一種星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法
【專利摘要】本發明提供一種星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，是利用方位向初始成像帶長度、天線波束寬度、起始斜視角、終止斜視角和目標斜距構建波束旋轉中心對應的參考斜距模型，獲得并根據參考斜距數據構建一個點目標對應的有效照射時間模型，獲得并根據這一點目標的有效起始照射時間和有效終止照射時間構建這一點目標對應的有效多普勒頻率和多普勒帶寬模型，獲取并根據這一點目標對應的起始有效多普勒頻率、終止有效多普勒頻率和多普勒帶寬、分辨率下降系數構建這一點目標對應的方位向分辨率模型，獲得這一點目標對應的方位向分辨率；當方位向分辨率大于分辨率指標要求時則輸出最大方位向成像帶長度數據。
【專利說明】一種星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于星載合成孔徑雷達成像領域，涉及星載合成孔徑雷達(SAR)系統參數的獲取技術。
【背景技術】
[0002]星載合成孔徑雷達滑動聚束模式是近幾年研究并實現高分辨率寬覆蓋星載合成孔徑雷達成像的主要模式，并于2007年在德國TerraSAR-X衛星上首次獲得成像應用，獲取大量高質量的星載合成孔徑雷達圖像。但是，TerraSAR-X由于天線方位向掃描能力有限，其分辨率和成像帶長度指標設計并不高(lmX5km)，通過增加天線的掃描能力和衛星的供電能力，星載合成孔徑雷達滑動聚束模式的性能可以大大提高(分辨率優于0.3m，成像帶長度優于IOkm)。但是性能提高會導致參數設計、回波信號仿真與成像處理難度和復雜性大大增加。
[0003]星載合成孔徑雷達滑動聚束模式距離向參數設計與條帶模式基本相同，但方位向參數設計卻要復雜得多。星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數設計主要是對分辨率、成像帶長度、方位向波束寬度、方位向起始斜視角和方位向終止斜視角之間約束關系進行折衷分析，以獲得工程上可以實現的高分辨率寬覆蓋合成孔徑雷達圖像方位分辨率和方位向成像長度指標。參數設計結果是否準確最終要通過星地一體化回波信號仿真、成像處理和點目標性能評估來做驗證，優于0.3m高分辨率的星載合成孔徑雷達滑動聚束模式回波仿真與成像處理算法實現起來相當復雜，運算量大，耗時長。準確的參數設計過程則可以在初步方案設計時先避免回波仿真與成像處理過程，并且可以保證參數設計結果可靠，提高方案設計的效率。
[0004]當前國內外文獻中出現的星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數設計過程過于簡單，對于工程應用來說有以下兩點不足:
[0005](I)用單一的星地相對速度計算和時間及和多普勒頻率有關的變量，這種近似導致簡單參數計算得到的方位分辨率與星地一體化仿真結果差異較大，使參數設計結果可靠性降低。
[0006](2)方位向天線方向圖、成像處理加權、多普勒參數估計誤差和成像算法近似四種因素引起的方位向分辨率下降在相關的計算公式中沒有體現，如果不考慮這四種因素的影響，簡單的參數設計得到的分辨率在實際工程中可能無法實現。
[0007]星載SAR滑動聚束模式工程設計過程中方位向分辨率和方位向成像帶長度是指標要求，由用戶提出；天線方位向波束寬度由雷達工作波長和天線方位向尺寸決定，考慮到星載合成孔徑雷達衛星的天線長度往往由條帶模式方位分辨率決定，在此可認為方位向天線波束寬度已知；天線方位向起始和終止掃描角由天線方位向掃描能力來決定。工程上，對滑動聚束模式方位向天線掃描能力提要求是最主要的設計需求。

【發明內容】
[0008](一)要解決的技術問題
[0009]為了解決現有技術運算復雜，計算量大、耗時長、效率低的缺陷，本發明的目的是提出一種適用于工程應用的星載滑動聚束模式方位向成像帶長度設計流程，可以在初步方案設計時先避免回波仿真與成像處理過程，并且可以保證獲取參數結果可靠，提高獲取參數的效率。
[0010](二)技術方案
[0011]為了實現本發明的目的，本發明提供一種星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，該方法包括步驟如下:
[0012]步驟S1:設定方位向初始成像帶長度數據、方位向天線波束寬度、方位向起始斜視角數據、方位向終止斜視角數據和目標所在斜距；
[0013]步驟S2:利用方位向初始成像帶長度數據、方位向天線波束寬度數據、方位向起始斜視角數據、方位向終止斜視角數據和目標斜距構點目標斜距時的波束旋轉中心對應的參考斜距模型，獲得點目標斜距時的波束旋轉中心對應的參考斜距數據；
[0014]步驟S3:根據點目標斜距時的波束旋轉中心對應的參考斜距數據構建斜距為R的一個點目標對應的有效照射時間模型，獲得這一點目標的有效起始照射時間數據和這一點目標的有效終止照射時間數據；
[0015]步驟S4:根據所述有效起始照射時間和終止照射時間構建斜距為的一個點目標對應的有效多普勒頻率模型和多普勒帶寬模型，獲取這一點目標對應的起始有效多普勒頻率數據、終止有效多普勒頻率數據和多普勒帶寬數據；
[0016]步驟S5:根據起始有效多普勒頻率數據和終止有效多普勒頻率數據、多普勒帶寬數據、天線方向圖引起的分辨率下降系數、成像處理加權引起的分辨率下降系數、多普勒參數估計誤差引起的分辨率下降系數、成像算法近似引起的分辨率下降系數構建斜距為R的一個點目標對應的方位向分辨率模型，獲得這一點目標對應的方位向分辨率；
[0017]步驟S6:判斷方位向分辨率是否滿足小于分辨率指標要求，如果表明預先設定的方位向成像帶長度數據偏小，則執行步驟Si重新設置方位向成像帶長度數據值，重復步驟SI?S5直到方位向分辨率大于分辨率指標要求，則輸出最大方位向成像帶長度數據。
[0018](三)有益效果
[0019]本發明提供星載合成孔徑雷達滑動聚束模式在方位向掃描角一定的條件下獲取滿足分辨率要求的成像帶長度的方法，利用這種方法可直接得到的方位向起始斜視角、終止斜視角、波束寬度、分辨率和成像帶長度之間的約束關系，避免復雜的回波仿真與成像處理驗證過程，簡化星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方案設計流程，提高工程設計效率，具有較高的工程應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是星載合成孔徑雷達滑動聚束模式工作原理簡化示意圖。
[0021]圖2是星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向成像帶長度獲取的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結合附加圖1和圖2對本發明加以詳細說明。[0023]星載SAR滑動聚束模式的基本原理如圖1所示，在一段成像時間內，衛星以一定的速度沿軌道飛行，控制方位向波束中心指向，使方位向波束中心以一定的起始斜視角Ψ start開始繞旋轉中心點旋轉，斜視角達到終止斜視角Vmd時結束。在工程上，旋轉中心點為處于地表下的一個虛擬點，旋轉中心對應的斜距大于目標點所在的斜距，在地面上，波束中心從左向右移動，依次滑過成像區域的所有目標，圖中中間粗黑線為成像區域。圖1中成像區域內實心大圓點為任一點目標，該點目標可以處于成像區域任一位置。定義斜距為R的任一點目標處于3dB波束寬度內的時間段為有效照射時間，處于3dB波束左側邊緣的時刻為起始有效照射時刻，處于3dB波束右側邊緣的時刻為終止有效照射時刻。對處于不同照射時間段的點目標回波數據進行成像處理，可得到滿足一定分辨率要求的點目標圖像。
[0024]圖1和圖2中各變量定義如下:
[0025]Uistart為方位向起始斜視角，定義為一次成像期間方位向起始波束中心指向。
[0026]￥end為方位向終止斜視角，定義為一次成像期間方位向終止波束中心指向。
[0027]Θ a為方位向波束寬度，定義為天線方位向收發等效方向圖半功率寬度。
[0028]Ws。 為方位向成像帶長度，定義為方位向滿足分辨率指標要求的成像區域。
[0029]R為點目標斜距，定義為成像期間雷達到目標的最近斜距。
[0030]Rrot為旋轉中心斜距，定義為成像期間雷達到旋轉中心的最近斜距。
[0031]Xp為任一點目標在成像區域的位置變量(相對于成像區域中心，并定義成像區域中心位置變量為O)。
[0032]&為一次成像期間衛星位置的時間變量，定義雷達距離旋轉中心最近時的時刻為O0
[0033]ta, start,0為任一點目標對應的有效起始照射時間ta, start,0,定義為目標處于波束寬度左邊緣的時刻(相對于ta=0)。
[0034]ta, end,0為任一點目標對應的有效終止照射時間ta, end,0,定義為目標處于波束寬度右邊緣的時刻(相對于ta=0)。
[0035]￥start,0定義為任一點目標有效起始照射時間對應的方位向斜視角。
[0036]Vendj0定義為任一點目標有效終止照射時間對應的方位向斜視角。
[0037]fa, start,0為任一點目標起始有效多普勒頻率，定義為任一點目標起始有效照射時間對應的多普勒頻率。
[0038]fa, endj0為任一點目標終止有效多普勒頻率，定義為任一點目標終止有效照射時間對應的多普勒頻率。
[0039]fd為任一點目標對應的多普勒帶寬，定義為fd=fa,start,crfa,md,o。
[0040]Pa為方位向分辨率。分辨率定義為方位向點目標沖激響應的3dB寬度。
[0041]Ic1為天線方向圖加權引起的分辨率下降系數。
[0042]k2為成像處理加權(為壓低副瓣)引起的分辨率下降系數。
[0043]k3為多普勒參數估計誤差引起的分辨率下降系數。
[0044]k4為成像算法近似引起的分辨率下降系數。
[0045]kp k2、k3和k4是和成像性能有關的參數，其取值在此認為已知。
[0046]Vg為波束地面速度(為標量)。
[0047]Vs為衛星速度(為標量)。[0048]λ為合成孔徑雷達發射信號的波長。
[0049]根據衛星軌道參數和星載合成孔徑雷達工作的回波采樣起始時間，可以計算出衛星運行在軌道上某一位置點時的衛星速度Vs、星地相對地速Vg和目標到雷達的斜距R，對Vs、\和R的計算過程所使用，在此認為公知。
[0050]在方位向斜視角Fstart、斜視角Vend和3dB波束寬度Θ a 一定的條件下，獲得方位向滿足分辨率要求的最大成像帶長度的計算步驟如下:
[0051]步驟S1:設定方位向初始成像帶長度數據Ws。.、方位向天線波束寬度Qa、方位向起始斜視角數據Vstart、方位向終止斜視角數據和目標所在斜距R ;
[0052]步驟S2:根據衛星飛行過程中目標與雷達之間的幾何關系，利用方位向初始成像帶長度數據ws。、方位向天線3dB波束寬度數據0a、方位向起始斜視角數據UTstart、方位向終止斜視角數據和目標斜距RVend,構建點目標斜距為R時波束旋轉中心對應的參考斜距Rrot，計算公式如下:
【權利要求】
1.一種星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于包括步驟如下: 步驟SI:設定方位向初始成像帶長度數據、方位向天線波束寬度、方位向起始斜視角數據、方位向終止斜視角數據和目標所在斜距； 步驟S2:利用方位向初始成像帶長度數據、方位向天線波束寬度數據、方位向起始斜視角數據、方位向終止斜視角數據和目標斜距構建點目標斜距時的波束旋轉中心對應的參考斜距模型，獲得點目標斜距時的波束旋轉中心對應的參考斜距數據； 步驟S3:根據點目標斜距R時的波束旋轉中心對應的參考斜距數據構建斜距R的一個點目標對應的有效照射時間模型，獲得這一點目標的有效起始照射時間數據和這一點目標的有效終止照射時間數據； 步驟S4:根據所述有效起始照射時間和終止照射時間構建斜距為R的一個點目標對應的有效多普勒頻率模型和多普勒帶寬模型，獲取這一點目標對應的起始有效多普勒頻率數據、終止有效多普勒頻率數據和多普勒帶寬數據； 步驟S5:根據起始有效多普勒頻率數據和終止有效多普勒頻率數據、多普勒帶寬數據、天線方向圖引起的分辨率下降系數、成像處理加權引起的分辨率下降系數、多普勒參數估計誤差引起的分辨率下降系數、成像算法近似引起的分辨率下降系數構建斜距為R的一個點目標對應的方位向分辨率模型，獲得這一點目標對應的方位向分辨率； 步驟S6:判斷方位向分辨率是否滿足小于分辨率指標要求，如果表明預先設定的方位向成像帶長度數據偏小，則執行步驟SI重新設置方位向成像帶長度數據值，重復步驟SI~S5直到方位向分辨率大于分辨率指標要求，則輸出最大方位向成像帶長度數據。
2.如權利要求1所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在
3.如權利要求1所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，所述斜距為R的一個點目標對應的有效照射時間模型包括有效起始照射時間模型ta,start, O和有效終止照射時間模型，求解Istartitl和的方程組分別表示如下:
4.如權利要求1所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，所述斜距為R的一個點目標對應的有效多普勒頻率模型和多普勒帶寬模型包括這一點目標對應的起始有效多普勒頻率模型fa,start,。、終止有效多普勒頻率fa’“0模型，其中:
5.如權利要求4所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，所述斜距為R的一個點目標對應的多普勒帶寬模型表示如下:
6.如權利要求1所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，所述方位向分辨率模型P 3表示如下:
7.如權利要求1所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，根據星載合成孔徑雷達滑動聚束模式簡化幾何模型獲得方位向成像帶內斜距為R的任一點目標的方位向分辨率。
8.如權利要求1所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，利用循環迭代方法確定目標斜距為R時滿足方位向分辨率要求的最大成像帶長度。
9.如權利要求1所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，所述星載SAR滑動聚束模式簡化幾何模型是設定一段時間內衛星飛行軌跡近似為直線，點目標為靜止目標；成像期間控制方位向波束指向，使波束中心始終指向遠離成像區域下方的一個虛擬點，所述虛擬點是波束旋轉中心，虛擬點處于地面以下；波束在地面上緩慢滑過成像區域，成像區域內斜距為R的點目標歷經3dB波束寬度，從方向圖右側邊緣進入到左側邊緣離開，點目標進入方向圖右側邊緣時的起始斜視角，點目標離開方向圖左側邊緣時的終止斜視角。
10.如權利要求1所述所述星載合成孔徑雷達滑動聚束模式方位向參數獲取方法，其特征在于，所述方位向起始斜視角數據和方位向終止斜視角數據的大小和正負沒有限定，因此，適用于正側視 星載SAR滑動聚束模式，也適用于斜視星載SAR滑動聚束模式。
【文檔編號】G01S13/90GK103792536SQ201410041182
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2014年1月28日
【發明者】呂繼宇, 李海英, 王宇, 鄧云凱 申請人:中國科學院電子學研究所