CN111007511A - 基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法，包括两方面，一方面，通过对直达波数据进行实时跟踪处理，提取导航电文，并解算卫星当前位置；另一方面，对回波数据以直达波处理同样参数实现载波剥离和时间同步，进行距离向脉冲压缩处理，对脉压数据进行有效截断。该方法能够实现数据采集与实时预处理功能，实现了时间效率和存储效率的极大提升，是GNSS‑based BiSAR形变检测技术实用化的关键技术储备。

Description

基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法

技术领域

本发明属于双基地合成孔径雷达设计技术领域，具体涉及一种基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法。

背景技术

基于全球卫星导航系统的双基地合成孔径雷达(Global Navigation SatelliteSyetem-based Bistatic SAR，GNSS-based BiSAR)是利用在轨卫星作为机会照射源，接收机位于近地面双基地SAR系统，其中接收机可以是机载、车载甚至是固定方式。由于导航卫星的独特优势，使得近地面的接收机可以在任意时刻接收至少来自3颗卫星的导航信号，为地球观测提供了多角度，低成本，可扩展的观测手段。同时导航卫星的地重轨特性，对区域连续监测，地质灾害的近实时预报提供了可能。

但是，从当前公开资料显示，由于导航信号为窄带信号，现有的GNSS-based BiSAR数据采集系统普遍采用50MHz/100MHz采样率，同时积累时间为300s～600s甚至是900s。以典型值100MHz、600s积累时间为例，来自场景的回波原始数据大小约为112Gb，为了实现时间和频率同步，接收来自卫星的直达波原始数据大小同样为112Gb，总数据量约为224Gb。如果对数据进行传统的后处理，主要需要经过数据的转存，格式转换，直达波跟踪，距离向脉冲压缩和方位向聚焦等环节，这些环节总共耗时在数小时以上。连续时间观测下，数据量与处理时间将呈现线性增长关系，在这种情况下，庞大的原始数据量和耗时巨大的数据后处理极大降低了该系统在区域连续监测上的实时性，严格限制了该系统的实际应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目标是突破这些限制，将现有的GNSS-based BiSAR后处理算法与导航算法相结合，提供了一种基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法，该方法能够实现数据采集与实时预处理功能，实现了时间效率和存储效率的极大提升，是GNSS-based BiSAR形变检测技术实用化的关键技术储备。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法，包括两方面，一方面，通过对直达波数据进行实时跟踪处理，提取导航电文，并解算卫星当前位置；另一方面，对回波数据以直达波处理同样参数实现载波剥离和时间同步，进行距离向脉冲压缩处理，对脉压数据进行有效截断。

进一步地，本发明的具体过程为：

步骤一、直达波和回波载波剥离：

以直达波为参考，通过采样量化、捕获、跟踪获得多普勒频率；利用多普勒频率对直达波和回波进行二次下变频，实现载波剥离；

步骤二、直达波与回波时间同步及直达波电文提取：

经过载波剥离后直达波信号经过码环与本地生成的伪随机码进行自相关，相关累积结果送入鉴别器得到导航电文，利用相关累积位置对经过载波剥离后的回波进行处理，实现直达波与回波时间同步；

步骤三、回波脉冲压缩及有效截断：

本地伪码经过低通滤波、降采样后得到参考信号；时间同步后的回波信号经低通滤波、降采样后，与参考信号进行脉冲压缩后在进行有效截断；

最终获得截断后的脉压数据、导航电文及根据导航电文进一步获得卫星位置，上述信息用于最终的雷达成像。

有益效果：

本发明针对现有的导航卫星双基地合成孔径雷达数据采集与处理进行优化设计，将导航领域和合成孔径成像领域的算法相结合，对采集的实时数据流实现直达波捕获跟踪的同时传出关键性参数(多普勒频率、相关累积位置)，利用关键参数对回波进行相应的预处理，提升了整个处理流程的效率。在不损失有效信息的同时，仅保留直达波处理的关键参数和有效截断后的回波脉冲压缩数据，大大降低了数据量，对扩展导航卫星双基地合成孔径雷达系统在形变监测领域的实际应用有重要意义。

本发明对推广导航卫星双基地合成孔径雷达在区域性形变监测应用具有重要意义。

附图说明

图1为GNSS-based BiSAR实时预处理系统构型图。

图2为GNSS-based BiSAR实时预处理系统工作流程图。

图3为GNSS-based BiSAR实时预处理系统上位机软件界面。

图4为GNSS-based BiSAR实时预处理板卡样机图。

图5为GNSS-based BiSAR实时预处理系统测试验证级联图。

图6为预处理系统脉压结果与原始数据处理脉压结果比较图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

为了解决前面提到的数据量大以及数据后处理周期长的问题，提出一种基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法，该方法包括两方面，一方面，通过对直达波数据进行实时跟踪处理，提取导航电文，并解算卫星当前位置；另一方面，对回波数据以直达波处理同样参数实现载波剥离和时间同步，进行距离向脉冲压缩处理，对脉压数据进行有效截断，该方法能够实现时间效率和存储效率的提升。

该方法可基于FPGA与DSP板卡实现，硬件具体构型如图1所示。导航接收模块直接接收射频信号，实现直达波天线的定位并向实时处理板卡提供授时。中频接收机对直达波和回波信号一次下变频后，将中频信号输入至板卡进行数据采集与实时预处理。板卡内部的PFGA模块对模数转换后的信号执行实时预处理，FPGA的处理结果经由DSP模块中的以太网口传输至上位机进行存储。

本发明一种基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法，该过程在下位机实现，具体处理过程如图2所示，

步骤一，载波剥离(二次下变频)：以直达波为参考，通过采样量化、捕获、跟踪获取多普勒频率，用于实现载波剥离。具体地：

中频接收机一次下变频后的中频信号，经过实时处理板卡的ADC实现模拟信号到数字信号的转换。在理想情况下，转换后的直达波和回波信号可建模为：

其中，下标dir与echo用于区分直达波和回波；τ_d为导航信号传播延时；A表示接收信号的振幅；C_A(t)表示卫星发射的伪随机码；D(t)为调制在信号上的电文；f_IF为中频频率；f_d为多普勒频率；若考虑时间误差与相位误差，式(1)可进一步表示为：

其中，t′＝t-τ_err为接收机本地时间，星上时和本地时的偏差用τ_err表示；除此以外，f_c为载波频率，相位中多出了

表示传播过程中非理想因素说引入的相位误差，包括了电离层相位误差，大气相位误差，接收机噪声相位误差等。

实时处理板卡对直达波S_dir(t′-τ_{d_dir})进行捕获、跟踪处理，获取多普勒频率f_d，将f_d作为参数输入到实时处理板卡内部的载波跟踪环路实现直达波的载波剥离(二次下变频)，经过载波剥离后的直达波可表表示为：

S_{dir_base}(t′-τ_{d_dir})＝A_dir·C_A(t′-τ_{d_dir})·D(t′-τ_{d_dir})·exp(jφ) (3)

其中，φ表示载波剥离后的相位残差。

利用多普勒频率对中频回波进行同直达波一样的载波剥离，得到的信号表示为：

可见，经过载波剥离以后，回波以直达波的相位为参考实现了相位同步。

步骤二：时间同步与直达波电文提取；

经过载波剥离(二次下变频)后，直达波信号经过码环与本地生成的伪随机码进行自相关，生成的随机码由用户指定。经过相关后的直达波信号可表示为：

S_{dir_corr}(t′-τ_{d_dir})＝A_dir·p(t′-τ_{d_dir})·D(t′-τ_{d_dir})·exp(jφ) (5)

其中，p(·)表示伪随机码的自相关函数。

由于伪随机码是一个周期信号，快时间可表示为t′＝nT_CA+t_s，实际情况下，对实时数据流按照伪随机码进行周期性的截断以实现二维划分(即周期性的截取)，得到：

S_{dir_corr}(t_s,n)≈A_dir·p(nT_CA+t_s-τ_{d_dir}(n))·D(nT_CA+t_s-τ_{d_dir}(n))·exp(jφ) (6)

其中，n∈(1:N_a)表示伪随机码的周期数，称为慢时间，N_a表示方位向PRT个数；划分后的延时τ由慢时间决定。

经过相关积累结果经过鉴别器提取出直达波信号中的导航电文，也就是式(6)中的D(·)，再解算出卫星位置。

同理，经过二维划分后的回波以直达波的伪码起始点τ_{d_dir}(n)进行对齐实现时间同步，得到时间同步后的回波信号表示为：

至此已经实现了以直达波为参考的回波时间和相位同步。

步骤三：回波脉冲压缩：包括了数据降采样，脉压信号有效数据截断。

时间同步后的回波信号经低通滤波器后进行数据降采样，然后与本地伪码经过低通滤波、降采样后得到的参考信号进行脉冲压缩，得到的信号表示为：

由于合成孔径雷达所探测的距离是相对确定的，因此可以根据探测距离对脉冲压缩后的数据进行有效截断，将截断后脉压数据和导航电文、卫星位置等有效信息打包发送给DSP，再由DSP透传至上位机实现存储。

上述获得的数据(截断后的脉压数据、导航电文、卫星位置)提供给GNSS-bsardBiSAR软件进行方位向处理实现成像。

与该下位机连接的上位机用于实现主要提供了监控显示与用户配置等交互功能。该部分主要属于上位机端，用于辅助GNSS-based BiSAR实时预处理技术与系统的实现。上位机软件除了基本的系统控制功能，如启停、状态监视、自动采集等功能外，用户还可配置PRN来采集指定卫星的数据，同时每次数据采集时将实现直达波天线的定位。具体的上位机软件界面如图3所示。

基于上述技术方案，课题组已开发了GNSS-based BiSAR实时预处理板卡，预处理板卡成品如图4所示。使用现有的数采器与实时处理板卡级联，构建的验证级联情况如图5所示。基于图5的验证构型，进行了实测数据的采集与处理，实测数据脉压的验证结果如图6所示，该结果验证了所提出技术与系统的正确性。

处理过程中提升的性能分析如下：数采器使用16bit量化，那么单位时间的数据量K表示为：

考虑到导航信号是窄带信号，距离分辨率无法通过后期处理改善，现有的方式是通过增加积累时间，提高方位向分辨率，假定积累时间t＝600s，单次数据采集双通道总数据量为：

S＝2Kt＝2×191MB/s×600s≈224GB (10)

可见单次实验需要存储的数据量达到了200GB这个量级，对于存储设备的容量要求非常大，同时通过公式(10)可以得出数据量大小与积累时间成正比关系。采用本发明提供的导航卫星合成孔径雷达数据采集与实时预处理技术，可以三个通道并行处理，所采集的三通道数据大小仅为3.5GB左右，存储效率提升约98.4％。对于数据处理周期而言，在主频为2.2GHz的CPU，matlab2017b环境下，对现有设备采集的600s原始数据进行后处理，数据经过22MB/s的速度由flash板卡转存至硬盘耗时约10400秒，直达波跟踪耗时约3000秒，直达波与回波距离向脉压并行处理耗时约8800秒，除去后续方位向处理，当前总耗时约为22200秒，加上数据采集时间一共约22800秒。采用本发明开发的实时预处理技术，当数据采集完成时已经实现数据存储，直达波跟踪，回波距离向脉压处理，可见单通道时间处理效率提升约97.3％。如果考虑三通道，原始数据在跟踪和距离向脉压时间上应当是当前统计时间的3倍，计算可得三通道下时间处理效率提升约98.7％。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法，其特征在于，包括两方面，一方面，通过对直达波数据进行实时跟踪处理，提取导航电文，并解算卫星当前位置；另一方面，对回波数据以直达波处理同样参数实现载波剥离和时间同步，进行距离向脉冲压缩处理，对脉压数据进行有效截断。

2.根据权利要求1所述基于导航卫星的合成孔径雷达数据实时预处理方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一、直达波和回波载波剥离：

以直达波为参考，通过采样量化、捕获、跟踪获得多普勒频率；利用多普勒频率对直达波和回波进行二次下变频，实现载波剥离；

步骤二、直达波与回波时间同步及直达波电文提取：

经过载波剥离后直达波信号经过码环与本地生成的伪随机码进行自相关，相关累积结果送入鉴别器得到导航电文，利用相关累积位置对经过载波剥离后的回波进行处理，实现直达波与回波时间同步；

步骤三、回波脉冲压缩及有效截断：

本地伪码经过低通滤波、降采样后得到参考信号；时间同步后的回波信号经低通滤波、降采样后，与参考信号进行脉冲压缩后在进行有效截断；

最终获得截断后的脉压数据、导航电文及根据导航电文进一步获得卫星位置，上述信息用于最终的雷达成像。

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