CN120214797A 分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法及装置

(19)国家知识产权局地址100190北京市海淀区北四环西路19号公司11021分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方本发明提供一种分布式卫星合成孔径雷达分别从主辅星的回波数据中提取主星和辅星的位21.一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法，其特征在于，包括：在分布式卫星SAR系统，分别从主辅星的回波数据中提取主星和辅星的同步数据，其中，所述同步数据包括首同步相位数据、插同步相位数据和尾同步相位数据；对所述主星和辅星的同步数据进行解缠；计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据所述梯度信息判断所述插同步相位数据是否在确定所述插同步相位数据未损坏的情况下，对所述解缠后的同步数据进行缠绕；对缠绕后的同步数据进行脉冲压缩，提取峰值相位；根据主星与辅星的所述峰值相位的差值生成补偿相位，对所述补偿相位进行插值；利用插值后的补偿相位，对辅星的所述回波数据进行逐点补偿。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式对所述主星和辅星的同步数据进行解缠：r—r2kz步相位数据和尾同步相位数据中任意一个同步数据的第n帧数据；中umrap(n)为解缠后的同步数据的第n帧数据。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据所述梯度信息判断所述插同步相位数据是否损坏，包括：针对所述解缠后的插同步相位数据中的任意一帧数据，计算下一帧数据与该帧数据的相位差，根据所述相位差确定该帧数据对应的梯度信息；统计解缠后的插同步相位数据的多帧所述梯度信息的正负值比率，根据所述正负值比率确定所述插同步相位数据是否损坏。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述正负值比率确定所述插同步相位统计多帧所述梯度信息的正值比率和负值比率；判断所述正值比率是否大于预设比率阈值或所述负值比率是否大于预设比率阈值，如5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在确定所述插同步相位数据损坏的情况下，估计解缠后的首同步相位数据与尾同步相位数据的联合斜率；利用所述联合斜率与解缠后的首同步相位数据进行线性插值，以插值后的数据来恢复损坏的插同步相位数据，并返回所述对所述解缠后的同步数据进行缠绕的操作。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，按照以下公式估计解缠后的首同步相位数据与尾同步相位数据的联合斜率：3式中，N为首同步相位数据与尾同步相位数据的帧数和，Y为解缠后的首同步相位数据与尾同步相位数据的相位值，X为与相位值Y对应的帧序列值；X和Y分别为X与Y的均7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按照以下公式利用所述联合斜率与解缠后的首同步相位数据进行线性插值，以插值后的数据来恢复所述插同步相位数据：式中，n是插同步相位数据的序列数；b是截距项，取值为解缠后的首同步相位数据的最后一帧相位值，finse是插同步相位数据的脉冲重复频率，Cpmrpimen(n)是解缠后的插同步相位数据的第n帧数据的恢复数据。8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，按照以下公式对所述解缠后的同步数据进行缠绕：式中，mod{x,y}表示对x取模y,中wrp(n)为缠绕后的同步数据的第n帧数据。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据主星与辅星的所述峰值相位的差以主星的所述峰值相位减去辅星的所述峰值相位所得的差值的一半，作为所述补偿相将所述补偿相位按照辅星的所述回波数据的方位向数进行插值。10.一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿装置，其特征在于，包括：同步数据获取模块，用于在分布式卫星SAR系统，分别从主辅星的回波数据中提取主星和辅星的同步数据，其中，所述同步数据包括首同步相位数据、插同步相位数据和尾同步相位数据；解缠模块，用于对所述主星和辅星的同步数据进行解缠；损坏判断模块，用于计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据所述梯度信息判断所述插同步相位数据是否损坏；缠绕模块，用于在确定所述插同步相位数据未损坏的情况下，对所述解缠后的同步数据进行缠绕；脉冲压缩模块，用于对缠绕后的同步数据进行脉冲压缩，提取峰值相位；补偿相位生成模块，用于根据主星与辅星的所述峰值相位的差值生成补偿相位，对所述补偿相位进行插值；相位补偿模块，用于利用插值后的补偿相位，对辅星的所述回波数据进行逐点补偿。4分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法及装置技术领域[0001]本发明涉及分布式卫星SAR技术领域，尤其涉及一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法及装置。背景技术[0002]分布式卫星合成孔径雷达(SAR)系统通常由两颗或更多颗卫星组成，其中一颗卫星(主星)负责发射雷达信号并接收回波信号，而其它卫星(辅星)则仅被动接收回波信号。然而，主辅星的分布式设计带来了相位同步问题，主要由以下两个原因引起相位误差：第一，主星和辅星分别采用独立的晶振作为频率源，这导致了频率不一致，从而产生了相位偏差；第二，主星和辅星的发射相位噪声与接收相位噪声失相关，不能像传统单星系统中那样相互抵消。因此，为确保相位同步，分布式或双星编队SAR系统必须采用合适的相位补偿方[0003]目前，脉冲交替对传法被认为是工程上比较可靠的解决方案之一。该方法由DLR的Younis提出并成功应用于TerraSAR-X/TanDEM-X系统。脉冲交替对传法通过在主辅星之间建立专门的同步链路，利用双向传输同步脉冲，能够显著提高同步稳定性。然而，由于主星和辅星的雷达基准频率源各自采用高稳晶振，且晶振的频率准确度通常为10⁶量级，主星与辅星的X波段雷达载波频率差可能接近20kHz,远大于同步脉冲的重复频率，这使得相位同步的误差提取变得较为复杂。[0004]为进一步提高精度，现有技术已在脉冲交替对传法的基础上，采用GPS驯服晶振作为频率源。由于GPS卫星上使用的原子钟具有10⁻¹²量级的频率准确度，这使得主星与辅星之间的雷达载波频率差足够小。当频率差降至1Hz以下时，使用10Hz的同步脉冲重复频率即可满足相位同步误差信号的Nyquist采样要求。[0005]然而，现有方案主要聚焦于降低相位同步失败的概率，缺少应对相位同步失败后的恢复机制。在一个完整的相位同步周期内，同步脉冲的采样序列通常包括首同步、插同步和尾同步。由于传输链路的不稳定、信道噪声或硬件切换等问题，插同步信号可能会丢失或数据可能会损坏。当分布式卫星SAR系统中的同步信号(特别是插同步部分)丢失时，传统方法无法准确恢复其相位信息，导致后续的相位补偿出现较大误差，从而引发相位同步失锁。这种失锁会导致图像无法聚焦或无法进行干涉测量，严重影响系统的工作性能。若直接采用固定插值或简单算法恢复同步信号，无法充分反映相位的动态变化趋势，导致残余相位误差较大，进而影响干涉图精度和成像聚焦性能。发明内容[0006]鉴于上述问题，本发明提供了一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法及装置，能够自动判断并恢复由于同步信号丢失而缺失的插同步相位数据，实现精确的相位[0007]本发明一方面提供了一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法，包括：在5分布式卫星SAR系统，分别从主辅星的回波数据中提取主星和辅星的同步数据，其中，同步数据包括首同步相位数据、插同步相位数据和尾同步相位数据；对主星和辅星的同步数据进行解缠；计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据梯度信息判断插同步相位数据是否损坏；在确定插同步相位数据未损坏的情况下，对解缠后的同步数据进行缠绕；对缠绕后的同步数据进行脉冲压缩，提取峰值相位；根据主星与辅星的峰值相位的差值生成补偿相位，对补偿相位进行插值；利用插值后的补偿相位，对辅星的回波数据进行逐点补偿。[0008]本发明另一方面提供了一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿装置，包括：同步数据获取模块，用于在分布式卫星SAR系统，分别从主辅星的回波数据中提取主星和辅星的同步数据，其中，同步数据包括首同步相位数据、插同步相位数据和尾同步相位数据；解缠模块，用于对主星和辅星的同步数据进行解缠；损坏判断模块，用于计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据梯度信息判断插同步相位数据是否损坏；缠绕模块，用于在确定插同步相位数据未损坏的情况下，对解缠后的同步数据进行缠绕；脉冲压缩模块，用于对缠绕后的同步数据进行脉冲压缩，提取峰值相位；补偿相位生成模块，用于根据主星与辅星的峰值相位的差值生成补偿相位，对补偿相位进行插值；相位补偿模块，用于利用插值后的补偿相位，对辅星的回波数据进行逐点补偿。[0009]与现有技术相比，本发明提供的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法及装[0010](1)本发明可以对插同步相位数据是否损坏进行自动判断，能够主动检测损坏数据，从而提高了数据处理的效率和精准度。[0011](2)本发明采用最小二乘法估计的联合斜率对插同步相位数据进行拟合，能够动[0012](3)本发明作为GPS驯服晶振的双向对传相位同步脉冲的方案的升级方案，能够在相位同步失锁时主动检测并恢复损坏数据，增强了系统的可靠性和精度，提高了分布式卫星SAR系统的整体性能。附图说明[0013]通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和[0014]图1示意性示出了根据本发明实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法的流程图之一；[0015]图2示意性示出了根据本发明实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法的流程图之二；[0016]图3示意性示出了根据本发明实施例判断插同步相位数据是否损坏的流程图；[0017]图4示意性示出了根据本发明实施例确定插同步相位数据是否损坏的伪代码；[0018]图5示意性示出了根据本发明实施例对损坏的插同步相位数据进行恢复的流程[0019]图6示意性示出了根据本发明实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿装置的框图。6具体实施方式[0020]以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。[0021]在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用[0022]在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。[0023]在详细描述本发明的具体实施例之前，首先对技术术语进行阐释，以便于更好地理解本发明。和尾同步通常使用较高频率的同步脉冲，与雷达的脉冲重复频率(PRF)相匹配，因此同步数据稳定性较高。而插同步则采用低频同步信号(如10Hz),用于补充首同步与尾同步之间的同步信号，确保系统保持长时间同步。插同步的低频率使其更易受到干扰，因此其数据完整性至关重要，一旦丢失可能导致相位同步失锁，影响后续数据处理。[0025]缠绕与解缠：缠绕是指相位数据在超出其周期范围(如0到2π)时，将其重新映射回有效区间，以保持相位数据在可接受的范围内。而解缠则是将缠绕后的相位数据恢复为连于确保相位数据的准确性至关重要，避免了由于周期性限制导致的错误数据。[0026]最小二乘法：是一种数学优化方法，广泛应用于数据拟合与估算。在本发明的实施例中，最小二乘法用于拟合首同步相位数据与尾同步相位数据的联合斜率，并通过该联合斜率来恢复损坏的插同步相位数据。最小二乘法的目标是最小化拟合误差的平方和，以获得最优的拟合结果。[0027]梯度分析：梯度分析用于分析数据的变化趋势。在本发明的实施例中，通过计算解缠后的同步数据的梯度信息，并利用梯度信息(正负符号信息)来判断插同步相位数据是否损坏。梯度分析通过捕捉数据变化的方向，提供了有效的损坏数据检测手段。[0028]有鉴于此，本发明的实施例提供了一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法及装置，能够自动判断并恢复由于同步信号丢失而缺失的插同步相位数据，实现精确的[0029]图1示意性示出了根据本发明实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法的流程图之一。图2示意性示出了根据本发明实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法的流程图之二。[0030]如图1和图2所示，根据该实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法，可以包括步骤S1~步骤S7。[0031]步骤S1,在分布式卫星SAR系统，分别从主辅星的回波数据中提取主星和辅星的同7步数据，其中，同步数据包括首同步相位数据、[0032]在分布式卫星SAR系统中，主星和辅星分别负责发射和接收雷达信号。为了确保主辅星的相位同步，需要首先从主辅星的原始回波数据中提取同步数据。在本发明实施例中，主星和辅星的同步数据均包括首同步相位数据中head、插同步相位数据中nse和尾同步相位数[0033]通常情况下，首同步相位数据和尾同步相位数据的帧频率与雷达的脉冲重复频率(PRF)相匹配，因此这两者的同步数据很少发生错误。相对而言，插同步相位数据的帧频率实施例在后续处理过程中，需要同时对主星和辅星的插同步相位数据的完整性进行判断，并采取适当措施进行恢复。[0034]步骤S2,对主星和辅星的同步数据进行解缠。[0035]相位数据数值的分布区间为[0,2π],通过对主星、辅星的首同步相位数据hend、插[0036]例如，按照以下公式对主星和辅星的同步数据进行解缠：步相位数据和尾同步相位数据中任意一个同步数据的第n帧数据；umwru(n)为解缠后的同步数据的第n帧数据。[0040]步骤S3,计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据梯度信息判断插同步相位数据是否损坏。[0041]考虑到插同步相位数据在传输过程中可能会因信号干扰、噪声等因素导致损坏，可以对主星、辅星的插同步相位数据判断是否损坏，以决定是否需要在后续处理过程中，对插同步相位数据进行修复。[0042]图3示意性示出了根据本发明实施例判断插同步相位数据是否损坏的流程图。[0043]如图3所示，在本实施例中，上述步骤S3计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据梯度信息判断插同步相位数据是否损坏，可以进一步包括以下步骤S31~步骤S32。[0044]步骤S31,针对解缠后的插同步相位数据中的任意一帧数据，计算下一帧数据与该帧数据的相位差，根据相位差确定该帧数据对应的梯度信息。数据，可选择以帧为单位，按照以下公式计算解缠后的插同步相位数据中的任意一帧数据对应的梯度信息：8解缠后的插同步相位数据的第n帧数据，Qunwrap-inser(n+1)为该第n帧数据的下一帧数据。[0048]步骤S32,统计解缠后的插同步相位数据的多帧梯度信息的正负值比率，根据正负值比率确定插同步相位数据是否损坏。[0049]例如，根据正负值比率确定插同步相位数据是否损坏，包括：统计多帧梯度信息的正值比率和负值比率；判断正值比率是否大于预设比率阈值或负值比率是否大于预设比率[0050]图4示意性示出了根据本发明实施例确定插同步相位数据是否损坏的伪代码。[0051]为了便于理解，记梯度信息中gra(n)的总帧数为Ngrad,则上述步骤S32可以用如图4值，可以根据实际情况来设置或调整。由图4可见，本发明实施例对解缠后的插同步相位数据取梯度信息，并统计梯度信息中正负值的比例。若条件一之正值比率大于预设比率阈值、条件二之负值比率大于预设比率阈值中的任意一个条件均无法满足，也即不存在占多数比例的符号，则说明解缠后的插同步相位数据不符合正常的相位累积规律，判断为插同步相位数据损坏。若数据未损坏，则进入以下步骤S4.若数据损坏，则需要在后续处理过程中，对插同步相位数据进行修复。[0052]通过这种方式，本发明实施例对解缠后的插同步相位数据进行分析，获取插同步相位数据的累积变化趋势。基于该累积变化趋势计算梯度信息，并利用梯度的正负符号信息进行阈值化检测，判断插同步相位数据是否存在损坏。[0053]步骤S4,在确定插同步相位数据未损坏的情况下，对解缠后的同步数据进行缠绕。[0054]需要说明的是，由于插同步相位数据的正确性检测和修复必须在解缠之后进行，因此，在经过上述步骤S3确定出插同步相位数据损坏，并且对损坏的插同步相位数据完成检测和修复，或者经过上述步骤S3确定出插同步相位数据未损坏的情况下，则可以对主星、辅星解缠后的同步数据进行缠绕，将数据重新映射回原始的[0,2π]范围，以保持数据的缠绕状态，从而确保后续处理操作不受影响。[0057]式中，mod{x,y}表示对x取模y,中r(n)为缠绕后的同步数据的第n帧数据。[0058]经过相位缠绕后，可以获得主星、辅星沿帧序列连续变化的首同步相位数据[0059]步骤S5,对缠绕后的同步数据进行脉冲压缩，提取峰值相位。[0060]可以通过匹配滤波器或其他脉冲压缩算法，对主星、辅星缠绕后的同步数据进行脉冲压缩，以提高信号的时间分辨率。经过脉冲压缩后，可以提取信号的峰值相位，以便用于后续的相位补偿。[0061]步骤S6,根据主星与辅星的峰值相位的差值生成补偿相位，对补偿相位进行插值。9[0069]图5示意性示出了根据本发明实施例对损坏的插同步相位数据进行恢复的流程据来恢复损坏的插同步相位数据，并返回上述步骤S4对解缠后的同步数据进行缠绕的操[0077]在一个工作周期内(包括首同步相位数据、插同步相位数据和尾同步相位数据),于帧时间的斜率应该保持基本不变。换句话说，无论是主星还是辅星，其各自的首同步相位数据与尾同步相位数据的斜率值均可作为插同步的斜率估计。基于这一假设，可以利用先前估计出的联合斜率，通过插值来恢复损坏的插同步相位数据。行线性插值，以插值后的数据来恢复插同步相位数据：[0080]式中，n是插同步相位数据的序列数；b是截距项，取值为解缠后的首同步相位数据的最后一帧相位值，即b=P2umwrapheaa(Nhea);fnse是插同步相位数据的脉冲重复频率，例如10Hz;2mwrap-isern(n)是解缠后的插同步相位数据的第n帧数据的恢复数据。[0081]通过这种方式，本发明实施例根据解缠后的首同步相位数据与尾同步相位数据，使用最小二乘法进行联合斜率估计。假设在短时间内主星和辅星的频率源保持稳定，通过该联合斜率获得主星与辅星之间的相位变化趋势，进而为损坏的插同步相位数据的恢复提供了拟合插值所需的斜率。由此，本发明实施例可以对插同步相位数据是否损坏进行自动判断，能够主动检测损坏数据，从而提高了数据处理的效率和精准度。[0082]需要说明的是，除了最小二乘法之外，还可以基于多项式拟合、样条插值或鲁棒拟合(如RANSAC)等拟合方式来估计解缠后的首同步相位数据与尾同步相位数据的联合斜率，从而恢复损坏的插同步相位数据。[0083]综上所述，本发明实施例提供了一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿方法，将解缠和梯度分析相结合，对插同步相位数据进行主动侦测，能够实时检测并发现数据损坏。通过联合最小二乘法拟合估算的斜率，并结合线性插值恢复损坏数据，提出了一种全新的数据修复技术。本发明提供的方法能够精准捕捉主星与辅星之间的相位变化趋势，从而恢复丢失的插同步信号，有效降低残余相位误差，保证后续相位补偿的精度。[0084]与传统的简单插值方法相比，本发明提供的方法在处理噪声和动态变化数据时具有更强的鲁棒性，能够在数据随机性较强，且干扰环境复杂的情况下仍保持较高的可靠性。[0085]本发明提供的方法保证了即便部分同步信号丢失，系统仍能实现连续的正常工作。通过主动检测和数据修复，在插同步相位数据同步失锁的情况下，依然能够保证系统的持续正常运行。这一技术改进显著提升了SAR成像和干涉处理的整体质量，使得成像效果更[0086]本发明提供的方法基于实际的分布式卫星SAR系统数据处理流程，提出的技术方法具有较高的工程应用性。其与现有系统的兼容性强，便于在现有平台上实施技术升级。通过本发明的方案，现有SAR系统可以快速引入本技术方案，提升处理效率与数据质量，具备显著的实用价值。[0087]基于上述实施例公开的方法，本发明还提供了一种分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿装置，以下将结合图6对该装置进行详细描述。[0088]图6示意性示出了根据本发明实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿装置的框图。11[0089]如图6所示，根据该实施例的分布式卫星合成孔径雷达相位同步补偿装置600包括同步数据获取模块610、解缠模块620、损坏判断模块630、缠绕模块640、脉冲压缩模块650、补偿相位生成模块660和相位补偿模块670。[0090]同步数据获取模块610,用于在分布式卫星SAR系统，分别从主辅星的回波数据中提取主星和辅星的同步数据，其中，同步数据包括首同步相位数据、插同步相位数据和尾同步相位数据。[0091]解缠模块620,用于对主星和辅星的同步数据进行解缠。[0092]损坏判断模块630,用于计算解缠后的同步数据的梯度信息，根据梯度信息判断插同步相位数据是否损坏。[0093]缠绕模块640,用于在确定插同步相位数据未损坏的情况下，对解缠后的同步数据进行缠绕。[0094]脉冲压缩模块650,用于对缠绕后的同步数据进行脉冲压缩，提取峰值相位。[0095]补偿相位生成模块660,用于根据主星与辅星的峰值相位的差值生成补偿相位，对补偿相位进行插值。[0096]相位补偿模块670,用于利用插值后的补偿相位，对辅星的回波数据进行逐点补[0097]需要说明的是，装置部分的实施例方式与方法部分的实施例方式对应类似，并且所达到的技术效果也对应类似，具体细节请参照上述方法实施例方式部分，在此不再赘述。绕模块640、脉冲压缩模块650、补偿相位生成模块660和相位补偿模块670中的任意多个可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本发明的实施例，同步数据获取模块610、解缠模块620、损坏判断模块630、缠绕模块640、脉冲压缩模块650、补偿相位生成模块660和相位补偿模块670中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PL