CN102508243A - 一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法，属于合成孔径雷达技术领域。本发明通过满足系统指标所需要的相干积累时间，计算卫星平台运行走过的纬度幅角范围，再根据卫星平台与目标的相对几何关系，考虑地球自转的影响，精确计算测绘带的回波窗口信息；然后根据星下点回波和发射脉冲遮挡，计算有效的PRF范围，并绘制斑马图。在有效PRF范围内，设计工作参数，优化选择PRF，满足系统性能的要求，完成GEO SAR波位设计，能够更为精确的计算得到GEO SAR的测绘带的最小斜距和回波窗口信息，尤其适用于椭圆轨道、不能忽略地球自转的星载SAR平台的波位设计。

Description

一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法

技术领域

本发明涉及一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法，属于合成孔径雷达技术领域。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种全天时、全天候的高分辨率的微波遥感成像雷达，可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上。在环境监测、海洋观测、资源勘探、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势，可发挥其他遥感手段难以发挥的作用。

星载SAR波位设计是星载SAR总体设计的一个重要方面，主要是在不同的视角对脉冲重复频率等工作参数进行设计，满足系统的性能指标。波位设计包括波束参数设计和工作参数设计。其中，波束参数包括波束宽度、波束指向、旁瓣水平；工作参数包括脉冲重复频率、起始采样时刻、回波窗口信息等。为了满足系统的测绘带宽度、分辨率、距离模糊比、方位模糊比和等效噪声后向散射系数等指标要求，需要对系统的波束参数、工作参数进行综合考虑，通过折衷得到各波位下满足系统性能指标的工作参数。

传统的低地球轨道(LEO)SAR系统的合成孔径时间短，地球自转引入的等效斜视效应较小，在一个合成孔径时间内距离徙动相对于测绘带的回波时延来说较小，在系统设计层面可以忽略。但是在GEO SAR中，轨道高度大，地球自转影响严重，未进行零多普勒控制时，等效斜视效应严重，在一个合成孔径时间内距离徙动很大，计算回波开启时间和回波窗口信息时必须考虑等效斜视效应对测绘带斜距信息的影响；而且GEO SAR相干积累时间长，不同的系统分辨率或在不同的轨道位置时相干积累时间各不相同，需要针对不同的轨道位置、波束中心视角和系统的分辨率需求计算相干积累时间。传统的波位设计方法基于LEO SAR的正侧视模式给出，未考虑等效斜视效应带来的距离徙动的影响，而且未考虑不同相干积累时间的需求，会导致真实的回波受到发射脉冲或星下点回波的遮挡。因此需要提出一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法来解决这些问题。

所以，提出一种能够精确进行GEO SAR波位设计的方法，对于系统参数设计和整体仿真尤其重要。

发明内容

本发明的目的是为了改善现有技术在倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计中的不足，针对地球自转的影响，提出一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法，包括如下步骤：

设定卫星运行轨道为椭圆轨道，半长轴为a，偏心率为e，轨道倾角为α_i，近地点幅角为ω，卫星到地心的距离为R_S，卫星运行的角速度为ω_s，卫星的速度平台为V_s，平台与目标的相对速度为V_st，卫星在轨道平面内所在位置的纬度幅角为α，斜距平面内雷达观测的视角为中心视角γ，地球半径为R_e，地球的自转速度为ω_e，卫星到目标的中心斜距为R，目标所在位置的地心角为

系统的工作波长为λ，发射信号的脉冲宽度为T_p，保护带时间为T_g，脉冲重复频率为PRF。

步骤一，根据卫星平台所处位置的纬度幅角α、波位的中心视角θ_i和系统分辨率ρ_ed，计算满足系统指标所需要的相干积累时间T_a。次优分辨的情况下，相干积累时间取决于系统要求的分辨率大小，具体计算如下：

$T_a=\frac{\mathrm{\λR}}{{2V}_{\mathrm{st}}}\·\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ed}}}---\left(1\right)$

中心视角θ_i的波位对应的中心斜距R为

其中，

轨道位置在纬度幅角α处的卫星平台与目标的相对速度V_st为

其中， $R_s=\frac{a(1-e^2)}{1+e\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\ω})},$

${\mathrm{\ω}}_s=\sqrt{\mathrm{\μa}(1-e^2)}/R_s^2.$

步骤二，根据步骤一得到的相干积累时间T_a，计算卫星平台运行走过的纬度幅角范围α_S。α_S取决于卫星平台走过的轨迹长度和卫星平台的地心距

${\mathrm{\α}}_S=\frac{V_s{T}_a}{R_S}---\left(4\right)$

其中，卫星的平台速度V_s为

步骤三，在步骤二的基础上，根据卫星平台与目标的相对几何关系，考虑地球自转的影响，精确计算测绘带的回波窗口信息；然后根据星下点回波和发射脉冲遮挡，计算有效的PRF范围，并绘制斑马图。

当卫星照射为等效后斜时，测绘带的最小斜距在测绘带近端(对应地心角φ_n)、波束初始照射时刻(卫星轨道位置为α-α_S)取得

$R_{\min }=\sqrt{R_{S1}^2+R_e^2-{2R}_{S1}{R}_e{\cos \mathrm{\φ}}_n\cos {\mathrm{\α}}_S}---\left(6\right)$

其中，R_S1＝a(1-e²)/(1+ecos(α-α_S-ω))。

而测绘带的最大斜距在测绘带远端(对应地心角φ_f)、波束结束照射时刻(卫星轨道位置为α+α_S)取得

$R_{\max }=\sqrt{R_{S2}^2+R_e^2-{2R}_{S2}{R}_e{\cos \mathrm{\φ}}_f{\cos \mathrm{\α}}_S}---\left(7\right)$

其中，R_S2＝a(1-e²)/(1+ecos(α+α_S-ω))。

有效测绘带的最小和最大斜距需要避开星下点回波和发射脉冲遮挡。为了避开星下点回波，PRF与回波窗口信息应满足下式的限制

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{2R}_{\min }}{c}-(\frac{2H}{c}+T_{w-\mathrm{nadir}})>\frac{m}{\mathrm{PRF}}\\ \frac{{2R}_{\max }}{c}+T_p-\frac{2H}{c}<\frac{m+1}{\mathrm{PRF}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，T_w-nadir为星下点回波持续时间；m为自然数，m＝±1，±2，L±m_h，m_h＝int(R_max·PRF_max)-int(2H/c·PRF_max)，其中int(x)为取整函数，

W_g为测绘带宽度，c为光速；H为轨道高度，H＝R_s-R_e。

为避开发射脉冲遮挡，PRF与回波窗口信息应满足下式的限制

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{2R}_{\min }}{c}-T_p-T_g>\frac{n}{\mathrm{PRF}}\\ \frac{{2R}_{\max }}{c}+T_p+T_g<\frac{n+1}{\mathrm{PRF}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，T_g为保护带时间；n为自然数，n＝int(R_min·PRF_min):int(R_max·PRF_max)，PRF_min＝2V_st/L_a，L_a为天线尺寸。

根据公式(8)和(9)，可以完成GEO SAR考虑了地球自转的斑马图绘制。通过对公式(8)和(9)进行变形，可以得到该波位下未被星下点回波和发射脉冲遮挡的有效PRF范围。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{m}{\frac{{2R}_{\min }}{c}-\frac{2H}{c}-T_{w-\mathrm{nadir}}}<\mathrm{PRF}<\frac{m+1}{\frac{{2R}_{\max }}{c}-\frac{2H}{c}+T_p}\\ \frac{n}{\frac{{2R}_{\min }}{c}-T_p-T_g}<\mathrm{PRF}<\frac{n+1}{\frac{2R_{\max }}{c}+T_p+T_g}\end{array}\right.---\left(10\right)$

步骤四，在步骤三得到的有效PRF范围内，设计工作参数，优化选择PRF，满足系统性能的要求，完成GEO SAR波位设计。

PRF的优化选择主要是根据距离向模糊比RASR、方位向模糊比AASR和等效噪声后向散射系数NESZ的指标要求，通过不断的迭代选出同时满足上述指标要求的最小PRF值。

距离向模糊比RASR的计算公式为

$\mathrm{RASR}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{\underset{n=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_T(\mathrm{\&tau;}+\frac{n}{\mathrm{PRF}})-S_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{S_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)}---\left(11\right)$

式中各变量的意义如下：

RASR(τ)为距离向模糊比，τ为采样窗内各采样点对应的快时间；

S_T(τ)为距离向回波的强度。

S_T(τ)的计算公式为

$S_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^0\left[{\mathrm{\&theta;}}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right]}{R^3\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;\sin \left[{\mathrm{\&theta;}}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right]}\&CenterDot;G_e^2[{\mathrm{\&theta;}}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)-{\mathrm{\&theta;}}_0]---\left(12\right)$

其中，θ_i(τ)为视角，σ⁰(θ)为后向散射系数随入射角变化的函数，G_e(θ)为天线俯仰向天线方向图随视角变化的函数，θ₀为天线阵面法线的视角。

方位向模糊比AASR的计算公式为

$\mathrm{AASR}=\frac{\underset{m=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\&Integral;}_{-B_a/2}^{B_a/2}{G}_t(f+m\&CenterDot;\mathrm{PRF})G_r(f+m\&CenterDot;\mathrm{PRF})\mathrm{df}-{\&Integral;}_{-B_a/2}^{B_a/2}{G}_t\left(f\right)G_r\left(f\right)\mathrm{df}}{{\&Integral;}_{-B_a/2}^{B_a/2}{G}_t\left(f\right)G_r\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(13\right)$

式中各变量的意义如下：

AASR为方位向模糊比；

G_t(f)为发射天线方位向方向图随目标多普勒频率变化的函数；

G_r(f)为接收天线方位向方向图随目标多普勒频率变化的函数；

B_a为方位向带宽。

在计算GEO SAR的噪声等效后向散射系数NESZ时，必须考虑地球自转和椭圆轨道效应引入的平台与目标的相对速度V_st的变化和分辨单元面积非正交性的问题。

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^2{R}^4\&CenterDot;{\mathrm{kT}}_s{F}_n\&CenterDot;L_s}{A^2{\mathrm{\&eta;}}^2\&CenterDot;P_t\&CenterDot;T_p\&CenterDot;\mathrm{PRF}\&CenterDot;A_c({\mathrm{\&rho;}}_a,{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{gr}},{\mathrm{\&theta;}}_i,\mathrm{\&alpha;})\&CenterDot;T_a({\mathrm{\&rho;}}_a,{\mathrm{\&theta;}}_i,\mathrm{\&alpha;})\sqrt{M}}---\left(14\right)$

式中各变量的意义如下：

NESZ为噪声等效后向散射系数；R为卫星到目标的距离；L_s为系统损耗；k为玻尔兹曼常数；T_s为标准噪声温度；F_n为接收机噪声系数；P_t为峰值发射功率；λ为信号波长；A为有效天线尺寸；η为天线效率；A_c为分辨单元面积；T_a为相干积累时间；θ_i为视角；α为卫星纬度幅角；ρ_a，ρ_gr为方位向和距离向分辨率；M为多视视数。

在有效PRF范围内，计算距离向模糊比RASR、方位向模糊比AASR和等效噪声后向散射系数NESZ等性能指标，优化选择满足系统性能指标要求的PRF，完成GEO SAR系统的波位设计。

有益效果

对比已有技术，本发明方法能够更为精确的计算得到GEO SAR的测绘带的最小斜距和回波窗口信息，为GEO SAR波位设计提供支持。

本方法尤其适用于椭圆轨道、不能忽略地球自转的星载SAR平台的波位设计，能更为快速的、精确的得到测绘带的回波窗口信息，满足系统波位设计的需要。

附图说明

图1为GEO SAR测绘带的斜距信息的几何关系图；

图2为GEO SAR的波位设计结果及性能曲线；其中(a)为脉冲重复频率与测绘带选择的斑马图，(b)为不同波位的偏离星下点地面距离的距离向模糊比图，(c)为不同波位的偏离星下点地面距离的NEσ⁰关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步的详细说明。

本实施例中，卫星运行在小偏心率的倾斜地球同步轨道(IGSO)上，平均轨道参数如下：

轨道半长轴a：42164.17km

轨道倾角α_i：53度

偏心率e：0.07

近地点幅角ω：270°

天线尺寸：直径为24m

频段：L波段

卫星位置：赤道(纬度幅角α＝0°)

脉宽宽度T_p：1ms

保护带时间T_g：10us

分辨率ρ_ed：20m

测绘带宽度：400km

距离向模糊比RASR：＜-20dB

等效噪声后向散射系数NESZ：＜-20dB

采用本发明所述的一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法完成该卫星的波位设计并仿真，其具体步骤为：

步骤一，根据卫星平台的位置α、波位的中心视角θ_i和系统分辨率ρ_ed，计算系统需要的相干积累时间T_a。

GEO SAR系统轨道高度大，伪聚束效应严重，全分辨时分辨率高，合成孔径时间超长。在次优分辨情况时，需要的相干积累时间较全孔径合成孔径时间小，其取决于与系统要求的分辨率大小。分辨率越差，需要的积累时间越短，具体计算如下

$T_a=\frac{\mathrm{\&lambda;R}}{{2V}_{\mathrm{st}}}\&CenterDot;\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ed}}}---\left(1\right)$

中心视角θ_i的波位对应的中心斜距R为

其中，

轨道位置在纬度幅角α处的卫星平台与目标的相对速度V_st为

其中， $R_s=\frac{a(1-e^2)}{1+e\cos (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&omega;})},$

${\mathrm{\&omega;}}_s=\sqrt{\mathrm{\&mu;a}(1-e^2)}/R_s^2.$

步骤二，根据系统需要的相干积累时间T_a，计算卫星平台运行走过的纬度幅角范围α_S。

卫星平台运行走过的纬度幅角范围α_S取决于卫星平台走过的轨迹长度和卫星平台的地心距

${\mathrm{\&alpha;}}_S=\frac{V_s{T}_a}{R_S}---\left(4\right)$

其中，卫星的平台速度V_s计算为

步骤三，根据卫星平台与目标的相对几何关系，考虑地球自转的影响，精确计算测绘带的回波窗口信息；然后根据星下点回波和发射脉冲遮挡计算有效的PRF范围，并绘制斑马图，如图2a所示。

测绘带的回波窗口信息取决于卫星平台与目标的相对几何关系，当卫星照射为等效后斜时，测绘带的最小斜距在测绘带近端(对应地心角φ_n)、波束初始照射时刻(卫星轨道位置为α-α_S)取得

$R_{\min }=\sqrt{R_{S1}^2+R_e^2-{2R}_{S1}{R}_e{\cos \mathrm{\&phi;}}_n\cos {\mathrm{\&alpha;}}_S}---\left(6\right)$

其中，R_S1＝a(1-e²)/(1+ecos(α-α_S-ω))。

而测绘带的最大斜距在测绘带远端(对应地心角φ_f)、波束结束照射时刻(卫星轨道位置为α+α_S)取得

$R_{\max }=\sqrt{R_{S2}^2+R_e^2-{2R}_{S2}{R}_e{\cos \mathrm{\&phi;}}_f{\cos \mathrm{\&alpha;}}_S}---\left(7\right)$

其中，R_S2＝a(1-e²)/(1+ecos(α+α_S-ω))

有效测绘带的最小和最大斜距需要满足避开星下点回波和发射脉冲遮挡的要求。为了避开星下点回波，PRF与回波窗口信息应满足下式的限制

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{2R}_{\min }}{c}-(\frac{2H}{c}+T_{w-\mathrm{nadir}})>\frac{m}{\mathrm{PRF}}\\ \frac{{2R}_{\max }}{c}+T_p-\frac{2H}{c}<\frac{m+1}{\mathrm{PRF}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，T_w-nadir为星下点回波持续时间；m为自然数，m＝±1，±2，L±m_h，m_h＝int(R_max·PRF_max)-int(2H/c·PRF_max)，其中int(x)为取整函数，W_g为测绘带宽度，c为光速；H为轨道高度，H＝R_s-R_e。

为避开发射脉冲遮挡，PRF与回波窗口信息应满足下式的限制

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{2R}_{\min }}{c}-T_p-T_g>\frac{n}{\mathrm{PRF}}\\ \frac{{2R}_{\max }}{c}+T_p+T_g<\frac{n+1}{\mathrm{PRF}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，T_g为保护带时间；n为自然数，n＝int(R_min·PRF_min):int(R_max·PRF_max)，PRF_min＝2V_st/L_a，L_a为天线尺寸。

根据公式(8)和(9)，可以完成GEO SAR考虑了等效斜视效应的斑马图绘制。通过对公式(8)和(9)进行变形，可以得到该波位下未被星下点回波和发射脉冲遮挡的有效PRF范围

$\left\{\begin{array}{c}\frac{m}{\frac{{2R}_{\min }}{c}-\frac{2H}{c}-T_{w-\mathrm{nadir}}}<\mathrm{PRF}<\frac{m+1}{\frac{{2R}_{\max }}{c}-\frac{2H}{c}+T_p}\\ \frac{n}{\frac{{2R}_{\min }}{c}-T_p-T_g}<\mathrm{PRF}<\frac{n+1}{\frac{2R_{\max }}{c}+T_p+T_g}\end{array}\right.---\left(10\right)$

步骤四，在有效的PRF范围内，设计工作参数，优化选择PRF，满足系统距离向模糊比RASR、方位向模糊比AASR和等效噪声后向散射系数NESZ的指标要求。

距离向模糊比RASR的计算公式为

$\mathrm{RASR}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{\underset{n=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_T(\mathrm{\&tau;}+\frac{n}{\mathrm{PRF}})-S_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{S_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)}---\left(11\right)$

式中各变量的意义如下：

RASR(τ)为距离向模糊比，τ为采样窗内各采样点对应的快时间；

S_T(τ)为距离向回波的强度。

S_T(τ)的计算公式为

$S_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^0\left[{\mathrm{\&theta;}}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right]}{R^3\left(\mathrm{\&tau;}\right)\&CenterDot;\sin \left[{\mathrm{\&theta;}}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right]}\&CenterDot;G_e^2[{\mathrm{\&theta;}}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)-{\mathrm{\&theta;}}_0]---\left(12\right)$

其中，θ_i(τ)为视角，σ⁰(θ)为后向散射系数随入射角变化的函数，G_e(θ)为天线俯仰向天线方向图随视角变化的函数，θ₀为天线阵面法线的视角。

方位向模糊比AASR的计算公式为

$\mathrm{AASR}=\frac{\underset{m=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\&Integral;}_{-B_a/2}^{B_a/2}{G}_t(f+m\&CenterDot;\mathrm{PRF})G_r(f+m\&CenterDot;\mathrm{PRF})\mathrm{df}-{\&Integral;}_{-B_a/2}^{B_a/2}{G}_t\left(f\right)G_r\left(f\right)\mathrm{df}}{{\&Integral;}_{-B_a/2}^{B_a/2}{G}_t\left(f\right)G_r\left(f\right)\mathrm{df}}---\left(13\right)$

式中各变量的意义如下：

AASR为方位向模糊比；

G_t(f)为发射天线方位向方向图随目标多普勒频率变化的函数；

G_r(f)为接收天线方位向方向图随目标多普勒频率变化的函数；

B_a为方位向带宽。

在计算GEO SAR的噪声等效后向散射系数NESZ时，必须考虑地球自转和椭圆轨道效应引入的平台与目标的相对速度V_st的变化和分辨单元面积非正交性的问题。

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}^2{R}^4\&CenterDot;{\mathrm{kT}}_s{F}_n\&CenterDot;L_s}{A^2{\mathrm{\&eta;}}^2\&CenterDot;P_t\&CenterDot;T_p\&CenterDot;\mathrm{PRF}\&CenterDot;A_c({\mathrm{\&rho;}}_a,{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{gr}},{\mathrm{\&theta;}}_i,\mathrm{\&alpha;})\&CenterDot;T_a({\mathrm{\&rho;}}_a,{\mathrm{\&theta;}}_i,\mathrm{\&alpha;})\sqrt{M}}---\left(14\right)$

式中各变量的意义如下：

NESZ为噪声等效后向散射系数；R为卫星到目标的距离；L_s为系统损耗；k为玻尔兹曼常数；T_s为标准噪声温度；F_n为接收机噪声系数；P_t为峰值发射功率；λ为信号波长；A为有效天线尺寸；η为天线效率；A_c为分辨单元面积；T_a为相干积累时间；θ_i为视角；α为卫星纬度幅角；ρ_a，ρ_gr为方位向和距离向分辨率；M为多视视数。

在有效PRF范围内，计算距离向模糊比RASR、方位向模糊比AASR和等效噪声后向散射系数NESZ等性能指标，得到不同波位的偏离星下点地面距离的距离向模糊比如图2(b)所示，偏离星下点距离与不同波位的NEσ⁰关系如图2(c)所示。

从而得到满足系统性能指标要求的PRF，完成GEO SAR的波位设计。

图2(a)的斑马图描述了按照本发明方法给出的波位设计结果。斑马图上的斜条带表示发射脉冲遮挡和星下点回波遮挡；竖直线段表示波位设计的结果，其对应的纵轴(偏离星下点地距)描述了该波位测绘带的空间位置信息，其对应的横轴为该波位采用的脉冲重复频率PRF。完整的竖直线段表示在考虑地球自转的情况下该波位的实际回波窗口对应的地距测绘带宽度，其必须避开发射信号的遮挡和星下点脉冲的遮挡，而每一条黑色线段表示该波位的有效的地距测绘带范围。图2(b)和(c)显示了按照本发明方法的波位设计结果能够达到的性能指标，可以满足系统指标的要求。

通过本实施例的仿真结果显示改进的GEO SAR波位设计方法可以避免地球自转导致的等效斜视效应动对回波窗口的影响。

可见利用本发明方法，能够更为精确的计算得到GEO SAR的测绘带的最小斜距和回波窗口信息，保证实际回波窗口避开发射脉冲遮挡和星下点脉冲遮挡，如图2(a)所示，为GEO SAR波位设计提供支持。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，根据卫星平台所处位置的纬度幅角α、波位的中心视角θ_i和系统分辨率ρ_ed，计算满足系统指标所需要的相干积累时间T_a；次优分辨的情况下，相干积累时间取决于系统要求的分辨率大小，具体计算如下：

其中，V_st为平台与目标的相对速度，λ为系统的工作波长；R为中心斜距；

斜距平面内雷达观测的中心视角为θ_i的波位对应的中心斜距R为

其中， 

R_e为地球半径，R_S为卫星到地心的距离，α_i为轨道倾角， 

为目标所在位置的地心角；

轨道位置在纬度幅角α处的卫星平台与目标的相对速度V_st为

其中，

ω_e为地球的自转速度，ω_s为卫星运行的角速度；

步骤二，根据步骤一得到的相干积累时间T_a，计算卫星平台运行走过的纬度幅角范围α_S；

步骤三，在步骤二的基础上，根据卫星平台与目标的相对几何关系，考虑地球自转的影响，精确计算测绘带的回波窗口信息；然后根据星下点回波和发射脉冲遮挡，计算有效的脉冲重复频率范围，并绘制斑马图；

当卫星照射为等效后斜时，测绘带的最小斜距在测绘带近端，对应地心角φ_n、波束初始照射时刻的卫星轨道位置(α-α_S)取得

其中，R_S1＝a(1-e²)/(1+ecos(α-α_S-ω))；ω为近地点幅角，卫星运行轨道为椭圆轨道，半长轴为a，偏心率为e；

而测绘带的最大斜距在测绘带远端，对应地心角φ_f、波束结束照射时刻的卫星轨道位置(α+α_S)取得

其中，R_S2＝a(1-e²)/(1+ecos(α+α_S-ω))；

有效测绘带的最小和最大斜距要避开星下点回波和发射脉冲遮挡；为了避开星下点回波，PRF与回波窗口信息满足下式的限制

其中，PRF为脉冲重复频率，T_p为发射信号的脉冲宽度，T_w-nadir为星下点回波持续时间，m为自然数，m＝±1，±2，L±m_h，m_h＝int(R_max·PRF_max)-int(2H/c·PRF_max)，其中int(x)为取整函数， W_g为测绘带宽度，c为光速，H为轨道高度，H＝R_s-R_e；

为避开发射脉冲遮挡，PRF与回波窗口信息满足下式的限制

其中，T_g为保护带时间；n为自然数，n＝int(R_min·PRF_min):int(R_max·PRF_max)，PRF_min＝2V_st/L_a，L_a为天线尺寸；

由此得到该波位下未被星下点回波和发射脉冲遮挡的有效脉冲重复频率范围： 

步骤四，在步骤三得到的有效脉冲重复频率范围内，设计工作参数，优化选择脉冲重复频率，满足系统性能的要求，完成倾斜地球同步轨道合成孔径雷达波位设计。

2.根据权利要求1所述的一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法，其特征在于：所述步骤二中α_S取决于卫星平台走过的轨迹长度和卫星平台的地心距

其中，卫星的平台速度V_s为

3.根据权利要求1所述的一种倾斜地球同步轨道合成孔径雷达的波位设计方法，其特征在于：所述步骤四中脉冲重复频率的优化选择原则为根据距离向模糊比、方位向模糊比和等效噪声后向散射系数的指标要求，通过不断的迭代选出同时满足上述指标要求的最小脉冲重复频率值。 

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