CN103576153A - 一种方位向多波束合成孔径雷达及其实现方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方位向多波束SAR及其实现方法和装置，所述方法包括：确定出满足第一条件的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸；确定出满足第三条件以及第四条件的PRF；基于满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取方位向多波束SAR的波位信息；基于方位向多波束SAR的波位信息，计算方位向多波束SAR的关键参数；当方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定方位向多波束SAR的通道数为满足第一条件的方位向通道数、方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。采用本发明的技术方案，能够合理的设计出方位向多波束SAR的各关键参数，从而有效地设计出方位向多波束SAR。

Description

一种方位向多波束合成孔径雷达及其实现方法和装置

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）中的方位向多波束技术，尤其涉及一种方位向多波束SAR及其实现方法和装置。

背景技术

传统的SAR由于受脉冲重复频率（PRF，Pulse Recurrence Frequency）的制约，方位向分辨率和成像幅宽这两个重要指标相互矛盾。方位向多波束SAR是解决这一矛盾的关键技术。方位向多波束SAR和普通SAR主要存在的设计难点在于天线的设计和方位向通道数的选择，以及新的波位设计和关键技术指标的计算。如何合理地设计上述关键参数是方位向多波束SAR能否实现的关键，因此，如何有效设计方位向多波束SAR是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种方位向多波束SAR及其实现方法和装置，能够合理的设计出方位向多波束SAR的各关键参数，从而有效地设计出方位向多波束SAR。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种方位向多波束SAR的实现方法，所述方法包括：

确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

确定出满足第三条件以及第四条件的PRF；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

基于所述满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取所述方位向多波束SAR的波位信息；

基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度；

确定出所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定所述方位向多波束SAR的通道数为所述满足第一条件的方位向通道数、所述方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。

优选地，所述确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸，包括：

根据以下公式确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数：

N×PRF_min≥B_d

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

根据以下公式确定出满足第二条件的天线尺寸：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

优选地，所述确定出满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率PRF，包括：

根据以下公式确定出满足第三条件以及第四条件的PRF：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

优选地，所述基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数，包括：

根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的系统灵敏度：

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\×{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\×R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\×L_{\mathrm{az}}\×v_s\×\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}\×k\×\mathrm{Br}\×T\×F}{P_{\mathrm{tx}}\×G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}^3\×\mathrm{PRFuni}\×\mathrm{\τ}\×N\×c_0}$

其中，NESZ为系统灵敏度，P_tx为天线发射的峰值功率，G_tx为发射天线增益，G_rx为接收天线增益，λ为载波波长，τ为发射脉宽，σ为后向散射系数，C₀为光速，R₀为斜距，L_az为方位向积分损失，L为系统损耗，B_r为发射带宽，T为系统温度，F为接收机噪声系数，Θ_i为卫星入射角，Φ_bf,Bd满足以下公式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}=N\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E[{\left|P_j\left(f\right)\right|}^2\×\mathrm{rect}\left(\frac{f}{B_D}\right)]$

其中，f为方位向频率轴，B_D为处理多普勒带宽；

根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的方位向模糊度：

$\mathrm{AASR}=\frac{E\left[\right|2\×\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(U_k\left(f\right)\×\underset{m=m_0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{jk}}\left(f\right)\×P_{\mathrm{jm}}\left(f\right))]}{E\left[{\left|U_k\left(f\right)\right|}^2\right]}$

其中，AASR为方位向模糊度，U(f)为接收信号幅度，P(f)为重建滤波器，H(f)为多通道特征矩阵。

一种方位向多波束SAR的实现装置，所述装置包括：第一确定单元、第二确定单元、获取单元、计算单元以及第三确定单元；其中，

所述第一确定单元，用于确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

所述第二确定单元，用于确定出满足第三条件以及第四条件的PRF；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

所述获取单元，用于基于所述满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取所述方位向多波束SAR的波位信息；

所述计算单元，用于基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度；

所述第三确定单元，用于确定出所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定所述方位向多波束SAR的通道数为所述满足第一条件的方位向通道数、所述方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。

优选地，所述第一确定单元，还用于根据以下公式确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数：

N×PRF_min≥B_d

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

根据以下公式确定出满足第二条件的天线尺寸：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

优选地，所述第二确定单元，还用于根据以下公式确定出满足第三条件以及第四条件的PRF：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

优选地，所述计算单元，还用于根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的系统灵敏度：

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\×{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\×R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\×L_{\mathrm{az}}\×v_s\×\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}\×k\×\mathrm{Br}\×T\×F}{P_{\mathrm{tx}}\×G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}^3\×\mathrm{PRFuni}\×\mathrm{\τ}\×N\×c_0}$

其中，NESZ为系统灵敏度，P_tx为天线发射的峰值功率，G_tx为发射天线增益，G_rx为接收天线增益，λ为载波波长，τ为发射脉宽，σ为后向散射系数，C₀为光速，R₀为斜距，L_az为方位向积分损失，L为系统损耗，B_r为发射带宽，T为系统温度，F为接收机噪声系数，Θ_i为卫星入射角，Φ_bf,Bd满足以下公式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}=N\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E[{\left|P_j\left(f\right)\right|}^2\×\mathrm{rect}\left(\frac{f}{B_D}\right)]$

其中，f为方位向频率轴，B_D为处理多普勒带宽；

根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的方位向模糊度：

$\mathrm{AASR}=\frac{E\left[\right|2\×\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(U_k\left(f\right)\×\underset{m=m_0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{jk}}\left(f\right)\×P_{\mathrm{jm}}\left(f\right))]}{E\left[{\left|U_k\left(f\right)\right|}^2\right]}$

其中，AASR为方位向模糊度，U(f)为接收信号幅度，P(f)为重建滤波器，H(f)为多通道特征矩阵。

一种方位向多波束SAR，其中，

所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足第一条件；所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足第二条件；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

所述方位向多波束SAR的PRF满足第三条件以及第四条件；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度。

优选地，所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足第一条件；所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足第二条件，为：

所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足以下公式：

N×PRF_min≥B_d

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足以下公式：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

优选地，所述方位向多波束SAR的PRF满足第三条件以及第四条件，为：

所述方位向多波束SAR的PRF满足以下公式：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

本发明实施例的技术方案中，确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；确定出满足第三条件以及第四条件的PRF；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；基于所述满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取所述方位向多波束SAR的波位信息；基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度；确定出所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定所述方位向多波束SAR的通道数为所述满足第一条件的方位向通道数、所述方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。如此，合理地设计出了方位向多波束SAR的各关键参数，从而有效地设计出方位向多波束SAR，并且，所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标。

附图说明

图1为本发明实施例的方位向多波束SAR的实现方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的方位向多波束SAR的实现装置的结构组成示意图；

图3为本发明实施例的方位向多波束SAR的结构组成示意图；

图4为本发明实施例的波位图；

图5为本发明实施例的系统灵敏度曲线；

图6为本发明实施例的方位向模糊度曲线；

图7为本发明实施例的距离向模糊度曲线。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本发明的特点与技术内容，下面结合附图对本发明的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明。

图1为本发明实施例的方位向多波束SAR的实现方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤101：确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸。

这里，所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性。

具体地，天线设计是方位向多波束SAR的最重要的设计部分，方位向多波束SAR的天线设计与传统SAR的天线设计有很大不同，如图3所示，方位向多波束SAR的天线在发射波束时使用全阵面发射，方位向多波束SAR的天线在接收波束时使用多个相同尺寸的子孔径天线接收。传统SAR的天线长度等于方位向分辨率的两倍，而方位向多波束SAR的方位向分辨率如公式（1a）所示：

${\mathrm{\ρ}}_a\≈\frac{L_a}{2\×\sqrt{N}}---\left(1a\right)$

其中，L_a为天线长度，N为方位向通道数。

由于星载的方位向多波束SAR需要大的天线面积来实现很高的天线增益，因此，天线长度L_a不能过小，由（1a）式可知，需要多个通道才能实现较高的方位向分辨率。

然后，根据轨道高度H和地球半径R_e，能够得到方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度V_s：

$V_s=\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{R_e+H}}---\left(2a\right)$

其中，μ=3.986×10¹⁴为地球引力常数。结合距离向最短斜距R₀和入射角η，可以得到波束在地面的行进速度V_g：

$V_g=\frac{R_e}{R_e+H}\×\cos [{\sin }^{-1}\left(\frac{R_e}{R_e+H}\sin \left(\mathrm{\η}\right)\right)\×V_s---\left(3a\right)$

然后，再利用方位向分辨率ρ_a可以得到多普勒带宽B_d：

$B_d=0.881\×\frac{V_g}{{\mathrm{\ρ}}_a}---\left(4a\right)$

为了保证方位向足采样以及采样的非均匀性不过于严重，方位向接收孔径数，也即方位向通道数N和天线长度L_a需分别满足公式（5a）和公式（6a）：

N×PRF_min≥B_d     （5a）

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }---\left(6a\right)$

其中，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率。

通过上述公式（5a）和公式（6a）即可分别确定出方位向通道数N和天线长度L_a。

步骤102：确定出满足第三条件以及第四条件的PRF。

这里，所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗。

具体地，对于收发共用天线的星载方位向多波束SAR，要避开发射脉冲的遮掩和星下点回波的干扰，因此，需要选择特定的PRF来实现。

避开发射脉冲的遮掩时，假设过了i个脉冲重复周期后接收到了回波，则发射脉冲不落入回波接收窗的条件是：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}---\left(7a\right)$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n，R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

为了避开星下点回波的影响，回波的延迟时间为2H/c。假设近端回波延迟时间与星下点回波延迟时间大于等于j个PRF，则需满足以下条件才能让星下点回波干扰不落在回波接收窗内：

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}---\left(8a\right)$

步骤103：基于所述满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取所述方位向多波束SAR的波位信息。

具体地，根据（7a），（8a）式，可以得到方位向多波束SAR的波位图，从而从波位图中选取合适的PRF范围。

步骤104：基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数。

这里，所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度。

其中，距离向模糊度的计算与传统SAR的计算方法相同，但是，方位向模糊度和系统灵敏度的计算方法都与传统SAR的计算方法不同。

具体地，方位向多波束SAR的系统灵敏度为：

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\×{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\×R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\×L_{\mathrm{az}}\×v_s\×\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}\×k\×\mathrm{Br}\×T\×F}{P_{\mathrm{tx}}\×G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}^3\×\mathrm{PRFuni}\×\mathrm{\τ}\×N\×c_0}---\left(9a\right)$

其中，P_tx为天线发射的峰值功率，G_tx为发射天线增益，G_rx为接收天线增益，λ为载波波长，τ为发射脉宽，σ为后向散射系数，C₀为光速，R₀为斜距，L_az为方位向积分损失，L为系统损耗，B_r为发射带宽，T为系统温度，F为接收机噪声系数，Θ_i为卫星入射角，Φ_bf,Bd满足以下公式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}=N\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E[{\left|P_j\left(f\right)\right|}^2\×\mathrm{rect}\left(\frac{f}{B_D}\right)-]---\left(10a\right)$

其中，f为方位向频率轴，B_D为处理多普勒带宽。公式（10a）表征了噪声信号通过了重建网络后对系统噪声的影响因子。

方位向多波束SAR的方位向模糊度方位向模糊度为：

$\mathrm{AASR}=\frac{E\left[\right|2\×\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(U_k\left(f\right)\×\underset{m=m_0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{jk}}\left(f\right)\×P_{\mathrm{jm}}\left(f\right))]}{E\left[{\left|U_k\left(f\right)\right|}^2\right]}---\left(11a\right)$

其中，U(f)为接收信号幅度，P(f)为重建滤波器，H(f)为多通道特征矩阵。

步骤105：确定出所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定所述方位向多波束SAR的通道数为所述满足第一条件的方位向通道数、所述方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。

图2为本发明实施例的方位向多波束SAR的实现装置的结构组成示意图，如图2所示，所述装置包括：第一确定单元21、第二确定单元22、获取单元23、计算单元24以及第三确定单元25；其中，

所述第一确定单元21，用于确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

所述第二确定单元22，用于确定出满足第三条件以及第四条件的PRF；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

所述获取单元23，用于基于所述满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取所述方位向多波束SAR的波位信息；

所述计算单元24，用于基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度；

所述第三确定单元25，用于确定出所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定所述方位向多波束SAR的通道数为所述满足第一条件的方位向通道数、所述方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。

优选地，所述第一确定单元21，还用于根据公式（5b）确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数：

N×PRF_min≥B_d     （5b）

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

根据公式（6b）确定出满足第二条件的天线尺寸：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }---\left(6b\right)$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

优选地，所述第二确定单元22，还用于根据公式（7b）和公式（8b）确定出满足第三条件以及第四条件的PRF：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}---\left(7b\right)$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}---\left(8b\right)$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

优选地，所述计算单元24，还用于根据公式（9b）计算所述方位向多波束SAR的系统灵敏度：

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\×{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\×R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\×L_{\mathrm{az}}\×v_s\×\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}\×k\×\mathrm{Br}\×T\×F}{P_{\mathrm{tx}}\×G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}^3\×\mathrm{PRFuni}\×\mathrm{\τ}\×N\×c_0}---\left(9b\right)$

其中，P_tx为天线发射的峰值功率，G_tx为发射天线增益，G_rx为接收天线增益，λ为载波波长，τ为发射脉宽，σ为后向散射系数，C₀为光速，R₀为斜距，L_az为方位向积分损失，L为系统损耗，B_r为发射带宽，T为系统温度，F为接收机噪声系数，Θ_i为^卫星入射角，Φ_bf,Bd满足公式（10b）：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}=N\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E[{\left|P_j\left(f\right)\right|}^2\×\mathrm{rect}\left(\frac{f}{B_D}\right)-]---\left(10b\right)$

其中，f为方位向频率轴，B_D为处理多普勒带宽；

根据公式（11b）计算所述方位向多波束SAR的方位向模糊度：

$\mathrm{AASR}=\frac{E\left[\right|2\×\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(U_k\left(f\right)\×\underset{m=m_0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{jk}}\left(f\right)\×P_{\mathrm{jm}}\left(f\right))]}{E\left[{\left|U_k\left(f\right)\right|}^2\right]}---\left(11b\right)$

其中，U(f)为接收信号幅度，P(f)为重建滤波器，H(f)为多通道特征矩阵。

本领域技术人员应当理解，图2所示的方位向多波束SAR的实现装置中的各单元的实现功能可参照前述方位向多波束SAR的实现方法的相关描述而理解。图2所示的方位向多波束SAR的实现装置中的各单元的功能可通过运行于处理器上的程序而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。

本发明实施例的方位向多波束SAR的结构组成示意图，其中，

所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足第一条件；所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足第二条件；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

所述方位向多波束SAR的PRF满足第三条件以及第四条件；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度。

优选地，所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足第一条件；所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足第二条件，为：

所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足公式（5c）：

N×PRF_min≥B_d     （5c）

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足公式（6c）：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }---\left(6c\right)$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

优选地，所述方位向多波束SAR的PRF满足第三条件以及第四条件，为：

所述方位向多波束SAR的PRF满足公式（7c）和（8c）：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}---\left(7c\right)$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}---\left(8c\right)$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

下面结合表1对本发明实施例的方位向多波束SAR的实现方法作进一步描述。如表1所示，表1示出了高分辨率宽测绘带星载SAR的系统要求，其中分辨率要求达到0.6m，测绘幅宽达到20Km，使用一般的SAR系统不能满足上述要求，通过使用本发明实施例记载的方位向多波束SAR则可以满足上述要求。

轨道高度	700Km	发射载频	9.6GHz
				分辨率	0.6m	测绘幅宽	20Km
AASR限制	小于-24dB	RASR限制	小于-26dB
				NESZ限制	小于-20dB	视角范围	13度到53度

表1

通过公式（5a）、（6a）、或者公式（5b）、（6b）、或者公式（5c）、（6c），可以计算出天线长度为大于6米，方位向通道数6至8个通道。考虑到能量损失等其他原因，优化设计的天线长度为7.2米，方位向通道数为8通道。

根据SAR的基本参数，通过公式（7a）、（8a）、或者公式（7b）、（8b）、或者公式（7c）、（8c）可以得出方位向多波束SAR的波位图，并且得出优化后的所有波位位置，如图4所示。

根据波位位置，以及公式（9a）、或者公式（9b），可以得出所有波位的系统灵敏度曲线，如图5所示，最差为-21.4dB，满足小于-20dB的要求。根据方位向模糊度的计算公式（11a）、或者公式（11b），可以得出所有波位的方位向模糊度，计算结果如图6所示，最差为-26.25dB，满足小于-24dB的要求。所有波位的距离向模糊度曲线如图7所示，最差为-30.43dB，满足小于-26dB的要求。所有系统指标都能够满足设计要求。

以上所述，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。

Claims (11)

1.一种方位向多波束合成孔径雷达SAR的实现方法，其特征在于，所述方法包括：

确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

确定出满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率PRF；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

基于所述满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取所述方位向多波束SAR的波位信息；

基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度；

确定出所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定所述方位向多波束SAR的通道数为所述满足第一条件的方位向通道数、所述方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。

2.根据权利要求1所述的方位向多波束SAR的实现方法，其特征在于，所述确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸，包括：

根据以下公式确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数：

N×PRF_min≥B_d

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

根据以下公式确定出满足第二条件的天线尺寸：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

3.根据权利要求1所述的方位向多波束SAR的实现方法，其特征在于，所述确定出满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率PRF，包括：

根据以下公式确定出满足第三条件以及第四条件的PRF：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方位向多波束SAR的实现方法，其特征在于，所述基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数，包括：

根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的系统灵敏度：

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\×{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\×R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\×L_{\mathrm{az}}\×v_s\×\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}\×k\×\mathrm{Br}\×T\×F}{P_{\mathrm{tx}}\×G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}^3\×\mathrm{PRFuni}\×\mathrm{\τ}\×N\×c_0}$

其中，NESZ为系统灵敏度，P_tx为天线发射的峰值功率，G_tx为发射天线增益，G_rx为接收天线增益，λ为载波波长，τ为发射脉宽，σ为后向散射系数，C₀为光速，R₀为斜距，L_az为方位向积分损失，L为系统损耗，B_r为发射带宽，T为系统温度，F为接收机噪声系数，Θ_i为卫星入射角，Φ_bf,Bd满足以下公式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}=N\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E[{\left|P_j\left(f\right)\right|}^2\×\mathrm{rect}\left(\frac{f}{B_D}\right)]$

其中，f为方位向频率轴，B_D为处理多普勒带宽；

根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的方位向模糊度：

$\mathrm{AASR}=\frac{E\left[\right|2\×\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(U_k\left(f\right)\×\underset{m=m_0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{jk}}\left(f\right)\×P_{\mathrm{jm}}\left(f\right))]}{E\left[{\left|U_k\left(f\right)\right|}^2\right]}$

其中，AASR为方位向模糊度，U(f)为接收信号幅度，P(f)为重建滤波器，H(f)为多通道特征矩阵。

5.一种方位向多波束SAR的实现装置，其特征在于，所述装置包括：第一确定单元、第二确定单元、获取单元、计算单元以及第三确定单元；其中，

所述第一确定单元，用于确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数，以及满足第二条件的天线尺寸；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

所述第二确定单元，用于确定出满足第三条件以及第四条件的PRF；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

所述获取单元，用于基于所述满足第三条件以及第四条件的脉冲重复频率，获取所述方位向多波束SAR的波位信息；

所述计算单元，用于基于所述方位向多波束SAR的波位信息，计算所述方位向多波束SAR的关键参数；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度；

所述第三确定单元，用于确定出所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标时，确定所述方位向多波束SAR的通道数为所述满足第一条件的方位向通道数、所述方位向多波束SAR的天线尺寸为满足第二条件的天线尺寸、以及所述方位向多波束SAR的PRF为满足第三条件以及第四条件的PRF。

6.根据权利要求5所述的方位向多波束SAR的实现装置，其特征在于，所述第一确定单元，还用于根据以下公式确定出满足第一条件的所述方位向多波束SAR的方位向通道数：

N×PRF_min≥B_d

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

根据以下公式确定出满足第二条件的天线尺寸：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

7.根据权利要求5所述的方位向多波束SAR的实现装置，其特征在于，所述第二确定单元，还用于根据以下公式确定出满足第三条件以及第四条件的PRF：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

8.根据权利要求5至7任一项所述的方位向多波束SAR的实现装置，其特征在于，所述计算单元，还用于根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的系统灵敏度：

$\mathrm{NESZ}=\frac{4\×{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3\×R_0{\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)}^3\×L_{\mathrm{az}}\×v_s\×\sin \left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}\×k\×\mathrm{Br}\×T\×F}{P_{\mathrm{tx}}\×G_{\mathrm{tx}}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×G_{\mathrm{rx},j}\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)\×{\mathrm{\λ}}^3\×\mathrm{PRFuni}\×\mathrm{\τ}\×N\×c_0}$

其中，NESZ为系统灵敏度，P_tx为天线发射的峰值功率，G_tx为发射天线增益，G_rx为接收天线增益，λ为载波波长，τ为发射脉宽，σ为后向散射系数，C₀为光速，R₀为斜距，L_az为方位向积分损失，L为系统损耗，B_r为发射带宽，T为系统温度，F为接收机噪声系数，Θ_i为卫星入射角，Φ_bf,Bd满足以下公式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{bf},\mathrm{Bd}}=N\×\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}E[{\left|P_j\left(f\right)\right|}^2\×\mathrm{rect}\left(\frac{f}{B_D}\right)]$

其中，f为方位向频率轴，B_D为处理多普勒带宽；

根据以下公式计算所述方位向多波束SAR的方位向模糊度：

$\mathrm{AASR}=\frac{E\left[\right|2\×\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(U_k\left(f\right)\×\underset{m=m_0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{jk}}\left(f\right)\×P_{\mathrm{jm}}\left(f\right))]}{E\left[{\left|U_k\left(f\right)\right|}^2\right]}$

其中，AASR为方位向模糊度，U(f)为接收信号幅度，P(f)为重建滤波器，H(f)为多通道特征矩阵。

9.一种方位向多波束SAR，其特征在于，

所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足第一条件；所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足第二条件；所述第一条件与所述第二条件均用于限定所述方位向多波束SAR在方位向足采样以及采样的均匀性；

所述方位向多波束SAR的PRF满足第三条件以及第四条件；所述第三条件用于限定所述方位向多波束SAR的发射脉冲不落入回波接收窗；所述第四条件用于限定所述方位向多波束SAR的星下点回波干扰不落入回波接收窗；

所述方位向多波束SAR的关键参数满足预设指标；所述关键参数包括以下信息至少之一：方位向模糊度、距离向模糊度以及系统灵敏度。

10.根据权利要求9所述的方位向多波束SAR，其特征在于，所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足第一条件；所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足第二条件，为：

所述方位向多波束SAR的方位向通道数满足以下公式：

N×PRF_min≥B_d

其中，N为方位向通道数，PRF_min为最小脉冲重复频率，B_d为多普勒带宽；

所述方位向多波束SAR的天线尺寸满足以下公式：

${\mathrm{PRF}}_{\min }\≤\frac{2\×V_s}{L_a}\≤{\mathrm{PRF}}_{\max }$

其中，L_a为天线长度，PRF_min和PRF_max分别为最小和最大脉冲重复频率，V_s为所述方位向多波束SAR所处的飞行平台的飞行速度。

11.根据权利要求9或10所述的方位向多波束SAR，其特征在于，所述方位向多波束SAR的PRF满足第三条件以及第四条件，为：

所述方位向多波束SAR的PRF满足以下公式：

$\frac{i}{{2R}_m/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{i+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}}$

$\frac{j}{{2R}_n/c-T_p-T_{\mathrm{pt}}-2H/c}\≤\mathrm{PRF}\≤\frac{j+1}{{2R}_f/c+T_p+T_{\mathrm{pt}}-2H/c}$

其中，T_p为发射脉宽，T_pt为保护脉宽，R_n和R_f分别为近端和远端斜距，c为光速。

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