一种有源编码辐射定标的信号处理方法 【技术领域】
本发明属于高精度定量遥感技术领域，具体涉及一种有源编码辐射定标的信号处理方法。
背景技术
空间对地观测技术是航天技术的重要研究方向之一，利用卫星的观测可使人类能够充分了解和清醒认识自己的家园。到上世纪末，全世界共发射了五千多颗卫星，迄今为止人们已经获得了大量的微波遥感图像数据，它们被广泛应用于自然灾害预报、资源勘测、导航通讯和军事观察等众多领域，在一定程度上取得了成功的应用。但是在这些实际的应用过程中，大量微波遥感图像的使用却仍处在定性遥感阶段，只能回答“是什么”，不能回答“是多少”的问题。为了解决“是多少”的问题，必须进行微波遥感图像的定量分析。微波遥感图像的定量分析需要建立遥感图像与目标雷达截面积或散射系数之间的定量关系，这种定量关系的确定通过辐射定标方法实现。对遥感图像中每一个像素的灰度值所代表的该分辨单元的雷达截面积进行精确和正确的测定构成了微波遥感图像辐射定标的全部内容。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称为SAR)是一种全天候、全天时高分辨率微波遥感成像系统，SAR的运动轨迹方向被定义为方位向，SAR天线指向方向被定义为距离向。在方位向上，SAR通过载体的运动，将一个小口径的天线合成一个大孔径的天线阵列，从而提高方位向分辨率。在距离向上，SAR发射高稳定度的线性调频(LinearFrequency Modulate，简称为LFM)脉冲并采用脉冲压缩方法，可以提高距离向分辨率。因此，SAR能够获得较高的二维分辨能力，在军事侦察、地理遥感等方面有着广泛的应用。
合成孔径雷达能够得到广泛应用的基础工作之一是SAR辐射定标。为了有效提高SAR辐射定标的精度，近年来基于SAR编码转发器的合成孔径雷达辐射定标技术成为重点研究方向之一。因为SAR转发器对合成孔径雷达发射信号进行了编码处理，所以经过SAR转发器后的编码信号与地物背景信号可以有效分离。当使用与编码转发信号匹配的滤波器进行SAR辐射定标处理时，背景信号就会被抑制。对背景信号的抑制可以提高SAR辐射定标的精度和效率。
为了完成辐射定标工作，需要使用已知雷达截面积的天然或人造目标作为地面标准参考目标。有源编码转发器(Active Coded Transponder，简称ACT)具有较小的物理尺寸，它通过调节其内部放大器的增益获得较大的雷达截面积。虽然有源转发器解决了较小的物理尺寸与雷达截面积之间的矛盾，但是有源转发器过强的转发信号会干扰或压制正常地物的成像，不利于微波遥感图像的正确使用。通过对有源转发器转发信号的编码，可以使作为地面标准参考目标的转发信号从背景杂波中分离出来，大量的地物杂波被抑制掉，有源编码辐射定标信号突出表现出来，可以获得较高的信杂比，大大减弱了地物杂波对辐射定标系数的影响，有利于遥感图像辐射定标精度的提高，同时也降低了对定标场地信杂比的要求。
通过移相器实现脉冲到脉冲之间转发信号的相位编码虽然简单实用，但是这种工作模式要求微波遥感探测器与有源编码转发器之间信号同步。如果不同步，同步误差会影响辐射定标系数的正确提取，最终降低遥感图像辐射定标精度。关于有源编码辐射定标信号编码同步的问题，国外现在使用全球定位系统(Global Positioning System，简称为GPS)解决这一问题，但GPS存在设备成本和自身定位精度的问题。特别是当微波探测系统的分辨率提高后，GPS自身的定位精度往往不能满足高精度辐射定标的要求，关于有源编码辐射定标信号编码同步问题目前仍然是一个关键问题。
【发明内容】
本发明的目的是运用有源编码转发信号的相关特性，实现微波遥感探测器与有源编码转发器之间的信号同步。
本发明提供的一种运用有源编码转发信号相关特征的同步方法的实现过程如下：
步骤一：接收由有源编码转发器发出的有源编码辐射定标信号；
SAR接收到ACT转发地有源编码辐射定标信号。
步骤二：解码有源编码辐射定标信号；
对步骤一接收到的有源编码辐射定标信号进行解码。
步骤三：粗同步处理；
对步骤二中解码后的信号进行循环处理，具体如下：从起始位置开始，依次截取有效合成孔径范围对应的码元长度的信号，然后进入步骤四继续处理。
步骤四：精同步处理；
精同步处理是在考虑到方位向位置上的线性偏离的情况下，把单位合成孔径长度对应的长度平均分成若干部分，每一部分的长度与单位合成孔径长度的比值为选择步长(SelectedOffset Proportion，简称为SOP)；然后依次选取码元内的每一个步长位置为新的方位向起始位置，进行循环处理；接着从这个起始位置开始，以整数倍单位码元长度的方位向位置，重新生成一个新的合成孔径长度的方位向信号，这样就产生了可以动态调整方位向位置的方位向压缩信号；然后再进入步骤五进行处理。
步骤五：多重相关处理；
把步骤四生成的动态方位向信号与步骤三生成的粗同步信号进行相关处理，根据处理后的最大相关值就可以确定SAR方位向位置的准确起始位置，从而实现了有源辐射定标编码信号的同步。
本发明的处理流程的步骤三、步骤四以及步骤五是一个嵌套循环的过程，具体精节如下：
当完成对当次循环中步骤三的处理后，对步骤二的解码信号从下一个位置起，截取相同码元长度的信号并且进行下一次循环中的步骤四的处理。通过这样类似的循环处理，直到遍历完步骤二的解码信号。
当完成对当次循环中步骤三的处理后，依次增加选择步长SOP，选取其它的位置作为新的起始位置，然后按照同样的方法生成新的方位向压缩信号，并且进行下次循环的步骤五的处理。通过这样类似的循环处理，直到遍历了完整的单位合成孔径长度对应的长度。上述技术方案中，粗同步与精同步的相关处理都在多重相关处理中实现。
本发明的优点在于：
(1)运用有源编码转发信号的相关特性可以获得较高的同步精度；
(2)成本低；
(3)硬件实现电路较为简单；
(4)软件处理速度较快。
【附图说明】
图1是本发明所述有源编码辐射定标的信号处理方法流程图；
图2是本发明同步方法示意图；
图3是本发明同步情况下的SAR辐射定标图像；
图4是本发明不同步情况下的SAR辐射定标图像。
【具体实施方式】
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种运用有源编码转发信号相关特征，实现微波遥感探测器与有源编码转发器之间信号同步的方法。
图1所示为本发明有源编码辐射定标的信号处理方法流程图，本发明所述方法包含如下步骤：
步骤一：接收由有源编码转发器发出的有源编码辐射定标信号；
SAR接收到有源编码转发器ACT发出的有源编码辐射定标信号。
根据有源编码辐射定标原理，当使用多个有源编码转发器用于辐射定标时，每个有源编码转发器都有各自的码序列，此时SAR接收到第k个ACT发出的有源编码辐射定标信号sk为
sk=exp[-j4πR(si)λ+jCk(si)π]---(1)]]>
其中，λ是雷达的载波频率；Ck(si)是第k个有源编码转发器中采用的码序列，其为0，1二值序列；R(si)是合成孔径雷达SAR在不同的方位位置s0，s1，...，sN上与有源编码转发器ACT的雷达斜距。
步骤二：解码有源编码辐射定标信号；
对步骤一接收到的有源编码辐射定标信号进行解码。具体步骤如下：
先在本地生成调制转发信号的伪随机序列，然后把生成的伪随机序列循环移位，接着把循环移位后的伪随机序列与步骤二接收到得有源编码辐射定标信号相乘，这样就实现了对有源编码辐射定标信号的解码
对接收到的有源编码辐射定标信号的解码处理存在三种情况：
情况1：单有源编码转发器工作模式，此时系统中只采用一种编码序列Cj(si)
fk1=exp[-j4πR(si)λ],j=k---(2)]]>
其中，fk1是单有源编码转发器情况下的解码后的信号。
情况2：多有源编码转发器工作模式，此时系统中采用多种编码序列Cj(si)
fk2=exp[-j4πR(si)λ+jCk(si)π-jCj(si)π],j≠k---(3)]]>
其中，fk2是多有源编码转发器情况下的解码后的信号。
而背景地物反射信号被解码后的信号为第三种情况：
情况3：背景地物工作模式
fb=exp[-j4πR(si)λ-jCj(si)π]---(4)]]>
其中，fb是解码后的背景地物反射信号。
由于在实际的应用过程中，微波遥感探测器与有源编码转发器会受到环境以及自身因素的影响，从而导致微波遥感探测器与有源编码转发器之间信号不同步。本发明认为微波遥感探测器与有源编码转发器之间信号不同步包括下述两个方面内容：
1)由于设备、环境等因素的影响，有源编码转发器可能在有效合成孔径范围的起始点之前接收到SAR信号并对它进行了相位编码调制，在这种情况下会导致SAR接收到的ACT发出的有源编码辐射定标信号为
s′′k=exp(-j4πR(s′′i)λ)---(5)]]>
其中，R(s″i)是合成孔径雷达SAR在这种误差的影响下，在不同的方位位置s″1，s″2，...，s″N上与有源编码转发器的雷达斜距；s″k是在这种误差的影响下，SAR接收到的ACT发出的有源编码辐射定标信号。
有源编码转发器可能在有效合成孔径范围的起始点之前接收到SAR信号并对它进行的相位编码调制，此时SAR实际接收到的ACT转发的有源编码辐射定标信号的方位向起始位置与有效合成孔径范围内的起始方位向位置之间的间隔距离为单位合成孔径范围对应的距离的整数倍，因此可以用一个整数(Extra Element Number，简称为EEN)来表示，它表示SAR接收到的有效合成孔径范围以外的信号码元个数。
2)由于SAR的应用环境比较复杂，所以在单位合成孔径范围对应的长度中，SAR实际的运动轨迹的方位向位置可能会与理想情况下有偏差，在这种情况下会导致SAR实际上接受到的ACT发出的有源编码辐射定标信号为
s′k=exp(-j4πR(s′i)λ)---(6)]]>
其中，R(s′i)是合成孔径雷达SAR在这种误差的影响下，在不同的方位位置s′1，s′2，...，s′N上与有源编码转发器的雷达斜距；s′k是在这种误差的影响下，SAR接收的ACT发出的有源编码辐射定标信号。
考虑到由于SAR以匀速率运动，所以基本上可以认为实际偏离的方位向位置与理想的方位向位置，在对应的单位合成孔径范围内的偏差是恒定的。因此可以认为在有效合成孔径范围内，SAR实际运动轨迹的方位向位置与SAR理想运动轨迹的方位向位置，在单位合成孔径范围内的偏差与单位合成孔径范围对应的距离的比为恒量，可以用一个小数(OffsetProportion，简称为OP)表示，它表示SAR接收的信号在有效合成孔径范围内方位向位置的偏差。
因此，对于实际应用中SAR接收的ACT发出的有源编码转发信号，以理想的方位向位置为参考，SAR在实际应用中的方位向位置可以由上述的EEN和OP唯一确定，而EEN和OP一旦确定了，就实现了编码同步。
综合上述两种可能的不同步因素，SAR收到的有源编码辐射定标信号应该是
sk′′′=exp(-j4πR(si′′′)λ)---(7)]]>
其中，R(s″′i)是合成孔径雷达SAR在两种误差因素共同作用下，在不同的方位位置s″1，S″2，...，s″N上与有源编码转发器的雷达斜距；s″′k是在两种误差因素共同作用下，SAR接收到的ACT发出的有源编码辐射定标信号。
因此实际情况下，SAR接收到的ACT发出的有源编码辐射定标信号的解码处理，对应的情况如下：
情况1：单有源编码转发器工作模式
f′k1=exp[-j4πR(s′′′i)λ],j=k---(8)]]>
其中，f′k1是实际情况中，单有源编码转发器情况下的解码后的信号。
情况2：多有源编码转发器工作模式
f′k2=exp[-j4πR(s′′′i)λ+jCk(si)π-jCj(si)π],j≠k---(9)]]>
其中，f′k2是实际情况中，多有源编码转发器情况下的解码后的信号。
情况3：背景地物工作模式
f′b=exp[-j4πR(s′′′i)λ-jCj(si)π]---(10)]]>
其中，f′b是实际情况中，解码后的背景地物反射信号。
如果此时对解码信号不进行同步处理，对应上述三种情况下的相关处理结果如下：
情况1：单有源编码转发器工作模式
Σi=-∞+∞exp[-j4πR(s′′′i)/λ]×exp[-j4πR(si+l)/λ]---(11)]]>
情况2：多有源编码转发器工作模式
Σi=-∞+∞exp[-j4πR(s′′′i)/λ+j(Ck-Cj)π)]×exp[-j4πR(si+l)/λ]---(12)]]>
情况3：背景地物工作模式
Σi=-∞+∞exp[-j4πR(s′′′i)/λ-jCj(si)π)]×exp[-j4πR(si+l)/λ]---(13)]]>
从公式(11)的结果可以看到，在没有对信号进行同步处理的情况下，经过相关匹配处理以后，由于本地生成有源编码辐射定标信号与有源编码转发器实际接收到的有源编码辐射定标信号的不同，使得理论上应该是一个有源编码辐射定标信号的自相关变成了两个不同有源编码辐射定标信号之间的互相关，从而会导致生成的SAR辐射定标图像中没有峰值，因而辐射定标精度很低。
综上所述，需要对步骤二中解码后的信号进行同步处理。
步骤三：粗同步处理；
对步骤二中解码后的信号进行循环处理，具体如下：从起始位置开始，依次截取有效合成孔径范围对应的码元长度的信号，然后进入步骤四继续处理。
图2所示为本发明同步方法的示意图，如图2所示，图2中三角点代表合成孔径范围以外的额外码元信号，圆点代表理想的方位向位置上的码元信号，方点代表实际上带有位置误差的方位向位置上的码元信号。对步骤二中解码后的信号从起始位置开始，依次截取有效合成孔径范围对应的码元长度的信号，这样得到当次循环的粗同步信号为：
sc=exp(-j4πR(Si)λ)---(14)]]>
其中，R(Si)是实际情况中合成孔径雷达SAR在不同的方位位置S0，S1，...，SN上与有源编码转发器的雷达斜距；sc是在经过粗同步处理以后，得到截取后的有源编码辐射定标信号。
然后进入步骤四继续处理。当本次循环的步骤四和步骤五完成后，继续对步骤二的解码信号从下一个位置起，截取相同码元长度的信号并且进行下一次循环中的步骤四的处理。通过这样类似的循环处理，直到遍历完步骤二的解码信号。通过粗同步处理以后，就可以确定在第一种不同步因素的影响下，实际的SAR接收到的有源编码辐射定标信号在方位向位置的EEN值。
步骤四：精同步处理；
精同步处理是在考虑到方位向位置上的线性偏离的情况下，把单位合成孔径长度对应的长度平均分成若干部分，每一部分长度与单位合成孔径长度的比值为选择步长SOP；然后依次选取码元内的每一个步长位置为新的方位向起始位置，进行循环处理；接着从这个起始位置开始，以整数倍单位码元长度的方位向位置，重新生成一个新的合成孔径长度的方位向信号，这样就产生了可以动态调整方位向位置的方位向压缩信号，这样得到当次循环的精同步信号为：
sx=exp(-j4πR(Si′)λ)---(15)]]>
其中，R(S′i)是合成孔径雷达SAR在码元内的新方位向位置S′1，S′2，...，S′N上与有源编码转发器的雷达斜距；sx是在经过精同步处理以后，得到的动态调整方位向位置的方位向压缩信号。
然后再进入步骤五进行处理。
通过精同步处理以后，可以确定在第二种不同步因素的影响下，实际的SAR接收到的有源编码辐射定标信号在方位向位置的OP值。
步骤五：多重相关处理；
把步骤四生成的动态方位向信号与步骤三生成的粗同步信号进行相关处理，相关处理的具体方法如下：
Σi=-∞+∞exp[-j4πR(Si)/λ]×exp[-j4πR(Si+l′)/λ]---(16)]]>
其中，R(S′i+l)是R(S′i)在水平方向上移位1后的值。根据相关处理结果中的最大值所对应的粗同步的EEN和精同步的OP就可以确定SAR方位向位置的准确起始位置，从而实现了有源辐射定标编码信号的同步。
本发明的处理流程的步骤三、步骤四以及步骤五是一个嵌套循环的过程，具体细节如下：
当完成对当次循环中步骤三的处理后，对步骤二的解码信号从下一个位置起，截取相同码元长度的信号并且进行下一次循环中的步骤四的处理。通过这样类似的循环处理，直到遍历完步骤二的解码信号。
当完成对当次循环中步骤三的处理后，依次增加选择步长SOP，选取其它的位置作为新的起始位置，然后按照同样的方法生成新的方位向压缩信号，并且进行下次循环的步骤五的处理。通过这样类似的循环处理，直到遍历了完整的单位合成孔径长度对应的长度。
发明的测试系统参数设置如下：雷达的分辨率2.5m＊5m；雷达的速度180m/s；合成孔径的时间4s。
如附图3和附图4所示，可以看出图3的SAR辐射定标图像出现了失焦现象，这是由于有源编码信号的不同步所造成的；而与此对应的图4的SAR辐射定标图像的目标清晰地显示出来。
在不同EEN和OP值的不同步情况下，每组实验都进行了100次，并且选取了不同的SOP值，分别得到EEN和OP值，并对进行同实验结果进行了统计平均处理，具体结果如下：
表2.a.SCR＝20db SOP＝0.001
表2.b.SCR＝30db SOP＝0.001
表2.c.SCR＝40db SOP＝0.001
表3.a.SCR＝20db SOP＝0.0001
表3.b.SCR＝30db SOP＝0.0001
表3.c.SCR＝40db SOP＝0.0001
从表2.a，2.b，2.c以及3.a，3.b，3.c中，可以看到，在不同信噪比(Signal to ClutterRatio＝SCR)的情况下，本文提出的同步方法可以准确的找出EEN，也就是接收到的转发信号的额外码元数，而对于OP来说，从表2.a，2.b，2.c中可以看出，在选取的SOP为0.001的情况下，是可以准确的找到偏差的位置；从表2.a，2.b，2.c中可以看出，而当选取的SOP为0.0001的时候，会出现些许偏差。所以该同步方法的同步精度为0.0001，即允许的SAR的方位向位置误差方位在万分之一以内.
测试实验中使用峰值方法分别仿真不同信噪比情况下两类的不同步因素的共同影响下的SAR辐射定标图像的辐射定标精度(SAR Radiometric Calibration Accuracy，简称为SRCA)，具体的结果如下：
表4.SAR辐射定标精度
SCR(dB) 20 25 30 35 40 45 SRCA(dB) 0.1153 0.0560 0.0163 0.0079 0.0052 0.0127
在实际应用当中当SRCA＜0.5时可以满足要求，从表4可以看到，当SCR＝20时，本发明提出的同步方案的辐射定标图像的辐射定标精度SRCA可以达到0.1153的，完全可以满足实际应用的要求。当随着SCR逐渐增大，本发明提出的同步方案的辐射定标图像的辐射定标精度SRCA还是满足实际应用的要求。