一种地理条带SAR变间隔脉冲序列设计方法与流程

本发明涉及涉及合成孔径雷达系统设计领域，具体为一种地理条带sar变间隔脉冲序列设计方法。
背景技术：
：合成孔径雷达是一种不受气候影响的全天时全天候对地观测手段，可以得到大范围地面区域的高分辨率图像，有效弥补了光学成像手段受时间和天气影响的不足，是当代主要的空天信息遥感技术之一。传统的条带sar主要用于对平行于雷达轨迹的目标带进行成像，而对于不与轨迹平行的目标区域则需要多轨多次成像后在进行图像拼接，或单次宽幅成像。这些方法将延长数据的收集周期或降低方位向分辨率，同时还不得不接收存储非目标区域的无用信号。地理条带sar模式主要是通过沿俯仰向连续调整波束指向，使得波束可以覆盖不与雷达运动轨迹平行的目标区域，单次过顶即可完成对目标区域的回波收集，在保证了一定的方位分辨率的基础上，减小了数据量和数据收集周期。然而这种特殊的模式也带来了新的问题，首先采用垂直条带照射方式时可能工作在大斜视条件下，引入大范围的距离徙动，同时，对于传统的固定脉冲重复周期的成像系统，由于倾斜的条带将沿距离向跨越很大的范围，这使得部分斜距处的回波被发射脉冲遮挡，无法接收。因此，为了克服这些问题，需要设计一种新的非恒定脉冲间隔的成像系统。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种解决星载地理参考条带sar中，脉冲遮挡导致条带中部分斜距处回波接收不完整的问题。通过分析星载sar脉冲遮挡的基本原因，和地理参考条带特殊的照射方式和斜距变化规律，利用连续变化脉冲间隔的方法，首先确定星地几何关系，计算出开始照射时刻的斜距和终止照射时的斜距。然后根据分辨率指标对应的方位向多普勒带宽联立约束不等式组，得到全程无混叠条件下最大的回波窗时宽，从而反向计算得到初始脉冲间隔。最后利用计算得到的初始脉冲间隔和针对地理参考条带sar的递推公式给出保证最低采样率无混叠的连续变脉冲间隔的全部脉冲序列，以解决上述
背景技术：
中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种地理条带sar变间隔脉冲序列设计方法，包括以下步骤：步骤一：给定平台与目标条带的成像几何，计算初始中心斜距和终止中心斜距；步骤二：给定方位向多普勒带宽，计算使得回波窗时间最长，且满足全程无混叠采样的初始脉冲间隔；步骤三：代入初始脉冲间隔和中心斜距历程，根据递推式计算各个脉冲的发射时间，得到全部脉冲序列优选的，步骤一中根据平台高度和速度方向、目标条带与平台轨迹夹角、成像起始时刻计算成像开始时平台的位置矢量，记为根据视线和平台与星下点连线构成的平面与目标条带中心线的空间位置，计算瞄准点位置矢量，记为此时可以根据式计算得到初始中心斜距，记为r0；其中：||·||为2范数；进一步，根据平台的运动参数和总成像时间，计算成像终止时刻的平台位置矢量，记为根据视线和平台与星下点连线构成的平面与目标条带中心线的空间位置，计算瞄准点的位置矢量，记为此时根据公式可计算得到终止照射时刻的中心斜距，记为re。优选的，步骤二中根据成像的分辨率需求确定方位向多普勒带宽，记为b，设置脉冲宽度，记为tp，设置回波窗前后距离脉冲的保护时间间隔，记为tg；并设回波窗起始时刻与脉冲起始时刻的时间差为e0，计算公式为e0＝tp+tg；根据式计算三个常量c1、c2、c3；c3＝-e0-tg；其中：c为光速；然后比较初始中心斜距r0与终止中心斜距re，若re＜r0，即初始中心斜距大于终止中心斜距，雷达对条带由远及近照射，则联立方程组如下：其中：n为回波的模糊数，即回波需要经过多少个脉冲间隔才能被收到。在上式中，n为自变量。tw为回波窗长度，为因变量。可以证明，该方程组一定存在两个解，且只有一个解大于零，因此舍去负解，并设大于零的解为nac，由于模糊数一定为整数，所以向上取整得到模糊数n，计算公式如下其中：表示对实数向上取整。将n代回式中的一个等式中求得满足要求的最大的回波窗长度tw，最后根据式计算得到初始脉冲间隔，记为pi0。若re＞r0，即初始中心斜距小于终止中心斜距，雷达对条带由近及远照射，则联立方程组如下同样可证，该方程组仅存在一个大于零的解，设为nac，对其进行式中相同的运算，并代回方程组中的第一个等式可得到所求的回波窗长度tw，再根据式，可以计算得到初始脉冲间隔pi0。优选的，步骤三中设脉冲序列起始时刻为零时刻，首先根据步骤二中计算得到的模糊数n和初始脉冲间隔pi0，得到前n+1个脉冲的发射时刻，计算公式为tseq(k)＝(k-1)pi0,k＝1,2…,n+1，其中：tseq(k)为第k个脉冲的发射时刻；设脉冲间隔序列为pi(k)＝tseq(k+1)-tseq(k),k＝1,2,3,…,q-1，其中：q为最后一个脉冲的序号再令脉冲间隔的增量为δt(k)＝pi(k)-pi0,k＝1,2,3,…,q-1，至此已经得到了前n+1个脉冲的发射时刻，和前n个脉冲间隔的增量，下面给出第k+n个脉冲间隔的增量δt(k+n)的计算方法，k的取值为任意正整数；首先根据步骤一中的几何方法计算第k+1个脉冲发射时刻的平台位置矢量ps(k+1)和瞄准点的位置矢量pa(k+1)，然后根据式计算第k+1个脉冲发射时刻的中心斜距r(k)，r(k+1)＝||ps(k+1)-pa(k+1)||再带入递推公式中求得δt(n+k)，递推的计算上式，即可得到对目标条带成像过程中任意第k个脉冲间隔增量，最后对得到的增量序列加上由初始脉冲间隔构成的常量序列，并进行规约，根据式可以得到任意第k个脉冲的发射时刻，tseq(1)＝0与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明在保证采样率足够的前提下，避免了脉冲遮挡问题，使得对走向不平行于平台轨迹的条带可以进行连续的成像，避免发射脉冲遮挡。(2)本发明设计的连续变脉冲间隔的脉冲序列将回波位置始终固定在回波窗的固定位置，对于星载地理参考条带sar的垂直条带照射方式，直接在时域移除了线性距离徙动，为后续的成像处理过程做了简化。(3)本发明通过对回波时间的折叠，将回波数据分布矩形化，在完全保留目标区域回波信息的基础上，除去了无效数据，极大地减小了地理条带sar大斜视成像过程中的数据率，节省了存储空间和传输数据量。附图说明图1是本发明的流程图；图2给出了实例中生成的脉冲间隔增量序列δt；图3给出了实例中的各个脉冲发射时刻的中心斜距；图4给出了发射脉冲序列tseq；图5给出了部分发射脉冲与接收窗的波位示意图；图6给出了图5的局部放大图；图7给出了采用实施例序列对点阵目标进行回波仿真的数据分布图；图8给出了采用固定脉冲间隔，与实施例其余参数相同情况下，对点阵目标进行回波仿真的数据分布图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明是一种地理条带sar变间隔脉冲序列设计方法，总流程如图1所示，包括以下几个步骤：步骤一：给定平台与目标条带的成像几何，计算初始中心斜距和终止中心斜距。根据平台高度和速度方向、目标条带与平台轨迹夹角、成像起始时刻计算成像开始时平台的位置矢量，记为根据视线和平台与星下点连线构成的平面与目标条带中心线的空间位置，计算瞄准点位置矢量，记为此时可以根据式计算得到初始中心斜距，记为r0。其中：||·||为2范数。进一步，根据平台的运动参数和总成像时间，计算成像终止时刻的平台位置矢量，记为根据视线和平台与星下点连线构成的平面与目标条带中心线的空间位置，计算瞄准点的位置矢量，记为此时根据公式可计算得到终止照射时刻的中心斜距，记为re。步骤二：给定方位向多普勒带宽，计算使得回波窗时间最长，且满足全程无混叠采样的初始脉冲间隔。根据成像的分辨率需求确定方位向多普勒带宽，记为b，设置脉冲宽度，记为tp，设置回波窗前后距离脉冲的保护时间间隔，记为tg。并设回波窗起始时刻与脉冲起始时刻的时间差为e0，计算公式为e0＝tp+tg根据式计算三个常量c1、c2、c3。c3＝-e0-tg其中：c为光速。然后比较初始中心斜距r0与终止中心斜距re，若re＜r0，即初始中心斜距大于终止中心斜距，雷达对条带由远及近照射，则联立方程组如下其中：n为回波的模糊数，即回波需要经过多少个脉冲间隔才能被收到。在上式中，n为自变量。tw为回波窗长度，为因变量。可以证明，该方程组一定存在两个解，且只有一个解大于零，因此舍去负解，并设大于零的解为nac，由于模糊数一定为整数，所以向上取整得到模糊数n，计算公式如下其中：表示对实数向上取整。将n代回式中的一个等式中求得满足要求的最大的回波窗长度tw，最后根据式计算得到初始脉冲间隔，记为pi0。若re＞r0，即初始中心斜距小于终止中心斜距，雷达对条带由近及远照射，则联立方程组如下同样可证，该方程组仅存在一个大于零的解，设为nac，对其进行式中相同的运算，并代回方程组中的第一个等式可得到所求的回波窗长度tw，再根据式，可以计算得到初始脉冲间隔pi0。步骤三：代入初始脉冲间隔和中心斜距历程，根据递推式计算各个脉冲的发射时间，得到全部脉冲序列。设脉冲序列起始时刻为零时刻，首先根据步骤二中计算得到的模糊数n和初始脉冲间隔pi0，得到前n+1个脉冲的发射时刻，计算公式为tseq(k)＝(k-1)pi0,k＝1,2…,n+1其中：tseq(k)为第k个脉冲的发射时刻。设脉冲间隔序列为pi(k)＝tseq(k+1)-tseq(k),k＝1,2,3,…,q-1其中：q为最后一个脉冲的序号再令脉冲间隔的增量为δt(k)＝pi(k)-pi0,k＝1,2,3,…,q-1至此已经得到了前n+1个脉冲的发射时刻，和前n个脉冲间隔的增量，下面给出第k+n个脉冲间隔的增量δt(k+n)的计算方法，k的取值为任意正整数。首先根据步骤一中的几何方法计算第k+1个脉冲发射时刻的平台位置矢量ps(k+1)和瞄准点的位置矢量pa(k+1)，然后根据式计算第k+1个脉冲发射时刻的中心斜距r(k)。r(k+1)＝||ps(k+1)-pa(k+1)||再带入递推公式中求得δt(n+k)。递推的计算上式，即可得到对目标条带成像过程中任意第k个脉冲间隔增量，最后对得到的增量序列加上由初始脉冲间隔构成的常量序列，并进行规约，根据式可以得到任意第k个脉冲的发射时刻。tseq(1)＝0实施例：本发明为一种地理条带sar变间隔脉冲序列设计方法，具体实施例为：步骤一：给定平台与目标条带的成像几何，计算初始中心斜距和终止中心斜距。具体为：1、参数初始化(1)给出仿真参数如表1所示。平台高度m500e3速度m/s7e3条带与轨迹夹角°45成像时间s52.2115多普勒带宽hz1400脉宽us25保护时间us5(2)计算0时刻平台位置矢量和瞄准点位置矢量(3)计算成像终止时刻平台位置矢量和瞄准点位置矢量(4)计算初始中心斜距r0和终止中心斜距rer0＝||ps0-pa0||＝700e3re＝||pse-pae||＝900e3步骤二：给定方位向多普勒带宽，计算使得回波窗时间最长，且满足全程无混叠采样的初始脉冲间隔。1、计算所需常量e0、c1、c2、c3。e0＝tp+tg＝30usc3＝-e0-tg＝-35us2、比较初始中心斜距r0与终止中心斜距re，有re＞r03、求解方程组其中：b＝1400为多普勒带宽。解得两个根n1＝-0.1167n2＝7.9992舍去负根，并对正根向上取整，有4、代回方程组第一个等式中求得回波窗长度5、求得初始脉冲间隔pi0步骤三：代入初始脉冲间隔和中心斜距历程，根据递推式计算各个脉冲的发射时间，得到全部脉冲序列。1、设脉冲序列起始时刻为零时刻，首先根据步骤二中计算得到的模糊数n和初始脉冲间隔pi0，得到前n+1个脉冲的发射时刻。tseq(k)＝(k-1)pi0＝(k-1)×5.4755e-04,k＝1,2…92、为脉冲间隔的增量序列赋初值δt(k)＝0,k＝1,2,3,…,83、顺序计算第k+n个脉冲增量，步骤二中已计算得到n＝8，k＝1,2,…。以k＝1为例。(1)计算第k+1个脉冲发射时刻的平台位置矢量ps(k)和瞄准点位置矢量pa(k)。ps(k+1)|k＝1＝[0,3.46413e05,500e3]tpa(k+1)|k＝1＝[3.46412e05,1.9164,0]t(2)计算第k+1个脉冲发射时刻的中心斜距r(k+1)。r(k+1)|k＝1＝||ps(k+1)-pa(k+1)|||k＝1＝7.0000189e05(3)代入递推公式中求得δt(k+n+1)。注意到，k＝1时，r(1)＝r0(4)计算第n+k+1个脉冲的发射时间。4、k自增1，重复第3步，直到计算得到的脉冲发射时刻大于成像时间，此时已获得所有的脉冲序列。本发明主要针对星载地理参考条带sar中，脉冲遮挡导致条带中部分斜距处回波接收不完整的问题。通过分析星载sar脉冲遮挡的基本原因，和地理参考条带特殊的照射方式和斜距变化规律，利用连续变化脉冲间隔的方法，首先确定星地几何关系，计算出开始照射时刻的斜距和终止照射时的斜距。然后根据分辨率指标对应的方位向多普勒带宽联立约束不等式组，得到全程无混叠条件下最大的回波窗时宽，从而反向计算得到初始脉冲间隔。最后利用计算得到的初始脉冲间隔和针对地理参考条带sar的递推公式给出保证最低采样率无混叠的连续变脉冲间隔的全部脉冲序列。图1是本发明的流程图，图2给出了实例中生成的脉冲间隔增量序列δt，图3给出了实例中的各个脉冲发射时刻的中心斜距，图4给出了发射脉冲序列tseq，图5给出了部分发射脉冲与接收窗的波位示意图，图6给出了图5的局部放大图，图7给出了采用实施例序列对点阵目标进行回波仿真的数据分布图，图8给出了采用固定脉冲间隔，与实施例其余参数相同情况下，对点阵目标进行回波仿真的数据分布图。通过实例分析，进一步详细阐述了本发明方法的完整实施过程，验证了本方法的合理性与正确性。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页12