yùn)動(dòng)速度,因此直達(dá)波和反射波二維時(shí)域信號(hào)中由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻偏近似可以認(rèn)為一致,即

(8)

則二維分塊后的反射波信號(hào)表達(dá)式可寫為

(9)

4 IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星雙基地SAR系統(tǒng)的時(shí)頻誤差估計(jì)與補(bǔ)償方法

4.1 雙基地SAR系統(tǒng)時(shí)頻誤差估計(jì)與補(bǔ)償

直達(dá)波信號(hào)相比于反射波信號(hào),具有斜距歷史簡(jiǎn)單、信噪比高等優(yōu)勢(shì),且直達(dá)波和反射波同時(shí)接收的雙通道接收系統(tǒng)保證了兩個(gè)通道信號(hào)的相參性和時(shí)頻同步誤差的一致性。因此,筆者提出利用信噪比較高的直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻同步誤差估計(jì),并對(duì)反射波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,然后再進(jìn)行星地雙基合成孔徑雷達(dá)成像處理。北斗3號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)距碼模糊函數(shù)相比于線性調(diào)頻信號(hào)的模糊函數(shù)來說,對(duì)多普勒頻偏敏感度更高[25],因此成像處理時(shí)應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行距離向頻偏φD(η;τ)的移除,再進(jìn)行距離向脈沖壓縮。在導(dǎo)航領(lǐng)域,一般使用信噪比較高的直達(dá)波信號(hào)通過捕獲跟蹤處理進(jìn)行解擴(kuò)來獲取距離向頻偏。實(shí)際信號(hào)采集環(huán)境中受到干擾信號(hào)或者硬件電路設(shè)備延遲的影響,去除距離向頻偏的直達(dá)波信號(hào)脈壓后的峰值位置序列仍然存在較多的干擾(如圖3去干擾前的峰值位置所示)。

因此,利用直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻同步誤差估計(jì)首先應(yīng)該獲取非理想采樣環(huán)境下正確的直達(dá)波脈壓后的峰值位置序列。由式(6)可知,非理想采樣環(huán)境下直達(dá)波距離脈壓后的峰值位置序列為

(10)

其中,mod(A,B)表示A除以B后的余數(shù);Fs為信號(hào)的采樣率;Nr=Fs·T為距離向的點(diǎn)數(shù);Pdis(η)為干擾導(dǎo)致的峰值位置偏移;從式(10)和式(7)可以看出,直達(dá)波的峰值位置Ppeak(η)與斜距歷史、常數(shù)項(xiàng)Δt、線性項(xiàng)η·PPRF·ΔTCA和傳播鏈路非理想延遲有關(guān)。在高軌SAR動(dòng)輒幾百秒的合成孔徑時(shí)間里,衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡不能再近似于直線運(yùn)動(dòng)使得衛(wèi)星相對(duì)于地面的距離歷史表達(dá)式不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,mod(A,B)運(yùn)算和非理想因素誤差本身都是非線性的,因此線性估計(jì)方法無法獲取未受干擾的直達(dá)波距離徙動(dòng)曲線。

為了解決上述的問題,提出了北斗3號(hào)雙基SAR基于直達(dá)波復(fù)信號(hào)的峰值位置序列恢復(fù)方法。以下將結(jié)合北斗3號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星星地雙基試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行方法說明。

第1步 將地固系中的導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和直達(dá)波接收天線位置轉(zhuǎn)換至本體坐標(biāo)系,計(jì)算斜距歷程和非理想因素引起的斜距誤差并對(duì)其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合后可表示為

RD(η)=|PT(η)-AD|+I(η)c≈Rlinear(η)+Rnon-linear(η) ,

(11)

其中,Rlinear(η)為多項(xiàng)式擬合后的線性分量,Rnon-linear(η)為2階及2階以上的非線性分量。

第2步 在Ppeak(η)項(xiàng)中移除Rnon-linear(η),從而得到一個(gè)線性分量如下:

(12)

(13)

設(shè)Na為方位向的采樣點(diǎn)數(shù),N為常數(shù);對(duì)該式進(jìn)行NaN點(diǎn)傅里葉變換,可得

S(n)=FFFT(s(η),Na·N),n=0,1,2,…,NaN-1 。

(14)

將S(n)幅度的峰值位置記為nmax,則常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)系數(shù)估計(jì)值為

(15)

(16)

(a)

第5步 非理想采樣環(huán)境下的峰值位置序列Ppeak(η)去除非理想采樣環(huán)境干擾造成的位置偏移Pdis(η)得到直達(dá)波完整的峰值位置序列為

Ppeak_new(η)=Ppeak(η)-Pdis(η)≈

(17)

直達(dá)波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)去除非理想環(huán)境干擾前后的峰值位置序列如圖3所示。

圖3 去除非理想采樣環(huán)境干擾前后的峰值位置序列

將上述去除干擾后的直達(dá)波峰值位置矢量作為二維回波距離采樣起始位置,重新對(duì)一維直達(dá)波信號(hào)和反射波信號(hào)按照測(cè)距碼周期對(duì)應(yīng)的PRF進(jìn)行二維分塊、距離頻偏移除,可以保證直達(dá)波二維信號(hào)各距離向起點(diǎn)是與測(cè)距碼對(duì)齊的,直達(dá)波二維信號(hào)和反射波二維信號(hào)各距離向采樣起始距離是一致的,利用反射波和直達(dá)波之間的波程差可以實(shí)現(xiàn)反射波數(shù)據(jù)的時(shí)間同步處理。北斗3號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)1個(gè)完整的測(cè)距碼上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼D(η;τ)是定值,因此二維直達(dá)波和反射波信號(hào)表達(dá)式為

(18)

(19)

利用本地測(cè)距碼C(τ)對(duì)(18)、式(19)進(jìn)行距離壓縮后可得

(20)

(21)

從式(20)可以看出重新劃分后的二維直達(dá)波信號(hào)利用本地測(cè)距碼C(τ)距離壓縮后的信號(hào)峰值位置均為1,由此保證同樣處理后的反射波信號(hào)式(21)逐方位向的起始采樣距離為導(dǎo)航衛(wèi)星到直達(dá)波天線的斜距。反射波信號(hào)式(21)在進(jìn)行BP成像時(shí),可以按照各方位采樣時(shí)刻下,成像網(wǎng)格點(diǎn)到導(dǎo)航衛(wèi)星和反射波接收天線的雙程斜距與導(dǎo)航衛(wèi)星到直達(dá)波接收天線的單程斜距之間的斜距差獲得當(dāng)前脈沖對(duì)成像網(wǎng)格點(diǎn)的貢獻(xiàn),實(shí)現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)聚焦成像處理。但在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí),按照Ppeak_new(η)重新劃分后的直達(dá)波信號(hào)直接利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距碼進(jìn)行距離脈壓后信號(hào)的峰值位置不為1,如圖4(a)所示,這相當(dāng)于利用反射波信號(hào)進(jìn)行BP成像,距離脈壓后的信號(hào)的起始采樣距離未知,從而利用上述斜距差獲得當(dāng)前脈沖對(duì)成像網(wǎng)格點(diǎn)的貢獻(xiàn)有誤,引起SAR圖像散焦。為了解決上述問題,進(jìn)一步提出如下方法:

第1步 修正第二次進(jìn)行距離壓縮的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距碼,修正后的表達(dá)式為

C′(η;τ)=C(τ-Pdis(η)) ;

(22)

第2步 利用修正后的測(cè)距碼C′(η;τ)對(duì)重新劃分的二維直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行距離壓縮后的表達(dá)式為

(23)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按照修正后的方法處理完之后直達(dá)波的峰值位置均為1,與式(20)達(dá)到的理論效果一致,如圖4(b)所示。

(a)

利用修正后的測(cè)距碼C′(η;τ)對(duì)重新劃分后的二維反射波信號(hào)進(jìn)行距離壓縮后的表達(dá)式為

(24)

兩個(gè)接收通道共用一個(gè)本振信號(hào)保證了兩個(gè)通道信號(hào)相位的相參性,因此可以提取距離壓縮后的直達(dá)波信號(hào)峰值相位歷史用于反射波的頻率同步。距離壓縮后的直達(dá)波信號(hào)峰值相位歷史為

(25)

反射波信號(hào)相位去除直達(dá)波信號(hào)峰值相位可以實(shí)現(xiàn)頻率同步處理:

(26)

實(shí)現(xiàn)時(shí)頻同步后的反射波信號(hào)利用BiSAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理最常用的BP算法進(jìn)行聚焦成像。

4.2 雙基地SAR系統(tǒng)信號(hào)處理全流程

將對(duì)北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星作為發(fā)射源,地面靜止接收反射波信號(hào)的星-地雙基地合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦成像處理,其成像處理流程如圖5所示。

圖5 基于時(shí)頻同步處理的星地雙基SAR成像處理流程

該流程包括以下步驟:

步驟1 (直達(dá)波峰值位置獲取) 利用直達(dá)波復(fù)數(shù)據(jù)和其解算得到的衛(wèi)星星歷與多普勒頻偏,按照?qǐng)D5左側(cè)處理流程得到正確的直達(dá)波峰值位置序列以及非理想采樣環(huán)境干擾引起的位置偏移Pdis(η)和衛(wèi)星星歷等(如圖5虛線框所示);

步驟2 (時(shí)間同步) 根據(jù)正確的直達(dá)波峰值位置序列重新將導(dǎo)航接收信號(hào)(直達(dá)波、反射波)一維數(shù)據(jù)劃分為二維矩陣,實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步;

步驟3 (頻偏移除) 重新劃分后的直達(dá)波、反射波信號(hào)進(jìn)行頻偏移除;

步驟4 (距離壓縮) 根據(jù)干擾造成的位置偏移Pdis(η)重新更正本地測(cè)距碼后對(duì)直達(dá)波、反射波進(jìn)行距離壓縮;

步驟5 (頻率同步) 提取直達(dá)波信號(hào)距離壓縮后的峰值相位矢量,并在反射波距離壓縮結(jié)果中進(jìn)行移除,實(shí)現(xiàn)頻率同步;

步驟6 (BP成像) 對(duì)同步后的反射波數(shù)據(jù)在時(shí)域完成場(chǎng)景回波信號(hào)的BP成像。

5 北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像

5.1 IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星星地雙基試驗(yàn)配置

為了驗(yàn)證時(shí)頻同步處理方法的可行性,將北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星作為發(fā)射源獲取的BiSAR試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理。北斗導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地球表面時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度非常小,約為-163 dBW[23],因此無法直接利用地面散射后的反射波信號(hào)進(jìn)行處理得到合成孔徑雷達(dá)圖像。為實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航信號(hào)對(duì)地成像,在試驗(yàn)場(chǎng)景中放置了有源轉(zhuǎn)發(fā)器將轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線接收到的直達(dá)波信號(hào)進(jìn)行提純放大后再由發(fā)射天線發(fā)出至反射波接收天線,轉(zhuǎn)發(fā)器所在位置可以相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)用于地面成像和分辨率的評(píng)估。提純性轉(zhuǎn)發(fā)器雖然解決了導(dǎo)航信號(hào)弱的問題,但是其處理過程也增加了反射信號(hào)的復(fù)雜度,例如碼延遲和鐘差,對(duì)此在外場(chǎng)試驗(yàn)前將轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)回波錄取的影響做了一些考慮和處理,以使實(shí)驗(yàn)符合實(shí)際的雙基散射情況。試驗(yàn)中轉(zhuǎn)發(fā)器和直達(dá)/反射接收設(shè)備處各設(shè)置了一個(gè)相同的高穩(wěn)定銣鐘,通過采用高精度原子鐘的方法為系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn);成像系統(tǒng)工作前首先對(duì)兩個(gè)銣鐘完成了鐘差的修正;其次,對(duì)于導(dǎo)航反射接收信號(hào)進(jìn)行了碼延遲測(cè)試,利用測(cè)試結(jié)果在信號(hào)成像處理之前對(duì)其碼延遲進(jìn)行了校正。星地雙基試驗(yàn)配置如圖6所示。

圖6 星地BiSAR試驗(yàn)幾何構(gòu)型與屋頂試驗(yàn)光學(xué)照片

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星星歷參數(shù)與電離層延遲改正模型參數(shù)在導(dǎo)航電文中進(jìn)行播發(fā),因此,北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星星-地雙基SAR直達(dá)波接收信號(hào)應(yīng)首先進(jìn)行預(yù)處理獲得星歷和參數(shù)。預(yù)處理包含捕獲、追蹤和解碼定位3個(gè)步驟。圖7 (a)為北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星雙基SAR試驗(yàn)捕獲的結(jié)果,由圖可知,捕獲到IGSO衛(wèi)星編號(hào)(PRN)為6,8,9,13,16,38,39;圖7(b)為數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)可見衛(wèi)星的天空?qǐng)D。由天空?qǐng)D可知,數(shù)據(jù)采集時(shí)間段內(nèi)編號(hào)為6、9、16的IGSO衛(wèi)星位于試驗(yàn)場(chǎng)地的西南方位,編號(hào)為8、13的導(dǎo)航衛(wèi)星位于東南方位。

(a)

考慮到雙基觀測(cè)幾何以及信噪比等因素,以編號(hào)為8的北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星為例分析星地雙基SAR時(shí)頻同步誤差估計(jì)與補(bǔ)償后的成像結(jié)果,以驗(yàn)證筆者所提方法的有效性。由于本次試驗(yàn)中直達(dá)波接收天線與轉(zhuǎn)發(fā)器之間的距離較近,反射波與直達(dá)波信號(hào)中由電離層、對(duì)流層延遲引起的相位誤差可以不考慮,但是在成像場(chǎng)景較大的情況下,此誤差對(duì)于成像的影響不可忽略。8號(hào)星的數(shù)據(jù)所利用的時(shí)長(zhǎng)為628 s,能夠完全驗(yàn)證GEO SAR長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間成像方法的有效性。

圖8(a)為8號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星反射波未進(jìn)行時(shí)頻同步誤差補(bǔ)償?shù)腂P成像結(jié)果圖,該處理未能完成對(duì)于強(qiáng)散點(diǎn)的聚焦成像;圖8(b)為采用文獻(xiàn)[21]方法進(jìn)行時(shí)頻同步誤差估計(jì)與補(bǔ)償后的BP成像結(jié)果圖,該方法在對(duì)時(shí)間同步處理后的信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮時(shí),未對(duì)距離向匹配濾波器(測(cè)距碼)進(jìn)行修正,導(dǎo)致直達(dá)波距離脈壓后信號(hào)的包絡(luò)分布與理論推導(dǎo)模型失配,如圖4(a)所示,因此反射波信號(hào)進(jìn)行BP成像時(shí)距離向起始采樣距離存在誤差,將會(huì)引起SAR圖像的散焦。圖8(c)為采用文中所研究方法對(duì)測(cè)距碼延遲誤差進(jìn)行修正后再對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻率同步誤差估計(jì)與補(bǔ)償?shù)腂P成像結(jié)果圖,由圖可知采用此方法實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)散點(diǎn)的聚焦成像;由圖8(a)(c)補(bǔ)償前后的成像結(jié)果可知雙基地SAR回波進(jìn)行時(shí)域成像前需完成時(shí)頻同步誤差的估計(jì)與補(bǔ)償。由圖8(b)(c)的成像結(jié)果可知,導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)頻同步在利用直達(dá)波峰值位置進(jìn)行時(shí)間同步處理之后,需要將距離向匹配濾波器(測(cè)距碼)按照測(cè)距碼延遲誤差進(jìn)行相應(yīng)的修正以確保目標(biāo)的聚焦成像。

圖8 時(shí)頻同步誤差校正前后8號(hào)衛(wèi)星星地雙基合成孔徑雷達(dá)成像結(jié)果

表1 8號(hào)衛(wèi)星強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)成像指標(biāo)

圖8(d) (e)為強(qiáng)散射點(diǎn)距離向和方位向的剖面圖,可見兩維壓縮結(jié)果均近似為sinc函數(shù)的形狀。由于采用文獻(xiàn)[21]方法進(jìn)行時(shí)頻同步誤差估計(jì)與補(bǔ)償后的BP成像結(jié)果圖未能完成對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)強(qiáng)散射點(diǎn)的聚焦成像,故無法將兩種算法的目標(biāo)成像指標(biāo)作對(duì)比說明。因此文中8號(hào)衛(wèi)星強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)成像指標(biāo)僅對(duì)于文中所提算法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果的分辨率與雙基地幾何模型下的理論分辨率進(jìn)行了對(duì)比,計(jì)算了分辨率在方位向與地距向的展寬比例,如表1所示。由表1可知實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果較接近理論值,有誤差存在的原因主要是北斗衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)為非精密軌道數(shù)據(jù),且硬件存在一定的延遲且無法精確校正。8號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星反射波成像結(jié)果驗(yàn)證了星地雙基地幾何模型下長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間對(duì)地成像的可行性和本文時(shí)頻同步誤差估計(jì)與補(bǔ)償方法的正確性。

6 結(jié)束語

筆者研究了北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間下星地雙基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)頻誤差估計(jì)方法。首先針對(duì)時(shí)間同步后的二維直達(dá)波距離脈壓信號(hào)包絡(luò)分布與理論推導(dǎo)模型失配的問題,提出了基于回波數(shù)據(jù)的測(cè)距碼時(shí)延誤差估計(jì)與修正方法;其次利用修正后的直達(dá)波脈壓信號(hào)峰值相位可用于反射波信號(hào)進(jìn)行頻率同步,從而為反射波進(jìn)行BP成像創(chuàng)造了條件;最后通過北斗3號(hào)IGSO導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行了成像試驗(yàn)。根據(jù)時(shí)頻同步誤差補(bǔ)償前后以及測(cè)距碼修正前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果,驗(yàn)證了所提方法的有效性。