一种星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法
【专利摘要】本发明提供一种星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，是利用方位向初始成像带长度、天线波束宽度、起始斜视角、终止斜视角和目标斜距构建波束旋转中心对应的参考斜距模型，获得并根据参考斜距数据构建一个点目标对应的有效照射时间模型，获得并根据这一点目标的有效起始照射时间和有效终止照射时间构建这一点目标对应的有效多普勒频率和多普勒带宽模型，获取并根据这一点目标对应的起始有效多普勒频率、终止有效多普勒频率和多普勒带宽、分辨率下降系数构建这一点目标对应的方位向分辨率模型，获得这一点目标对应的方位向分辨率；当方位向分辨率大于分辨率指标要求时则输出最大方位向成像带长度数据。
【专利说明】一种星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于星载合成孔径雷达成像领域，涉及星载合成孔径雷达(SAR)系统参数的获取技术。
【背景技术】
[0002]星载合成孔径雷达滑动聚束模式是近几年研究并实现高分辨率宽覆盖星载合成孔径雷达成像的主要模式，并于2007年在德国TerraSAR-X卫星上首次获得成像应用，获取大量高质量的星载合成孔径雷达图像。但是，TerraSAR-X由于天线方位向扫描能力有限，其分辨率和成像带长度指标设计并不高(lmX5km)，通过增加天线的扫描能力和卫星的供电能力，星载合成孔径雷达滑动聚束模式的性能可以大大提高(分辨率优于0.3m，成像带长度优于IOkm)。但是性能提高会导致参数设计、回波信号仿真与成像处理难度和复杂性大大增加。
[0003]星载合成孔径雷达滑动聚束模式距离向参数设计与条带模式基本相同，但方位向参数设计却要复杂得多。星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数设计主要是对分辨率、成像带长度、方位向波束宽度、方位向起始斜视角和方位向终止斜视角之间约束关系进行折衷分析，以获得工程上可以实现的高分辨率宽覆盖合成孔径雷达图像方位分辨率和方位向成像长度指标。参数设计结果是否准确最终要通过星地一体化回波信号仿真、成像处理和点目标性能评估来做验证，优于0.3m高分辨率的星载合成孔径雷达滑动聚束模式回波仿真与成像处理算法实现起来相当复杂，运算量大，耗时长。准确的参数设计过程则可以在初步方案设计时先避免回波仿真与成像处理过程，并且可以保证参数设计结果可靠，提高方案设计的效率。
[0004]当前国内外文献中出现的星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数设计过程过于简单，对于工程应用来说有以下两点不足:
[0005](I)用单一的星地相对速度计算和时间及和多普勒频率有关的变量，这种近似导致简单参数计算得到的方位分辨率与星地一体化仿真结果差异较大，使参数设计结果可靠性降低。
[0006](2)方位向天线方向图、成像处理加权、多普勒参数估计误差和成像算法近似四种因素引起的方位向分辨率下降在相关的计算公式中没有体现，如果不考虑这四种因素的影响，简单的参数设计得到的分辨率在实际工程中可能无法实现。
[0007]星载SAR滑动聚束模式工程设计过程中方位向分辨率和方位向成像带长度是指标要求，由用户提出；天线方位向波束宽度由雷达工作波长和天线方位向尺寸决定，考虑到星载合成孔径雷达卫星的天线长度往往由条带模式方位分辨率决定，在此可认为方位向天线波束宽度已知；天线方位向起始和终止扫描角由天线方位向扫描能力来决定。工程上，对滑动聚束模式方位向天线扫描能力提要求是最主要的设计需求。
【发明内容】
[0008](一)要解决的技术问题
[0009]为了解决现有技术运算复杂，计算量大、耗时长、效率低的缺陷，本发明的目的是提出一种适用于工程应用的星载滑动聚束模式方位向成像带长度设计流程，可以在初步方案设计时先避免回波仿真与成像处理过程，并且可以保证获取参数结果可靠，提高获取参数的效率。
[0010](二)技术方案
[0011]为了实现本发明的目的，本发明提供一种星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，该方法包括步骤如下:
[0012]步骤S1:设定方位向初始成像带长度数据、方位向天线波束宽度、方位向起始斜视角数据、方位向终止斜视角数据和目标所在斜距；
[0013]步骤S2:利用方位向初始成像带长度数据、方位向天线波束宽度数据、方位向起始斜视角数据、方位向终止斜视角数据和目标斜距构点目标斜距时的波束旋转中心对应的参考斜距模型，获得点目标斜距时的波束旋转中心对应的参考斜距数据；
[0014]步骤S3:根据点目标斜距时的波束旋转中心对应的参考斜距数据构建斜距为R的一个点目标对应的有效照射时间模型，获得这一点目标的有效起始照射时间数据和这一点目标的有效终止照射时间数据；
[0015]步骤S4:根据所述有效起始照射时间和终止照射时间构建斜距为的一个点目标对应的有效多普勒频率模型和多普勒带宽模型，获取这一点目标对应的起始有效多普勒频率数据、终止有效多普勒频率数据和多普勒带宽数据；
[0016]步骤S5:根据起始有效多普勒频率数据和终止有效多普勒频率数据、多普勒带宽数据、天线方向图引起的分辨率下降系数、成像处理加权引起的分辨率下降系数、多普勒参数估计误差引起的分辨率下降系数、成像算法近似引起的分辨率下降系数构建斜距为R的一个点目标对应的方位向分辨率模型，获得这一点目标对应的方位向分辨率；
[0017]步骤S6:判断方位向分辨率是否满足小于分辨率指标要求，如果表明预先设定的方位向成像带长度数据偏小，则执行步骤Si重新设置方位向成像带长度数据值，重复步骤SI?S5直到方位向分辨率大于分辨率指标要求，则输出最大方位向成像带长度数据。
[0018](三)有益效果
[0019]本发明提供星载合成孔径雷达滑动聚束模式在方位向扫描角一定的条件下获取满足分辨率要求的成像带长度的方法，利用这种方法可直接得到的方位向起始斜视角、终止斜视角、波束宽度、分辨率和成像带长度之间的约束关系，避免复杂的回波仿真与成像处理验证过程，简化星载合成孔径雷达滑动聚束模式方案设计流程，提高工程设计效率，具有较高的工程应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是星载合成孔径雷达滑动聚束模式工作原理简化示意图。
[0021]图2是星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向成像带长度获取的流程图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附加图1和图2对本发明加以详细说明。[0023]星载SAR滑动聚束模式的基本原理如图1所示，在一段成像时间内，卫星以一定的速度沿轨道飞行，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视角Ψ start开始绕旋转中心点旋转，斜视角达到终止斜视角Vmd时结束。在工程上，旋转中心点为处于地表下的一个虚拟点，旋转中心对应的斜距大于目标点所在的斜距，在地面上，波束中心从左向右移动，依次滑过成像区域的所有目标，图中中间粗黑线为成像区域。图1中成像区域内实心大圆点为任一点目标，该点目标可以处于成像区域任一位置。定义斜距为R的任一点目标处于3dB波束宽度内的时间段为有效照射时间，处于3dB波束左侧边缘的时刻为起始有效照射时刻，处于3dB波束右侧边缘的时刻为终止有效照射时刻。对处于不同照射时间段的点目标回波数据进行成像处理，可得到满足一定分辨率要求的点目标图像。
[0024]图1和图2中各变量定义如下:
[0025]Uistart为方位向起始斜视角，定义为一次成像期间方位向起始波束中心指向。
[0026]￥end为方位向终止斜视角，定义为一次成像期间方位向终止波束中心指向。
[0027]Θ a为方位向波束宽度，定义为天线方位向收发等效方向图半功率宽度。
[0028]Ws。 为方位向成像带长度，定义为方位向满足分辨率指标要求的成像区域。
[0029]R为点目标斜距，定义为成像期间雷达到目标的最近斜距。
[0030]Rrot为旋转中心斜距，定义为成像期间雷达到旋转中心的最近斜距。
[0031]Xp为任一点目标在成像区域的位置变量(相对于成像区域中心，并定义成像区域中心位置变量为O)。
[0032]&为一次成像期间卫星位置的时间变量，定义雷达距离旋转中心最近时的时刻为O0
[0033]ta, start,0为任一点目标对应的有效起始照射时间ta, start,0,定义为目标处于波束宽度左边缘的时刻(相对于ta=0)。
[0034]ta, end,0为任一点目标对应的有效终止照射时间ta, end,0,定义为目标处于波束宽度右边缘的时刻(相对于ta=0)。
[0035]￥start,0定义为任一点目标有效起始照射时间对应的方位向斜视角。
[0036]Vendj0定义为任一点目标有效终止照射时间对应的方位向斜视角。
[0037]fa, start,0为任一点目标起始有效多普勒频率，定义为任一点目标起始有效照射时间对应的多普勒频率。
[0038]fa, endj0为任一点目标终止有效多普勒频率，定义为任一点目标终止有效照射时间对应的多普勒频率。
[0039]fd为任一点目标对应的多普勒带宽，定义为fd=fa,start,crfa,md,o。
[0040]Pa为方位向分辨率。分辨率定义为方位向点目标冲激响应的3dB宽度。
[0041]Ic1为天线方向图加权引起的分辨率下降系数。
[0042]k2为成像处理加权(为压低副瓣)引起的分辨率下降系数。
[0043]k3为多普勒参数估计误差引起的分辨率下降系数。
[0044]k4为成像算法近似引起的分辨率下降系数。
[0045]kp k2、k3和k4是和成像性能有关的参数，其取值在此认为已知。
[0046]Vg为波束地面速度(为标量)。
[0047]Vs为卫星速度(为标量)。[0048]λ为合成孔径雷达发射信号的波长。
[0049]根据卫星轨道参数和星载合成孔径雷达工作的回波采样起始时间，可以计算出卫星运行在轨道上某一位置点时的卫星速度Vs、星地相对地速Vg和目标到雷达的斜距R，对Vs、\和R的计算过程所使用，在此认为公知。
[0050]在方位向斜视角Fstart、斜视角Vend和3dB波束宽度Θ a 一定的条件下，获得方位向满足分辨率要求的最大成像带长度的计算步骤如下:
[0051]步骤S1:设定方位向初始成像带长度数据Ws。.、方位向天线波束宽度Qa、方位向起始斜视角数据Vstart、方位向终止斜视角数据和目标所在斜距R ;
[0052]步骤S2:根据卫星飞行过程中目标与雷达之间的几何关系，利用方位向初始成像带长度数据ws。、方位向天线3dB波束宽度数据0a、方位向起始斜视角数据UTstart、方位向终止斜视角数据和目标斜距RVend,构建点目标斜距为R时波束旋转中心对应的参考斜距Rrot，计算公式如下:
【权利要求】
1.一种星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于包括步骤如下: 步骤SI:设定方位向初始成像带长度数据、方位向天线波束宽度、方位向起始斜视角数据、方位向终止斜视角数据和目标所在斜距； 步骤S2:利用方位向初始成像带长度数据、方位向天线波束宽度数据、方位向起始斜视角数据、方位向终止斜视角数据和目标斜距构建点目标斜距时的波束旋转中心对应的参考斜距模型，获得点目标斜距时的波束旋转中心对应的参考斜距数据； 步骤S3:根据点目标斜距R时的波束旋转中心对应的参考斜距数据构建斜距R的一个点目标对应的有效照射时间模型，获得这一点目标的有效起始照射时间数据和这一点目标的有效终止照射时间数据； 步骤S4:根据所述有效起始照射时间和终止照射时间构建斜距为R的一个点目标对应的有效多普勒频率模型和多普勒带宽模型，获取这一点目标对应的起始有效多普勒频率数据、终止有效多普勒频率数据和多普勒带宽数据； 步骤S5:根据起始有效多普勒频率数据和终止有效多普勒频率数据、多普勒带宽数据、天线方向图引起的分辨率下降系数、成像处理加权引起的分辨率下降系数、多普勒参数估计误差引起的分辨率下降系数、成像算法近似引起的分辨率下降系数构建斜距为R的一个点目标对应的方位向分辨率模型，获得这一点目标对应的方位向分辨率； 步骤S6:判断方位向分辨率是否满足小于分辨率指标要求，如果表明预先设定的方位向成像带长度数据偏小，则执行步骤SI重新设置方位向成像带长度数据值，重复步骤SI~S5直到方位向分辨率大于分辨率指标要求，则输出最大方位向成像带长度数据。
2.如权利要求1所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在
3.如权利要求1所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，所述斜距为R的一个点目标对应的有效照射时间模型包括有效起始照射时间模型ta,start, O和有效终止照射时间模型，求解Istartitl和的方程组分别表示如下:
4.如权利要求1所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，所述斜距为R的一个点目标对应的有效多普勒频率模型和多普勒带宽模型包括这一点目标对应的起始有效多普勒频率模型fa,start,。、终止有效多普勒频率fa’“0模型，其中:
5.如权利要求4所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，所述斜距为R的一个点目标对应的多普勒带宽模型表示如下:
6.如权利要求1所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，所述方位向分辨率模型P 3表示如下:
7.如权利要求1所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，根据星载合成孔径雷达滑动聚束模式简化几何模型获得方位向成像带内斜距为R的任一点目标的方位向分辨率。
8.如权利要求1所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，利用循环迭代方法确定目标斜距为R时满足方位向分辨率要求的最大成像带长度。
9.如权利要求1所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，所述星载SAR滑动聚束模式简化几何模型是设定一段时间内卫星飞行轨迹近似为直线，点目标为静止目标；成像期间控制方位向波束指向，使波束中心始终指向远离成像区域下方的一个虚拟点，所述虚拟点是波束旋转中心，虚拟点处于地面以下；波束在地面上缓慢滑过成像区域，成像区域内斜距为R的点目标历经3dB波束宽度，从方向图右侧边缘进入到左侧边缘离开，点目标进入方向图右侧边缘时的起始斜视角，点目标离开方向图左侧边缘时的终止斜视角。
10.如权利要求1所述所述星载合成孔径雷达滑动聚束模式方位向参数获取方法，其特征在于，所述方位向起始斜视角数据和方位向终止斜视角数据的大小和正负没有限定，因此，适用于正侧视 星载SAR滑动聚束模式，也适用于斜视星载SAR滑动聚束模式。
【文档编号】G01S13/90GK103792536SQ201410041182
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】吕继宇, 李海英, 王宇, 邓云凯 申请人:中国科学院电子学研究所