基于导航卫星差分干涉SAR的通道间相位误差消除方法与流程

本发明属于双基地合成孔径雷达技术领域，具体涉及一种基于导航卫星差分干涉sar的通道间相位误差消除方法。

背景技术：

基于导航卫星的差分干涉sar(differentialinterferometricsarbasedonglobalnavigationsatellitesystem,gnss-dinsar)是空地双基地sar的一种典型应用，该系统使用在轨导航卫星作为外辐射源，近地面部署静止接收机构成双基地sar系统，具有高数据率、低成本和易于部署等优点。同时导航卫星星座资源丰富，如在轨的北斗，gps，glonass，galileo等，且有全球覆盖和短时重访的特性，能够提供多角度数据集与丰富的空时资源。

目前，在形变监测方面，gnss-dinbsar系统仍处于理论研究阶段。对于实际情况而言，在gnss-dinsar系统干涉图像采集的过程中，随着时间的推移，同步的直达波信号链路与回波信号链路之间存在着随机的相位误差，随机相位的跳变会严重影响后续形变反演处理，导致形变反演精度差，甚至无法准确获取形变信息量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于导航卫星差分干涉sar的通道间相位误差消除方法。该方法主要利用回波天线背瓣直达波信号与主瓣信号的链路一致性，通过提取原点成像结果的相位，对场景目标进行补偿，消除通道间链路相位误差对干涉相位的影响。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于导航卫星差分干涉sar的通道间相位误差消除方法，具体过程为：

同步提取直达波背瓣信号成像的相位，将其与回波主瓣信号成像的相位进行差分处理，消除通道间的相位误差；

利用差分后的相位对场景进行形变反演，得到场景图像。

进一步地，本发明所述回波主瓣信号相位为

其中，表示回波天线主瓣可获取的载波相位，表示直达波天线背瓣可获取的载波相位；

所述回波背瓣信号相位

其中，表示回波天线背瓣可获取的载波相位。

本发明具有如下有益效果：

该方法对回波天线背瓣的直达波信号进行利用，以回波天线背瓣信号成像后提取的相位作为参考，消除了由通道间随机相位带来的干涉相位抖动情况，降低了后续形变反演的难度，为高精度形变量获取提供了前提，对gnss-dinsar的实际应用有着重要作用。

附图说明

图1为基于强点的gnss-dinsar系统拓扑构型。

图2为本发明所举实施例的验证试验拓扑构型。

图3为本发明所举实施例的试验设备：转发器(左)，接收天线(右)。

图4为本发明所举实施例的bp成像结果。

图5为通道间误差消除前的转发器干涉相位。

图6为通道间误差消除后的转发器干涉相位。

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。

基于导航卫星的差分干涉sar由在轨的导航卫星和近地部署的接收系统组成，其中接收系统包括全向天线、喇叭天线等设备。全向天线用于接收卫星的直达波信号，实现导航电文提取、卫星位置解算、场景反射波时频同步等处理；喇叭天线作为定向天线，接收来自场景的反射波，最终实现场景数据采集，整个系统的构型如图1所示。

以波长为单位的接收机载波相位观测方程可以表示为

φ＝λ^-1(r+c(δtu-δt^(s))-i+t)+n+εφ(1)

其中，λ为载波波长，r为伪距，δtu表示接收机u本地时与标准gps时之间的误差，δt^(s)表示标号为s的卫星时于gps时之间的误差，i与t分别表示电离层延时与对流层延时，n为周整模糊度，表示观测相位和实际相位之间相差的2π的整数倍，对成像聚焦不造成影响，εφ为测量过程中的相位误差。

因此，根据实际情况，直达波天线与回波天线背瓣接收到的导航信号载波相位观测结果可以分别表示为

其中，uhc表示接收机直达波通道(hc)，urc表示接收机回波通道(rc)，urcb表示喇叭天线背瓣，上标(i)对应当前上空所见的第i颗卫星。例如，表示卫星i在接收机直达波通道下的斜距，其余变量定义类似。

假定场景中有任一目标r，且距原点(直达波天线位置)距离为b，那么目标处的可获取的相位可建模为：

其中，下标r表示变量针对目标r而言，例如和分别表示卫星i到目标r经历的电离层延时和对流层延时，εr表示目标独有的电磁散射特性所引入的延时相位，其余变量定义类似。

因此，在接收端的回波天线主瓣可获取的载波相位为

其中，bur表示接收机和转发器之间的基线长度，表示传播过程中引入的额外大气相位。通过观察可以发现，公式(5)中保持和公式(3)中的一致，为接收机回波通道(rc)时间误差。和的区别在于接收信号的传播链路不一样，但由于是共用rc通道，因此噪声、时间误差均保持一致。

背瓣信号和主瓣信号在时间支持域上有部分重合，其相位是耦合在一起的，经过脉冲压缩处理之后，不同距离处的目标在一维距离上可以实现分离，在方位向聚焦之前，通过直达波提取的参考相位进行相位补偿处理。根据公式(2)(3)(5)，经相位同步处理后的回波主瓣信号与背瓣信号相位可表示为

与：

其中，为斜距引入的相位表达结果，与传统bp算法推导的结果一致。对于而言，实际数据采集的过程中，全向天线和喇叭天线并不完全重合，对于同一颗卫星而言，该项可近似认为是一个不为零的定值，并不会对聚焦造成影响。

各项误差之差为

不同的周整模糊度n经过差分处理之后依旧为2π的整数倍，仍然对聚焦无影响。式(6)(7)中的公共项为rc和hc通道与gps标准时的不同偏差引入的通道间相位误差，具体表示为

在单次数据采集中，可以认为这个误差保持恒定，但是在实际gnss-dinsar干涉数据连续采集的过程中，该误差会随着时间改变，对干涉结果造成影响。现有的干涉处理中，未考虑长时间数据采集下通道间相位随机误差，所提取的干涉相位跳变严重，导致后续反演形变精度低甚至不能得到有效的形变反演结果。

基于此，本发明针对gnss-dinbsar系统长时间数据采集下存在的通道间相位随机误差提出了一种消除通道间相位随机误差方法：对传统成像处理中抑制的直达波背瓣信号加以利用，提取其成像后的相位作为参考，与场景成像后提取的相位进行差分处理，实现通道间相位误差消除。

根据式(6)(7)差分得到

其中，依旧为一个整数，周整模糊度在整个gnss-dinsar处理的过程中，都是2π整数倍，不会对成像以及干涉造成影响。

从公式(10)可见，以回波天线背瓣信号为参考进行相位差分后，通道间的相位误差得到了消除，不会对后续的干涉相位造成影响，从而提高干涉相位准确度。具体的实施例如下：

步骤一、实验设计与数据采集

本实施例于北京理工大学10#楼楼顶搭建了接收系统，在场景中布置了转发器，构造人为强点目标，以bd-2igso1作为发射源，从2019年4月30日起进行了10天的数据采集。本实施例的验证试验拓扑构型如图2所示，试验设备如图3所示。在gnss-dinsar系统中，人为构建转发器模拟强点目标，通过高精度位移台进行控制，模拟实际目标的形变进行辅助测量，既可以对场景形变结果进行定标，也可以进一步验证该应用于实际场景检测的可行性。

步骤二、目标相位提取

本实施例的回波数据bp成像结果为图4所示，图示包括转发器和原点区域，其中原点处的成像结果是由喇叭天线背瓣直达波聚焦而成。

提取相位进行同步处理。在现有处理中，使用直达波对回波进行时间和相位同步，时间同步就是保持码相位对齐，而相位同步做的是单差。以直达波作为参考进行相位同步后，转发器处提取的相位对应公式(6)的结果，原点处提取的相位则对应公式(7)的结果。

转发器处提取的相位中包含rc和hc通道与gps标准时的不同偏差引入的通道之间的相位误差，如公式(9)所示。

在实际gnss-dinsar干涉数据连续采集的过程中，该误差会随着时间改变，对干涉结果造成影响。提取转发器3db内的部分点进行干涉处理，得到干涉相位变化情况如图5所示，从干涉结果可以发现，同一个点的干涉结果保持高度的一致性，但是由于rc通道的相位同步参数来自于hc通道直达波，因此干涉相位抖动非常大，需要进行通道间相位误差消除。

步骤三、原点相位提取与通道误差消除

由于在单次数据采集中，可以认为通道间相位误差保持恒定，因此原点处提取的背瓣信号相位也含有和主瓣信号相同的误差。使用原点干涉相位对转发器的干涉相位进行补偿，得到通道相位误差消除之后的转发器干涉相位如图6所示。与误差消除前的图5比较可以看出，经过图像原点相位补偿后，转发器处的干涉相位得到了很好的补偿，干涉相位限制在了0.5rad以内，有效去除了大部分的干涉相位抖动情况，极大程度降低了后续形变反演的难度。

综上，本发明提出一种通道间相位误差消除方法，来去除通道间随时间漂移的相位误差，为后续高精度形变反演提供保障，奠定导航卫星差分干涉sar实际应用的基础。

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。