CN113671504A - 分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法，包括以下步骤：a、在两卫星发射信号之间引入差频；b、根据引入的差频设计发射信号带宽；c、两卫星同时发射脉冲并接收来自海面或平缓地形的回波；d、两卫星依据各自发射信号的载频独立对回波进行信号解调；e、两卫星各自对解调后的基带信号进行带通滤波；f、两卫星各自对带通滤波后的信号各自进行SAR成像处理，获得单视复图像；g、对单视复图像进行干涉数据处理。本发明可以保证两卫星发射信号的频谱不重叠，在提升回波信号抗干扰能力的同时，测绘带宽相比时分复用抗干扰方法可提升至少一倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法。
背景技术
分布式双星成像高度计基于差频干涉技术可以实现海面或平缓地形的厘米级高精度测量。两颗卫星同时发射并接收回波信号，发射信号之间基于基线去相干补偿原理引入一定的中心载频差异，即差频。成像高度计基于三角几何测量方法，对两部雷达天线各自获取的单视复图像进行共轭得到干涉相位，再基于基线长度、基线倾角等***参数，从干涉相位中提取海面或缓变地形的高度信息。成像高度计搭载于分布式双星平台上，两卫星上发射/接收天线相位中心之间形成柔性干涉基线，因此基线长度不受单星平台尺寸和重量的限制。成像高度计的基线越长则测高灵敏度越高，提升测高精度的潜力就越大，但是过长的基线将引入一系列问题。首先，基线过长会导致两幅复图像之间的相干性严重下降，从而制约了成像高度计通过增加基线长度来进一步提升测高精度的潜力。其次，分布式双星成像高度计主要用于海面高度测量，两卫星同时发射并接收回波信号。但是由于卫星之间距离较近，并且差频模式下发射信号之间存在载频差异，因此卫星接收的回波信号之间将产生相互干扰，又会导致相干性下降并影响最终的测高精度。最后，为了避免或尽可能降低回波间相互干扰，则需要让两卫星交替发射脉冲和交替接收回波信号，即工作在时分复用模式，以保证两卫星接收时间窗不产生重叠。但这势必会增加成像高度计的***设计和算法处理复杂度，并且会使测绘带宽将下降至少一倍，这对于保证卫星高度计海面测高全覆盖和快速重访等十分不利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法，包括以下步骤：
a、在两卫星发射信号之间引入差频；
b、根据引入的差频设计发射信号带宽；
c、两卫星同时发射脉冲并接收来自海面或平缓地形的回波；
d、两卫星依据各自发射信号的载频独立对回波进行信号解调；
e、两卫星各自对解调后的基带信号进行带通滤波；
f、两卫星各自对带通滤波后的信号各自进行SAR成像处理，获得单视复图像；
g、对单视复图像进行干涉数据处理。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，基于分布式双星成像高度计***设计参数，根据干涉基线去相干原理引入所述差频。
根据本发明的一个方面，所述分布式双星成像高度计***设计参数包括基线长度B、雷达下视角θ、中心载频f0和飞行高度；
根据所述分布式双星成像高度计***设计参数，设计另一颗卫星发射信号的中心频率f0+Δf，在中心频率之间引入所述差频Δf。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，两卫星的所述发射信号带宽Wb相同且小于所述差频Δf；
若信号采样率大于所述发射信号带宽Wb，则所述信号采样率小于所述差频Δf。
根据本发明的一个方面，在未引入差频前，两卫星发射信号的载频f0和发射信号带宽Wb相同，地物信号在空间域上的频率用波数k来表示为：
其中，λg为地物的空间波长；
两卫星观测的地物波数谱偏移用时间信号的频谱相对偏移来表示为：
其中，f0为参考卫星的发射信号载频；B⊥＝Bcos(θ-α)为基线垂直参考卫星上雷达视线方向的分量，α为基线倾角；θ为参考卫星的雷达下视角；β为观测场景的平均坡度角；H为参考卫星的飞行高度；
频谱相对偏移导致信号相干性下降，此时信号相干性γB可表示为：
其中，Wb为两卫星的发射信号带宽。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(d)中，两卫星对各自接收的回波进行解调得到基带信号，解调时采用与各自发射信号载频对应的中心频率f0和f0+Δf。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(e)中，用于所述带通滤波的带通滤波器的带宽Ws大于等于所述发射信号带宽Wb或采样率，但小于所述差频Δf。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(g)中，所述干涉数据处理包括复图像配准、平地相位去除和相位解缠。
根据本发明的构思，为了避免两卫星接收回波之间产生相互干扰，可以基于差频补偿基线去相干原理以及成像高度计的***参数，以提升双星***抗回波抗干扰能力为目的，合理设计差频和发射信号带宽，保证两卫星发射信号的频谱不重叠，基于频分复用原理避免或尽可能降低回波信号之间的相互干扰，从而在提升回波信号抗干扰能力的同时，使测绘带宽相比于通过缩短接收窗来抵抗回波干扰的时分复用抗干扰的方法提升至少一倍，对于要求广域覆盖的遥感探测具有重要的意义。
根据本发明的一个方案，为了提升信号相干性，在两卫星发射信号载频之间引入一定的差异，使成像高度计工作在差频干涉模式。引入差频的目的是对长基线导致的回波频谱相对偏移进行复位，尽可能的增大回波谱的重叠部分，实现复图像相干性的提升。
根据本发明的一个方案，基于频分复用的原理，对发射信号的差频和带宽进行合理设计，提升了成像高度计复图像之间的相干性。
根据本发明的一个方案，两卫星发射信号占据不同频谱范围，在接收端按照各自对应的载频进行相干解调以及带通滤波，实现回波信号的分离，避免了接收回波之间相互干扰导致的测高精度下降。
附图说明
图1示意性表示本发明的一种实施方式的分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法的流程图；
图2示意性表示本发明的一种实施方式的方法的基线导致回波信号频谱相对偏移示意图；
图3示意性表示本发明的一种实施方式的方法的差频补偿回波信号频谱相对偏移示意图；
图4示意性表示本发明的一种实施方式的方法的时分复用方法抗回波干扰示意图；
图5示意性表示本发明的一种实施方式的方法的频分复用方法回波接收窗示意图；
图6示意性表示本发明的一种实施方式的方法的差频与信号带宽不适配回波干扰示意图；
图7示意性表示本发明的一种实施方式的方法的差频与信号带宽适配抗回波干扰流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将
对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参见图1，本发明的分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法属于微波遥感技术领域，基于多源数据的水深探测及新卫星体制研究提出。本方法首先在两卫星发射信号之间引入差频，然后根据引入的差频合理设计发射信号带宽，两卫星同时发射脉冲并接收来自海面或平缓地形的回波，并依据各自发射信号的载频独立对接收回波进行信号解调，然后各自对解调后的两路基带信号进行带通滤波，两卫星各自对带通滤波后的信号各自进行SAR成像处理，获得两幅单视复图像，最后对单视复图像进行后续的干涉数据处理。
分布式双星成像高度计引入差频提升回波信号相干性的原理为，成像高度计的基线长度，即两部天线相位中心之间的物理距离，很大程度上决定了其测高灵敏度，测高灵敏度越高则测高精度提升潜力越大。分布式双星平台极大的提升了成像高度计的基线长度，但是基线越长信号去相干越严重，将制约测高精度的进一步提升。如图2所示，在未引入差频前，两卫星发射信号的载频f0和带宽Wb完全相同，这等价于用完全相同的频率谱窗口观测地物。地物信号在空间域上的频率用波数k来表示为：
其中，λg为地物的空间波长。由于两卫星观测视角存在微小差异，这导致相同的频谱窗映射至空间波数域时发生相对偏移，并最终导致观测的地物波数谱成分不同。
频率和波数是信号在时间域和空间域上的不同表述，因此两卫星观测的地物波数谱偏移可等价的用时间信号的频谱相对偏移来表示为：
其中，f0为参考卫星(两卫星之一)的发射信号载频；B⊥＝Bcos(θ-α)为基线垂直参考卫星上雷达视线方向的分量，α为基线倾角；θ为参考卫星的雷达下视角；β为观测场景的平均坡度角，其实际上改变了电磁波的局部入射角；H为参考卫星的飞行高度；
频谱相对偏移导致信号相干性下降，此时信号相干性γB可表示为：
其中，Wb为两卫星的发射信号带宽。根据分布式双星成像高度计信号去相干的原理，可以在两部天线发射信号之间引入一定的载频差异，即差频Δf。差频的大小等于频谱偏移，以保证接收信号的频谱尽可能重叠，信号相干性得以提升，如图3所示，此时两卫星各自频谱窗内观测到的地物频谱成分完全一致。
分布式双星的星间距离通常在数百米到数千米之间，几乎是同时发射并接收信号，由于信号载频存在差异，这导致两卫星接收的回波信号将不可避免的受到来自另一颗卫星发射信号回波的干扰。针对该问题，若采取调整回波信号的接收窗位置和宽度的手段，即采用时分复用的方式，则如图4所示，两卫星在时间顺序上交替发射脉冲信号，并在接收时间窗内交替接收各自发射脉冲的回波信号。卫星距离目标通常为数百公里以上，因此回波接收时间窗可能存在N个脉冲重复周期的延迟。两卫星由于是交替接收，各自的接收时间窗长度相比图5中非交替接收方式将减少至少一倍。图5中回波接收窗在时间上虽然重叠，但是由于回波信号的载频不同，在保证差频大于信号带宽的前提下，仍然可以在频域将两卫星各自的回波分离。接收窗口的时间宽度Tb决定了成像高度计的测绘带宽，由于两天线脉冲发射频率是固定的，时分复用的接收方式将导致测绘带宽相比本方法所采用的频分复用方式降低至少一倍。
基于上述***设计参数和原理，本发明采用频分复用的抗回波干扰差频设计方法，测绘带宽相比时分复用方法可至少提升一倍以上。在引入频差时，根据差频补偿信号相干性的基本原理式(即上述差频Δf表达式)，基于分布式双星成像高度计***设计参数，根据干涉基线去相干原理引入差频(即载频差异)，以提升回波信号之间的相干性。本发明中，分布式双星成像高度计***设计参数包括基线长度B、雷达下视角θ、载频f0(即参考卫星发射信号中心频率)和飞行高度等***参数。如此，根据这些参数合理设计另一颗卫星发射信号的中心频率f0+Δf，即在中心频率之间引入差频Δf，用以补偿长基线导致的频谱相对偏移。其中一组具体的***参数值如下表1所示：
表1(分布式双星成像高度计主要***参数)
根据差频Δf的公式计算可知成像高度计接收回波间频谱相对偏移为83MHz，引入的差频大小也应为该数值。
随后，根据设定的差频大小，设计两卫星发射信号的带宽Wb，保证两卫星发射信号带宽Wb相同且小于差频Δf，否则接收回波的频谱由于相互混叠，仍将产生相互干扰，如图6中所示。若信号采样率大于带宽Wb，则需保证信号采样率小于差频Δf。以上表1参数为例，此时发射信号带宽Wb应小于83MHz。成像高度计信号带宽的设计除了考虑与差频适配防止回波干扰外，还需要考虑分辨率、信噪比等诸多因素，因此差频与信号带宽，以及基线长度、雷达载频等其他***类参数的设计在保证测高精度等主要性能指标前提下，应当是一个迭代优化的设计过程，如图1中虚线箭头所示。
然后，两颗卫星按照各自的载频同时发射相同带宽Wb的信号，并同时接收和解调回波信号。两卫星对各自接收的回波进行解调得到基带信号，解调时采用与各自发射信号载频对应的中心频率f0和f0+Δf，即解调时所采用的本振频率与两卫星各自发射信号的载频一致。两卫星的接收回波完全相同，但是由于解调时采用了与各自发射信号载频对应的中心频率f0和f0+Δf，因此两卫星得到的基带信号不同，如图7所示。
随后两卫星各自对解调后的两路基带信号进行带通滤波，用于带通滤波的带通滤波器的带宽Ws应大于等于发射信号带宽Wb或采样率，但需小于差频Δf，以避免频谱混叠。
最后，两卫星对各自带通滤波后的两路信号分别进行SAR成像处理并得到对应的(两幅)单视复图像，在此基础上对单视复图像进行后续的干涉数据处理，如复图像配准、平地相位去除、相位解缠等高程反演算法基本步骤。由于分布式双星成像高度计引入了差频，回波信号的频谱相对偏移得到修正，频谱完全重合，如图7所示。回波信号中来自各自发射脉冲的频谱互不干扰，避免了回波互干扰导致的复图像相干性下降，保证了后续的高程反演精度。
综上所述，本方法基于频分复用的原理，对发射信号的差频和带宽进行合理设计，提升了成像高度计复图像之间的相干性。两卫星发射信号占据不同频谱范围，在接收端按照各自对应的载频进行相干解调以及带通滤波，实现回波信号的分离，避免了接收回波之间相互干扰导致的测高精度下降。相比于通过缩短接收窗来抵抗回波干扰的时分复用方法，本方法可以使分布式双星成像高度计的测绘带宽至少提升一倍，对于要求广域覆盖的遥感探测具有重要的意义。由此可见，本发明的方法适用于差频体制的分布式双星成像高度计在海洋表面、地形缓变陆地和南北极冰盖等区域的高精度测量。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分布式双星成像高度计抗回波干扰差频设计方法，包括以下步骤：
a、在两卫星发射信号之间引入差频；
b、根据引入的差频设计发射信号带宽；
c、两卫星同时发射脉冲并接收来自海面或平缓地形的回波；
d、两卫星依据各自发射信号的载频独立对回波进行信号解调；
e、两卫星各自对解调后的基带信号进行带通滤波；
f、两卫星各自对带通滤波后的信号各自进行SAR成像处理，获得单视复图像；
g、对单视复图像进行干涉数据处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，基于分布式双星成像高度计***设计参数，根据干涉基线去相干原理引入所述差频。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分布式双星成像高度计***设计参数包括基线长度B、雷达下视角θ、中心载频f0和飞行高度；
根据所述分布式双星成像高度计***设计参数，设计另一颗卫星发射信号的中心频率f0+Δf，在中心频率之间引入所述差频Δf。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，两卫星的所述发射信号带宽Wb相同且小于所述差频Δf；
若信号采样率大于所述发射信号带宽Wb，则所述信号采样率小于所述差频Δf。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在未引入差频前，两卫星发射信号的载频f0和发射信号带宽Wb相同，地物信号在空间域上的频率用波数k来表示为：
其中，λg为地物的空间波长；
两卫星观测的地物波数谱偏移用时间信号的频谱相对偏移来表示为：
其中，f0为参考卫星的发射信号载频；B⊥＝Bcos(θ-α)为基线垂直参考卫星上雷达视线方向的分量，α为基线倾角；θ为参考卫星的雷达下视角；β为观测场景的平均坡度角；H为参考卫星的飞行高度；
频谱相对偏移导致信号相干性下降，此时信号相干性γB可表示为：
其中，Wb为两卫星的发射信号带宽。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，两卫星对各自接收的回波进行解调得到基带信号，解调时采用与各自发射信号载频对应的中心频率f0和f0+Δf。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中，用于所述带通滤波的带通滤波器的带宽Ws大于等于所述发射信号带宽Wb或采样率，但小于所述差频Δf。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(g)中，所述干涉数据处理包括复图像配准、平地相位去除和相位解缠。
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|---|---|
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