分布式衛星SAR相位同步的實現方案及試驗驗證

李世強 禹衛東

(中國科學院電子學研究所航天微波遙感系統部 北京 100190)

1 引言

分布式衛星合成孔徑雷達(SAR)系統由兩顆或兩顆以上的衛星構成，其中一顆衛星(主星)發射雷達信號并接收回波，其它衛星(輔星)只被動接收回波信號。分布式衛星SAR系統容易形成較長且穩定的基線，特別適用于高精度干涉SAR(InSAR)測高應用。

在分布式衛星InSAR系統中，主星和輔星成像后各自生成單視復圖像，對兩幅單視復圖像進行相干處理，不同地形高度在干涉圖中反映為不同的干涉相位，通過對干涉相位的分析可以獲得地表的高程數據[1]。理想情況下要求干涉相位中僅包含地形高度引入的成份。實際上，由于主星與輔星各自采用不同的晶振，它們的回波信號中會存在由晶振頻率偏差和相位噪聲等引入的相位誤差，因此，為了保證分布式衛星SAR系統的正常工作，需要解決衛星之間的相位同步問題。文獻[2]討論了分布式SAR對雷達基準頻率信號相干性的特殊要求(不同于單站SAR)，文獻[3]討論了頻率源相位噪聲在分布式SAR中引入相位誤差的機理，并提出了分布式SAR相位同步方案的初步設想，在此基礎上，文獻[4]提出了用于TanDEM-X的相位同步實現方案，該方案在測量相位同步誤差的過程中，采樣頻率遠小于兩顆衛星的雷達載波頻率差，造成相位誤差提取過程中出現模糊，增加了相位誤差提取和補償的難度。

本文提出了一種分布式衛星SAR相位同步的改進方案，采用基于GPS馴服晶振的雙向對傳相位同步脈沖的方案，經過GPS馴服后雷達載波頻率差小于 1 Hz，使得相位誤差測量過程中的采樣滿足Nyquist定理，可大大簡化相位同步誤差提取和補償的復雜性，提高了相位同步的可靠性。本文在介紹相位同步實現方案的基礎上，分析了影響相位同步性能的因素，討論了相位同步工程實現需要解決的幾個問題，通過地面試驗驗證了本文方案的性能。

2 相位同步實現方案

在分布式衛星SAR系統中，主星與輔星雷達載波的頻率偏差和相位噪聲將影響分布式 SAR成像以及干涉處理的性能，為了實現主星與輔星的相位同步，需要在主星與輔星之間建立一個共同的雷達載波相位參考，使得主星與輔星的雷達載波相位都與這一參考相位相同或接近。為此可以考慮在主星與輔星之間建立一個相位同步鏈路，通過對主星與輔星的雷達載波相位的雙向對傳，輔以相位補償處理，可在成像處理前實現相位同步。

2.1 相位同步方案原理

在分布式衛星SAR中，造成主星與輔星相位同步誤差的主要因素是雷達載波的頻率偏差和相位噪聲，從原理上來說，只要通過雷達載波的雙向對傳，獲得主星與輔星的頻率差和相位噪聲信號(如圖1所示)，用它補償輔星接收回波，即可實現相位同步。圖中f1和f2分別為主星與輔星的雷達載波頻率，Δf為主輔星頻率差。

圖1 主輔星載波譜及補償信號譜

根據以上原理，Younis等人[5,6]提出了一種相位同步實現方案，用于TanDEM-X系統中，即在SAR工作過程中，雙向對傳相位同步信號，解調后隨原始數據下傳，地面處理時提取相位同步誤差，補償輔星回波實現相位同步。這種方案中主星與輔星雷達基準頻率源各自獨立采用高穩晶振，由于晶振頻率準確度一般在 1 0-6量級，使得主星與輔星的X波段雷達載波頻率差有可能接近20 kHz，遠大于同步脈沖重復頻率。而同步脈沖雙向傳輸過程相當于是用同步脈沖重復頻率fsyn對相位同步誤差信號進行采樣，使得相位誤差提取比較復雜，需要實時測量主星與輔星的頻率差，據此進行相位解模糊[7]。

本文在以上相位同步方案基礎上，提出一種改進方案，即基于GPS馴服晶振的相位同步脈沖雙向對傳方案，同步方案要點如下：

(1)主星與輔星的基準頻率源采用 GPS馴服晶振，由于 GPS衛星上采用的原子鐘頻率準確度在10-12量級以上[8]，使得馴服后主星與輔星雷達載波頻率差足夠小。

(2)采用同步喇叭天線在主星與輔星之間交替傳輸相位同步脈沖信號，在同步脈沖傳輸過程中，正常的雙站SAR數據錄取被周期性打斷，雷達發射信號從SAR主天線被切換到同步喇叭天線，主星發射的同步脈沖被輔星上的同步喇叭天線接收并采集，之后輔星經過適當延時再向主星發回一個同步脈沖信號，完成一個同步脈沖交互周期，如此循環往復直到成像結束。

(3)主星與輔星對各自接收的相位同步脈沖分別進行解調和數據采集，獲得的同步脈沖數據通過數傳系統下傳地面，地面處理中提取相位同步誤差，補償輔星回波，完成相位同步。

相位同步過程中的時間關系如圖 2所示。在t時刻，衛星1發射相位同步脈沖信號，經過傳播延遲τ12后被衛星2接收。經過系統內部延遲τsys后衛星2在t+τsys時刻發射同步脈沖，經傳播延遲τ21后被衛星1接收，以上過程在雷達開機時間內以同步脈沖重復頻率fsyn反復進行。

圖2 相位同步的時間關系

[9]可知，同步脈沖重復頻率一般可取為10 Hz左右，采用GPS馴服晶振后可保證主星與輔星的X波段雷達載波頻率差小于1 Hz，從而使同步脈沖重復頻率對相位誤差的采樣滿足 Nyquist采樣率，大大簡化地面處理中相位同步誤差的提取難度，這正是本文方案優于Younis等人方案的特征之一。

GPS馴服晶振將石英晶體振蕩器優良的短期穩定特性和GPS信號良好的長期穩定特性結合起來，GPS馴服晶振的原理如圖3所示。馴服電路實際上是一個鎖相環，被馴晶振的輸出經過分頻整形后產生秒脈沖(PPS)信號，將其與 GPS接收機輸出的PPS脈沖比相得到相位差，對該相位差進行數字濾波，并經D/A轉換后得到誤差電壓，控制被馴晶振的壓控端實現頻率調整。

2.2 相位同步性能分析

圖3 GPS馴服晶振原理框圖

根據前述相位同步實現方案，相位同步鏈路的硬件模型如圖4所示。從圖中可以看出，在相位同步脈沖傳輸過程中，造成相位變化的因素包括：發射和接收端的基準頻率差Δfi，相位噪聲n?i，發射通道和接收通道的相位抖動?sysTi與?sysRi，同步喇叭天線相位方向圖引入的相位變化?anti，接收機噪聲引起的相位誤差?SNRi，主星與輔星相對運動的多普勒效應引起的相位變化2πΔd/λ等，其中i=1或2分別代表主星或輔星。

若令主星與輔星的雷達載波頻率為fi=f0+Δfi，其中f0為標稱頻率，Δfi為衛星i的頻率偏差。則t時刻衛星i的雷達載波相位為

其中?0i為衛星i的雷達載波初相，n?i為載波相位噪聲。

圖4 相位同步鏈路的硬件模型

提取補償相位的目的是獲取主星與輔星頻率偏差和相位噪聲引起的相位同步誤差，在此過程中引入的其它相位將成為影響相位同步性能的干擾相位。從式(2)中可知，第3項為主星與輔星頻率偏差形成的相位差，第5, 6項是相位噪聲形成的相位差，這些正是補償輔星回波相位，實現相位同步需要的成分。其它項均是在雙向同步脈沖傳輸過程中引入的額外相位誤差，將形成相位同步后的剩余相位誤差。其中第7項為接收機噪聲引入的相位誤差，第8, 9項為雷達收發通道相位抖動引入的相位誤差，第10, 11項為一次相位同步脈沖對傳過程中，主星與輔星相對位置發生變化而又同步喇叭天線方向圖引入的相位誤差，式(2)等號右邊第1項為由衛星相對運動的多普勒效應引入的相位誤差。

根據分析，同步天線方向圖引入的相位誤差遠小于1°，可以忽略；根據工程經驗，雷達收發通道的相位抖動一般可以控制在1°以內，對相位同步性能影響也較小[10]；當衛星相對運動的速度穩定或變化不大時，多普勒效應引入的相位近似為常數，對相位同步性能影響較小，因此影響相位同步性能的主要因素將是接收機噪聲。

2.3 相位同步方案的工程實現

在相位同步方案的工程化實現過程中，需要考慮以下幾個問題，即相位同步脈沖定時的設計、同步脈沖的增益控制策略，以及同步脈沖的數據壓縮考慮。

(1)相位同步脈沖的定時設計 在相位同步脈沖傳輸時，雷達信號需要從SAR天線切換到同步喇叭天線，為了給信號通路切換和天線狀態切換留出足夠的時間，需要同步脈沖發射時刻滯后于對地發射探測脈沖的時刻，同時控制數據采集起始的定時脈沖也與采集地面回波的時刻不同，因此需要定時信號周期性改變脈沖出現時刻。

(2)相位同步脈沖的增益控制 星載 SAR接收地面回波時，考慮到不同地物后向散射特性的不同，需要采取增益控制措施保證接收通道增益與回波信號電平匹配。相位同步脈沖傳輸時，由于主星與輔星相對距離和相對角度的變化，使得接收信號也會發生變化。考慮到雷達一次開機期間衛星之間距離變化不大，并且相位同步信號傳輸鏈路始終位于同步喇叭天線的3 dB波束寬度內，使得同步脈沖信號電平變化范圍不大，因此可以采用固定增益實現同步脈沖的接收。

(3)相位同步脈沖的數據壓縮 星載 SAR接收地面回波時，一般會對回波數據采用分塊自適應量化(BAQ)算法進行壓縮以降低數據率。BAQ是針對SAR原始數據零均值高斯分布的統計特性專門設計的壓縮算法，對SAR原始數據的壓縮性能較好。而相位同步脈沖在距離向只有一個脈沖的時間寬度，而且其幅度的統計特性與地面回波不同，因此不宜采用 BAQ壓縮算法。考慮到同步脈沖傳輸時之需要采集一個脈沖寬度的數據，每個脈沖的數據量小于地面回波，因此可以考慮對相位同步脈沖不做數據壓縮，直接下傳。

3 相位同步性能驗證

按照以上相位同步方案，研制了具有相位同步功能的主星與輔星的X波段雷達中央電子設備，開展了相位同步的地面驗證試驗。試驗中首先測試了基于 GPS馴服晶振的主星與輔星射頻基準頻率的準確度，之后將兩套中央電子設備之間的相位同步鏈路連接好，開展了相位同步性能的測試。

測量 GPS馴服晶振的頻率準確度時，將 100 MHz的GPS馴服晶振信號通過中央電子設備的基準頻率源倍頻到射頻基準頻率9300 MHz，待GPS馴服晶振鎖定并穩定一段時間后，利用頻率計測量倍頻后的信號頻率，共獲得5組測量數據，每組測量數據大約為半小時的測量結果，圖5給出了各次測量結果的變化曲線，表1給出了5組測量結果的統計值，從表中可知，經過GPS馴服后，X波段的基準頻率偏差小于1 Hz，這位相位同步誤差的提取奠定了較好的基礎。

圖5 X波段基準頻率的測量結果

測試相位同步性能時需要的設備及其連接關系見圖6所示。利用發射的LFM信號經過衰減后分別模擬回波信號和相位同步脈沖信號，對記錄的雷達數據進行分析后可以獲得相位同步性能：圖7為主星和輔星回波相位歷程，其中實線為主星回波相位歷程，虛線為輔星回波相位歷程。從圖中可以看出，由于主星為自發自收工作，其相位基本不隨時間變化，而輔星接收信號是由主星發出的，其相位隨時間波動。從圖8可看出，補償相位的變化歷程能夠較準確地反映主輔星相位歷程差的變化趨勢；圖 9給出了主輔星相位歷程差與補償相位歷程的比較，以及利用補償相位補償輔星回波相位后剩余的相位同步誤差，其中圖9 (a)中實線為補償相位，虛線為回波相位差，可以看出，補償相位曲線與主輔星回波相位差曲線變化趨勢非常接近，說明補償相位可以較準確地補償相位同步誤差；圖9(b)是相位補償后的剩余相位同步誤差，補償后剩余的相位同步誤差小于5.5°，可以滿足分布式衛星SAR系統的需求。

4 結論

實現主星與輔星雷達信號的相位同步是分布式衛星SAR正常工作的前提之一，為了簡化地面處理中相位同步誤差提取和補償的復雜度，本文提出了一種相位同步的改進方案，分析了影響相位同步性能的因素，討論了工程實現時需要考慮的幾個問題，最后通過地面試驗驗證了本文提出方案的性能。

表1 5組測量結果的統計值(Hz)

圖6 相位同步性能測試框圖

圖7 主星和輔星回波相位歷程

圖8 主輔星回波相位差與補償相位歷程

圖9 相位同步后的剩余相位誤差

參 考 文 獻

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