一种分布式合成孔径雷达多站同步方法

1.本发明涉及一种分布式合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar) 多站同步方法，属于分布式雷达成像技术领域。


背景技术：

2.分布式sar是由多部相同的子雷达构成的系统，各子雷达分置在彼此分离的运动平台上，采用相互独立的晶振提供本地时钟和频率。相比于单基地雷达，双、多基地构型的分布式sar可实现多角度观测，从而使系统拥有抗干扰、反隐身的能力，还可实现长基线、多基线观测，从而具备高分辨、高时效三维成像的能力。分布式sar可实现对感兴趣区域或目标的全天时、全天候成像，可广泛应用于战场侦察、地形遥测等领域，因此，分布式雷达成像技术日益成为研究热点。
3.然而，由于分布式sar各站采用相互独立的晶振产生时钟信号以及各站硬件链路不完全一致，因此各子站间存在时间、相位误差和系统链路延迟误差。以分布式sar三维成像为例，初始时钟差和系统链路误差会导致子站间的时不变时间误差、时钟误差累积会导致时变时间误差、系统链路延迟误差与初始相位差会导致时不变相位差、频率源误差积累以及相位噪声会导致时不变相位误差，上述非理想因素会造成三维sar图像偏移和散焦，从而影响成像结果。
4.针对双基地分布式雷达系统的时间、相位同步问题，现有技术利用同步链路在两站间交替发射、接收直达波信号，通过直达波信号提取同步信息，并据此调整采样波门、补偿回波相位误差实现时间、相位同步。但是，上述方法在相位同步时会残余π模糊相位，而且没有考虑链路误差的影响，虽然这并不影响双基地分布式sar成像，但对于多基地分布式sar来说，每组双基地sar 之间残余的常数时延和相位误差会导致各站回波失相参。


技术实现要素：

5.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种分布式合成孔径雷达多站同步方法，该方法能使得多基地分布式sar时间、相位同步，针对为一种基于交替对传直达波与强点定标的分布式时间、相位同步方法，为了实现站间时间、相位同步，首先在各站间对传直达波信号以建立同步链路，从直达波信号中提取同步误差，对回波进行补偿从而实现双基地分布式同步。然后，通过孤立强点定标消除双基地同步残余的时不变时间、相位误差，从而实现多基地分布式时间、相位同步。所提方法旨在提供一种适用于多种平台和应用场景的分布式合成孔径雷达时间、相位同步解决方案，预期可应用于分布式雷达成像领域，该方法能够解决多基地分布式sar相位同步中残余的π模糊问题以及双基地分布式sar同步中未加考虑的系统链路延迟导致的问题。
6.本发明方法是通过下述技术方案实现的：
7.一种分布式合成孔径雷达多站同步方法，所述的分布式合成孔径雷达是由 m个相同的子雷达构成的系统，该系统中的子雷达分别为站1、站2、...、站i、...、站j、...、站m，将
站i和站j定义为一双站ds
ij
，比如站1和站2形成一双站 ds
12
，站3和站4形成一双站ds
34
，该方法的步骤包括：
8.步骤一、站i和站j之间互相发射、接收同步信号，并分别对接收到的信号进行解调；
9.其中，站i发射的信号经过τ
ij
时间延时到达站j，并被站j解调，则解调后的信号模型为：
[0010][0011]
其中，w(tj+δt
ij-d
i，t-τ
ij-d
j，r-t0)为站i的发射信号在t时刻的包络，tj为站j的视在时间，ti为站i的视在时间，δt
ij
＝t
i-tj为站i与站j的视在时间差， t0为发射信号的起始时刻，则在t0时刻时站j的视在时间为t
i-δt
ij
；d
i，t
为站i的发射链路延迟，d
j，r
为站j的接收链路延迟；f0为该系统的标称载波频率，δf
ij
＝δf
i0-δf
j0
为站i与站j之间的时不变频偏，δf
i0
为站i实际频率与标称载波频率之间的差值，δf
j0
为站j实际频率与标称载波频率之间的差值，是站i的初相，是站j的初相，ni(tj)是站i的相位噪声，nj(tj)是站j的相位噪声；
[0012]
站j发射的信号经过τ
ji
时间延时到达站i，并被站i解调，则解调后的信号模型为：
[0013][0014]
其中，w(t
i-δt
ij-d
j，t-τ
ji-d
i，r-t0)为站j的发射信号在t时刻的包络，d
j，t
为站j的发射链路延迟，d
i，r
为站i的接收链路延迟；
[0015]
步骤二、提取站i和站j的时变时间同步误差和时变相位同步误差，具体方法为：
[0016]
将步骤一解调后的信号模型s
tij
(tj；t0)和s
tji
(ti；t0)进行脉冲压缩，并提取脉冲压缩后的信号的峰值时刻和相位；
[0017]
对s
tij
(tj；t0)进行脉冲压缩后的信号的峰值时刻为
[0018]
t
p，ij
＝-δt
ij
+d
i，t
+d
j，r
+t0；
[0019]
对s
tij
(tj；t0)进行脉冲压缩后的信号的峰值相位为：
[0020][0021]
对s
tji
(ti；t0)进行脉冲压缩后的信号的峰值时刻为：
[0022]
t
p，ji
＝δt
ij
+d
j，t
+d
i，r
+τ
ij
+t0[0023]
对s
tji
(ti；t0)进行脉冲压缩后的信号的峰值相位为：
[0024][0025]
则时变时间同步误差的估计值为：
[0026]
[0027]
时变相位同步误差的估计值为：
[0028][0029]
步骤三、使用步骤二得到的时变时间同步误差和时变相位同步误差对步骤一得到的解调后的信号模型进行补偿，
[0030]
对解调后的信号模型进行时变时间同步误差补偿时通过距离单元移位或在距离频域内乘以距离-频率的线性相位项来补偿，补偿后的信号包络为：
[0031][0032]
其中，ρ
t
是距离向脉压后的快时间分辨率；
[0033]
对解调后的信号模型进行时变相位同步误差补偿时通过在后向散射回波处乘以一个共轭相位项来补偿，补偿后的相位为：
[0034][0035]
其中，k
ij
是表示π模糊数的整数；
[0036]
步骤四、消除步骤三补偿后的信号模型中存在的双站ds
ij
间的时不变时间同步误差和时不变相位同步误差，比如消除站1和站2形成的双站ds
12
和站3 和站4形成的双站ds
34
间的时不变时间和相位误差；
[0037]
则时不变时间同步误差估计值的确定方法为：
[0038]
(1)通过令二维图像熵最小进行估计：
[0039][0040]
其中，为残余时间误差的估计值，为残余时间误差的真实值，e
ij
是二维图像熵，优化过程可以通过多种优化算法实现，例如遍历搜索，通过最小熵估计，可以获得较为精确的快时间误差，但还需要基于孤立强点进行更精确的多基地时间同步；
[0041]
(2)在熵最小的二维图像上选择任一强点，然后对所选强点用三维bp成像算法进行成像，得到强点在三维网格中的坐标，残余的时不变时间同步误差基于下式进行估计：
[0042][0043]
其中，下标ref表示已选择的参考强点，t
p
(x
ref
，y
ref
，z
ref
)为参考强点通过快时间峰值测量值，tm(x
ref
，y
ref
，z
ref
)是由雷达位置测量值与强点位置计算得到的快时间延迟；
[0044]
(3)时不变时间同步误差为通过对信号模型补偿这一时不变时间同步误差，能够实现分布式合成孔径雷达多站的时间同步；
[0045]
时不变相位同步误差的估计值为：
[0046]
[0047]
其中，为使用当前相位对真实三维反投影图像中的相位进行补偿后得到的三维反投影图像；
[0048]
真实三维反投影图像为：
[0049][0050]
是存在时不变相位误差时由站i发射站j接收到的回波的三维反投影图像，z
ij
(n)是不存在时不变相位误差时由站i发射站j接收到的回波的三维反投影图像；n表示三维反投影图像中像素的序号，是时不变相位误差的真值；
[0051]
时不变相位同步误差的估计过程是一个n维优化问题，其中n为向量的长度，该优化问题可以通过使用坐标下降法将初始问题转化为n个一维优化问题来解决，每个一维优化都可以通过遍历搜索等算法来实现；
[0052]
通过对信号模型补偿这一时不变相位同步误差的估计值，能够实现分布式合成孔径雷达多站的相位同步，以实现精确的三维成像。
[0053]
有益效果
[0054]
(1)本发明的方法将多站划分为多组双站同步，首先进行双站的时变误差补偿，然后再进行多组双站间的时不变误差补偿。对比已有的分布式系统时间、相位同步方法，可有效提升同步精度。本方法用于合成孔径雷达成像领域，可大幅提升图像的聚焦效果。
[0055]
(2)本发明的方法将站i发射的信号经过τ
ij
时间延时到达站j，并被站j解调，输出解调后的信号模型，并对信号模型的结构形式进行了详细的描述，使得信号模型的输出更具体；
[0056]
(3)本发明的方法将站j发射的信号经过τ
ji
时间延时到达站i，并被站i解调，输出解调后的信号模型，并对信号模型的结构形式进行了详细的描述，使得信号模型的输出更具体；
[0057]
(4)本发明的方法根据提取的峰值时刻和相位获得站i和站j的时变时间同步误差和时变相位同步误差，并对误差的形式进行了详细的描述；
[0058]
(5)本发明的方法根据补偿后的信号模型中存在的双站ds
ij
间的时不变时间同步误差和时不变相位同步误差，得到时不变时间同步误差估计值，并说明了估计值的具体计算方式和结果的形式表述。
[0059]
(6)本发明的方法对比已有的分布式系统时间、相位同步方法，除了时变时间、相位误差的补偿外，本方法还考虑了相位同步时的pi模糊问题以及系统链路误差导致的时不变时间、相位误差，有利于提高分布式系统中各站的一致性。
附图说明
[0060]
图1为分布式系统双向信号对传示意图(以四站系统为例)；
[0061]
图2为本发明的方法流程示意图；
[0062]
图3为实施例1无人机平台与点阵几何构型；
[0063]
图4为实施例1时不变相位误差估计值与真值对比；
[0064]
图5为实施例1点阵目标传统双战同步方法三维成像结果；
[0065]
图6为实施例1点阵目标本发明方法的三维成像结果。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图和实施例对本发明方法的实施方式做详细说明。
[0067]
步骤一、站间互相发射、接收同步信号
[0068]
假设站i、站j互相发射、接收同步信号，如图1所示。其中，站i发射的信号，经过τ
ij
时间延时到达站j，并被站j解调，则解调后的信号模型为
[0069][0070]
其中w(
·
)为发射信号在t时刻的包络，tj为j站的视在时间，ti为i站的视在时间，δt
ij
＝t
i-tj为i站与j站的视在时间差，t0为i站发射信号的起始时刻，则同一时刻j站的视在时间t
i-δt
ij
；d
i，t
与d
j，r
分别是i站的发射链路延迟和j站的接收链路延迟；f0为所有子站的标称载波频率，δf
ij
＝δf
i0-δf
j0
为i站与j站之间的时不变频偏；与分别是i站与j站的初相；ni(tj)与nj(tj)分别是i站与j站的相位噪声。
[0071]
同理可知，站j发射、站i接收，并被站i解调后的信号为：
[0072][0073]
步骤二、时变时间、相位同步误差提取
[0074]
将接收到的直达波进行脉冲压缩后可以分别提取i站发射、j站接收与j站发射、i站接收的直达波脉压峰值时刻：t
p，ij
＝-δt
ij
+d
i，t
+d
j，r
+t0’ꢀ
t
p，ji
＝δt
ij
+d
j，t
+d
i，r
+τ
ij
+t0；脉压峰值相位为：
[0075][0076][0077]
因此，时变时间同步误差可以估计为：
[0078][0079]
时变相位同步误差可以估计为：
[0080][0081]
步骤三、多组双站分别进行时变时间、相位误差补偿
[0082]
双站的时变时间误差可以通过距离单元移位或在距离频域内乘以距离-频率的线性相位项来补偿，经过双站时间同步后，i站发射j站接收的信号包络为：
[0083][0084]
其中，ρ
t
是距离向脉压后的快时间分辨率。由此可见，信号中仍然存在由系统内部时延误差引起的时不变时间误差，还需要进一步补偿。
[0085]
双站的时变相位误差可以通过在后向散射回波处乘以一个共轭相位项来补偿，然而，由于由公式(6)计算的相位误差项有将相位除以2的步骤，因此估计的相位误差具有π模糊性。补偿后的直达波峰值相位为：
[0086][0087]
其中，k
ij
是表示π模糊数的整数。由此可知，时变相位误差补偿后，由系统内部延迟误差和π模糊引起的时不变相位误差仍然存在。
[0088]
步骤四、利用孤立强点定标，消除多组双站间时不变时间、相位误差
[0089]
残余的双站时不变误差可以通过令二维图像熵最小进行估计：
[0090][0091]
其中，与分别为残余时间误差的估计值与真实值。e
ij
是二维图像熵，优化过程可以通过多种优化算法实现，例如遍历搜索。通过最小熵估计，可以获得较为精确的快时间误差，但还需要基于孤立强点进行更精确的多基地时间同步。
[0092]
首先在二维图上选择一个强点，然后对所选强点用三维bp成像算法进行成像，得到强点在三维网格中的坐标。残余的时不变时间误差可以基于下式进行估计：
[0093][0094]
其中，下标ref表示已选择的参考强点，t
p
(x
ref
，y
ref
，z
ref
)为参考强点通过快时间峰值测量值，tm(x
ref
，y
ref
，z
ref
)是由雷达位置测量值与强点位置计算得到的快时间延迟。
[0095]
根据(9)与(10)可知，总的时不变时间误差为通过补偿这一时不变时间误差，多基地回波包络可实现对齐。
[0096]
多基地时间同步后还需要估计和消除残余的时不变相位误差：基本策略是在每个相位中心的回波中分别添加常数相位，使孤立强点的三维图像具有最大的强度。多基地相位同步前具有时不变相位误差的三维反投图像为：
[0097][0098]
其中，与z
ij
(n)分别是存在与不存在时不变相位误差时由i站发射j站接收到的回波的三维反投影图像，n表示三维反投影图像中像素的序号，是时不变相位误差的真值。
[0099]
如果能完全消除回波中的未知时不变相位误差，则在场景中孤立强点的三维图像可以获得最大的能量。因此，多基地时不变相位误差估计值可以表示为：
[0100][0101]
其中：
[0102][0103]
其中，与分别是与组成的向量，分别表示多基地相位误差的真实值，估计值以及当前补偿值。
[0104]
上述估计过程是一个n维优化问题，其中n为向量的长度。该优化问题可以通过使用坐标下降法将初始问题转化为n个一维优化问题来解决。每个一维优化都可以通过遍历搜索等算法来实现。然后在回波中对估计的时不变相位误差进行补偿，以实现精确的三维成像。
[0105]
至此，实现了基于交替对传直达波与强点定标的分布式时间、相位同步方法，处理框图如图2所示。
[0106]
实施例1
[0107]
以搭载于无人机平台的四站构型分布式p波段雷达为例对所提方法的有效性进行计算机仿真验证。通过四站分布式雷达单航过可以等效为共10 轨虚拟航迹，可实现三维成像，从而消除单站二维成像的叠掩现象。仿真双向对传直达波信号，考虑链路延迟误差的存在，并同时对仿真回波进行时间、相位同步处理，设置3x3点阵用于成像，无人机平台与点阵目标的几何关系如图 3所示，以点阵成像效果对比两者之间的同步效果。
[0108]
在此仿真中，四站互相发射、接收线性调频脉冲信号，同时向场景中发射、接收线性调频脉冲信号。依据晶振相位噪声模型仿真时变的频率误差，从而得到时变的时间误差与相位误差，同时添加时不变的频率偏差δf
ij
，各站视在时间偏差δt
ij
，各站初始相位差以及系统链路延迟d
i，t
、d
j，t
(假设发射链路延迟与接收链路延迟相等)。仿真中的主要参数如表1所示。
[0109]
表1实施例1无人机平台p波段四站分布式雷达时间、相位同步仿真参数
[0110]
参数/单位值载频/mhz425脉宽/us2.5带宽/mhz60采样率/mhz160同步速率/hz625直达波信噪比/db17
[0111]
对仿真回波进行时间、相位同步处理，可以得到多个相位中心的时不变相位误差估计值，真值与估计值的比较如图4所示。而本方法对其进行了估计，估计结果与真值接近，误差约为0.02rad(1σ)。图5为点阵目标传统双站同步方法的三维成像结果，图6为点阵目标
本发明方法的三维成像结果，经过对比，本方法由于考虑了多组双站之间的时不变时间、相位误差，使得三维成像结果聚焦良好，证明所提方法比对比方法具有更好的同步效果。