一种同步误差补偿方法、设备及系统的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种同步误差补偿方法、设备及系统，应用于一站固定模式下的双基合成孔径雷达系统，以实现对同步误差的补偿，包括：在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端直接发送的直通信号；通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿；根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
【专利说明】一种同步误差补偿方法、设备及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达通信与信号处理【技术领域】，特别涉及一种同步误差补偿方法、设备及系统。
【背景技术】
[0002]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR),利用雷达与目标的相对运动将尺寸较小的真实天线孔径，采用数据处理的方法合成为一个较大的等效天线孔径的雷达，合成孔径雷达的特点是可以产生高分辨率的图像，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。
[0003]双基SAR系统中有一部发射机，接收机可以有两部或多部，部署在不同的方位，专门用来捕捉在入射方向之外的回波信号。双基SAR系统中的技术难点是如何达成发射机和所有接收机之间的同步和在瞬时内实现数据交换，双基SAR系统相对于传统的单基SAR系统有着许多的优势，如隐蔽性好、抗干扰性强、可进行前视成像、可以提高系统信噪比、可以进行干涉测量等。一站固定模式是双基SAR系统的一种重要模式，即发射机固定、接收机可以自由运动，或者接收机固定、发射机可以自由运动，该模式搭建简单、隐蔽性强，因此有着广泛的应用。
[0004]在双基SAR系统成像处理中，同步误差的补偿是一个关键步骤，同步误差主要是指对频率同步误差和时间同步误差的补偿，由于双基SAR系统发射机与接收机分别采用不同的晶振，因此，随着时间的积累，会在频率和时间上产生较大的误差。
[0005]目前，双基SAR系统中的同步误差补偿方法为:接收端采用双通道模式，第一通道用来接收回波信号，第二通道用来直接接收发射端发射的直通信号；然后，利用直通信号完成频率同步误差和时间同步误差的补偿。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术方案至少存在以下缺陷:
[0006]现有双基SAR系统在一站固定模式下，如发射端固定、接收端运动模式下，很难保证接收端在每一个方位向都能接收到发射端发送的直通信号，若不能保证接收端在运动过程中对应的每一个方位向上均能接收到发射端发送的直通信号，则频率同步误差和时间同步误差的补偿不容易实现，因此，现有双基SAR系统中的同步误差补偿方案的使用范围也受到了限制。
[0007]综上所述，目前亟需一种应用于双基SAR系统中一站固定模式下的同步误差补偿方法及系统，能够在仅获取到一个预设方位向上的直通信号的情况下完成同步误差的补
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【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明实施例提供了一种同步误差补偿方法、设备及系统，能完成同步误差的补偿，且能提高系统的鲁棒性。
[0009]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:[0010]本发明实施例提供了一种同步误差补偿方法，该方法包括:在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端直接发送的直通信号；
[0011]通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿；
[0012]根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
[0013]上述方案中，所述通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿，包括:
[0014]将所述回波信号通过快速傅里叶变换FFT变换到频域；将所述直通信号通过FFT变换到频域；
[0015]将FFT变换后的回波信号与直通信号共轭相乘；
[0016]将乘积通过快速傅里叶逆变换IFFT变换回时域，完成对所述回波信号进行距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿。
[0017]上述方案中，所述根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间轨迹，包括:
[0018]通过恒虚警率CFAR检测器，检测出距离向压缩后的回波信号中的强反射点；通过线追踪器提取出距离向时间的轨迹。
[0019]上述方案中，所述根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿，包括:
[0020]对距离向时间的轨迹进行多项式拟合；
[0021]根据拟合后的距离向时间的多项式与理论上得出的距离向时间的多项式，通过迭代搜索确定出时间同步误差的粗估计值；
[0022]在以所述粗估计值为中心的设定范围内，搜索使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差，并将所述使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差作为时间同步误差的精估计值；
[0023]根据所述回波信号与所述精估计值，完成时间同步误差的补偿。
[0024]上述方案中，所述根据所述回波信号与所述精估计值，完成时间同步误差的补偿，包括:
[0025]将所述回波信号通过FFT变换到距离频域；
[0026]将FFT变换后的回波信号与所述精估计值的补偿函数相乘；
[0027]将乘积通过IFFT变换到时域，完成时间同步误差的补偿。
[0028]根据上述方法，本发明实施例提供了一种接收端设备，该接收端设备包括:接收模块、频率同步误差补偿模块、提取模块、时间同步误差补偿模块；其中，
[0029]所述接收模块，用于在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端直接发送的直通信号；
[0030]所述频率同步误差补偿模块，用于通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿；
[0031]所述提取模块，用于根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；
[0032]所述时间同步误差补偿模块，用于根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
[0033]上述方案中，所述频率同步误差补偿模块，具体用于:[0034]将所述回波信号通过FFT变换到频域；
[0035]将所述直通信号通过FFT变换到频域；
[0036]将FFT变换后的回波信号与直通信号共轭相乘；
[0037]将乘积通过IFFT变换回时域，完成对所述回波信号进行距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿。
[0038]上述方案中，所述提取模块，具体用于:
[0039]通过CFAR检测器，检测出距离向压缩后的回波信号中的强反射点；
[0040]通过线追踪器提取出距离向时间的轨迹。
[0041]上述方案中，所述时间同步误差补偿模块，具体用于:
[0042]对距离向时间的轨迹进行多项式拟合；
[0043]根据拟合后的距离向时间的多项式与理论上得出的距离向时间的多项式，通过迭代搜索确定出时间同步误差的粗估计值；
[0044]在以所述粗估计值为中心的设定范围内，搜索使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差，并将所述使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差作为时间同步误差的精估计值；
[0045]根据所述回波信号与所述精估计值，完成时间同步误差的补偿。
[0046]上述方案中，所述时间同步误差补偿模块，具体用于:
[0047]将所述回波信号通过FFT变换到距离频域；
[0048]在距离频域上将FFT变换后的回波信号与所述精估计值的补偿函数相乘；
[0049]将乘积通过IFFT变换到时域，完成时间同步误差的补偿。
[0050]根据上述方法，本发明实施例还提供了一种双基合成孔径雷达SAR系统，该系统包括:发射端设备、接收端设备；其中，
[0051]所述发射端设备，用于发射向目标区域发射信号，且向接收端设备发送直通信号;
[0052]所述接收端设备，用于在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端直接发送的直通信号；通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿；根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
[0053]本发明的上述实施例中，接收端设备仅在一个预设方位向上采样直通信号，通过该直通信号完成频率同步误差的补偿；同时，本发明实施例根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹，再根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。因此，相对于现有技术中双基SAR系统中的同步误差补偿方法，能够在仅获取一个预设方位向上的直通信号的情况下，完成同步误差的补偿，且提高系统的鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】
[0054]图1为本发明实施例同步误差补偿方法流程图；
[0055]图2为本发明实施例双基SAR系统中的几何关系示意图；
[0056]图3为本发明实施例同步误差产生原因示意图；
[0057]图4为本发明实施例时间同步误差粗估计迭代搜索过程中的结果示意图；[0058]图5为本发明实施例时间同步误差精估计搜索过程中的结果示意图；
[0059]图6a为本发明实施例一中对场景I未进行同步误差补偿的成像结果示意图；
[0060]图6b为本发明实施例一中对场景I进行同步误差补偿后的成像结果示意图；
[0061]图7a为本发明实施例一中对场景2未进行同步误差补偿的成像结果示意图；
[0062]图7b为本发明实施例一中对场景2进行同步误差补偿后的成像结果示意图；
[0063]图8为本发明实施例接收端设备结构示意图；
[0064]图9为本发明实施例双基SAR系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0065]本发明实施例应用于基于一站固定模式的双基SAR系统，该系统中与本发明实施例相关的设备主要包括:发射端设备、接收端设备；该系统中发射端设备仅有一部，接收端设备可以有多部，发射端设备与接收端设备可以部署在不同的位置。
[0066]基于上述系统架构，本发明实施例提供的双基SAR系统中的同步信号补偿过程具体实现如下:
[0067]发射端设备在设定方位向上直接向接收端设备发送直通信号，并向目标发射信号，该发射信号到达目标点后，通过反射形成回波信号；
[0068]接收端设备先采用双通道接收信号，即在第一通道内接收该回波信号，在第二通道内接收发射端设备发送的预设方位向上的直通信号；然后，根据该直通信号对该回波信号进行距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿；根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；根据距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
[0069]由于在双基SAR系统的一站固定模式下，在接收端设备的运动过程中，很难保证在每一个方位向采样均能接收到直通信号，因此，本发明实施例中的接收端设备仅在一个预设方位向上采样直通信号，通过该直通信号完成频率同步误差的补偿；由于仅在一个预设方位向上采样直通信号，不能通过该直通信号完成时间同步误差的补偿，因此，本发明实施例对时间同步误差的补偿采用以下实现方式:根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
[0070]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0071]如图1所示，本发明实施例提供的同步误差补偿的方法流程，具体实现步骤包括:
[0072]步骤S100、在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端设备直接发送的直通信号。
[0073]这里，发射端设备向目标区域发射的信号，被目标区域反射后形成回波信号；该直通信号为未经过目标区域反射，由发射端设备直接发射到接收端设备的信号。
[0074]步骤S101、通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿。
[0075]具体的，先将所述回波信号通过快速傅里叶变换(Fast FourierTransformation, FFT)变换到频域，且将所述直通信号通过FFT变换到频域；
[0076]然后，将FFT变换后的回波信号与直通信号共轭相乘；
[0077]最终，将乘积通过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transformation,IFFT)变换回时域，完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿。[0078]这里，对回波信号进行距离向压缩，即:对该回波信号进行距离向脉冲压缩，形成反射点信号，用于后续提取距离向时间的轨迹的过程。
[0079]这里，沿着回波信号的方向为距离向；沿着轨道的方向称为方位向。
[0080]步骤S102、根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹。
[0081]这里，对回波信号进行距离向压缩，将该回波信号由脉冲信号转变为点信号，通过恒虚警率(Constant False Alarm Rate,CFAR)检测器,检测出距离向压缩后的回波信号中的强反射点，通过线追踪器提取出距离向时间轨迹。
[0082]步骤S103、根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
[0083]这里，先对距离向时间轨迹进行多项式拟合，再根据拟合后的距离向时间的多项式与理论上得出的距离向时间的多项式，通过迭代搜索确定出时间同步误差的粗估计值。
[0084]为了更清楚地对本发明实施例进行说明，下面以双基SAR系统中图2所示的几何模型为例，对根据所述距离向时间的轨迹，确定出时间同步误差的粗估计值的过程进行描述。
[0085]该系统中采用一站固定模式，设定发射端设备固定，接收端设备可以自由运动，本发明实施例对双基SAR系统中的几何模型不作具体限定。其中，rOT为目标区域到发射端设备轨道的最近距离，r0E为目标区域到接收端设备轨道的最近距离，vE为接收端设备的等效运动速度，H表示接收端设备的方位向时间，目标区域到发射端设备的斜距Rt和目标区域到接收端设备的斜距Rk可表示为:
[0086]
【权利要求】
1.一种同步误差补偿方法，其特征在于，所述方法包括: 在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端直接发送的直通信号； 通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿；根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿，包括: 将所述回波信号通过快速傅里叶变换FFT变换到频域；将所述直通信号通过FFT变换到频域； 将FFT变换后的回波信号与直通信号共轭相乘； 将乘积通过快速傅里叶逆变换IFFT变换回时域，完成对所述回波信号进行距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间轨迹，包括: 通过恒虚警率CFAR检测器，检测出距离向压缩后的回波信号中的强反射点；通过线追踪器提取出距离向时间的轨迹。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿，包括: 对距离向时间的轨迹进行多项式拟合； 根据拟合后的距离向时间的多项式与理论上得出的距离向时间的多项式，通过迭代搜索确定出时间同步误差的粗估计值； 在以所述粗估计值为中心的设定范围内，搜索使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差，并将所述使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差作为时间同步误差的精估计值； 根据所述回波信号与所述精估计值，完成时间同步误差的补偿。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述回波信号与所述精估计值，完成时间同步误差的补偿，包括: 将所述回波信号通过FFT变换到距离频域； 将FFT变换后的回波信号与所述精估计值的补偿函数相乘； 将乘积通过IFFT变换到时域，完成时间同步误差的补偿。
6.一种接收端设备，其特征在于，所述接收端设备包括:接收模块、频率同步误差补偿模块、提取模块、时间同步误差补偿模块；其中， 所述接收模块，用于在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端直接发送的直通信号； 所述频率同步误差补偿模块，用于通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿； 所述提取模块，用于根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹； 所述时间同步误差补偿模块，用于根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
7.根据权利要求6所述的接收端设备，其特征在于，所述频率同步误差补偿模块，具体用于: 将所述回波信号通过FFT变换到频域； 将所述直通信号通过FFT变换到频域； 将FFT变换后的回波信号与直通信号共轭相乘； 将乘积通过IFFT变换回时域，完成对所述回波信号进行距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿。
8.根据权利要求6所述的接收端设备，其特征在于，所述提取模块，具体用于: 通过CFAR检测器，检测出距离向压缩后的回波信号中的强反射点； 通过线追踪器提取出距离向时间的轨迹。
9.根据权利要求6所述的接收端设备，其特征在于，所述时间同步误差补偿模块，具体用于: 对距离向时间的轨迹进行多项式拟合； 根据拟合后的距 离向时间的多项式与理论上得出的距离向时间的多项式，通过迭代搜索确定出时间同步误差的粗估计值； 在以所述粗估计值为中心的设定范围内，搜索使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差，并将所述使聚焦后图像的熵达到最小的时间同步误差作为时间同步误差的精估计值； 根据所述回波信号与所述精估计值，完成时间同步误差的补偿。
10.根据权利要求9所述的接收端设备，其特征在于，所述时间同步误差补偿模块，具体用于: 将所述回波信号通过FFT变换到距离频域； 在距离频域上将FFT变换后的回波信号与所述精估计值的补偿函数相乘； 将乘积通过IFFT变换到时域，完成时间同步误差的补偿。
11.一种双基合成孔径雷达SAR系统，其特征在于，所述系统包括:发射端设备、接收端设备；其中， 所述发射端设备，用于发射向目标区域发射信号，且向接收端设备发送直通信号； 所述接收端设备，用于在第一通道内接收回波信号，在第二通道内且在预设方位向上接收发射端直接发送的直通信号；通过所述直通信号完成对所述回波信号的距离向压缩，并完成频率同步误差的补偿；根据距离向压缩后的回波信号，提取出距离向时间的轨迹；根据所述距离向时间的轨迹，完成时间同步误差的补偿。
【文档编号】G01S7/02GK103777178SQ201410004082
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】金日初, 王宇, 邓云凯, 邵云峰 申请人:中国科学院电子学研究所