本发明属于雷达技术领域，涉及一种GEO SAR凝视成像模式方位模糊度确定方法，可用于GEO SAR凝视成像模式方位模糊度。该方位模糊度的计算方法同样可以推广到低轨SAR\中轨SAR速度时变下凝视成像观测方位模糊度的精确计算。
背景技术：
GEO SAR具有重访周期短，观测范围广，可灵活实现对特定区域凝视观测的特点，已经成为研究热点。GEO SAR凝视观测成像模式，可以通过小角度的天线相位扫描或者通过卫星姿态机动来实现，具有广泛的应用前景，克服了常规低轨SAR对目标短时间观测(一般为秒级)的不足，可实现小时级对特定区域凝视观测，通过一定的轨道设计甚至可实现对特定区域凝视观测24小时不间断持续观测。
精确的方位模糊度对系统设计及性能指标的评估具有重要意义。方位模糊度不仅影响系统参数设计例如脉冲重频的选择，而且影响成像的质量，过低的方位模糊度将使得图像在方位向出现“鬼影”。通过精确的方位模糊度计算可以对系统指标进一步进行优化设计，从而提升系统的综合性能指标。
影响方位模糊度计算的因素主要包括天线方向图，方位向带宽，脉冲重复频率，回波多普勒频率等因素。在地球同步轨道SAR中，其方位向多普勒带宽，回波多普勒频率时变。另外，在凝视成像模式下，天线的方向图指向固定区域(如下图3所示)，对于区域内的目标点来说，在雷达照射的时间内其受到的天线方向图照射增益点是固定的，并不随着雷达的运动而发生变化。上述的这些特性必然导致了GEO SAR凝视成像模式下的方位模糊度计算与低轨常规的成像模式方位模糊度计算有所不同。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种GEO SAR凝视成像模式方位模糊度确定方法，考虑了地球自转，速度时变以及凝视成像特殊工作模式对方位模糊度影响，可实现对GEO SAR凝视成像模式下的不同轨道位置，不同场景目标点的方位模糊度进行精确的计算。
本发明的技术方案是：一种GEO SAR凝视成像模式方位模糊度确定方法，步骤如下：
1)确定凝视观测时卫星的轨道时刻及目标点场景位置；
2)结合地球同步轨道SAR特性，计算获得不同轨道时刻及不同场景目标对应的方位向多普勒频率；
3)根据天线方位向方向图，计算凝视观测不同场景位置处目标点天线的照射增益；
4)根据凝视模式方位模糊度公式计算得到凝视模式的方位模糊度。
所述卫星的轨道时刻利用由卫星的轨道星历参数给出，所述目标点的场景位置由地面的经纬度进行确定。
所述计算获得不同轨道时刻及不同场景目标对应的方位向多普勒频率其中λ为信号波长，Rs、Rt分别为卫星、目标点的位置矢量；卫星和目标点之间的位移矢量，即卫星到目标点之间的距离R＝|Rs-Rt|；fdi为场景目标点的方位多普勒频率。
所述其中a为地心轨道半长轴，e为地球子午椭圆第一偏心率，f为真近心角，w为近地点幅角，i为轨道倾角,Ω为升交点赤经。
所述其中a为地心轨道半长轴，e为地球子午椭圆第一偏心率，f为真近心角，w为近地点幅角，i为轨道倾角,Ω为升交点赤经，μ＝3.9860044×105km3/s2为地球的引力常数。
所述
其中地面目标点在大地坐标系的坐标为[L,B,H]，在地心固定坐标系中表达式为[X0,Y0,Z0]，N为参考椭球曲率半径，e为地球子午椭圆第一偏心率，Hg为格林威治角。
所述其中we为地球自转角速度。
所述计算凝视观测不同场景位置处目标点天线的照射增益其中λ为信号波长，Rs、Rtc分别为卫星、目标点的位置矢量，卫星和目标点之间的位移矢量，即卫星到目标点之间的距离R＝|Rs-Rtc|；fdc为场景中心目标点的方位多普勒频率。
所述Rtc与的计算过程如下：
设场景中心目标点在大地坐标系的坐标为[Lc,Bc,Hc]，通过坐标转换，将场景中心目标点位置由大地坐标系转换到地心轨道坐标系中得到：
其中Hg为格林威治角；e为地球子午椭圆第一偏心率；
场景中心目标点坐标位置对时间求导得到：
we为地球自转角速度。
所述步骤4)中方位模糊度的计算公式为：
式中各变量的意义如下：
ASRA(i)为第i个目标对应的方位向模糊比；
G(f)为天线方向图随目标多普勒频率变化的函数；
PRF为脉冲重复频率；
fdi为第i个目标对应的方位向多普勒频率，fdc场景中心目标点对应的多普勒频率。
本发明与现有技术相比的优点在于：本专利克服现有方位模糊度计算方法不适合于GEO SAR凝视成像模式方位模糊度计算的问题，基于轨道偏心率、地球椭圆体模型，考虑了地球自转、速度时变对方位模糊度影响，可实现不同轨道时刻及不同场景目标的方位模糊度的精确计算。
附图说明
图1为常规条带模式下的方位模糊度示意图；
图2为凝视模式下方位模糊度示意图；
图3为凝视成像模式天线指向示意图；
图4为凝视模式方位模糊度随着PRF变化情况，其中4(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，4(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处；
图5为常规方位模糊度计算结果，其中5(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，5(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处；
图6为PRF为250Hz时，不同场景位置处方位模糊度的变化情况，其中6(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，6(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处；
图7为PRF为200Hz时，不同场景位置处方位模糊度的变化情况，其中7(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，7(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处；
图8为PRF为180Hz时，不同场景位置处方位模糊度的变化情况，其中8(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，8(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处。
具体实施方式
对于GEO SAR凝视工作模式，天线波束指向不再固定垂直于飞行方向，而是随时间不断地调整其波束指向，以保证在整个合成孔径时间内，始终将波束中心指向成像观测区域。与条带模式相比，雷达与成像目标之间的相对运动不能再等效为天线方向图与成像目标之间的运动，对于成像区域中的某一固定点来说，其天线方位向增益因子基本不变。因此，不能采用传统经典的条带方位模糊度计算方法。
方位模模糊的产生是由于方位向的有限采样率及SAR的多普勒频谱非限带，使得模糊信号叠加在期望的信号之上。衡量方位模糊的大小通常由方位模糊比来表示，即模糊信号与期望信号的能量比值。计算公式如下所示：
其中fd＝2Vssin(θ)/λ
式中各变量的意义如下：AASR为方位向模糊比；G(fP)为天线方向图随目标多普勒频率变化的函数；BP为方位向带宽；PRF为脉冲重复频率；fd为回波多普勒频率，Vs为卫星相对目标速度；θ为天线方位角。可见方位模糊度的计算主要与天线方向图，多普勒频率，脉冲重复频率等因素有关。
公式(4)也可以写成天线方位角的形式：
其中θamb_m为第m阶模糊信号对应的天线方位角度，θa为天线方位向波束宽度。
图1表示了常规条带模式下的方位模糊度，图中阴影部分为模糊信号.
凝视工作模式与条带上作模式的最大区别在于波束指向的变化，条带工作模式下，天线波束固定垂直于飞行方向.而凝视工作模式下，天线波束指向不再固定垂直于飞行方向，而是随时间不断地调整其波束指向，以保证在整个合成孔径时间内，始终将波束中心指向成像观测区域。与条带模式相比，雷达与成像目标之间的相对运动不能再等效为天线方向图与成像目标之间的运动，对于成像区域中的某一固定点来说，其天线方位向增益因子基本不变，如图2所示，天线固定指向观测区域。因此，不能采用传统经典的条带方位模糊度计算方法。
在凝视成像工作模式下，由于目标和天线方向图之间不存在相对运动，因此对于成像区域中的目标来说，其回波的强度仅仅与天线方向图的增益有关，在合成孔径时间内，该点的回信号强度可视为常数。同样，对其造成方位模糊的点m＝±1、±2、±3…的回波强度也仅仅与雷达天线方向图的增益有关，在合成孔径时间内，这些点的回信号强度亦可视为常数，如图3所示在凝视模式下，回波及方位模糊度对应的天线增益是固定的。
在样假定目标的散射率在整个天线方向图辐射带近似是均匀一致的前提下，凝视模式方位向模糊比的计算公式为：
式中各变量的意义如下：
ASRA(i)为第i个目标对应的方位向模糊比；
G(f)为天线方向图随目标多普勒频率变化的函数；
PRF为脉冲重复频率；
fdi为第i个目标对应的方位向多普勒频率，fdc场景中心目标点对应的多普勒频率。
本专利的步骤如下：
1.确定凝视观测时卫星的轨道时刻及目标点场景位置；卫星的轨道时刻可以利用由卫星的轨道星历参数给出，而目标点的场景位置可以由地面的经纬度来进行确定。
2)结合地球同步轨道SAR特性，计算获得不同轨道时刻及不同场景目标对应的方位向多普勒频率
其中λ为信号波长，Rs、Rt分别为卫星、目标点的位置矢量，卫星和目标点之间的位移矢量为:R＝|Rs-Rt|为卫星到目标点之间的距离；fdi为场景目标点的方位多普勒频率。
通过星地坐标系转换，卫星在地心轨道坐标系坐标为：
其中a为地心轨道半长轴，e为地球子午椭圆第一偏心率，f为真近心角，w为近地点幅角，i为轨道倾角,Ω为升交点赤经；
卫星坐标位置对时间求导得到：
其中μ＝3.9860044×105km3/s2为地球的引力常数，
假设地面目标点在大地坐标系的坐标为[L,B,H]，在地心固定坐标系中表达式为[X0,Y0,Z0]，这两个坐标系的相互转换关系如下：
其中，式中，e为地球子午椭圆第一偏心率；N为参考椭球曲率半径，可由式算得；
通过坐标转换，将目标点位置由大地坐标系转换到地心轨道坐标系中可得：
其中Hg为格林威治角；
目标点坐标位置对时间求导得到：
we≈7.29211×10-5rad/s为地球自转角速度。
3)根据天线方位向方向图，计算凝视观测不同场景位置处目标点天线的照射增益。为场景中心目标点对应的多普勒频率。其中λ为信号波长，Rs、Rtc分别为卫星、目标点的位置矢量，卫星和目标点之间的位移矢量为:R＝|Rs-Rtc|为卫星到目标点之间的距离；fdc为场景中心目标点的方位多普勒频率。
Rs与的表达式分别见公式(2)与公式(3)，Rtc与的计算过程如下：
假设场景中心目标点在大地坐标系的坐标为[Lc,Bc,Hc]，通过坐标转换，将场景中心目标点位置由大地坐标系转换到地心轨道坐标系中可得：
其中Hg为格林威治角；
场景中心目标点坐标位置对时间求导得到：
we≈7.29211×10-5rad/s为地球自转角速度。
4)根据凝视模式方位模糊度公式计算得到凝视模式的方位模糊度。
方位模糊度的计算公式为：
式中各变量的意义如下：
ASRA(i)为第i个目标对应的方位向模糊比；
G(f)为天线方向图随目标多普勒频率变化的函数；
PRF为脉冲重复频率；
fdi为第i个目标对应的方位向多普勒频率，fdc场景中心目标点对应的多普勒频率。为了验证下面选取一组参数进行仿真验证，仿真参数：轨道倾角20°，轨道偏心率0，轨道半长轴42164km，升交点赤经95°，纬度幅角97°，中心频点1.25e9，方位向天线波束宽度0.6°，不同轨道位置处方位模糊度随脉冲重复频率(Pulse Repitition Frequency,PRF)变化及场景内不同区域的变化如下图4所示，图4(a)为卫星轨道位置为0时刻处的方位模糊度，图4(b)为卫星轨道位置为6小时处的此时的方位模糊度，由于0时刻处卫星速度比6小时处卫星速度低，因此其方位模糊度的值较好。
为了便于比较及区别于常规的模糊度计算，我们给出了常规方位模糊度的仿真结果：
图5(a)为常规的方位模糊度计算结果，图5(b)为本专利提出的凝视模式方位模糊度计算结果，由图5可以看出，常规的方位模糊度计算方法与凝视模式方位模糊度计算结果差异大，在脉冲重复频率(Pulse Repitition Frequency,PRF)都选取为200Hz的情况下相差了14dB。
另外，为了得到场景内目标点受不同角度天线照射的情况，我们给出了不同场景内目标点方位模糊度随着不同PRF值的变化情况：
图6为PRF为250Hz时，不同场景位置处方位模糊度的变化情况，其中6(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，6(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处；图7为PRF为200Hz时，不同场景位置处方位模糊度的变化情况，其中7(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，7(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处；图8为PRF为180Hz时，不同场景位置处方位模糊度的变化情况，其中8(a)表示轨道位置为过近地点0时刻处，8(b)表示轨道位置为过近地点6时刻处。我们可以得到，PRF选择越高，所得到的方位模糊度也越好。因此，从以上的仿真结果可以看出，地球同步轨道凝视成像模式下，方位模糊度不仅与地面目标点的位置相关，而且也跟卫星的轨道位置相关，与常规的方位模糊度计算差异较大。离场景中心越近，方位模糊度越好；PRF选得越高，卫星的相对速度越小，其方位模糊度也越好。本专利提出的方法可对GEO SAR凝视成像模式下的不同轨道位置，不同场景目标点的方位模糊度进行精确的计算。