高分辨率微波成像卫星星地一体化仿真方法与流程

本发明涉及一种航天系统技术领域，具体地，涉及一种高分辨率微波成像卫星星地一体化仿真方法。

背景技术：

合成孔径雷达(SAR)卫星以其特有的全天时、全天候对地观测的特点，得到了各科技强国的重视和大力发展，SAR图像在国民经济和国防建设上均具有广阔的应用前景。高分辨率SAR卫星一直是发展的重点和难点，也雷达卫星发展的主要方向。

星载SAR图像质量指标的实现涉及卫星平台、载荷、空间传输、地面处理、地面定标、地理信息库等多种星地复杂要素，因此也称为星地一体化指标。星地一体化指标主要包括分辨率、成像带宽、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、定位精度、辐射精度等。对于高分辨率星载SAR系统，星地一体化指标涉及的影响因素更多，对各因素的指标要求更高，有些需要进行在轨标定。因此，星地一体化指标的实现需要卫星系统和地面系统紧密合作，共同开展研究和攻关。对于一套已经设计好的星地一体化指标，为验证其合理性和可实现性，需要在现有产品设计状态的基础上开展星地一体化仿真验证和评估工作。这里需要强调的是，星地一体化指标的仿真验证与星地一体化指标的设计是个相反的过程，切勿混淆逻辑。星地一体化仿真内容主要包括影响因素梳理建模分析、雷达目标回波仿真和成像处理。关于星地一体化指标的设计，北航的于泽等人给出了详细的设计过程；关于回波仿真，张仕山，靳学明提出一种新的时频混合算法，中科院电子所岳海峡在学位论文中详述回波模拟的理论及模拟源硬件的实现方案；关于成像处理，德国的Alberto Moreira，Josef Mittermayer和Rolf Scheiber提出了经典的ECS算法，北航的王鹏波等人提出了针对滑动聚束和TOPSAR模式提出了高效的三步成像算法。但是以上研究大多是局限于星地一体化仿真中的某一部分的理论研究和应用，缺少星地一体化指标仿真评估的整个流程设计和流程中各模块的详细实现方案。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高分辨率微波成像卫星星地一体化仿真方法，其从高分辨率微波成像卫星的星地一体化指标可实现角度详细梳理了星地全链路误差因素，并从影响因素指标的工程实现可行性方面对在轨标定需求进行了分析；对关键影响因素进行了误差影响分析和建模；然后基于影响因素误差模型及其与星地一体化指标的联系提出了一套雷达目标回波仿真方法；之后构建回波数据成像处理框架和流程；最后给出对成像处理结果的评估方法。

根据本发明的一个方面，提供一种高分辨率微波成像卫星星地一体化仿真方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，星地全链路误差梳理；

步骤二，误差影响分析与建模；

步骤三，雷达目标回波仿真；

步骤四，成像处理；

步骤五，成像结果评估。

优选地，所述步骤一中具体包括以下步骤：

步骤一十一，考虑的星地一体化指标包括方位向成像性能指标，距离向成像性能指标，定位精度和辐射精度；

步骤一十二，影响星地一体化指标的卫星平台和载荷误差因素梳理，包括平台时钟、姿态数据、轨道数据、SAR系统参数和SAR天线参数；

步骤一十三，影响星地一体化指标的空间误差因素梳理，包括电离层的群延迟、衰减、色散和闪烁以及大气层的延迟、衰减；

步骤一十四，影响星地一体化指标的地面因素梳理，包括目标场景的动态范围、信杂比、高程精度，地面接收系统的误码率，成像处理系统参数估计误差、处理算法误差、方向图数据库误差、地球数字高程模型库误差，地面定标系统的几何标定误差、辐射标定误差、方向图测试误差和波束指向标定误差。

优选地，所述步骤二中具体包括以下步骤：

步骤二十一，将影响因素进行分类，具体包括影响距离向成像性能的SAR系统幅相误差和SAR天线色散误差、电离层色散、成像处理误差、方向图测试误差和波束指向标定误差，影响方位向成像性能的姿态误差、轨道误差、电离层和大气延迟误差、DEM误差、参数估计误差、几何标定误差、成像处理误差、方向图测试误差和波束指向标定误差，影响定位精度的时钟误差、轨道误差、几何标定误、DEM误差和处理算法误差，影响辐射精度的SAR系统内定标误差、方向图数据库误差、参数估计误差、处理算法误差、辐射标定误差、方向图测试误差和波束指向标定误差、目标场景的动态范围、信杂比；

步骤二十二，误差对于距离向成像性能的影响原理均归结为引起线性调频信号畸变的幅度和相位误差模型；幅度误差模型如下式所示，其中H(ω)为幅度误差在频域的表示，a₀为常数项，m为简谐畸变次数，a_m为误差系数，c_m为余弦周期尺度；

相位误差模型如下式所示，相位误差在频域的表示，b₀为线性相位项系数，n为简谐畸变次数，b_n为误差系数，c_n为余弦周期尺度；

步骤二十三，误差对于方位向成像性能的影响原理均归结为引起SAR天线相位中心与地面目标间的斜距向量发生变化，这个斜距包括回波数据中体现的即成事实的斜距以及计算多普勒参考函数所用的测量斜距，星地斜距变量如下式所示，其中R_sat(t)为卫星位置矢量，R_t(t)为目标位置矢量，c为光速，Δτ为几何标定后残余的SAR通道时延误差以及大气、电离层延时误差，轨道误差主要影响R_sat(t)，高程误差主要影响R_t(t)；

|R(t)|＝|R_sat(t)-R_t(t)|+cΔτ/2

步骤二十四，误差对定位精度的影响主要分测轨误差、斜距误差、高程误差和时钟误差四种因素分析，对于时钟误差，主要引入回波数据时标误差Δt，造成图像沿飞行方向的定位误差Δx＝V_e·Δt，其中V_e为等效速度；

步骤二十五，误差对辐射精度的影响归结为方向图误差影响、空间损耗、成像处理误差、内定标和辐射定标误差；其中方向图误差具体包括姿态误差、SAR天线波束指向误差、方向图形状差的影响，空间损耗包括大气和电离层衰减；方位向方向图误差模型如下式所示，其中A、ω₀和分别为方位向波束抖动的幅度、角频率和初始相位，D_a为天线方位向尺寸，V_e为星地等效速度，φ为等效斜视角，λ为波长，R为斜距；

距离向方向图误差模型如下式所示，其中θ_rm、ω₀和分别为距离向波束抖动的幅度、角频率和初始相位，D_r为天线距离向尺寸，θ_r0为滚动向波束离轴角。

优选地，所述步骤三中具体包括以下步骤：

步骤三十一，首先确定输入参数，各参数的误差模型根据步骤二确定；

步骤三十二，建立SAR成像的星地几何关系模型和脉冲信号模型，综合各影响因素，计算原始回波信号、多普勒参数和雷达系统参数，回波仿真数据获取流程通过全数字仿真试验，也通过半物理仿真试验；

步骤三十三，将回波仿真结果进行打包，形成数据输出文件。

优选地，所述步骤四中具体包括以下步骤：

步骤四十一，对原始回波数据文件解包，提取雷达工作参数、时间码、轨道参数、姿态参数、导航数据和SAR原始回波数据，对SAR原始回波数据进行解BAQ、通道不平衡校正预处理，对雷达工作参数进行解码和格式转换，对时间码、轨道参数、姿态参数进行插值、时间对准工作，对导航原始观测量进行事后处理来提高卫星测轨精度；

步骤四十二，利用星历参数、在轨几何定标数据、在轨波束指向标定结果和DEM数据进行多普勒参数计算，并基于原始回波数据进行高精度多普勒参数估计；

步骤四十三：利用多普勒参数和雷达工作参数对原始回波数据进行成像处理，获得原始复图像；

步骤四十四，利用定标常数、在轨方向图测试数据、地面方向图测试数据和在轨几何标定数据对原始复图像进行辐射校正和几何校正，获得SAR图像二级产品。

优选地，所述步骤五中成像结果评估分为点目标评估和场景目标评估，对于点目标主要评估指标包括分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、峰值功率、峰值相位、定位精度、辐射精度，对于场景目标主要评估指标包括图像均值、方差、动态范围、等效视数、辐射分辨率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明从高分辨率微波成像卫星的星地一体化指标可实现角度详细梳理了星地全链路误差因素，并从影响因素指标的工程实现可行性方面对在轨标定需求进行了分析；对关键影响因素进行了误差影响分析和建模；然后基于影响因素误差模型及其与星地一体化指标的联系提出了一套雷达目标回波仿真方法；之后构建回波数据成像处理框架和流程；最后给出对成像处理结果的评估方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种高分辨率微波成像卫星星地一体化仿真方法的流程图。

图2为本发明中步骤三的实现流程图。

图3为本发明中步骤四的实现流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明高分辨率微波成像卫星星地一体化仿真方法包括以下步骤：

步骤一，星地全链路误差梳理；

步骤二，误差影响分析与建模；

步骤三，雷达目标回波仿真；

步骤四，成像处理；

步骤五，成像结果评估。

步骤一中具体包括以下步骤：

步骤一十一，考虑的星地一体化指标包括方位向成像性能指标(含方位向分辨率、方位向峰值旁瓣比、方位向积分旁瓣比)，距离向成像性能指标(含距离向分辨率、距离向峰值旁瓣比、距离向积分旁瓣比)，定位精度和辐射精度；

步骤一十二，影响星地一体化指标的卫星平台和载荷误差因素梳理，包括平台时钟、姿态数据、轨道数据、SAR系统参数和SAR天线参数；

步骤一十三，影响星地一体化指标的空间误差因素梳理，包括电离层的群延迟、衰减、色散和闪烁以及大气层的延迟、衰减；

步骤一十四，影响星地一体化指标的地面因素梳理，包括目标场景的动态范围、信杂比、高程精度，地面接收系统的误码率，成像处理系统参数估计误差、处理算法误差、方向图数据库误差、地球数字高程模型库误差，地面定标系统的几何标定误差、辐射标定误差、方向图测试误差和波束指向标定误差。

步骤二中具体包括以下步骤：

步骤二十一，将影响因素进行分类，具体包括影响距离向成像性能的SAR系统幅相误差和SAR天线色散误差、电离层色散、成像处理误差、方向图测试误差和波束指向标定误差，影响方位向成像性能的姿态误差、轨道误差、电离层和大气延迟误差、DEM误差、参数估计误差、几何标定误差、成像处理误差、方向图测试误差和波束指向标定误差，影响定位精度的时钟误差、轨道误差、几何标定误、DEM误差和处理算法误差，影响辐射精度的SAR系统内定标误差、方向图数据库误差、参数估计误差、处理算法误差、辐射标定误差、方向图测试误差和波束指向标定误差、目标场景的动态范围、信杂比；

步骤二十二，误差对于距离向成像性能的影响原理均可归结为引起线性调频信号畸变的幅度和相位误差模型；幅度误差模型如下式(1)：

其中H(ω)为幅度误差在频域的表示，a₀为常数项，m为简谐畸变次数，a_m为误差系数，c_m为余弦周期尺度；

相位误差模型如下式(2)：

其中相位误差在频域的表示，b₀为线性相位项系数，n为简谐畸变次数，b_n为误差系数，c_n为余弦周期尺度；

步骤二十三，误差对于方位向成像性能的影响原理均可归结为引起SAR天线相位中心与地面目标间的斜距向量发生变化，这个斜距包括回波数据中体现的即成事实的斜距以及计算多普勒参考函数所用的测量斜距，星地斜距变量如下式(3)：

|R(t)|＝|R_sat(t)-R_t(t)|+cΔτ/2 (3)

其中R_sat(t)为卫星位置矢量，R_t(t)为目标位置矢量，c为光速，Δτ为几何标定后残余的SAR通道时延误差以及大气、电离层延时误差，轨道误差主要影响R_sat(t)，高程误差主要影响R_t(t)；

步骤二十四，误差对定位精度的影响主要分测轨误差、斜距误差、高程误差和时钟误差四种因素分析，对于时钟误差，造成图像沿飞行方向的定位误差，如下式(4)：

Δx＝V_e·Δt (4)

其中Δx为定位误差，V_e为等效速度，回波数据时标误差Δt；

步骤二十五，误差对辐射精度的影响可归结为方向图误差影响、空间损耗、成像处理误差、内定标和辐射定标误差；其中方向图误差具体包括姿态误差、SAR天线波束指向误差、方向图形状差的影响，空间损耗包括大气和电离层衰减；方位向方向图误差模型如下式(5)和(6)：

其中W_a0为方位向方向图误差，A、ω₀和分别为方位向波束抖动的幅度、角频率和初始相位，D_a为天线方位向尺寸，V_e为星地等效速度，φ为等效斜视角，λ为波长，R为斜距；

距离向方向图误差模型如下式(7)和(8)：

其中W_r0为距离向方向图误差，θ_rm、ω₀和分别为距离向波束抖动的幅度、角频率和初始相位，D_r为天线距离向尺寸，θ_r0为滚动向波束离轴角。

如图2所示，步骤三中具体包括以下步骤：

步骤三十一，首先确定输入参数，各参数的误差模型根据步骤二确定；

步骤三十二，建立SAR成像的星地几何关系模型和脉冲信号模型，综合各影响因素，计算原始回波信号、多普勒参数和雷达系统参数，回波仿真数据获取流程通过全数字仿真试验，也通过半物理仿真试验；

步骤三十三，将回波仿真结果进行打包，形成数据输出文件。

如图3所示，步骤四中具体包括以下步骤：

步骤四十一，对原始回波数据文件解包，提取雷达工作参数、时间码、轨道参数、姿态参数、导航数据和SAR原始回波数据，对SAR原始回波数据进行解BAQ、通道不平衡校正等预处理，对雷达工作参数进行解码和格式转换，对时间码、轨道参数、姿态参数进行插值、时间对准等工作，对导航原始观测量进行事后处理来提高卫星测轨精度；

步骤四十二，利用星历参数、在轨几何定标数据、在轨波束指向标定结果和DEM数据进行多普勒参数计算，并基于原始回波数据进行高精度多普勒参数估计；

步骤四十三：利用多普勒参数和雷达工作参数对原始回波数据进行成像处理，获得原始复图像；

步骤四十四，利用定标常数、在轨方向图测试数据、地面方向图测试数据和在轨几何标定数据对原始复图像进行辐射校正和几何校正，获得SAR图像二级产品。

步骤五中具体包括以下步骤：

成像结果评估，分为点目标评估和场景目标评估。对于点目标主要评估指标包括分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、峰值功率、峰值相位、定位精度、辐射精度；对于场景目标主要评估指标包括图像均值、方差、动态范围、等效视数、辐射分辨率。

本实施例以星载X波段相控阵合成孔径雷达(SAR)为例，参考TerraSAR卫星参数取值，并做一定的改动，轨道高度取值约580km，SAR天线尺寸约4m(A)×2.4m(R)，入射角选择55°，工作模式选择聚束模式，信号带宽取500MHz。

步骤一，进行全链路主要误差因素梳理，各误差取值如表1所示。

表1星地全链路误差因素

步骤二，与距离向成像性能相关的幅度误差，误差模型假设为半周期余弦形状，误差幅度取值参考表1中第5项，a₀取0，m取1，a₁取2，c₁取1/(1500Mhz)；距离向相位误差，误差模型假设为半周期余弦形状，误差幅度取值参考表1中第5项，b₀取0，n取1，b₁取10°，c₁取1/(1500Mhz)，处理误差参考表1中第10项。

与方位向成像性能相关的误差取值参照表1中第3、4、8、9、10、11项取值。

与定位精度相关的误差取值参照表1中第1、3、4、8、9、10、11项取值。

与辐射精度相关的误差取值参考表1，方位向方向图取形状误差0.2dB，指向误差按照固定值0.02°；距离向方向图误差取固定指向误差0.04°，空间损耗取0.35dB；成像处理误差取0.5dB、内定标误差取0.57dB，辐射定标误差取0.5dB。

步骤三，根据表1中误差取值和步骤二中的误差规律，并按照图2所示的回波仿真框架，进行聚束模式的回波仿真。

步骤四，利用聚束模式的三步成像算法对回波数据进行成像处理，处理加权选择-26dB的简化泰勒权。

步骤五，这里以分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、定位精度和辐射精度为例，对成像结果进行评估，评估结果表2所示。

表2成像结果评估

综上所述，本发明从高分辨率微波成像卫星的星地一体化指标可实现角度详细梳理了星地全链路误差因素，并从影响因素指标的工程实现可行性方面对在轨标定需求进行了分析；对关键影响因素进行了误差影响分析和建模；然后基于影响因素误差模型及其与星地一体化指标的联系提出了一套雷达目标回波仿真方法；之后构建回波数据成像处理框架和流程；最后给出对成像处理结果的评估方法。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。