一種基于分布式衛(wèi)星的fmcw sar相位同步方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于信號交換的分布式衛(wèi)星FMCW SAR相位同步方法，包括下述步驟：在任意時刻t，將發(fā)射衛(wèi)星輸出信號分別經(jīng)K倍頻和N倍頻后發(fā)射出去；再經(jīng)M倍頻后與載頻信號進行混頻，經(jīng)頻譜峰值提取得到發(fā)射端載波相位差異。將接收衛(wèi)星輸出信號一路經(jīng)K倍頻后與回波信號進行混頻，得到雙站回波信號；一路經(jīng)M倍頻后發(fā)射出去；一經(jīng)N倍頻后與接收的發(fā)射信號進行混頻，經(jīng)頻譜峰值提取得到接收端載波相位差異。利用上述過程得到任意時刻t的發(fā)射端載波相位差異與接收端載波相位差異，將發(fā)射端載波相位差異與接收端載波相位差異進行差分后得到雙站回波信號的補償相位。本發(fā)明可以提高載波相位差異的測量頻率，提高相位同步精度。
【專利說明】
-種基于分布式衛(wèi)星的FMCW SAR相位同步方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及 一種基于分布式衛(wèi)星的FMCW(Xinear Frequen巧 Modulated Continuous Wave,線性調(diào)頻 連續(xù)波)相位同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式衛(wèi)星FMCW SAR系統(tǒng)是一種分布式衛(wèi)星雷達編隊與FMCW SAR技術(shù)相結(jié)合的 新體制天基雷達系統(tǒng)，具有小型輕量化、數(shù)據(jù)產(chǎn)品成本低、快速響應(yīng)能力強的特點。該系統(tǒng) 發(fā)射FMCW信號，并同時接收回波信號，由于衛(wèi)星平臺距離較遠，與無人機FMCW SAR系統(tǒng)不 同，分布式衛(wèi)星FMCW SAR系統(tǒng)不能夠提供足夠的收發(fā)隔離度，因此該系統(tǒng)采用收發(fā)分布式 的配置將發(fā)射的FMCW信號衰減至合適水平，通常收發(fā)間距在幾十公里量級。然而，收發(fā)分置 時由于存在發(fā)射和接收載頻差異，將不可避免地引起的雙站回波相位誤差，帶來所謂的相 位同步問題。
[0003] 第一個在軌的分布式衛(wèi)星SAR系統(tǒng)是德國的TanDEM-X系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了基于脈 沖信號交換的相位同步方法成功地解決了分布式雷達相位同步問題。然而，該系統(tǒng)發(fā)射信 號工作在脈沖模式，需要周期性地打斷正常地面回波錄取過程，引入了新的混疊和插值相 位誤差，該方法不能直接應(yīng)用在分布式衛(wèi)星FMCW SAR系統(tǒng)中。因此，有必要研究針對分布式 衛(wèi)星FMCW SAR系統(tǒng)的相位同步方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是，提出一種基于信號交換的分布式衛(wèi)星FMCW SA時目位同步方法， 解決分布式衛(wèi)星FMCW SAR系統(tǒng)中的相位同步問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于信號交換的分布式衛(wèi)星FMCW SA時目位同步方法， 包括下述步驟：
[0006] 設(shè)在任意時刻t:
[0007] 發(fā)射衛(wèi)星高穩(wěn)頻率源的輸出信號被分成=路進行處理：第一路經(jīng)K倍頻后發(fā)射出 去，記為第一路發(fā)射信號;第二路經(jīng)N倍頻后發(fā)射出去，記為第二路發(fā)射信號（即同步信號）； 第=路經(jīng)M倍頻后與接收衛(wèi)星發(fā)射的載頻信號進行混頻，對得到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和快 速傅里葉變換，經(jīng)頻譜峰值提取得到發(fā)射端載波相位差異；
[000引接收衛(wèi)星高穩(wěn)頻率源的輸出信號被分成=路進行處理：第一路經(jīng)K倍頻后與接收 的第一路發(fā)射信號的回波信號進行混頻，得到雙站回波信號;第二路經(jīng)M倍頻后得到載頻信 號，由接收衛(wèi)星發(fā)射出去；第=路經(jīng)N倍頻后與接收的第二路發(fā)射信號進行混頻，對得到的 信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅里葉變換，經(jīng)頻譜峰值提取得到接收端載波相位差異。
[0009] 利用上述過程得到任意時刻t的發(fā)射端載波相位差異與接收端載波相位差異，將 發(fā)射端載波相位差異與接收端載波相位差異進行差分后得到雙站回波信號的補償相位。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的相位同步方法，利用發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星之 間不同的=種鏈路同時進行信號收發(fā)，可W提高載波相位差異的測量頻率，提高相位同步 精度。同時本發(fā)明可W將星上載波相位差異提取和地面載波相位差異補償兩個步驟分開， 只需將星上的載波相位差異進行地面?zhèn)鬏敚纯蓪崿F(xiàn)地面載波相位差異補償。利用本發(fā)明 可W同步實現(xiàn)多顆衛(wèi)星間的相位同步。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明一種基于分布式衛(wèi)星的FMCW SA時目位同步方法的處理步驟；
[0012] 圖2是星上實時提取載波相位過程示意圖；
[001引圖3是相位同步誤差性能預(yù)估結(jié)果。
【具體實施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。
[0015] 圖1是本發(fā)明一種基于分布式衛(wèi)星的FMCW SAR相位同步方法的處理步驟，由星上 載波相位差異提取和地面載波相位差異補償兩個步驟組成，第一步通過星上同步信號微波 鏈路實時提取載波相位差異，第二步補償回波信號中包含的載波相位差異。
[0016] 圖2是星上實時提取載波相位過程示意圖，給出了通過星上同步信號微波鏈路實 時提取載波相位差異的過程，運是相位同步的第一步。
[0017] 設(shè)在任意時刻t，發(fā)射衛(wèi)星高穩(wěn)頻率源的輸出信號的相位為巧。。1(0,被分成=路進 行處理:第一路經(jīng)K倍頻后發(fā)射出去，記為第一路發(fā)射信號，其相位為/(巧,Wi (0 ;第二路經(jīng)N 倍頻后發(fā)射出去，記為第二路發(fā)射信號（即同步信號），其相位巧
；第=路 經(jīng)M倍頻后(其相位為M巧。。1(f))與接收衛(wèi)星發(fā)射的載頻信號巧相位為
進行混頻，得到歸一化到第一路發(fā)射信號載頻上的相位為底[從。。和+叫-祝。1的]，其中 0,。2(〇是接收衛(wèi)星高穩(wěn)頻率源的輸出信號的相位，T表示接收衛(wèi)星發(fā)射的載頻信號的傳輸 延遲時間，對得到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅里葉變換，經(jīng)頻譜峰值提取得到發(fā)射端載 波相位差異呆
I其中tk = k/fsyn，k = 0，l，…，N-1，N表示同 步次數(shù)，fsyn表示相位同步頻率。其中，K、N、M均為正整數(shù)且取值各不相同，通常N、M的取值小 于K，根據(jù)實際情況確定。
[0018] 接收衛(wèi)星高穩(wěn)頻率源的輸出信號的相位為被分成=路進行處理:第一路 經(jīng)K倍頻后(其相位為K巧。。2(0)與接收的第一路發(fā)射信號的回波信號(其相位為A>,,w,(〇) 進行混頻，得到雙站回波信號，需要補償?shù)妮d波相位差異為K[巧。,。1 (0-0,,。;第二路經(jīng) M倍頻后得到載頻信號，由接收衛(wèi)星發(fā)射出去，其相位為
；第=路經(jīng)N倍頻 后（其相位為W巧。。2 (0 )與接收的第二路發(fā)射信號（其相位式
I進行混頻， 得到歸一化到第一路發(fā)射信號載頻上的相位為龍[資。。:的]，對得到的信號進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅里葉變換，經(jīng)頻譜峰值提取得到接收端載波相位差異為
O
[0019] 圖3是相位同步誤差性能預(yù)估結(jié)果。相位同步的第二步不需要實時進行，通常是在 地面成像前補償回波信號中包含的載波相位差異。將發(fā)射端載波相位差異與接收端載波相 位差異進行差分后得到雙站回波信號的補償相位，計算公式為
[0020]
(公式一'）
[0021] 其中，第一項足[；口",。,(/)-巧即為需要補償?shù)妮d波相位差異，4err(t)表示由 噪聲、采樣插值和采樣混疊共同引入的殘余同步相位誤差，該誤差決定了相位同步方案的 精度。圖3中橫軸表示相位同步頻率，即表示單位時間內(nèi)利用本發(fā)明計算載波相位差異的次 數(shù);縱軸表示由相位同步后殘余相位同步誤差4err(t)引入的圖像域相位誤差標準差，不同 曲線分別表示總相位誤差(total)(實線）、噪聲引入相位誤差(SNRK短虛線）、采樣插值引 入相位誤差QnterpK點劃線)和采樣混疊引入相位誤差(aliasK長虛線）。性能預(yù)估時所 取同步信號信噪比為25分貝，成像所用合成孔徑時間為1秒，由性能預(yù)估結(jié)果，當相位同步 頻率fsyn超過30化時，采樣插值和采樣混疊誤差引入的圖像域相位誤差標準差小于0.1度， 此時，圖像域相位誤差主要由微波鏈路信噪比決定，相位誤差標準差為0.5213度，小于1度， 相位同步精度能夠滿足分布式衛(wèi)星FMCW SAR系統(tǒng)成像要求。
[0022] W上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定，任何在本發(fā)明 精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于信號交換的分布式衛(wèi)星FMCW SAR相位同步方法，其中FMCW是指線性調(diào)頻連 續(xù)波，SAR是指合成孔徑雷達，包括下述步驟： 設(shè)在任意時刻t: 發(fā)射衛(wèi)星高穩(wěn)頻率源的輸出信號被分成三路進行處理:第一路經(jīng)K倍頻后發(fā)射出去，記 為第一路發(fā)射信號;第二路經(jīng)N倍頻后發(fā)射出去，記為第二路發(fā)射信號;第三路經(jīng)Μ倍頻后與 接收衛(wèi)星發(fā)射的載頻信號進行混頻，對得到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅里葉變換，經(jīng)頻 譜峰值提取得到發(fā)射端載波相位差異； 接收衛(wèi)星高穩(wěn)頻率源的輸出信號被分成三路進行處理:第一路經(jīng)Κ倍頻后與接收的第 一路發(fā)射信號的回波信號進行混頻，得到雙站回波信號；第二路經(jīng)Μ倍頻后得到載頻信號， 由接收衛(wèi)星發(fā)射出去;第三路經(jīng)Ν倍頻后與接收的第二路發(fā)射信號進行混頻，對得到的信號 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅里葉變換，經(jīng)頻譜峰值提取得到接收端載波相位差異； 利用上述過程得到任意時刻t的發(fā)射端載波相位差異與接收端載波相位差異，將發(fā)射 端載波相位差異與接收端載波相位差異進行差分后得到雙站回波信號的補償相位。
【文檔編號】G01S13/90GK106019278SQ201610300361
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】何志華, 黃志偉, 金光虎, 張啟雷, 董臻, 張永勝, 黃海風(fēng), 余安喜, 何峰, 孫造宇
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)