陆地探测一号双基合成孔径雷达相位同步抗干扰｜微课堂

陆地探测一号（LT-1）卫星是国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）中首个启动的卫星研制任务，由A、B两颗先进的多极化多通道L波段合成孔径雷达（SAR）卫星组成，服务于国土、地震、测绘、环境、减灾和林业等多个行业，主要满足全球重点区域形变监测、高精度DEM测量、灾害应急响应、国土测绘、全球森林资源普查、生物量反演和环境等相关领域遥感信息获取的需求。

图1 LT-1卫星SAR干涉测量模式工作示意图

射频干扰影响

目前电磁环境日益复杂，无线电频谱资源日益稀缺。特别是在L波段，SAR与全球导航卫星系统（GNSS）、通信卫星、空管雷达、电视广播系统等诸多电子系统共享同一频段，拥挤的频谱导致频繁的射频干扰（RFI），RFI引起的相位误差则会严重降低相位同步精度。

图2 同步信号受干扰示意图

在LT-1卫星的双基合成孔径雷达（BiSAR）系统中，由于频率稳定度限制，装配在两颗卫星上的时钟源不可避免地存在频率偏差，进而导致双基SAR信号存在方位向上的相位调制，严重影响双基SAR成像质量和DEM精度。因此LT-1卫星选择采用一种先进的非中断相位同步方案，利用雷达回波窗与下一雷达发射窗之间的时间间隙交换同步脉冲信号，通过时分复用的工作模式避免周期性中断数据采集，同时将同步频率提升至脉冲重复频率的一半。

图3 LT-1非中断相位同步方案及典型时序图

不过LT-1卫星同步系统同时会接收到来自空间和地面干扰源发出的RFI信号，其具有能量强、时间长、频点分布广泛等特点。当RFI信号幅度与同步信号相当时，RFI信号引起的同步相位误差随干扰幅度的增加而线性增加，随干扰频率的增加而呈现近似线性调频变化，随干扰相位的增加呈现近似正弦变化；当RFI信号幅度较强时，系统接收信号出现饱和，引起的相位误差较大且趋势难以预料；此外，RFI信号除了对单个同步相位引入误差以外，还可能导致相位解卷绕错误，严重影响BiSAR成像质量。

图4 窄带射频干扰对同步相位的影响机制示意图

PCN干扰抑制算法

近日，中国科学院空天信息创新研究院微波成像技术国家级重点实验室研究团队提出一种有效的PCN干扰抑制算法。第一剖析干扰信号在空间、能量、时间和频率方面的特征，首次演示干扰信号对同步相位的影响机制，基于脉冲压缩的陷波方法（PCN），在LT-1卫星实测同步数据中验证算法的优异性能，最后从同步系统设计层面提供同步抗干扰提议，将RFI对双多基SAR系统相位同步的影响降到最低。

图5 干扰抑制算法流程图

1. 干扰抑制过程

利用研究团队提出的PCN干扰抑制算法，饱和信号经过K-means算法聚类后被舍弃；非饱和信号第一经过加窗的匹配滤波器进行脉冲压缩，而后通过时域陷波器消除同步信号，并采用快速缺失数据迭代自适应（Fast MIAA）方法从陷波后的信号中恢复RFI信号，最后从脉压信号中减除RFI信号以达到抗干扰的目的。

图6 同步信号干扰抑制结果

(a-c)未进行抗干扰，其中(a)、(b)和(c)分别为信号的实部、虚部和时频图，下同；(d-f)频域陷波法（FNF）抗干扰；(g-i)特征子空间投影（ESP）抗干扰；（j-l）脉压陷波法（PCN）抗干扰

图7 同步相位及瞬时频率（相位对时间的导数）

(a)和(b)分别为LT-1A和LT-1B采集的同步相位，(c)和(d)分别为(a)和(b)对时间的导数

图8 研究区域

(a)LT-1采集的BiSAR图像，(b)参考高程（来自SRTM），(c)未进行抗干扰的DEM，(d)PCN方法抗干扰后的DEM

2.相位同步精度提升

PCN干扰抑制算法成功消除同步信号中的干扰成分，避免对干扰信号的误判和漏判，大幅提升相位同步精度。根据仿真数据和LT-1卫星实测数据实验结果表明，经该算法处理后的相位同步精度优于1°、DEM精度优于5m，满足系统设计指标和应用需求。算法现已集成到LT-1卫星高精度相位同步软件中，完成了两万余景BiSAR图像相位同步处理，保障了图像和DEM产品质量。

以上研究成果发表于中国科学院一区Top期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing（地理科学与遥感学报）

发表论文：

[1]Y. Cai et al., “First Demonstration of RFI Mitigation in the Phase Synchronization of LT-1 Bistatic SAR,” in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 61, pp. 1-19, 2023, Art no. 5217319, doi: 10.1109/TGRS.2023.3310613.

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以上内容由微波成像技术国家级重点实验室蔡永华、陆萍萍提供。