CN102998655B - 一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对扫描工作模式下，波位的选取仅能通过手动选择、波位选择结果非参数最优结果的问题，提出一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法。步骤一、根据距离向测绘区域、等效后向散射系数最大值、模糊比最大值参数的限制，以及可选用的i组条带宽度，分别进行条带工作模式波位设计，得出i组不同条带宽度的波位，并将其并集作为扫描工作模式的待选波位集合；步骤二、初始波位选择；步骤三、波位树的构建；步骤四、波位树的遍历；步骤五、选取最优波位组合。

Description

一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法

技术领域

本发明涉及一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法，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。

扫描工作模式是SAR的基础工作模式之一，主要用于距离向宽测绘带成像。当SAR工作在扫描模式时，天线在一个波束指向上发射脉冲并接收相应回波，形成当前子条带的回波数据块，然后跳转到另一波束指向，继续发射并接收回波，获取新子条带的回波数据块。不断重复此过程便可获得相互平行的子条带的回波数据块，然后经过成像处理和拼接，就可以获得较宽的测绘带结果。

在进行扫描工作模式的波位设计时，首先需要进行的条带模式的波位设计，得出几组不同测绘带宽度的波位设计结果，然后在从中选取能够完全覆盖测绘区域的波位。目前，上述选择过程是利用斑马图手动进行的，选择过程中不能直观的比较不同选择方式的性能参数优劣，选择的结果依赖于操作人员的个人判断，因此波位选择的最终结果具有很大的随意性，并不一定是性能参数最优的结果。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，针对扫描工作模式下，波位的选取仅能通过手动选择、波位选择结果非参数最优结果的问题，提出一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法，包括如下步骤：

步骤一、根据距离向测绘区域、等效后向散射系数（NESZ）最大值、模糊比最大值参数的限制，以及可选用的i组条带宽度{w₁ w₂...w_i}，分别进行条带工作模式波位设计，得出i组不同条带宽度的波位 $\left\{\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{{1n}_1}\end{array}\right\},\·\·\·,\left\{\begin{array}{cccc}{x}_{i1}& x_{i2}& ...& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\},$ 并将其并集 $\left\{\begin{array}{ccccccccc}{x}_{11}& x_{12}& \·\·\·& x_{{1n}_1}& \·\·\·& x_{i1}& x_{i2}& \·\·\·& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\}$ 作为扫描工作模式的待选波位集合；

步骤二、初始波位选择：在所述的待选波位集合 $\left\{\begin{array}{ccccccccc}{x}_{11}& x_{12}& \·\·\·& x_{{1n}_1}& \·\·\·& x_{i1}& x_{i2}& \·\·\·& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\}$ 中选取波位覆盖区域包含距离向测绘区域近端的波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_1& y_2& ...& y_{n_{\mathrm{root}}}\end{array}\right\},$ 作为扫描工作模式波位选择的待选起始波位；其余波位的集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 作为待选后续波位；

步骤三、波位树的构建：从起始波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_1& y_2& ...& y_{n_{\mathrm{root}}}\end{array}\right\}$ 中依次选取元素y_k,k＝1,2…n_root作为根节点，分别构建n_root个波位树，其中子节点与父节点波位含有重合的覆盖区域；

步骤四、波位树的遍历：对于已构建的n_root个波位树依次进行遍历，在波位树的各个支路中找出能够满足测绘带覆盖要求的波位组合，即该支路的根节点波位的近端下视角小于要求覆盖区域的近端下视角、叶节点波位的远端下视角大于要求覆盖区域的远端下视角，并分别计算对应波位的NESZ、方位向模糊度、距离向模糊度；

步骤五、选取最优波位组合：从步骤四的遍历结果中，选取参数最优的波位组合，作为扫描工作模式的波位设计结果。

步骤三中构建波位树采用以下方法：首先将待选后续波位 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 分为互补的两个集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ 和 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\},$ 其中 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ 作为根节点y_k的子节点集合， $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 作为新的待选后续波位集合，将 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 中波位覆盖区域与根节点y_k波位覆盖区域有重叠的元素集合作为 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\},$ 剩余元素集合作为 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\},$ 然后依照上述原则从新的待选后续波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 中分别选取子节点 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ 的子节点，并产生新的待选后续波位集合，重复上述过程，直至待选后续波位集合为空集。

本发明的有益效果：

本方法摆脱了手动选择扫描工作模式的限制，能够利用程序对覆盖测绘区域的所有波位组合进行遍历，从中选取参数最优的波位组合。

附图说明

图1条带模式波位设计结果；

图2以X₁为根节点建立的波位树；

图3以X₂为根节点建立的波位树；

图4为满足覆盖要求的波位示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法进一步详细说明。

本实施例中，卫星运行在椭圆轨道上，轨道的各参数具体如下所示：

地球半径：6371.004km

轨道高度：800km

入射角范围：20°~40°

下视角：30°

条带模式分辨率：25m

条带宽度：135km/105km

地球自转角速度：7.292115×10^-5rad/s

采用本发明所述的一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法选择该卫星扫描工作模式的最优波位并仿真，其具体步骤为：

步骤一，根据距离向测绘区域、NESZ、模糊度等参数的限制，以及可选用的i组条带宽度{w₁ w₂...w_i}，分别进行条带工作模式波位设计，得出i组不同条带宽度的波位设计结果 $\left\{\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{{1n}_1}\end{array}\right\},\·\·\·,\left\{\begin{array}{cccc}{x}_{i1}& x_{i2}& ...& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\},$ 并将其并集 $\left\{\begin{array}{ccccccccc}{x}_{11}& x_{12}& \·\·\·& x_{{1n}_1}& \·\·\·& x_{i1}& x_{i2}& \·\·\·& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\}$ 作为扫描工作模式的待选波位集合。根据轨道高度800km、入射角范围20°~40°可以确定距离向测绘带区域，NESZ小于-19dB,模糊度小于-20dB,根据上述条件分别进行条带宽度135km与105km的条带工作模式波位设计，得到的波位如图1所示。条带宽度135km的波位集合为{x₂ x₃ x₅ x₈}，条带宽度105km的波位集合为{x₁ x₄ x₆ x₇},扫描工作模式的待选波位集合为{x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆ x₇ x₈}。

步骤二，初始波位选择。在待选波位集合 $\left\{\begin{array}{ccccccccc}{x}_{11}& x_{12}& \·\·\·& x_{{1n}_1}& \·\·\·& x_{i1}& x_{i2}& \·\·\·& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\}$ 中选取波位覆盖区域包含距离向测绘区域近端的波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_1& y_2& ...& y_{n_{\mathrm{root}}}\end{array}\right\},$ 作为扫描工作模式波位选择的待选起始波位；其余波位的集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 作为待选后续波位。根据覆盖特性，可以选定初始波位集合为{x₁ x₂}，待选后续波位集合为{x₃ x₄ x₅ x₆ x₇ x₈}。

步骤三，波位树的构建。从起始波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_1& y_2& ...& y_{n_{\mathrm{root}}}\end{array}\right\}$ 中依次选取元素y_k(k＝1,2…n_root)作为根节点，分别构建n_root个波位树。具体的做法是，根据波位覆盖区域是否与根节点y_k波位覆盖区域有重叠，将后续波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 分为互补的两个集合，有覆盖区域重叠的波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ 作为根节点y_k的子节点，无覆盖区域重叠的波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 作为新的待选后续波位集合。然后依照上述原则从新的待选后续波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 中分别选取子节点 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ 的子节点，并产生新的待选后续波位集合，重复上述过程，直至待选后续波位集合为空集。

以起始波位为x₁为例，在待选后续波位集合{x₃ x₄ x₅ x₆ x₇ x₈}中，与x₁波位有覆盖区域重叠的波位集合为{x₃ x₄}，以上述两个波位作为根节点x₁的子节点；与x₁波位无覆盖区域重叠的波位集合为{x₅ x₆ x₇ x₈}，以上述四个波位作为新的待选后续波位集合。对于波位集合{x₃ x₄}，待选后续波位集合{x₅ x₆ x₇ x₈}中与x₃波位有覆盖区域重合的为波位{x₅ x₆}，与x₄波位有重合的为{x₅ x₆}，故而x₃与x₄的子节点均为{x₅ x₆}，新的待选后续波位集合为{x₇ x₈}。对于波位集合{x₅ x₆}，待选后续波位集合{x₇ x₈}中与x₅波位有覆盖区域重合的为波位{x₇ x₈}，与x₆波位有重合的为波位{x₇}，故而x₅子节点集合为{x₇ x₈}、x₆的子节点集合为{x₇}，新的待选后续波位集合为空集。以x₁为根节点的波位树建立完毕，建立的波位树如图2所示。同理可以建立以x₂为起始波位的波位树，如图3所示。

步骤四，波位树的遍历。对于已构建的n_root个波位树依次进行遍历，找出能够满足测绘带覆盖要求的波位组合，并分别计算其相应的参数，如NESZ、方位向模糊度、距离向模糊度等。

分别遍历以x₁为根节点和以x₂为根节点建立的波位树，得到满足测绘带覆盖要求的十二组波位组合，分别为：1、{x₁,x₃,x₅,x₇}，2、{x₁,x₃,x₅,x₈}，3、{x₁,x₃,x₆,x₇}，4、{x₁,x₄,x₅,x₇}，5、{x₁,x₄,x₅,x₈}，6、{x₁,x₄,x₆,x₇}，7、{x₂,x₃,x₅,x₇}，8、{x₂,x₃,x₅,x₈}，9、{x₂,x₃,x₆,x₇}，10、{x₂,x₄,x₅,x₇}，11、{x₂,x₄,x₅,x₈}，12、{x₂,x₄,x₆,x₇}。

计算以上十二组波位组合的等效后向散射系数，方位向模糊比和距离向模糊比等参数。表1为各项性能指标的平均值。

表1 各项参数平均值列表

波位号	重叠宽度(km)	AASR(dB)	RASR(dB)	NESZ中心(dB)
					1	16587.5	-22.2275	-30.44	-28.8425
2	16712.5	-22.4125	-31.15	-29.4
					3	20687.5	-21.2125	-32.48	-30.0225
4	4712.5	-22.6975	-30.9075	-29.235
					5	4587.5	-22.5125	-30.1975	-28.6775
6	8687.5	-21.4975	-32.2375	-29.8575
					7	16587.5	-23.6375	-27.5125	-28.34
8	18400	-22.375	-26.8775	-28.1925
					9	20687.5	-22.6225	-29.5525	-29.52

10	6116.667	-23.4433	-26.3167	-28.4933
					11	6283.333	-23.69	-27.2633	-29.2367
12	11583.33	-22.09	-29.0367	-30.0667

步骤五，选取最优波位组合。从步骤四的遍历结果中，选取性能指标最优的波位组合，作为扫描工作模式的波位设计结果。

参考表1各项参数结果，本实例依照重叠率最小的标准选取第四组波位作为最佳组合。各项工程对波位要求不同，具体标准可按实际情况确定。

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 (1)

1.一种合成孔径雷达扫描工作模式最优波位选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据距离向测绘区域、等效后向散射系数NESZ最大值、模糊比最大值参数的限制，以及可选用的i组条带宽度 $\left\{\begin{array}{cccc}{w}_1& w_2& ...& w_i\end{array}\right\}$ ，分别进行条带工作模式波位设计，得出i组不同条带宽度的波位 $\left\{\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{{1n}_1}\end{array}\right\},...,\left\{\begin{array}{cccc}{x}_{i1}& x_{i2}& ...& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\}$ ，并将其并集 $\left\{\begin{array}{ccccccccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{{1n}_1}& ...& x_{i1}& x_{i2}& ...& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\}$ 作为扫描工作模式的待选波位集合；

步骤二、初始波位选择：在所述的待选波位集合 $\left\{\begin{array}{ccccccccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{{1n}_1}& ...& x_{i1}& x_{i2}& ...& x_{{\mathrm{in}}_i}\end{array}\right\}$ 中选取波位覆盖区域包含距离向测绘区域近端的波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_1& y_2& ...& y_{n_{\mathrm{root}}}\end{array}\right\}$ ，作为扫描工作模式波位选择的待选起始波位；其余波位的集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 作为待选后续波位；

步骤三、波位树的构建：首先将待选后续波位 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 分为互补的两个集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ 和 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ ，其中 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ 作为根节点y_k的子节点集合， $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 作为新的待选后续波位集合，将 $\left\{\begin{array}{cccc}{z}_1& z_2& ...& z_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 中波位覆盖区域与根节点y_k波位覆盖区域有重叠的元素集合作为 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{{\mathrm{kn}}_k}\end{array}\right\}$ ，剩余元素集合作为 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ ，然后依照上述原则从新的待选后续波位集合 $\left\{\begin{array}{cccc}{z_1}^{\′}& {z_2}^{\′}& ...& {z^{\′}}_{n_{\mathrm{child}}}\end{array}\right\}$ 中分别选取子节点 $\left\{\begin{array}{cccc}{y}_{k1}& y_{k2}& ...& y_{k{n}_k}\end{array}\right\}$ 的子节点，并产生新的待选后续波位集合，重复上述过程，直至待选后续波位集合为空集；

步骤四、波位树的遍历：对于已构建的n_root个波位树依次进行遍历，在波位树的各个支路中找出能够满足测绘带覆盖要求的波位组合，即该支路的根节点波位的近端下视角小于要求覆盖区域的近端下视角、叶节点波位的远端下视角大于要求覆盖区域的远端下视角，并分别计算对应波位的等效后向散射系数NESZ、方位向模糊度、距离向模糊度；

步骤五、选取最优波位组合：从步骤四的遍历结果中，选取参数最优的波位组合，作为扫描工作模式的波位设计结果。