星载合成孔径雷达的宽带线性调频相位校准方法的验证

⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）490www.elsevier.com/locate/icte星载合成孔径雷达理想宽带线性调频相位校准Kyeongrok Kima，Junghwa Kangb，Jae-Hyun Kima，a韩国，水原市，16499，Ajou大学，电气与计算机工程系b人工智能融合网络，Ajou大学，水原16499，韩国接收日期：2021年7月8日;接受日期：2021年2021年10月5日网上发售摘要随着运载火箭的发展，星载合成孔径雷达（SAR）的数量不断增加。星载合成孔径雷达可以在白天和夜晚获得高分辨率图像，而不管天气如何。由于SAR的分辨率是由啁啾带宽决定的，因此，在考虑SAR系统体积小、重量轻的情况下，高分辨率SAR图像需要相应的宽带啁啾产生技术。因此，理想的啁啾波形生成，这在实际硬件中是一项具有挑战性的任务，提出了一种基于线性调频方程的相位校准方法，并基于Sentinel-1卫星SAR参数进行了验证。该方法被应用到我们的SAR硬件，我们确认校准波形。SAR观测仿真结果表明，该方法具有较好的冲激响应性能。第2021章作者（二）出版社：Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章关键词：小卫星;合成孔径雷达; Chirp脉冲信号;相位校准;冲激响应1. 介绍随着空间技术的发展，低轨道卫星的星座已成为人们关注的焦点[1]。特别是，正在积极开展用于敌方监视和自然灾害监测的卫星机载合成孔径雷达（SAR）观测研究[2]。合成孔径雷达由于利用微波，具有全天候观测的优点。SAR发射和接收可以穿透物质和大气的微波。因此，SAR可以根据波长在任何大气中获取观测数据，例如在SAR任务中，波长和带宽的可用性根据工作频率而变化。特别地，带宽与距离分辨率有关，距离分辨率是波束发射的方向，因此线性调频是SAR系统中用于增加带宽的线性调频之一[3]。利用线性调频脉冲可以提高合成孔径雷达的距离分辨力。但随着∗通讯作者。电子邮件地址：nowhere1104@ajou.ac.kr（K.Kim），kjh990220@ajou.ac.kr（J.Kang），jkim@ajou.ac.kr（J.-H.Kim）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.09.007分辨率越高，系统对噪声就越敏感，并且需要复杂的硬件。此外，为了产生宽带宽，需要高系统时钟，并且在高时钟环境中不可避免地出现系统噪声。此外，当输出高频和宽带宽时，存在由于系统的不稳定性而发生相位失真的问题[4]。在[5，6]中建议了相位失真校正。在[5]中，作者使用理想的啁啾环境模拟了具有窄带宽（例如，在L波段20 MHz）的相位提取。[6]的作者研究了射频频率下的硬件校准，但是他们没有考虑校准的线性调频信号的质量。本文提出了在系统噪声环境下，为产生理想宽带啁啾信号而进行相位校准为了实现理想相位，我们建立了啁啾相位方程，并使用Simulink配置相位累积模块。本文的其余部分组织如下。第二部分介绍了啁啾脉冲的数学分析和实际硬件中的相位校准。第3节提供了校准方法的性能评价。此外，将实际相位与校准相位进行比较。利用实际卫星参数对点目标的冲激响应函数（IRF）进行了仿真分析。最后，在第四部分给出了本文的结论2405-9595/2021作者。出版社：Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。K. 金，J.Kang和J. -H. 金ICT Express 8（2022）490491∼◦τ=×Fig. 1. 使用我们的SAR系统的信号生成（a） （c）和校准（d）、（e）的过程。2. 数学分析在这一节中，我们研究了啁啾整形脉冲，它具有带宽展宽的优势然后是相位失真表1SAR观测参数。项目价值单位海拔707078米速度7594.1米/秒中心频率5.405（C波段）GHz视角30.86 - 35.43（度）脉冲长度52.4048 µs带宽42.7886 MHz线性调频速率1.0782 MHz /µs脉冲重复间隔582.3674 µs采样窗口开始时间372.5084 µs采样窗口长度99.8276 µs降解(e)为了校准所测量的相位失真，频率和相位项可以从（2）公式化，如下：f（t）=f1−f0t+f0，（ 3）φ（t）=1f1−f0t2+f0t+φ0+φcal（t），（ 4）这可能发生在实际硬件中。2τ2.1. 线性调频脉冲信号在常规的雷达系统中，通常采用脉冲信号来检测高速运动的目标，如导弹、军用飞机等。检测精度（δ）可表示为δτc/ 2，其中τ和c分别是光的脉冲宽度和速度。该系统使用短脉冲，可以高精度地识别快速目标，但在硬件实现和开发方面存在挑战。线性调频信号是一种线性调频信号，具有大时间带宽积的特性.使用线性调频脉冲的分辨率公式如下，其中φ0是初始相位，φcal（t）被添加用于相对于时间的相位校准。根据宽带线性调频信号产生中的预失真方法，可以对SAR系统进行定标。使用（2）和Simulink中的几个Xilinx模块，很容易产生啁啾然而，需要考虑FPGA规格的附加功能，特别是系统时钟，以校准相位值。我们在图中精确地测量了相位误差。 1（d）使用测量仪器，并将误差转换为图1中的Simulink值。1（e）.相位误差在整个区间（从f0到f1）表现为一条带噪声的随机曲线。为了从误差曲线中提取抛物线，我们将误差划分为子误差区间。之后，我们使用二阶回归到每个子误差区间。使用提取的系数，预失真块c c加入相位累加阶段，δr=2B=2（f1−f0），（1）其中B是带宽，f1和f0分别是最后和初始频率。在（1）中，频率变化越宽，分辨率越好。啁啾脉冲可以表示如下，可以被优化。3. SAR观测模拟3.1. 观测模拟和相位校准s（t）=exp（jπf1−f0t2）。τ（二）我们采用的是由欧洲航空公司运营的Sentinel-1 SAR欧空局（欧空局）进行合成孔径雷达观测模拟。我们的模拟参数是从Sentinel-1原始数据中提取的[7，8]，如表1所示。哨兵-1观察到2.2. 实际合成孔径雷达系统为了测量啁啾特性，我们开发的SAR系统被使用。SAR系统的尺寸和重量分别小于2U和小于4kg。 图1，硬件使用（a）FPGA（Kintex-7）和（b）DAC（E2 V）产生宽带（500 MHz）线性调频脉冲。然后，它将基带上变频到（c）RF频率，用于（d）测量频谱和相位。虽然仿真结果显示了理想的啁啾脉冲，但硬件输出是用相位失真来测量的。RF不平衡和非线性引起的相位失真会导致信号失真和图像分辨率降低K. 金，J.Kang和J. -H. 金ICT Express 8（2022）490492⊥区域使用几种模式，其中，我们使用干涉测量宽测绘带（IW）模式参数。假设星载SAR对点目标进行观测并合成SAR图像。点目标位于波束区的中间范围。由于SAR的仰角为3.41°，因此距离测绘带宽度为40 km（1个IW），中斜距离为865 km。SAR在飞行过程中向方位角方向（零斜视时的方位角范围）发射波束。包含啁啾脉冲的光束在每个脉冲重复间隔发射，直到合成孔径时间。在我们的仿真中，SAR系统产生失真信号和校准信号，以比较每个脉冲响应函数K. 金，J.Kang和J. -H. 金ICT Express 8（2022）490493−Im∫−−-10日S ∫BbI2（τ）S值），则清除点目标。例如，PSLR在理想sinc函数下测量为13.26 dB。PSLR和ISLR计算如下：PSLR=10log10Is，（ 5）aI2（τ）dτ+一M图二、 实际相位和校准相位的比较。表2根据信号质量的IRF分析结果质量度量方位角范围失真信号PSLR（dB）−15.88 −10.91ISLR（dB）−16.43 −19.18校准信号PSLR（dB）−17.59 −13.23ISLR（dB）−16.54 −19.25的天性. 图2比较实际测量相位（红色）和校准相位（蓝色）。相位失真在整个样本上累积发生。3.2. 点目标IRF在第3.1节中，我们通过处理发射信号和接收信号来获得观测原始数据。然后，利用距离-多普勒算法将原始数据合成为点目标。点目标合成和冲激响应分析结果见图1。3 .第三章。 图图3（a）和（c）是分别使用失真和校准信号观察的点目标。在我们的模拟中，基于卫星的SAR从底部到顶部（y轴）飞行，波束发射到右侧（x轴）。在图3（a）中，如果信号中存在失真，即使使用Sentinel-1参数，结果也显示失真。在使用校准信号的情况下，恢复的点目标显示几乎均匀，如图所示。3（c）. 图图3（b）和（d）是点目标的脉冲响应结果。每个左侧意味着方位角方向上的分析结果，即图3（a）和（c）的y轴。每个右侧显示反映信号特征的距离IRF结果为了定性分析IRF结果，我们使用两个评价指标，例如峰旁瓣比（PSLR）和积分旁瓣比（ISLR）。PSLR将峰值与最大旁瓣进行比较，其中峰值是主瓣，因此比率意味着从主瓣（dB）中减去旁瓣（dB）。ISLR是主瓣功率与第n个旁瓣总功率的比值，其中n定义为用户需求。在我们的评估中，我们计算到第10个旁瓣，因为低于第10个旁瓣的能量可以忽略不计。评估的指标，较小的PSLR和ISLR（即，大绝对值其中Is和Im分别代表旁瓣和主瓣的峰值强度。I2是range（）的幂和。从a到b表示主瓣的3dB宽度，其中3dB宽度表示主瓣的半功率宽度。IRF分析结果和信号质量总结见表2。使用校准信号，旁瓣抑制1.71 dB的方位PSLR和-2.32dB的距离PSLR分别。由于SAR波束发射对距离特性的影响，IRF在距离方向上表现出较差的质量。ISLR在方位角上显示出0.11 dB的小增强，在距离上显示出-0.07 dB的小增强。在高频、宽带方面有进一步的提高。因此，主瓣变得更加清晰，旁瓣噪声被抑制使用所提出的方法。4. 结论本文提出了一种星载合成孔径雷达相位校正方法提出了理想的宽带啁啾产生。我们自己的硬件用于测量失真信号。为了校准相位失真，我们重新配置啁啾生成模块并添加相位校准模块。在SAR观测模拟中，Sentinel-1原始数据参数用于数据可靠性。合成孔径雷达对点目标进行观测，并采用聚焦方法对观测数据进行合成。然后，恢复点目标的IRF方法进行了分析。IRF结果表明，校准信号导致在两个方向上的性能增强。CRediT作者贡献声明Kyeongrok Kim：写作，概念化，方法论，可视化，写作 - 评 论 和 编 辑 。 Junghwa Kang ： Writing ，Conceptualization，Methodology，Visualization. 金在贤：监督，资金收购。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢本研究由韩国科学和信息通信技术部（MSIT）支持，ITRC支持计划（IITP-2021- 2018-0-01424）由IITP监督。I SL R=10log10、（六）K. 金，J.Kang和J. -H. 金ICT Express 8（2022）490494引用图3.第三章。 畸变（a）、（b）和校准（c）、（d）信号的点目标和脉冲响应分析。[5]J. An，H.荣格，H.杨，S.-B. Ryu，H.-C. 李，S.-G. 李，S.-S. 阿勇，[1] S. Marcuccio，S. Ullo，M.卡尔米纳蒂岛Kanoun，小卫星，大星座：地球观测系统的趋势和设计问题，IEEE Aerosp。电子学。系统麦格34（10）（2019）50[2] J. Karvonen ， E. Rinne ， H. Sallila ， M. Mäkynen ， 关 于 ALOS-2/PALSAR-2双极化SAR数据对北极海冰参数估计的适用性，IEEETrans. Geosci.遥感58（11）（2020）7969-7981。[3] Y. Lee，V. Koo，Y. Chan，Design and development of FPGA-basedFFTco-processor for synthetic aperture radar （ SAR ） ， in ： 2017Progress inElectromagnetics Research Symposium - Fall （ PIERS -FALL），2017，pp. 1760-1766年。[4] J. Xia，E. Ng，S. Boumaiza，用于RF预失真系统的RF矢量乘法器的宽带补偿，IEEE Trans. Circuits Syst. II63（11）（2016）1084J. - H. Kim，微小卫星机载合成孔径雷达线性调频信号发生器的开发，在：2015 IEEE国际地球科学与遥感研讨会，IGARSS，2015，pp.3663-3666[6] K.金，J. - H. Kim，X波段SAR相位误差校正的多项式回归预失真，IEEE Geosci。远程传感器字母（2020）1-5.[7] N. Yague-Martínez，P. Prats-Pastola，F. 罗德里格斯·冈萨雷斯河布尔契奇河Shau，D. Geudtner，M.艾内德河Bamler，Sentinel-1 TOPS数据的干涉处理，IEEE Trans. Geosci.远程传感器54（4）（2016）2220-2234。[8] R. Torres，P.Snoeij，D.Geudtner，D.毕比，M.Davidson，E.尝试，P. Potin，B. Rommen，N. 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