专利名称：合成孔径雷达宽测绘带对地观测步进扫描模式的实现方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径雷达技术领域，是一种合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)高分辨率宽测绘带对地观测步进扫描(Terrain Observation by Progressive Scans =TOPS)模式的实现方法，简称为TOPSAR模式。主要目的是保留扫描(kanSAR)模式优点的同时，克服kanSAR模式的缺点。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)具有全天候、全天时成像特点，在国民经济和国防领域有着广泛的应用。作为一种成像雷达，提高测绘带宽是SAR的追求目标。kanSAR模式在牺牲分辨率的前提下能够提高测绘带幅宽，实现大范围的观测。kanSAR利用周期性地转换距离向天线波束，使其指向几个子带，获得宽的测绘带覆盖；同时宽的距离向覆盖，将使低轨卫星缩短重访时间。kanSAR的这些优点使其具有了广泛的应用，但在很多情况下，ScanSAR 的缺点阻碍了它的应用。^anSAR主要有两方面缺点，第一是幅度图像存在扇贝效应，使得 kanSAR定标十分困难；第二是分辨率、模糊比和等效噪声散射系数不均勻，随方位变化。 虽然通过增加多视数，上述问题较容易解决，但是几何分辨率将减少同样的倍数。TOPSAR模式是一种新的高分辨率宽测绘带成像模式，相同，具有测绘带宽、重访率低的特点，但同时弥补了 ^anSAR模式的固有缺点。它消除了扇贝效应， 在整个子测绘带上得到均勻的噪声等效系数和分辨率；它具有更强的模糊抑制能力，在整个子测绘带上得到均勻的模糊度；由于子带较长，它的边沿效应损失更小。这些特点使得 TOPSAR在不降低分辨率甚至提高分辨率的情况下，获得更佳的图像质量。这些特点使得 TOPSAR具有了更广泛的应用，在高分辨率宽测绘带应用中成为优选方案。目前国际上已经实现了星载TOPSAR模式，如德国的TerraSAR-X得到了同一地区的TOPSAR图像和kanSAR图像，充分体现了 TOPSAR的优势；未来的kntinel-l也将 TOPSAR模式作为主要工作模式。目前在我国，没有具备TOPSAR功能的SAR卫星。在2009 年，电子所对该模式进行了首次机载校飞，获得了大量的数据，实现了 T0PSAR功能，得到了良好的图像。
发明内容
本发明的目的是提供一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，以克服^anSAR模式应用的不足，该设计方法已经在机载SAR中得到应用。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是—种合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其在每个子带内，天线在方位向沿着轨迹方向，从后向前扫描并接收回波，通过控制天线方位向扫描速度来改变分辨率；子带扫描结束后，在距离向，通过切换波束指向使得天线照射不同的子带，以实现宽测绘带。所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其具体步骤如下
a)输入指标测绘带总幅宽和系统分辨率；b)根据输入指标要求和实际天线尺寸，确定波束不扫描时每个子带的能够达到的方位分辨率和幅宽；C)根据子带方位分辨率、幅宽和测绘带总幅宽，确定子带数目，然后根据天线扫描能力，优化系统分辨率；d)通过初步计算确定波束的扫描时间、扫描角度；e)根据天线的扫描能力和步进特性，进一步精确计算上述参数，以满足天线实际扫描能力需求；f)进行参数核算，如果不满足指标要求，根据步骤a) e)重新计算各参数，直到满足指标要求；然后根据计算得到的方位向扫描角范围，在SAR平台上以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，扫描到正的方位向扫描角结束；g) 一个子带扫描结束后，调节天线距离向波束指向到下一个子带，根据设计参数， 仍然以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，扫描到正的方位向扫描角结束；h)子带逐个扫描结束后，重新回到第一个子带，循环执行。所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其所述e)步中，天线的扫描特性，需要根据天线的步进特性和扫描能力，进一步精确计算各个参数，包括步骤如下①根据天线步进角度，把天线扫描角度的初步计算值向上归到天线能够达到的扫描角度，作为天线实际扫描角度；②计算天线实际扫描角度和初步计算的天线扫描角度之差；③根据天线实际扫描角度，计算实际扫描时每次步进驻留脉冲数；④计算每个子带实际驻留时间；⑤计算实际扫描周期；⑥计算每个子带天线有效扫描轨迹；⑦计算平台在一个扫描周期内运动轨迹；⑧计算每个子带实际驻留时间和每个子带初步计算的驻留时间之差，并将时间差累加。所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其所述f)步中，进行参数核算，如果每个子带都能满足天线有效扫描轨迹大于或者等于平台在一个扫描周期运动轨迹，在参数精确计算中得到的参数就是最终实际飞行参数，能够满足分辨率要求，可以用于实现T0PSAR模式；如果不能满足，会导致沿着方位向轨迹出现分辨率降低的区域， 具体解决方法如下①重新计算时间余量；②把时间余量带入计算公式中，经过初步计算得到新的参数，然后重复步骤e)和 f)。本发明的有益效果是，明显改善了 kanSAR模式的扇贝效应，整个场景内的方位分辨率、模糊比和噪声等效系数都比较均勻。在天线的扫描能力较强时，可以获得优于
5kanSAR模式的分辨率。
图1是本发明合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法流程图。图2是本发明的TOPSAR模式分辨率计算流程图；图3是本发明的TOPSAR模式参数初步计算流程图；图4是本发明的TOPSAR模式参数精确计算流程图；图5是本发明的TOPSAR模式参数核算流程图。
具体实施例方式本发明的一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，在每个子带内，天线在方位向沿着轨迹方向，从后向前扫描并接收回波，通过控制天线方位向扫描速度来改变分辨率；子带扫描结束后，在距离向，通过切换波束指向使得天线照射不同的子带，以实现宽测绘带。具体操作见附图1，包括根据基本输入参数(包括地球半径、平台高度、平台速度、时间余量、子带波束中心地心角)和要求的测绘带总幅宽、系统分辨率以及实际天线尺寸，确定天线不扫描时每个子带的方位分辨率和幅宽，进而确定子带数目。在满足方位分辨率限制条件后，根据实际天线扫描能力，可以优化系统分辨率，即天线扫描能力强，分辨率可以提高，反之，则分辨率必须降低。确定了分辨率后，通过参数初步计算，确定每个子带的驻留时间、扫描角度。初步计算结果没有考虑实际天线扫描量化问题，而是直接根据公式计算得到，是对天线扫描能力的一种理想化设计。需要根据天线的扫描能力和天线的步进特性，进一步精确计算各个参数。精确计算后，要进行参数核算，如果不满足指标要求，需要重新计算。如果满足指标要求，根据计算得到的方位向扫描角范围，在SAR平台上以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，逐步扫描到正的方位向扫描角结束。一个子带扫描结束后，调节天线距离向波束指向，使波束照射下一个子带，根据设计参数，仍然以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，到正的方位向扫描角结束。子带逐个扫描结束后，重新回到子带1。本发明的一种TOPSAR模式的实现方法，是合成孔径雷达(SAR)成像实现方法，应用于SAR成像领域，其主要目的是克服传统宽测绘带kanSAR模式固有的缺陷，提高SAR 图像质量和应用价值。不再应用kanSAR模式计算公式来计算方位分辨率，而是根据TOPSAR模式的几何关系，折衷考虑方位分辨率、天线方位扫描角度、天线子带扫描时间之间的约束关系，取得优于kanSAR模式的分辨率。TOPSAR模式距离向波束中心指向控制实现方式和kanSAR模式相同，方位向波束中心指向控制实现方式和SAR聚束模式相反。具体包括以下步骤(1)分辨率确定根据要求的总的测绘带幅宽、系统分辨率指标、实际天线尺寸以及基本参数(包括地球半径、平台高度、平台速度、时间余量、子带波束中心地心角)，确定每个子带不扫描时的方位分辨率和幅宽。子带方位分辨率为
P a = ki · k0 · Da/2式中，P a是子带方位分辨率，Da是天线方位向尺寸，k0是方位向天线波束宽度的展宽系数，不展宽时，k0 = 0. 886，Ic1是各种误差造成的展宽系数，包括方位向成像处理加权展宽系数，多普勒调频率误差造成的展宽因子，方位向场强分布特性带来的幅度加权展宽系数，以及传播误差、量化误差、差值误差等各种误差造成的展宽系数。根据子带幅宽和总的幅宽，确定子带数目。然后根据子带方位分辨率、子带数目， 结合天线扫描能力优化系统方位分辨率。流程图如图2所示。TOPSAR模式方位分辨率和子带的方位分辨率满足如下关系P Tops > N · P strip其中，P _3是方位分辨率，N是子带数目，Psmp是每个子带不扫描时的方位分辨率。由上式可见，T0PSAR模式的方位分辨率只要大于N倍的子带不扫描时的方位分辨率即可；而kanSAR模式方位分辨率必须大于或者等于N+1倍的子带方位分辨率，因此TOPSAR 模式方位分辨率相对^anSAR模式方位分辨率有所提高。TOPSAR模式距离分辨率确定方法同kanSAR模式相同。(2)参数初步计算确定了方位分辨率以后，下面计算其它参数，流程图见图3。初步计算时不考虑实际天线扫描量化问题，直接根据公式计算得到，是理想化的计算结果。首先以公式
权利要求
1.一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测步进扫描模式的实现方法，其特征在于，在每个子带内，天线在方位向沿着轨迹方向，从后向前扫描并接收回波，通过控制天线方位向扫描速度来改变分辨率；子带扫描结束后，在距离向，通过切换波束指向使得天线照射不同的子带，以实现宽测绘带。
2.如权利要求1所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其特征在于，具体步骤如下a)输入指标测绘带总幅宽和系统分辨率；b)根据输入指标要求和实际天线尺寸，确定波束不扫描时每个子带的能够达到的方位分辨率和幅宽；c)根据子带方位分辨率、幅宽和测绘带总幅宽，确定子带数目，然后根据天线扫描能力，优化系统分辨率；d)通过初步计算确定波束的扫描时间、扫描角度；e)根据天线的扫描能力和步进特性，进一步精确计算上述参数，以满足天线实际扫描能力需求；f)进行参数核算，如果不满足指标要求，根据步骤a) e)重新计算各参数，直到满足指标要求；然后根据计算得到的方位向扫描角范围，在SAR平台上以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，到正的方位向扫描角结束；g)一个子带扫描结束后，调节天线距离向波束指向到下一个子带，根据设计参数，以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，到正的方位向扫描角结束；h)子带逐个扫描结束后，一个扫描周期结束，天线波束回到第一个子带，重新开始扫描。
3.如权利要求2所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其特征在于，所述e)步中，天线的扫描特性，需要根据天线的步进特性和扫描能力，进一步精确计算各个参数，包括步骤如下①根据天线步进角度，把天线扫描角度的初步计算值向上归到天线能够达到的扫描角度，作为天线实际扫描角度；②计算天线实际扫描角度和初步计算的天线扫描角度之差；③根据天线实际扫描角度，计算实际扫描时每次步进驻留脉冲数；④计算每个子带实际驻留时间；⑤计算实际扫描周期；⑥计算每个子带天线有效扫描轨迹；⑦计算平台在一个扫描周期内运动轨迹；⑧计算每个子带实际驻留时间和每个子带初步计算的驻留时间之差，并将时间差累加。
4.如权利要求2所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其特征在于，所述f)步中，进行参数核算，如果每个子带都能满足天线有效扫描轨迹大于或者等于平台在一个扫描周期运动轨迹，在参数精确计算中得到的参数就是最终实际飞行参数， 能够满足分辨率要求；如果不能满足，会导致沿着方位向轨迹出现分辨率降低的区域，具体解决方法如下①重新计算时间余量；②把时间余量带入计算公式中，经过初步计算得到新的参数组，然后重复步骤e)和f)。
全文摘要
本发明一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测步进扫描模式的实现方法，涉及合成孔径雷达技术，在每个子带内，天线在方位向沿着轨迹方向，从后向前步进扫描并接收回波，通过控制天线方位向扫描速度来改变分辨率；子带扫描结束后，在距离向，通过切换波束指向使得天线照射不同的子带，以实现宽测绘带。本发明方法明显改善了常规扫描(ScanSAR)模式的扇贝效应，整个场景内的方位分辨率、模糊比和噪声等效系数都比较均匀。在天线的扫描能力较强时，该模式可以获得优于ScanSAR模式的分辨率。
文档编号G01S7/02GK102346249SQ201010239998
公开日2012年2月8日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者何晓燕, 张志敏, 潘涛, 郑明洁, 魏云龙 申请人:中国科学院电子学研究所