双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法及系统。

背景技术

星载SAR具有全天时全天候对海成像探测优势，特别适合大范围探测海面舰船目标。随着星载SAR系统技术的快速发展，成像幅宽从几十公里逐步提升至几百公里，成像分辨率为米级，高分宽幅星载SAR回波信号的数据率将超过100Gbps，难以下传至地面处理，亟需开展新型在轨处理系统技术与高效处理方法研究。

随着小卫星技术的飞速发展，小型化SAR卫星已有20余颗在轨，多颗SAR卫星配备了在轨成像与目标检测识别处理系统，能快速直接提取海面舰船目标切片与位置等信息，大幅提升了SAR卫星的信息时效性。但随着高分宽幅SAR技术的逐步应用，其瞬时回波数据率为小卫星SAR回波数据率的几十倍，对在轨处理系统的硬件平台要求极高。

为了降低在轨处理系统的复杂度，亟需从在轨处理硬件平台的系统优化、在轨处理算法的优化等多个层面进行研究，构建分布式在轨处理系统与方法。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的为提供一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法及系统，具有时效性高、散热性能好、可靠性高等优势，减轻了系统内部的数据传输压力。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法，包括以下步骤：

步骤S1、利用第一分布式处理单元进行在轨处理，确定海面舰船目标，并截取对应的海面舰船目标的回波数据；

步骤S2、将截取到的海面舰船目标的回波数据传输至下一分布式处理单元进行在轨处理，直至第N分布式处理单元完成在轨处理。

根据本发明的一个技术方案，所述第一分布式单元的在轨处理过程包括：

步骤S101、将第一天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号；

步骤S102、将M个高增益回波信号转化为M个二维数据矩阵；

步骤S103、采用距离多普勒成像方法对M个数据矩阵进行SAR成像，获得M幅低分辨率SAR图像；

步骤S104、采用恒虚警概率检测方法对M幅SAR图像进行舰船目标检测，提取出Q

步骤S105、根据Q

步骤S106、将步骤S101至步骤S105中得到的数据传输至第二分布式处理单元。

根据本发明的一个技术方案，所述第二分布式单元至第N分布式单元的在轨处理过程包括：

步骤S201、将第N天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号；

步骤S202、根据上一级分布式处理单元传输的Q

步骤S203、采用恒虚警概率检测方法对Q

步骤S204、采用恒虚警概率检测方法对Q

步骤S205、根据Q

步骤S206、将步骤S201至步骤S105中得到的数据传输至下一级分布式处理单元。

根据本发明的一个技术方案，所述第一分布式处理单元至所述第N-1分布式处理单元的检测虚警率设置为5‰～1％；

所述第N分布式处理单元的检测虚警率设置为0.1‰～1‰。

根据本发明的一个技术方案，在步骤S201中，将第N天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号r

其中，w

根据本发明的一个方面，提供了一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理系统，用于实现如上述技术方案中任一项所述的双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法，包括两颗前后跟飞的第一卫星和第二从卫星，所述第一卫星配置有SAR信号发射系统，用于以宽波束发射宽带SAR信号，覆盖大幅宽海面区域；

所述第二卫星配置有SAR回波信号接收系统、分布式在轨处理系统，所述分布式在轨处理系统用于在轨实时提取大幅宽海面舰船目标信息，分布式在轨处理系统嵌入在SAR回波信号接收系统内部；

所述SAR回波信号接收系统装配二维多通道天线，共由N×P个接收天线子阵组成，沿方位向由N个天线面阵组成，沿距离向由P个天线子阵组成；

沿方位向还设置有N个分布式处理单元，N个所述分布式处理单元与N个所述天线面阵一一对应。

根据本发明的一个技术方案，N×P个所述接收天线子阵的波束指向相同、波束宽度相同、天线增益相同，任一所述接收天线子阵均输出HH同极化回波信号，降低海杂波干扰；

任一所述接收天线子阵均连接一个独立的接收机，对回波信号进行滤波、放大、下变频、滤波、放大、采样量化处理，得到数字域回波信号，记方位向第N天线子阵、距离向第p个天线子阵对应的数字域基带回波信号为s

任一所述接收机采用TLK2711接口将数字域回波信号传输至分布式在轨处理系统。

根据本发明的一个技术方案，相邻两个分布式处理单元之间通过高速串行数据总线连接，传输数据率大于1Gbps，用于逐级传递处理后的回波数据；相邻两个分布式处理单元之间通过RS422串口传输工作参数。

根据本发明的一个技术方案，任一所述分布式处理单元由M+2个FPGA与1个DSP构成，FPGA的工作时钟设置为100MHz～200MHz，DSP的工作时钟大于1GHz，M+2个FPGA与DSP通过GPIO接口连接，传输在轨处理参数，所述DSP用于对M+2个FPGA的各项处理参数进行解算与分配管理。

根据本发明的一个技术方案，任一所述分布式处理单元内编号为M+1的FPGA用于对二维多通道回波信号做数字波束形成处理，形成M个窄波束，获得M个高信噪比信号，r

任一分布式处理单元内编号为1～M的FPGA用于对M个高信噪比信号进行距离向脉冲压缩、方位向相参处理、目标检测、目标回波数据截取处理，任一所述FPGA处理一个高信噪比信号；

任一所述分布式处理单元内编号为M+2的FPGA用于对目标回波数据进行打包、传输与数字波束形成处理参数传递。

根据本发明的构思，提出一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法及系统，首先利用第一分布式处理单元进行在轨处理，完成海面舰船目标初始的检测与识别，初步确定海面舰船目标，截取对应的海面舰船目标的回波数据，将海面舰船目标的回波数据传输至下一分布式处理单元进行在轨处理，直至第N分布式处理单元完成在轨处理，对截取到的海面舰船目标的回波数据采用分布式逐级渐进在轨处理方法，能够实时提取大幅宽海面舰船目标信息，既保持了在轨处理性能，又大幅降低了在轨处理系统内部的数据传输压力，具有时效性高、散热性能好、可靠性高等优势，避免了集中式在轨处理的散热难题。

附图说明

图1示意性表示根据本发明一种实施方式的双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法的流程图；

图2示意性表示根据本发明一种实施方式的分布式在轨处理系统与天线面阵的连接关系；

图3示意性表示根据本发明一种实施方式的双星高分宽幅SAR的工作示意图；

图4示意性表示根据本发明一种实施方式的SAR接收天线的二维天线子阵排布结构示意图；

图5示意性表示根据本发明一种实施方式的单个天线面阵内部组成；

图6示意性表示根据本发明一种实施方式的分布式逐级渐进在轨处理方法流程。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1至图6所示，本发明的一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法，包括以下步骤：

步骤S1、利用第一分布式处理单元进行在轨处理，确定海面舰船目标，并截取对应的海面舰船目标的回波数据；

步骤S2、将截取到的海面舰船目标的回波数据传输至下一分布式处理单元进行在轨处理，直至第N分布式处理单元完成在轨处理。

在该实施例中，首先利用第一分布式处理单元进行在轨处理，完成海面舰船目标初始的检测与识别，初步确定海面舰船目标，截取对应的海面舰船目标的回波数据，将海面舰船目标的回波数据传输至下一分布式处理单元进行在轨处理，直至第N分布式处理单元完成在轨处理，对截取到的海面舰船目标的回波数据采用分布式逐级渐进在轨处理方法，能够实时提取大幅宽海面舰船目标信息，既保持了在轨处理性能，又大幅降低了在轨处理系统内部的数据传输压力，具有时效性高、散热性能好、可靠性高等优势，避免了集中式在轨处理的散热难题。

在本发明的一个实施例中，优选地，所述第一分布式单元的在轨处理过程包括：

步骤S101、将第一天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号；

步骤S102、将M个高增益回波信号转化为M个二维数据矩阵；

步骤S103、采用距离多普勒成像方法对M个数据矩阵进行SAR成像，获得M幅低分辨率SAR图像；

步骤S104、采用恒虚警概率检测方法对M幅SAR图像进行舰船目标检测，提取出Q

步骤S105、根据Q

步骤S106、将步骤S101至步骤S105中得到的数据传输至第二分布式处理单元。

在该实施例中，第一分布式处理单元在轨处理包括第1级DBF处理、时序恢复、第1级分辨率SAR成像、第1级目标检测、数据截取与数据传输，其中，第1级DBF处理将第1个天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号，记为r

在本发明的一个实施例中，优选地，所述第二分布式单元至第N分布式单元的在轨处理过程包括：

步骤S201、将第N天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号；

步骤S202、根据上一级分布式处理单元传输的Q

步骤S203、采用恒虚警概率检测方法对Q

步骤S204、采用恒虚警概率检测方法对Q

步骤S205、根据Q

步骤S206、将步骤S201至步骤S105中得到的数据传输至下一级分布式处理单元。

在该实施例中，第二分布式处理单元在轨处理包括第2级DBF处理、第2级分辨率SAR成像、第2级目标检测、数据截取与数据传输，其中，第2级DBF处理将第2个天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号，记为r

另外，以下以第N分布式处理单元作为最后一个分布式处理单元进行说明，第N分布式处理单元在轨处理包括第N级DBF处理、第N级分辨率SAR成像、第N级目标检测，其中，第N级DBF处理将第N个天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号，记为r

在本发明的一个实施例中，优选地，所述第一分布式处理单元至所述第N-1分布式处理单元的检测虚警率设置为5‰～1％；

所述第N分布式处理单元的检测虚警率设置为0.1‰～1‰。

在该实施例中，对舰船目标区域进行目标重检测，进一步剔除虚假目标，重新提取舰船目标信息，保证数据准确性。

在本发明的一个实施例中，优选地，在步骤S201中，将第N天线面阵的P路回波信号形成M个高增益回波信号r

其中，w

根据本发明的一个方面，提供了一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理系统，用于实现如上述技术方案中任一项所述的双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法，包括两颗前后跟飞的第一卫星和第二从卫星，所述第一卫星配置有SAR信号发射系统，用于以宽波束发射宽带SAR信号，覆盖大幅宽海面区域；

所述第二卫星配置有SAR回波信号接收系统、分布式在轨处理系统，所述分布式在轨处理系统用于在轨实时提取大幅宽海面舰船目标信息，分布式在轨处理系统嵌入在SAR回波信号接收系统内部；

所述SAR回波信号接收系统装配二维多通道天线，共由N×P个接收天线子阵组成，沿方位向由N个天线面阵组成，沿距离向由P个天线子阵组成；

沿方位向还设置有N个分布式处理单元，N个所述分布式处理单元与N个所述天线面阵一一对应。

参照图2，SAR回波接收系统由N个天线阵面组成，包括：第一天线阵面10，用于对第1个天线阵面的P个回波信号进行接收与处理；第二天线阵面20，用于对第2个天线阵面的P个回波信号进行接收，联合第1个天线阵面的信息进行综合处理；第N-1天线阵面30，用于对第N-1个天线阵面的P个回波信号进行接收，联合前N-2个天线阵面的信息进行综合处理；第N天线阵面40，用于第N个天线阵面的P个回波信号进行接收，联合前N-1个天线阵面的信息进行综合处理。每个天线阵面内部均包括一个SAR回波信号接收单元与一个分布式处理单元，SAR回波信号接收单元通过TLK2711接口传输至分布式处理单元。相邻两个天线面阵之间通过TLK2711接口传输回波数据，通过RS422接口传输处理参数。

SAR回波信号接收系统装配二维多通道天线，共由N×P个接收天线子阵组成，沿方位向由N个天线面阵组成，沿距离向由P个天线子阵组成；N×P个接收天线子阵的波束指向相同、波束宽度相同、天线增益相同；每个接收天线子阵均输出HH同极化回波信号，降低海杂波干扰；每个接收天线子阵均连接一个独立的接收机，对回波信号进行滤波、放大、下变频、滤波、放大、采样量化等处理，得到数字域回波信号，记方位向第n个天线子阵、距离向第p个天线子阵对应的数字域基带回波信号为s

参照图3，双星高分宽幅SAR探测场景包括：第一卫星搭载SAR发射机，采用模拟相控阵天线实现宽波束发射，覆盖大幅宽；第二卫星搭载SAR接收系统与分布式在轨处理系统，采用二维多通道天线接收技术实现大幅宽回波接收；第一卫星与第二卫星通过星间链路实现信息交互与时频空同步。

参照图4，SAR接收系统的二维多通道天线沿方位向包括N个天线面阵，每个天线面阵沿距离向包括P个天线子阵，N×P个天线子阵相同，均能覆盖发射天线照射区域。

参照图5，单个天线面阵内部组成包括：P个天线子阵501，用于同时接收大幅宽回波信号，用P根同轴电缆连接至接收机；P通道接收机502，用于对P个天线子阵的回波信号进行滤波、放大、下变频、滤波、放大、采样量化等处理，得到数字域回波信号，用P路TLK2711接口连接至分布式处理单元；分布式处理单元503，用于在轨处理大幅宽SAR回波信号。

分布式在轨处理系统由沿方位向由N个分布式处理单元组成，相邻两个分布式处理单元之间通过高速串行数据总线连接，传输数据率大于1Gbps，用于逐级传递处理后的回波数据；相邻两个分布式处理单元之间通过RS422串口传输工作参数；每个分布式处理单元由M+2个FPGA与1个DSP构成，FPGA的工作时钟设置为100MHz～200MHz，DSP的工作时钟大于1GHz，M+2个FPGA与DSP通过GPIO接口连接，传输在轨处理参数；每个分布式处理单元内编号为M+1的FPGA用于对二维多通道回波信号做数字波束形成处理，形成M个窄波束，即获得M个高信噪比信号，记为r

参考图6，分布式逐级渐进在轨处理方法的流程包括：第1级DBF处理601，用于对第1个天线阵面的P个回波信号进行DBF处理；时序恢复602，用于将一维回波信号转换至二维数据矩阵；第1级分辨率SAR成像，用于对多个二维数据矩阵进行低分辨率SAR成像；第1级目标检测，用于对多幅低分辨率SAR图像进行舰船目标检测；数据截取与数据传输605，用于截取舰船目标的回波数据，并传输至下一个天线面阵内部的分布式处理单元；第2级DBF处理606，用于对第2个天线阵面的P个回波信号与上一级传输信号进行联合处理；第2级分辨率SAR成像607，用于对舰船目标区域进行小区域中分辨率SAR成像；第2级目标检测608，用于对舰船目标区域进行目标重检测，剔除虚假目标，重新提取舰船目标信息；数据截取与数据传输609，用于截取目标回波数据，并传输至下一级分布式处理单元；第N级DBF处理610，用于第N个天线阵面的P个回波信号与前N-1级传输信号进行联合处理；第N级分辨率SAR成像611，用于对舰船目标区域进行小区域高分辨率成像；第N级目标检测612，用于对舰船目标区域进行目标重检测，进一步剔除虚假目标，重新提取舰船目标信息。

综上，本发明提出了一种双星高分宽幅SAR信号分布式在轨处理方法及系统，首先利用第一分布式处理单元进行在轨处理，完成海面舰船目标初始的检测与识别，初步确定海面舰船目标，截取对应的海面舰船目标的回波数据，将海面舰船目标的回波数据传输至下一分布式处理单元进行在轨处理，直至第N分布式处理单元完成在轨处理，对截取到的海面舰船目标的回波数据采用分布式逐级渐进在轨处理方法，能够实时提取大幅宽海面舰船目标信息，既保持了在轨处理性能，又大幅降低了在轨处理系统内部的数据传输压力，具有时效性高、散热性能好、可靠性高等优势，避免了集中式在轨处理的散热难题。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法及系统或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。