一种基于自然地物的SAR反射面天线波束指向标定方法与流程

本申请涉及星载sar在轨定标的，特别是一种基于自然地物的sar反射面天线波束指向标定方法。

背景技术：

1、四维高景二号卫星是具备高分辨率成像能力的优于1米分辨率x频段商业合成孔径雷达(sar)成像卫星，该卫星具备全天时、全天候获取雷达干涉影像数据的能力，可快速测制全球1:2.5万比例尺数字表面模型、数字雷达正射影像等基础测绘产品，并具备双星跟飞实现差分干涉任务能力，有效支撑全球地理信息框架构建，为地质地貌勘测、防灾减灾以及矿产资源监测等行业提供商业遥感数据服务。

2、星载sar定标技术是支撑四维高景二号商业卫星多行业、多领域应用的关键技术，sar卫星必须通过定标来实现对地定量观测。其中星载sar辐射定标技术可实现精确反演sar图像真实场景后向散射系数，从而获取高辐射精度的sar数据产品。在星载sar辐射定标技术中，卫星天线方向图的准确测量和天线波束指向的准确标定对sar图像辐射精度有决定性影响，而天线波束指向标定方式又依赖于卫星的不同天线体制形式，对于采用有源相控阵天线的卫星，如高分三号系列sar卫星等，可以通过相控阵雷达的左右阵元的方向图相减来获取差波束，相加来获取和波束，通过差波束和和波束通道的比值来得到卫星天线波束指向和实际目标的角度差，即天线波束指向偏置值，从而获得较高的测角精度。而四维高景二号卫星属于轻小型敏捷卫星，其sar载荷采用馈源阵加伞状抛物反射面形式的天线体制，该天线体制无法通过发射和差波束来实现高精度波束指向标定。

技术实现思路

1、本申请提供，因此发明一种基于自然地物的sar反射面天线波束指向标定方法，适用于四维高景二号卫星反射面天线体制的波束指向标定，并采用实测自然地物数据进行辐射精度验证对获取高辐射精度sar图像产品具有重要意义，此外波束指向的正确标定和稳定性也有助于距离向误差延迟的精确修正，实现星载sar高精度无控几何定位。

2、第一方面，提供了一种基于自然地物的sar反射面天线波束指向标定方法，包括：

3、通过卫星测控系统进行遥测参数下传和任务遥控指令上传，并利用卫星接收系统获取卫星过顶后的均匀分布目标区域的原始回波复数据；

4、对所述原始回波复数据进行成像处理得到未经辐射校正的level1a级sar图像，通过解算sar图像中每个距离门的方向图增益得到卫星距离向天线方向图，同时获取最大增益值对应的雷达天线波束中心实际视角；

5、获取任务规划时雷达天线波束中心工作视角，并结合sar图像提取的雷达天线波束中心实际视角来计算卫星波束指向偏置，进而确定波束指向标定后的卫星距离向天线方向图；

6、采用标定后的距离向天线方向图对sar图像进行辐射校正，并检测图像相对辐射精度。

7、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法还包括：

8、测量雨林能量值得到相对辐射精度，在所述相对辐射精度不满足要求的情况下，根据最近一次获取的均匀分布目标区域的原始回波数据，重新完成卫星波束指向偏置角的标定，得到标定后的卫星距离向天线方向图，并利用标定后的卫星实测距离向天线方向图进行sar图像辐射校正。

9、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述测量幅度标准差得到相对辐射精度，包括：

10、首先对所选后向散射均匀的自然地物图像进行距离功率衰减校正、天线方向图的辐射校正；

11、选取不少于三块均匀的区域，然后提取不同分布目标区域，统计计算各分布目标区域的幅度均值；

12、统计计算不同块分布目标区域的幅度标准差。

13、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述相对辐射精度不满足要求，包括：相对辐射精度大于1db。

14、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，解算雷达天线波束中心实际视角的数学模型为：

15、其中，

16、g2(θ,φ)为双程天线方向图，是入射角θ和视角φ的函数；

17、pd为接收峰值功率；

18、r是雷达与目标的斜距；

19、k为定标常数；

20、σ0是分布目标后向散射系数；

21、g2(θ,φ)增益最大值对应的视角为雷达天线波束中心实际视角。

22、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，式中，pt是发射峰值功率，λ是波长，τp是发射脉冲宽度，fs为距离采样率，fprf为脉冲重复频率，v是雷达平台速度，gs是系统增益，ρr是距离向分辨率。

23、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述获取最大增益值对应的雷达天线波束中心实际视角，包括：

24、依据轨道预报数据，计算卫星与成像区域的场景中心点的零多普勒斜距，并根据轨道高度信息，计算卫星指向场景中心点的工作视角。

25、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法应用于四维高景二号sar卫星。

26、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述均匀分布目标区域为亚马逊热带雨林或均匀大片农田。

27、第二方面，提供了一种标定设备，所述标定设备用于执行如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的方法。

28、与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

29、(1)本发明采用四维高景二号卫星近期实测的亚马逊热带雨林原始回波数据，运用卫星地面处理系统进行成像和产品生产，得到level1a级sar图像，并且可实现常态化自然地物实测数据积累，实现四维高景二号卫星基础产品的常态化辐射质量测试与验证，从而定量化监测卫星在轨运行的性能状态和稳定性。

30、(2)本发明针对合成孔径雷达反射面天线体制无法通过发射和差波束测量波束指向这一问题，提出了基于亚马逊热带雨林自然地物进行反射面天线波束指向标定的方法，同时提取雨林距离向天线方向图用于雷达产品辐射质量校正，并采用四维高景二号卫星近期实测自然地物成像数据测量其相对辐射精度值，有效验证本发明天线波束指向标定和距离向方向图提取的准确性。

技术特征：

1.一种基于自然地物的sar反射面天线波束指向标定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量幅度标准差得到相对辐射精度，包括：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相对辐射精度不满足要求，包括：相对辐射精度大于1db。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，解算雷达天线波束中心实际视角的数学模型为：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，式中，pt是发射峰值功率，λ是波长，τp是发射脉冲宽度，fs为距离采样率，fprf为脉冲重复频率，v是雷达平台速度，gs是系统增益，ρr是距离向分辨率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取最大增益值对应的雷达天线波束中心实际视角，包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于四维高景二号sar卫星。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均匀分布目标区域为亚马逊热带雨林或均匀大片农田。

10.一种标定设备，其特征在于，所述标定设备用于执行如权利要求1至9中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种基于自然地物的SAR反射面天线波束指向标定方法，包括：利用卫星接收系统获取卫星过顶后的均匀分布目标区域的原始回波复数据；对原始回波复数据进行成像处理得到LEVEL1A级SAR图像，通过解算方向图增益得到卫星距离向天线方向图，获取最大增益值对应的雷达天线波束中心实际视角；获取任务规划时雷达天线波束中心工作视角，并结合雷达天线波束中心实际视角计算卫星波束指向偏置，确定波束指向标定后的卫星距离向天线方向图；采用标定后的距离向天线方向图对SAR图像进行辐射校正，并检测图像相对辐射精度。由此有利于获取高辐射精度SAR图像，也有助于距离向误差延迟的精确修正，实现星载SAR高精度无控几何定位。

技术研发人员：李慧娟,张恒,石晓宇,张立峰,陈琦,高永澎,冯林达,刘雯婷,郭美娟,杨箐,张永佳
受保护的技术使用者：中国四维测绘技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1