基于连续调整脉冲间隔的星载SAR方位采样时序设计方法与流程

本发明属于合成孔径雷达(syntheticapertureradar，简称sar)的技术领域，具体涉及一种基于连续调整脉冲间隔的星载sar方位采样时序设计方法。

背景技术：

星载sar由于其不受天气、气候的影响，能全天时、全天候、高分辨率、大区域对地观测，已经成为空间对地观测的重要手段。由于星载sar具有卫星到观测目标斜距较大的特点，在任意时刻不仅有多个被观测区域的回波信号，还有多个星下点回波信号在空间传播，因此需要对发射脉冲间隔进行选择，避免发射脉冲遮挡和星下点回波遮挡。

在实际应用中，一般采用斑马图对发射脉冲间隔进行设计，其横轴为方位采样率范围，纵轴是卫星到场景的斜距变化范围，发射脉冲和星下点回波脉冲在图上呈带状分布。在设计方位采样时序时需要避开这些带以避免发射脉冲遮挡和星下点回波遮挡。传统数据获取机制中，发射脉冲间隔是恒定的，因此在方位采样时序设计时往往需要分成若干段以避免遮挡，并且每两段间脉冲间隔跳变会不可避免的产生数据损失。在某些斜距时变剧烈的数据获取构型，如场景匹配sar、高方位分辨率的滑动聚束sar，若采用传统恒定脉冲间隔机制进行方位采样时序设计，其分段数很高，数据损失量大，导致成像质量下降。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于连续调整脉冲间隔的星载sar方位采样时序设计方法，能够克服现有技术的不足，解决斜距历程时变剧烈时方位采样时序设计分段数过多的问题。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于连续调整脉冲间隔的星载sar方位采样时序设计方法，包括以下步骤：

步骤一、设定星载sar系统参数，根据所设定参数得到斜距变化范围和方位采样频率范围；

步骤二、根据所设定参数得到距离、方位模糊度随斜距—方位采样频率变化的二维图，根据系统模糊度要求限制方位采样时序设计区域；

步骤三、基于最小段数方位采样时序设计准则，在斑马图中从斜距最小位置开始，找到斜距范围最大的四边形区域；

步骤四、将当前次迭代中得到的最大斜距作为下一次迭代的斜距最小值，重复步骤三的操作直到第n次迭代的最大斜距rnmax大于等于rmax，rmax为数据获取期间斜距最大值；根据rnmax所在的四边形的对角线得到方位采样间隔与中心斜距变化的解析表达式；

步骤五、根据斜距与时间的关系，得到方位采样时序。

进一步地，方位采样时序为：

其中，f为方位采样率，ai、bi分别代表第i次迭代所得线段的斜率和截距，r(t)为中心斜距随时间变化规律。

有益效果：

1、本发明方法适用于斜距时变剧烈下的星载sar方位采样时序设计，设计过程系统性的考虑了发射脉冲遮挡，星下点回波遮挡，距离、方位向模糊度等因素，尚属首次。

2、本发明给出了一种连续变脉冲间隔体制下的数据获取方法，较传统方法具有最高的数据获取完整度。

附图说明

图1是本发明所述星载sar连续变方位采样时序设计方法的流程图。

图2是本发明所述的单段变发射脉冲间隔设计方法示意图。

图3是本发明所述方法的方位采样时序设计结果示意图。

图4是场景匹配模式下几何构型示意图。

图5是滑动聚束模式下几何构型示意图。

图6是场景匹配模式下本发明所述方法与传统方法的方位采样时序设计结果对比图；其中，(a)为采用连续调整发射脉冲间隔的方位采样时序设计方法得到的仿真结果示意图，(b)是基于传统恒定发射脉冲间隔时的方位采样时序设计结果示意图。

图7是滑动聚束模式下本发明所述方法与传统方法的方位采样时序设计结果对比图；其中，(a)为采用连续调整发射脉冲间隔的方位采样时序设计方法得到的仿真结果示意图，图7(b)是基于传统恒定发射脉冲间隔时的方位采样时序设计结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于连续调整脉冲间隔的星载sar方位采样时序设计方法，流程图如图1所示，具体过程如下：

步骤一，设定星载sar系统参数，得到斜距变化范围和方位采样频率范围。

对于不同的星载sar数据获取构型，其几何模型是不同的，所对的斜距变化范围及方位采样频率范围也是不同的，式(1)，(2)给出了斜距变化范围和方位采样频率范围的一般形式。

其中和分别为卫星、场景位置矢量，分别简写为pg为观测场景位置的集合，t为卫星观测的总时间历程，||·||2为向量求模运算，rmax、rmin分别为数据获取期间斜距最大、最小值。δrmax为最大瞬时斜距差，c为光速，λ为载波波长，为卫星速度矢量，简写为bmax为最大瞬时多普勒带宽，<·>2为向量求内积运算，fmax、fmin分别为数据获取期间方位采样频率的最大、最小值。

步骤二，求出距离、方位模糊度随斜距—方位采样频率变化的二维图，根据系统模糊度要求限制方位采样时序设计区域。

与传统恒定发射脉冲间隔体制不同，由于发射脉冲间隔是连续变化的，原本一维的距离、方位模糊度曲线不能满足联合设计要求，需加入方位采样频率这一变量进行联合考虑。距离、方位模糊度求解公式如式(3)、(4)。

其中sri和si为数据窗内第i点的模糊信号与期望信号的功率。n为数据窗总的时间点数，m为距离向脉冲模糊数。rij为第前j个脉冲在数据窗第i点的瞬时斜距，βij为rij所对下视角。gij为距离向天线方向图，βc为波束中心所对的瞬时下视角，f为方位采样频率，lr为距离向天线孔径长度。

其中san为多普勒频谱中间隔n个周期后混叠到主谱的功率，sa0为主谱功率。f0为中心多普勒频率，fm为多普勒主谱宽度，fa为多普勒频率，f为方位采样频率，r(fa)、θ(fa)分别为多普勒频率为fa时所对的斜距和斜视角。k(fa)为方位向天线方向图，θc为波束中心所对的瞬时斜视角，la为距离向天线孔径长度。

同时，rasr(βc,f)、aasr(θc,f)可以变换为rasr(rc,f)、aasr(rc,f)，rc为波束中心瞬时斜距。再依据系统要求的距离、方位模糊度，可得约束后的方位采样时序设计区域。

步骤三，基于最小段数方位采样时序设计准则，在斑马图中从斜距最小位置开始，找到斜距范围最大的四边形区域。

要实现方位采样时序设计分段数最小，只需使每段方位采样时序所对应的斜距范围尽量大。单段的方位采样时序设计示意图如图2所示，其被分割为许多平行四边形，接下来只需找到一个平行四边形块，使其所对应的斜距范围最大。

从斜距历程最小值开始，令r1min＝rmin，其与星下点回波代表的区域的交点为a1a2…ak-1ak，则最优方位采样时序落在a1a2…ak-1ak所在的四边形内，每个四边形中斜距最大值所对的点称为b1b2…bk-1bk。其中a1为r＝r1min与t＝1/fmin的交点，称为左侧点；a2…ak-1ak为星下点回波遮挡表达式r＝c/2nt+y2与r＝r1min交点，称为右侧点。

现定义x,y1,y2，具体表达式如式(5)所示，其中n为脉冲模糊数，h为轨道高度，h′为星下点回波最大斜距，w为场景宽度，tp,tg分别为保护脉冲宽度与发射脉冲宽度。

左侧点与右侧点和的个数k由式(6)给出，[·]表示向下取整:

a1所在四边形中斜距最大值点b1解析表达式为：

若说明a1点完全落在星下点回波内，则不存在该四边形，无b1点。

若则有：

fb1＝fmin(8)

左侧点所在四边形中斜距最大值点b2…bk-1bk解析表达式为：

假设1<q<k，且rbq＝r1max，则bq点所在的四边形区域就是本段的方位采样时序可行域。

步骤四、将第一次迭代中得到的最大斜距r1max作为第二次迭代的斜距最小值r2min，重复步骤三的操作直到第n次迭代的斜距最大值rnmax大于等于rmax。

若rimax≥rmax，则完成方位采样时序设计。

若rimax<rmax，则令r(i+1)min＝rimax，重复步骤三直到满足rnmax≥rmax，方位采样时序设计段数为n。

此时得到了最优方位采样时序所在的四边形，连接每个四边形的对角线即可得到设计的方位采样时序，如图3中li所示，进一步得到方位采样间隔与中心斜距变化的解析表达式。

步骤五、根据斜距与时间的关系，得到方位采样时序。

依据几何模型，可以得到中心斜距随时间变化规律r(t)，带入(14)得到：

实施例

为验证变脉冲间隔的方位采样时序设计方法在解决大斜距变化时方位采样时序设计上的优势，分别在场景匹配模式与滑动聚束模式下的实施例进行仿真验证。由于场景匹配模式中俯仰角连续扫动，滑动聚束模式斜视角连续变化，导致成像过程中斜距时变剧烈，使以上两种模式具有斜距变化大的特点，其几何模型示意如图4、图5所示。

表1场景匹配sar方位采样时序设计仿真参数列表

表2滑动聚束sar方位采样时序设计仿真参数列表

试验一：星载sar场景匹配模式方位采样时序设计仿真及对比

首先使用表1参数对场景匹配模式下的方位采样时序设计进行了仿真，图6(a)为采用连续调整发射脉冲间隔的方位采样时序设计方法得到的仿真结果，图6(b)是基于传统恒定发射脉冲间隔时的方位采样时序设计结果。可以看到，图6(a)中采用连续调整发射脉冲间隔的设计方法仅需一段就即可进行数据采集，不需要进行分段处理，而采用恒定发射脉冲间隔时的方位采样时序设计方法则需要3段，每段间都会造成一定的回波数据损失，最终降低成像质量。

试验二：星载sar高分辨率滑动聚束模式方位采样时序设计仿真及对比

接下来在滑动聚束模式进行仿真，具体参数如表2所示。相比于场景匹配模式，滑动聚束模式的斜距变化更大，导致方位采样时序设计所需段数更多。图7(a)为采用连续调整发射脉冲间隔的方位采样时序设计方法下得到的仿真结果，图7(b)是基于传统恒定发射脉冲间隔时的方位采样时序设计结果。从图7(a)和(b)可见，采用传统方法进行方位采样时序设计至少需要6段，而采用连续调整发射脉冲间隔法只需要两段，证明了该方法具有分段设计能力，且分段数显著小于传统方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。