CN106154268A - 一种基于子带分割的低波段isar电离层校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于子带分割的低波段ISAR电离层校正方法，对距离脉压和距离走动校正后的数据，利用距离向信号带宽和方位合成孔径时间这二个维度，将回波数据划分成多个子数据块。利用电离层干扰和信号斜距之间的关系，利用估计拟合计算得到的残留斜距误差推导出对应的电离层参数，从而建立电离层干扰校正函数。将回波数据与校正函数相乘，恢复出屋电离层干扰下的回波信号。本发明在有效减弱电离层对雷达回波信号的影响的同时进一步提高ISAR的成像质量，加强了地基低波段ISAR雷达的空间目标监测的有效性。

Description

一种基于子带分割的低波段ISAR电离层校正方法

技术领域

本发明涉及ISAR成像信号补偿方法领域，具体是一种基于子带分割的低波段ISAR电离层误差校正方法。

背景技术

几乎所有的SAR/ISAR成像算法都假设雷达或者目标在真空的理想路径中运动，雷达或者目标的运动位置和运动状态在观测时间内都精确已知。然而在雷达信号发射、传播、接收、处理的各个过程里，存在方方面面的误差干扰影响最终获得的雷达图像的效果。

雷达发射的电磁波在空间传播中，受到地球大气、地球电离层的干扰，使得成像质量发生图像偏移、几何畸变和分辨率降低等不利影响。早在20世纪中期，美国NASA、欧空局等就已发布了包含电离层对雷达性能影响的研究项目。Quegan等(1986)利用合成天线增益方向图和相位屏模拟研究了电离层对SAR的影响。而后，电离层对200MHz-2GHz频率星载SAR、电离层色散对距离和方位向分辨率、电离层吸收对信号能量、电离层闪烁对雷达性能的影响，以及Faraday旋转对极化SAR和干涉SAR成像的影响也迅速开展。

自二十世纪八九十年代开始，低频段、大带宽成为雷达***发展的一个重要方向，低频段信号(VHF/UHF/L/P)的穿透特性在军事和民用领域具有重要应用前景。但低频段信号受电离层的影响十分明显，回波信号幅度被削弱、相位严重恶化，从而难以形成高质量图像。国内外学者对恢复受电离层影响的电磁波成像已进行了大量研究，但对P波段的实测数据进行的校正研究目前较少。Jun Liu等(2003)针对甚高频段(Ultra High Frequency,UHF)信号分析了电离层对SAR雷达信号分辨率和成像位置的影响。Arlen D Schmidt(2000)和唐辉(2003)分别研究了电离层对超高频段(Very High Frequency,VHF)波段和L波段的地基雷达对空间目标ISAR成像时的电离层影响，并提出了校正方法。翟文帅(2008)等给出了一种通过测量P波段回波时宽展宽量的校正方法，而这种方法需要微秒级的测量精度，在存在杂波时难以实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于子带分割的低波段ISAR电离层校正方法，以解决现有技术在存在电离层干扰时不能正常成像的问题，提出的校正方法能够有效去除信号中的电离层误差，还原出无干扰数据，提高雷达图像的成像效果。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

(1)、二维子带数据分割，具体过程如下：

1a)、按信号带宽划分：

将距离脉压和距离走动校正后的数据转换到距离频域-方位时域，将距离向信号带宽划分成M个距离子带，每个子带的中心频率(f_m)互不相同；

1b)、按方位合成孔径时间划分：

按方位合成孔径时间将回波数据继续划分成N个方位子孔径，每个方位子孔径对应的数据获取时间(n)互不相同；之内可以看作电离层参数TEC近似不变；

(2)、电离层干扰误差计算，具体过程如下：

电离层对回波信号产生的干扰误差体现在回波的相位对应的斜距中，得到斜距就可以反推出电离层干扰的大小。对每一个二维子带划分后的块数据，进行回波脉压处理，得到脉压峰值位置，由峰值位置的平均值与距离分辨单元大小的乘积得到该块数据对应的残留斜距误差

(3)、电离层误差校正，信号恢复，具体步骤如下：

3a)、误差向量拟合：

对于同一个方位子孔径时间内的M个距离子带中估计得到的M个残留斜距误差记成误差向量：

$\hat{R}(f,n)=\[\hat{R}(f_1,n),\mathrm{...},\hat{R}(f_m,n),\mathrm{...},\hat{R}(f_M,n)\],$

对误差向量在中心载频(f_c)处进行多项式拟合，结果可以写成：

$\hat{R}(f,n)=p_0\left(n\right)+p_1\left(n\right)f_r+p_2\left(n\right){f_r}^2+...,$

其中，f＝f_c+f_r，f_c是信号的中心载频，f_r是距离频率且f_r∈[-B/2,B/2]，B是信号带宽，p₀、p₁和p₂分别是各次多项式的系数；

3b)、电离层参数计算：

在研究某个方位慢时间对应的电离层影响时，斜距误差和电离层参数TEC之间的关系可近似推导写为：

$\mathrm{\Δ}R(f_c+f_r,t_m)=\mathrm{\Δ}R(f_c,0)-\frac{2K}{{f_c}^3}TEC\left(0\right)f_r+\frac{3K}{{f_c}^4}TEC\left(0\right){f_r}^2,$

其中，K＝40.28m³/s²为电离层常数，t_m为慢时间，c为真空中的光速，上式中距离频率f_r对应项的系数与拟合多项式的系数应一一对应相等，利用f_r的一次项系数可得每个方位子孔径对应的电离层参数：

${\mathrm{TEC}}_n\left(0\right)=\frac{{f_c}^3}{2K}{p}_1\left(n\right);$

3c)、无干扰信号恢复：

利用每个方位子孔径对应的电离层参数，得到电离层参数TEC在整个方位观测时间内的变化，建立推导公式中的各项相位的共轭补偿函数，将回波数据与共轭补偿函数相乘，消除回波信号中由电离层带来的误差。从而，恢复出无电离层干扰下的回波信号，再通过常规成像算法即得到最终的聚焦良好的目标图像。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1)本发明针对地基ISAR对空间目标成像时，电离层对雷达回波信号会产生影响导致成像模糊的问题，提出一种能够有效去除信号中电离层带来的误差的处理方法；

2)本发明相较于传统ISAR成像质量发生图像偏移、几何畸变和分辨率降低，通过电离层影响补偿，成像结果的图像熵降低而图像对比度提高，成像效果有明显提升；

3)本发明提出对地基ISAR成像中电离层影响校正，有利于发展地基低波段ISAR雷达进行空间目标监测，同时对低波段SAR成像雷达平台的建设具有重要的理论借鉴意义。

附图说明

图1是国际空间站的光学图像。

图2是存在电离层干扰情况下国际空间站利用常规距离多普勒算法成像的结果。

图3是对电离层校正后的数据利用距离多普勒算法成像的结果。

具体实施方式

基于子带分割的低波段ISAR电离层校正方法，包括以下步骤：

步骤一：子带分割。将距离脉压和距离走动校正后的数据转换到距离频域-方位时域，将距离向信号带宽划分成距离子带；再按方位合成孔径时间将回波数据继续划分成多个方位子孔径；

步骤二：电离层干扰误差计算。在距离时域方位时域中，标出每块数据的每一次方位慢时间回波脉压峰值所处的位置，然后由该块中峰值位置的平均值乘以距离分辨单元大小得到该块数据对应的残留斜距误差；

步骤三：误差校正，信号恢复。对比拟合多项式和推导多项式可得每个方位子孔径对应的电离层参数，建立电离层干扰的校正函数，将回波数据与校正函数相乘，就可以消除主要由电离层带来的干扰误差，恢复无电离层影响下的回波信号。

至此，基于子带分割的低波段ISAR电离层校正处理基本完成。

以下通过实测的地基ISAR实验数据进一步说明本发明的有效性。

实测地基ISAR实验：

1.实验设置：

实验中，P波段地基ISAR的参数为：信号载频560MHz，带宽40MHz，PRF1000MHz，初始斜距500km。以国际空间站目标(the International Space Station,ISS)为观测目标，用回波数据中估计得到的TEC对回波数据进行补偿后成像。

2.结果分析：

图1是本次实验观测目标——国际空间站的光学图像。

图2是在包络对齐和方位相位自聚焦技术下，利用常规距离多普勒算法成像的结果。从图2的成像结果中可见，虽然相位自聚焦技术使方位向完成聚焦，但破坏了原始的回波相位，无法从最终的成像结果中辨别出国际空间站目标的姿态。

图3是进行二维子带划分估计并对电离层影响进行补偿之后，利用距离多普勒算法成像的结果。

对比图2和图3可见，补偿掉电离层影响之后，成像结果的质量大大提高了，可以清晰辨别出国际空间站的姿态和太阳能电池板。

Claims (1)

1.一种基于子带分割的低波段ISAR电离层校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、二维子带数据分割，具体过程如下：

1a)、按信号带宽划分：

将距离脉压和距离走动校正后的数据转换到距离频域-方位时域，将距离向信号带宽划分成M个距离子带，每个子带的中心频率(f_m)互不相同；

1b)、按方位合成孔径时间划分：

按方位合成孔径时间将回波数据继续划分成N个方位子孔径，每个方位子孔径对应的数据获取时间(n)互不相同；之内可以看作电离层参数TEC近似不变；

(2)、电离层干扰误差计算，具体过程如下：

电离层对回波信号产生的干扰误差体现在回波的相位对应的斜距中，得到斜距就可以反推出电离层干扰的大小。对每一个二维子带划分后的块数据，进行回波脉压处理，得到脉压峰值位置，由峰值位置的平均值与距离分辨单元大小的乘积得到该块数据对应的残留斜距误差

(3)、电离层误差校正，信号恢复，具体步骤如下：

3a)、误差向量拟合：

对于同一个方位子孔径时间内的M个距离子带中估计得到的M个残留斜距误差记成误差向量：

$\hat{R}(f,n)=\[\hat{R}(f_1,n),...,\hat{R}(f_m,n),...,\hat{R}(f_M,n)\],$

对误差向量在中心载频(f_c)处进行多项式拟合，结果可以写成：

$\hat{R}(f,n)=p_0\left(n\right)+p_1\left(n\right)f_r+p_2\left(n\right)f_r^2+...,$

其中，f＝f_c+f_r，f_c是信号的中心载频，f_r是距离频率且f_r∈[-B/2,B/2]，B是信号带宽，p₀、p₁和p₂分别是各次多项式的系数；

3b)、电离层参数计算：

在研究某个方位慢时间对应的电离层影响时，斜距误差和电离层参数TEC之间的关系可近似推导写为：

$\mathrm{\Δ}R(f_c+f_r,t_m)=\mathrm{\Δ}R(f_c,0)-\frac{2K}{f_c^3}TEC\left(0\right)f_r+\frac{3K}{f_c^4}TEC\left(0\right)f_r^2,$

其中，K＝40.28m³/s²为电离层常数，t_m为慢时间，c为真空中的光速，上式中距离频率f_r对应项的系数与拟合多项式的系数应一一对应相等，利用f_r的一次项系数可得每个方位子孔径对应的电离层参数：

${\mathrm{TEC}}_n\left(0\right)=\frac{{f_c}^3}{2K}{p}_1\left(n\right);$

3c)、无干扰信号恢复：

利用每个方位子孔径对应的电离层参数，得到电离层参数TEC在整个方位观测时间内的变化，建立电离层干扰的校正函数，将回波数据与校正函数相乘，消除回波信号中由电离层带来的误差。从而，恢复出无电离层干扰下的回波信号，再通过常规成像算法即得到最终的聚焦良好的目标图像。