CN106226768A - 超高分辨率敏捷sar卫星滑动聚束模式系统参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，适用于通过整星姿态机动实现超高分辨率成像的SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计，属于SAR卫星总体设计技术领域。本发明充分考虑了精确的轨道、地球模型和系统限制因素，以及滑动聚束模式成像工作特点，给出了一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，为超高分辨率星载SAR成像提供了一种经济、高效的实现方式。本发明采用匀波束足印地面滑动速度的准则，设计整个成像时间内所有时刻的地面瞄准点，并计算瞬时时刻的姿态需求、PRF等参数，相对传统根据远离地面虚拟瞄准点的方式计算上述参数的方法，具有更高的精度和成像效率。

Description

超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，适用于通过整星姿态机动实现超高分辨率成像的SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计，属于SAR卫星总体设计技术领域，所述的超高分辨率是指SAR卫星的分辨率优于0.4m，即小于0.4m。

背景技术

滑动聚束模式是一种新颖的SAR工作模式，它通过控制天线波束扫描速度，减缓天线波束足印地面滑动速度，增加成像点的合成孔径时间，实现高分辨率成像。滑动聚束模式的方位向成像范围大于传统聚束模式，方位向的分辨率低于传统聚束模式，滑动聚束模式可以通过控制波束扫描速度，实现分辨率和方位向成像范围之间的折中权衡。在滑动聚束模式中，由于天线辐照区在地面上移动，成像区域内的目标被完整的天线方向图加权，这消除了系统性能指标的方位向起伏，使滑动聚束能像条带模式一样得到方位向均匀的图像产品。目前，滑动聚束模式已经广泛应用到先进的机载SAR系统中，此外它也在德国的TerraSAR-X卫星上得到成功应用。

现有的星载滑动聚束模式都具有正侧视、小扫描范围的特点，比如TerraSAR-X卫星的滑动聚束模式方位向扫描范围在±0.75°范围内。正因如此，现有的星载SAR滑动聚束模式系统参数设计时，可以在星地几何模型中假设虚拟远离成像区的旋转中心，借此设计相关参数。德宇航Josef Mittermayer等在2003年国际地球科学与遥感大会(IGARSS 2003)上发表了《Sliding spotlight SAR processing for TerraSAR-X using a newformulation of the extended chirp scaling algorithm》一文，根据虚拟旋转中心原理和平直星地几何关系，给出了星载滑动聚束模式起始扫描角、结束扫描角、成像时间等参数计算方法，并成功应用于TerraSAR-X卫星。但该方法几何精度不足，且通过近似的虚拟转动中心方式计算系统参数，仅适用于小扫描情况，对于超高分辨率星载SAR滑动聚束模式不适用。电子所吕继宇等发展了上述方法，提出了一种星载合成孔径雷达滑动聚束方位向参数获取方法，并申请了专利(专利申请号：201410041182.7)。该方法仍是根据虚拟旋转中心原理和平直星地几何关系进行计算，精度不适合高分辨率SAR卫星。此外，利用敏捷SAR卫星实现超高分辨率滑动聚束模式成像时，需要给出需求的卫星姿态角度，上述两种方法均不适用。最后，超高分辨率星载SAR滑动聚束模式回波信号距离徙动大，造成PRF选择困难，上述方法不能解决此类问题。

敏捷SAR卫星通过整星姿态机动实现超高分辨率滑动聚束模式成像，传统通过虚拟旋转中心原理和平直星地几何关系计算方位参数的方法，不能满足高分辨率滑动聚束模式成像需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，该方法充分考虑精确的轨道、地球模型和系统限制因素，进行相关系统指标设计；将成像场景中心位置回波多普勒频率为零时刻设置为成像中心时刻，保证成像过程中回波多普勒中心频率绝对值最小；根据匀波束足印地面滑动速度的准则，设计方位向不同时刻的地面瞄准点；根据成像中心时刻星历几何关系，确定波束足印地面滑动速度；根据瞬时时刻瞄准点和卫星坐标，利用矢量方法得到所需的姿态角；根据瞬时时刻的回波多普勒范围和时间范围选择此刻的PRF，克服超高分辨率滑动聚束模式回波信号大距离徙动造成的发射脉冲干扰问题；根据处理带宽范围确定性能分析点是否在有效照射范围内，再统计整个成像时间内的照射时间和对应的多普勒调频率，进而得到准确的方位分辨率评估值；通过减缓波束足印地面滑动速度，提高方位向分辨率，直到满足分辨率需求；通过增加总成像时间，增加方位向覆盖范围，直到满足图像长度需求。本发明为敏捷SAR卫星基于整星机动和变重频技术实现超高分辨率成像提供一种全面、准确的参数设计和实现方法。。

本发明的技术解决方案是：

超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，该方法的步骤包括：

(1)确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置以及确定SAR卫星的位置、速度和加速度；

根据SAR卫星成像任务需求，确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置，根据SAR卫星的轨道参数，确定不同星历时刻的SAR卫星位置、速度和加速度；

(2)计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标的回波多普勒频率

根据步骤(1)中得到的SAR卫星位置、速度和加速度，以及成像场景中心位置的坐标，计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标回波多普勒频率f_dc，计算方法如式(1)所示：

$f_{dc}=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\frac{(\stackrel{\→}{R_s}-\stackrel{\→}{R_t})\·(\stackrel{\→}{V_s}-\stackrel{\→}{V_t})}{R_{st}}---\left(1\right)$

其中，为地心惯性坐标系下卫星的位置矢量，为地心惯性坐标系下成像场景中心的位置矢量，为地心惯性坐标系下卫星的速度矢量，为地心惯性坐标系下位于成像场景中心的目标的速度矢量，λ为载波波长，R_st为卫星与位于成像场景中心的目标之间的距离；根据上式可以得到所有星历时刻的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率；

(3)确定成像中心时刻

寻找步骤(2)中得到的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率为零的星历时刻，将其确定为SAR卫星成像中心时刻；

(4)计算步骤(3)中SAR卫星成像中心时刻，卫星到位于成像场景中心目标的斜距

根据成像中心时刻卫星位置坐标和位于成像场景中心目标位置坐标，计算成像中心时刻卫星到位于成像场景中心目标的斜距；

(5)计算成像中心时刻多普勒调频率

根据步骤(1)得到的卫星位置、速度及加速度，以及成像场景中心位置，计算成像中心时刻位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率f_a，计算方法如式(2)所示：

$f_a=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\[\frac{{(\stackrel{\→}{V_s}-\stackrel{\→}{V_t})}^2}{R_{st}}+\frac{(\stackrel{\→}{A_s}-\stackrel{\→}{A_t})\·(\stackrel{\→}{R_s}-\stackrel{\→}{R_t})}{R_{st}}\]---\left(2\right)$

其中，为地心惯性坐标系下卫星的加速度矢量，为地心惯性坐标系下成像场景中心目标的加速度矢量；

(6)计算合成孔径时间

根据步骤(5)计算得到的位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率，和期望的方位向分辨率(已知条件)，计算方位向合成孔径时间T_s，计算方法如式(3)所示：

$T_s=k_{wa}\frac{V_g}{{\mathrm{\ρ}}_a{f}_a}---\left(3\right)$

其中，V_g为零多普勒线扫过地面的速度，k_wa为多普勒信号处理加权扩展因子，ρ_a为期望的方位向分辨率；

(7)计算SAR卫星波束足印地面滑动速度

根据步骤(6)计算得到的合成孔径时间T_s及SAR卫星波束地面投影长度，计算得到波束足印地面滑动速度V_f，计算方法如式(4)所示：

$V_f=\frac{{\mathrm{\θ}}_a{R}_{st\_m}}{T_s}---\left(4\right)$

其中，θ_a为SAR卫星天线方位向波束宽度，R_{st_m}为步骤(4)中得到的斜距；

(8)计算总成像时间

根据步骤(7)计算得到的波束足印地面滑动速度和期望的SAR卫星方位成像场景范围，计算SAR卫星方位向总成像时间T_all，计算方法如式(5)所示：

$T_{all}=\frac{{\mathrm{\θ}}_a{R}_{st\_m}+W_a}{V_f}---\left(5\right)$

其中，W_a为期望的SAR卫星方位成像场景的长度；

(9)确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点

根据步骤(3)得到的中心时刻、步骤(8)得到的总成像时间、步骤(7)得到的地面波束足印滑动速度、步骤(1)确定的成像场景中心位置，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点；

(10)布置性能分析采样点

为判断设计的系统性能是否能达到需求，此步骤在成像场景内沿二维方向均匀布置性能分析采样点，用于后续步骤判断成像性能是否达标，所述的性能分析是指对卫星成像场景内设置的采样点的分辨率；

(11)计算成像所需卫星姿态

根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(9)得到的方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点，利用矢量法计算卫星所有成像时刻瞬时成像所需姿态；

首先根据SAR卫星和地面瞄准点在轨道系下的坐标，计算期望的波束指向向量(即由地面瞄准点在轨道系下的坐标减去SAR卫星在轨道系下的坐标得到期望的波束指向向量)；再根据SAR卫星和地球中心在轨道系下的坐标，计算起始波束指向向量(即由地球中心在轨道系下的坐标减去SAR卫星在轨道系下的坐标得到起始波束指向向量)；根据欧拉定理，计算以欧拉轴/角参数式表示的需求姿态，即卫星所有成像时刻瞬时成像所需卫星姿态如式(6)和(7)所示：

其中，×为向量积，·为标量积，为欧拉轴，Φ为欧拉角，为起始波束指向向量的向量长度，为起始波束指向向量，为期望波束指向向量的向量长度；为期望波束指向向量；然后再将上述姿态转换到期望的表示形式，如期望的形式为任意转序的欧拉角或四元数；

(12)计算瞬时回波时间范围

根据步骤(1)中得到的卫星位置以及已知的卫星的天线波束宽度，确定卫星波束覆盖范围(即卫星的天线波束在地球表面的投影)；计算卫星到卫星波束覆盖范围内各个点的斜距，再根据得到的各个点的斜距变化范围，计算瞬时回波时间范围；

(13)计算瞬时回波多普勒频率范围

根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(12)得到的卫星波束覆盖范围，计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标瞬时回波的多普勒频率，最终确定卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；所述的计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标回波的多普勒频率的计算方法同步骤(2)，其不同点在于步骤(2)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标位于卫星波束覆盖范围内各个点；

(14)确定PRF选择范围

根据步骤(13)计算得到的卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围，确定SAR卫星脉冲重复频率(PRF)选择下限PRF_min，根据SAR卫星能力即SAR卫星的脉冲重复频率的最高值，给定SAR卫星脉冲重复频率(PRF)选择上限PRF_max；所述的SAR卫星脉冲重复频率(PRF)选择下限的确定方法如式(8)所示：

PRF_min＝K_aB_as (8)

其中K_a为需求方位向过采样率(已知量)，B_as为卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；

所述的SAR卫星脉冲重复频率(PRF)选择上限PRF_max不高于SAR卫星的脉冲重复频率的最高值；

(15)计算发射脉冲干扰时间

在PRF变化范围内(即SAR卫星脉冲重复频率(PRF)选择下限与选择上限范围内)，根据给定SAR卫星发射脉冲宽度和保护时间宽度，逐点计算发射脉冲干扰时间T_inter，计算方法如式(9)所示：

N*PRI-T_rp≤T_inter≤N*PRI+T_p+T_rp (9)

其中，PRI为脉冲重复周期即为PRF的倒数，T_p为发射脉冲宽度，T_rp保护时间宽度，N为发射接收脉冲延迟数；

(16)计算星下点回波干扰时间

在PRF变化范围内，根据SAR卫星发射脉冲宽度、保护时间宽度和瞬时星下点高度，逐点计算星下点回波干扰时间T_nadir，计算方法如式(10)所示：

$\frac{2H_s}{c}+N*PRI-T_{rp}\≤T_{nadir}\≤\frac{2H_s}{c}+N*PRI+T_p+T_{rp}---\left(10\right)$

其中，c为光速，H_s为瞬时星下点高度；

(17)选择瞬时PRF值

根据步骤(12)计算得到的瞬时回波时间范围和步骤(14)确定的PRF选择范围，在避开步骤(15)中发射脉冲干扰时间和步骤(16)中星下点回波干扰时间的情况下，按照需求选择合适的瞬时PRF值；

(18)确定方位向处理带宽范围

根据步骤(13)计算得到的瞬时多普勒频率变化范围，和给定的方位向处理带宽(已知量)，确定瞬时方位有用的带宽f范围，确定方法如式(11)所示：

f_dc-B_p/2≤f≤f_dc+B_p/2 (11)

其中f_dc为瞬时多普勒频率变化范围的中间值(即正中心的值)，B_p为方位向处理带宽；

(19)计算性能分析采样点回波多普勒频率

根据卫星瞬时位置和瞬时速度，以及步骤(10)布置好的性能分析采样点坐标，计算采样点回波的多普勒频率，所述的采样点回波的多普勒频率的计算方法同步骤(2)，其不同点在于步骤(2)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标为采样点；

(20)判断是否在处理带宽范围内

判断步骤(19)计算的采样点的回波多普勒频率是否在步骤(18)确定的方位向处理带宽范围内，并将判断结果进行记录；

上面步骤(11)-步骤(20)计算的均为某一时刻的卫星的各个相应的参数，采用相同的方法计算步骤(8)中总成像时间内所有时刻的卫星的各个相应的参数；

(21)统计性能分析采样点照射时间和性能分析采样点多普勒调频率

统计性能分析采样点的有效成像时间和性能分析采样点的多普勒调频率；所述的性能分析采样点的多普勒调频率的计算方法同步骤(5)，其不同点在于步骤(5)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标为性能分析采样点；

(22)计算方位向分辨率

根据步骤(21)得到的性能分析采样点照射时间和和性能分析采样点多普勒调频率，获得性能分析采样点的方位向分辨率ρ_a，性能分析采样点的方位向分辨率的获得方法如式(12)所示：

${\mathrm{\ρ}}_a=k_{wa}\frac{V_g}{T_s{f}_a}---\left(12\right)$

其中，V_g为零多普勒线扫过地面的速度，k_wa为多普勒信号处理加权扩展因子，T_s为性能分析采样点的有效成像时间；

(23)判断是否达到分辨率需求

判断步骤(22)得到的所有性能分析采样点的方位向分辨率是否都达到设定的要求值，如能达到(即得到的性能分析采样点的方位向分辨率小于等于设定的要求值)，进入步骤(24)；如不能达到(即得到的性能分析采样点的方位向分辨率大于设定的要求值)，减慢波束足印滑动速度，重新自步骤(7)开始执行，即将步骤(7)中计算得到的波束足印地面滑动速度V_f减去一个给定值代替步骤(7)中计算得到的V_f，然后进入步骤(8)，直到性能分析采样点的方位向分辨率小于等于设定的要求值；

(24)确定方位向覆盖范围

根据步骤(1)得到的卫星位置和步骤(11)得到的卫星姿态，获取方位向成像覆盖范围，方位向成像覆盖范围的获取方法为：在STK软件中，将步骤(1)得到的卫星位置和步骤(11)得到的卫星姿态输入到虚拟卫星中，根据虚拟卫星波束的覆盖范围，得到准确的卫星方位向覆盖范围；

(25)判断是否达到覆盖需求

判断步骤(24)得到的卫星方位向覆盖范围是否达到设定的方位向覆盖范围(即步骤(24)得到的卫星方位向覆盖范围大于等于设定的方位向覆盖范围)，如能达到，则超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计符合要求；如不能达到(即步骤(24)得到的卫星方位向覆盖范围小于设定的方位向覆盖范围)，增加总成像时间，重新自步骤(8)开始执行，即将步骤(8)中计算得到的总成像时间T_all加上一个给定值代替步骤(8)中计算得到的T_all，然后进入步骤(9)；直至卫星方位向覆盖范围大于等于设定的方位向覆盖范围。

(26)利用得到的SAR卫星参数，指导SAR卫星系统设计

在步骤(6)得到的成像时间内，利用步骤(11)得到的需求姿态参数和步骤(17)得到的PRF值，指导敏捷SAR卫星控制分系统和载荷分系统工作模式设计，实现满足需求的高分辨率成像。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明充分考虑了精确的轨道、地球模型和系统限制因素，以及滑动聚束模式成像工作特点，给出了一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，为超高分辨率星载SAR成像提供了一种经济、高效的实现方式。

(2)本发明采用匀波束足印地面滑动速度的准则，设计整个成像时间内所有时刻的地面瞄准点，并计算瞬时时刻的姿态需求、PRF等参数，相对传统根据远离地面虚拟瞄准点的方式计算上述参数的方法，具有更高的精度和成像效率。

(3)本发明根据方位向瞬时时刻的回波多普勒带宽范围和回波时间范围选择此时刻的PRF，通过变PRF的方式克服超高分辨率滑动聚束模式回波信号大距离徙动造成的发射脉冲干扰问题。

(4)本发明根据处理带宽范围确定提前设定的性能分析点是否在有效照射范围内，再统计整个成像时间内的照射时间和对应的多普勒调频率，进而得到准确的方位分辨率评估值，判断是否达到设计需求；

(5)需要根据精确的星地几何关系，给出成像所需的精确姿态控制策略。根据匀波束足印地面滑动速度的准则确定波束扫描规律，保证远端成像点具备足够的分辨率。此外，超高分辨率滑动聚束模式距离徙动量大，难于在整个成像时间选择统一的PRF，需要根据方位向瞬时时刻的回波多普勒带宽范围和回波时间范围选择此时刻的PRF，通过变PRF的方式克服超高分辨率滑动聚束模式回波信号大距离徙动造成的发射脉冲干扰问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的实施例中以卫星轨道系为参考系312转序下的需求欧拉角；

图3为本发明的实施例中变PRF设计结果；

图4为本发明的实施例STK软件中显示的性能分析采样点在成像场景内的二维分布；

图5为本发明的实施例中所得系统的方位向分辨率评估结果；

图6为本发明的实施例中所得系统的距离向分辨率评估结果。

具体实施方式

本发明方法依据精确的轨道、地球模型和系统限制因素，进行相关系统指标设计；根据匀波束足印地面滑动速度的准则，设计方位向不同时刻的地面瞄准点；根据瞬时时刻瞄准点和卫星坐标，利用矢量方法得到所需的姿态角；根据瞬时时刻的回波多普勒范围和时间范围选择此刻的PRF，克服超高分辨率滑动聚束模式回波信号大距离徙动造成的发射脉冲干扰问题；根据处理带宽范围确定性能分析点是否在有效照射范围内，再统计整个成像时间内的照射时间和对应的多普勒调频率，进而得到准确的方位分辨率评估值；通过减缓波束足印地面滑动速度，提高方位向分辨率，直到满足分辨率需求；通过增加总成像时间，增加方位向覆盖范围，直到满足图像长度需求。

超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法流程如图1所示，具体包含以下步骤。

1、确定卫星轨道和成像场景中心位置

根据成像任务需求，确定成像场景中心位置。根据SAR卫星的轨道参数，在卫星仿真工具包(Satellite Tool Kit:STK)软件中，确定不同星历时刻的卫星位置、速度和加速度等参数。

2、计算不同星历时刻成像场景中心目标回波多普勒频率

根据卫星位置、速度、加速度，以及成像场景中心的位置坐标，计算不同星历时刻成像场景中心目标回波多普勒频率，计算方法如下

$f_{dc}=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\frac{(\stackrel{\→}{R_s}-\stackrel{\→}{R_t})\·(\stackrel{\→}{V_s}-\stackrel{\→}{V_t})}{R_{st}}---\left(1\right)$

其中为地心惯性坐标系下卫星的位置矢量，为地心惯性坐标系下瞄准点的位置矢量，为地心惯性坐标系下卫星的速度矢量，为地心惯性坐标系下瞄准点的速度矢量，λ为载波波长，R_st为卫星与瞄准点之间的距离。根据上式可以得到所有星历时刻的成像场景中心回波多普勒频率。

3、确定成像中心时刻

寻找成像场景中心目标回波多普勒频率为零的星历时刻，将其确定为成像中心时刻，保证成像过程中回波多普勒中心频率绝对值最小。

4、计算成像中心时刻卫星到成像场景中心目标的斜距

根据成像中心时刻卫星位置坐标和成像场景中心目标位置坐标，计算成像中心时刻卫星到成像场景中心目标的斜距。

5、计算成像中心时刻多普勒调频率

根据计算得到的卫星位置、速度及加速度，以及成像场景中心目标位置，计算成像中心时刻多普勒调频率，由下式计算得到

$f_a=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\[\frac{{(\stackrel{\→}{V_s}-\stackrel{\→}{V_t})}^2}{R_{st}}+\frac{(\stackrel{\→}{A_s}-\stackrel{\→}{A_t})\·(\stackrel{\→}{R_s}-\stackrel{\→}{R_t})}{R_{st}}\]---\left(2\right)$

其中为地心惯性坐标系下卫星的加速度矢量，为地心惯性坐标系下成像场景中心目标的加速度矢量。

6、计算合成孔径时间

根据计算得到的多普勒调频率，和期望的方位向分辨率，计算方位向合成孔径时间，具体如下

$T_s=k_{wa}\frac{V_g}{{\mathrm{\ρ}}_a{f}_a}---\left(3\right)$

其中V_g为零多普勒线扫过地面的速度，k_wa为多普勒信号处理加权扩展因子，ρ_a为求方位向分辨率。

7、计算波束足印地面滑动速度

根据计算得到的合成孔径时间及雷达波束地面投影长度，计算得到波束足印地面滑动速度，具体如下

$V_f=\frac{{\mathrm{\θ}}_a{R}_{st\_m}}{T_s}---\left(4\right)$

其中θ_a为天线方位向波束宽度，R_{st_m}为成像中心时刻卫星与瞄准点之间的距离。

8、计算总成像时间

根据计算得到的波束足印地面滑动速度和期望的方位成像场景范围，计算方位向总成像时间，具体如下

$T_{all}=\frac{{\mathrm{\θ}}_a{R}_{st\_m}+W_a}{V_f}---\left(5\right)$

其中W_a为期望的成像场景长度。

9、确定方位向所有成像时刻地面瞄准点

根据总成像时间、地面波束足印滑动速度、成像场景中心目标位置，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻地面瞄准点。值得注意的是，此处瞄准点坐标计算通过匀速度准则计算得到，需在三个坐标轴上同时计算，得到坐标后将其投影到地面表面，得到准确的瞄准点坐标。

10、布置性能分析采样点

为判断设计的系统性能是否能达到需求，此步骤在成像场景内沿二维方向均匀布置性能分析采样点，用于后续步骤判断成像性能是否达标。采样点沿方位了距离两维平均分布在整个场景，特别是要保证成像区域边缘处充分覆盖。

11、计算成像所需姿态角

根据瞬时星历数据和地面瞄准点，利用矢量法计算瞬时成像所需姿态角。首先根据雷达天线相位中心和地面瞄准点在轨道系下的坐标，计算期望的波束中心指向向量；再根据卫星质心和地心在轨道系下的坐标，计算起始波束指向向量；根据欧拉定理，计算以欧拉轴/角参数式表示的需求姿态，具体如下

其中×为向量积，·为标量积，|·|为向量长度，为起始波束指向向量，为期望波束指向向量。然后再将上述姿态转换到期望的表示形式。

12、计算瞬时回波时间范围

根据瞬时星历数据和雷达天线波束宽度，在STK中确定雷达波束覆盖范围，计算波束覆盖范围内成像点到卫星的斜距范围。根据卫星到场景的斜距范围，计算瞬时回波时间范围。

13、计算瞬时回波多普勒频率范围

根据瞬时星历数据和雷达波束覆盖范围成像点坐标，确定雷达波束覆盖范围内目标回波的多普勒频率变化范围，具体计算方法见式(1)。

14、确定PRF选择范围

根据计算得到的瞬时回波多普勒频率范围，结合给定的需求方位向过采样率，确定系统PRF选择下限，具体如下

PRF_min＝K_aB_as (8)

其中K_a为需求方位向过采样率，B_as为瞬时回波多普勒带宽。再根据系统能力，给定系统PRF选择上限PRF_max。

15、计算发射脉冲干扰位置

在PRF变化范围内，根据给定脉冲宽度和保护时间宽度，逐点计算发射脉冲干扰位置，具体如下

N*PRI-T_rp≤T_inter≤N*PRI+T_p+T_rp (9)

其中PRI为脉冲重复周期，T_p为发射脉冲间隔，T_rp保护间隔时间，N发射接收脉冲延迟数。

16、计算星下点回波干扰位置

在PRF变化范围内，根据给定脉冲宽度、保护时间宽度和此刻星下点高度，逐点计算星下点回波干扰位置，具体如下

$\frac{2H_s}{c}+N*PRI-T_{rp}\≤T_{nadir}\≤\frac{2H_s}{c}+N*PRI+T_p+T_{rp}---\left(10\right)$

其中c为光速，H_s为瞬时星下点高度。

17、选择瞬时PRF值

根据计算得到的瞬时回波时间范围和PRF选择范围，在避开发射脉冲干扰和星下点回波干扰的情况下，按给定的规律选择PRF(取大、取小、取中间)。需要注意相邻时间内PRF值变化尽可能小。

18、确定方位向处理带宽范围

根据计算得到的瞬时多普勒频率变化范围，和给定的方位向处理带宽，确定此刻方位有用的带宽范围，具体如下

f_dc-B_p/2≤f≤f_dc+B_p/2 (11)

其中f_dc为瞬时时刻地面覆盖区域回波信号多普勒中心，B_p为方位向处理带宽。

19、计算性能分析采样点回波多普勒频率

根据此刻卫星瞬时位置和速度参数，以及规划好的性能分析采样点坐标，计算采样点回波的多普勒频率，具体计算方法如式(1)。

20、判断是否在处理带宽范围内

判断上一步计算得到的采样点回波多普勒频率是否在方位向有用的处理带宽范围内，并将判断结果记录下来。

21、统计性能分析采样点照射时间和多普勒调频率

完成方位向上述逐点计算后，统计提前规划好的性能分析采样点的有效成像时间，并根据有效成像时间中心时刻的卫星星历，计算性能分析采样点的多普勒调频率，具体方法如式(2)。

22、计算方位向分辨率评估值

根据上述计算得到的性能分析采样点成像时间和多普勒调频率，计算得到的多普勒带宽，进而得到方位向分辨率评估值，具体如下

${\mathrm{\ρ}}_a=k_{wa}\frac{V_g}{T_s{f}_a}---\left(12\right)$

其中V_g为瞬时时刻零多普勒线扫过地面的速度，k_wa为多普勒信号处理加权扩展因子，T_s为性能分析采样点的有效成像时间。

23、判断是否达到分辨率需求

判断是否所有性能分析采样点方位向分辨率评估值都达到要求，如能达到，向下执行；如不能达到，减慢波束足印滑动速度，重新自步骤7开始执行。此步骤避免了因波束足印地面旋转等因素造成的不完全分辨率区域出现。

24、确定方位向覆盖范围

根据设计得到的所有方位时刻卫星位置和姿态，计算方位向成像覆盖范围。此处可借助STK软件，将上述参数输入虚拟卫星，根据虚拟卫星波束的覆盖范围，得到准确的方位向覆盖范围。

25、判断是否达到覆盖需求

判断是否达到方位向覆盖范围，如不能达到，增加总成像时间，重新自步骤7开始执行。如能达到，这个设计过程结束。此步骤避免了因波束足印地面旋转等因素造成的局部方位向覆盖范围不足的问题，得到满足需求的成像指标。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

实施例：

本部分根据给定的输入系统需求参数，按本发明提出的方法设计一组超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束系统参数，通过分析得到的系统性能，验证本发明方法的有效性。首先根据表1提供的输入参数表，按本发明提出的方法，计算敏捷SAR卫星滑动聚束系统参数，结果见图2-图6，具体结果见表2。

附表1实施例中输入参数表

参数	数值
		轨道长半轴(km)	7078.14
轨道偏心率	0.01
		轨道倾角(°)	98.19
近地点幅角(°)	0
		升交点赤经(°)	0
历元时刻	19Jan 2019 04:00:00.000
		载波波长(m)	0.0311
发射脉冲宽度(μs)	30
		保护时间宽度(μs)	10
PRF选择上限(Hz)	4000
		距离向波束宽度(°)	0.60
方位向波束宽度(°)	0.20
		发射信号带宽(GHz)	1.50
期望场景中心纬度(°)	20.7219
		期望场景中心经度(°)	172.9854
期望分辨率(m)	0.20
		期望方位向成像场景长度(km)	10.00
期望距离向成像场景宽度(km)	12.00

附表2实施例中输出参数表

参数	数值
		成像起始星历时刻	19Jan 2019 04:05:21.640
成像结束星历时刻	19Jan 2019 04:06:17.680
		处理带宽(Hz)	1911.91
PRF变化范围(Hz)	1954.00～2021.60
		需要的横滚角(°)	34.85～35.00
需要的俯仰角(°)	-12.97～13.31
		需要的偏航角(°)	-0.23～2.61
方位向分辨率(m)	0.15～0.19
		距离向分辨率(m)	0.15～0.16
方位向成像长度(km)	12.02～15.78
		距离向成像宽度(km)	10.76

本次仿真试验设计了一组X波段超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式参数，需求分辨率达到0.2m，成像范围达到10km×12km，具体需求指标见表1。根据本发明提出的方法，得到实现该滑动聚束模式所需的姿态角，图2是以轨道系为参考系，312转序下的需求欧拉角。实现上述系统俯仰机动范围为-12.97°～13.31°，达到26.28°；偏航机动次之，在-0.23°～2.61°之间机动，达到2.84°；横滚机动最小，仅机动0.15°。

图3给出了为克服回波信号大距离徙动造成的发射脉冲干扰问题，本系统采用的变PRF设计结果，PRF在1954.00Hz～2021.60Hz之间变化，变化范围达到67.60Hz。为验证设计的滑动聚束模式是否达到需求指标，在成像场景内沿二维方向布置400个性能分析采样点，图4为STK软件中显示的采样点分布结果，可见其均匀分布在整个成像范围内，能充分反映本系统成像性能。图5给出了所得系统的方位向分辨率评估结果，整个成像场景内方位向分辨率变化范围在0.15m～0.19m之间，达到了设计需求。图6给出了所得系统的距离向分辨率评估结果，整个成像场景内距离向分辨率变化范围在0.15m～0.16m之间，也达到了设计需求。最后在STK软件中测量了成像场景的宽度和长度，宽度为10.76km，超过设计需求的10km，长度在12.02km～15.78km之间变化(由波束旋转造成)，均满足设计需求的12km。本次试验根据输入参数和本发明提出的方法成功设计了一组超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式参数，达到的需求指标，试验结果证明了本发明提出方法的有效性。

一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其主要步骤，分别为确定卫星轨道和成像场景中心位置、计算不同星历时刻成像场景中心目标回波多普勒频率、确定成像中心时刻、计算成像中心时刻卫星到成像场景中心目标的斜距、计算成像中心时刻多普勒调频率、计算合成孔径时间、计算波束足印地面滑动速度、计算总成像时间、确定方位向所有成像时刻地面瞄准点、布置性能分析采样点、计算成像所需姿态角、计算瞬时回波时间范围、计算瞬时回波多普勒频率范围、确定PRF选择范围、计算发射脉冲干扰位置、计算星下点回波干扰位置、选择瞬时PRF值、确定方位向处理带宽范围、计算性能分析采样点回波多普勒频率、判断是否在处理带宽范围内、统计性能分析采样点照射时间和多普勒调频率、计算方位向分辨率、判断是否达到分辨率需求、确定方位向覆盖范围、判断是否达到覆盖需求。

步骤7-步骤9根据计算得到的成像中心时刻合成孔径时间及雷达波束地面投影长度，计算得到波束足印地面滑动速度。并按匀波束足印地面滑动速度的准则，设计整个成像时间内所有时刻的地面瞄准点。

步骤12-步骤17沿方位向时刻逐点计算瞬时回波时间范围、回波多普勒频率范围，确定PRF选择范围，计算发射脉冲干扰和星下点回波干扰，选择瞬时的PRF。通过变PRF的方式克服超高分辨率滑动聚束模式回波信号大距离徙动造成的发射脉冲干扰问题。

步骤18-步骤22沿方位向时刻逐点计算成像点回波多普勒频率和有效的处理带宽，通过判断成像点回波是否落在有效处理带宽内，判定此时刻是否为该成像点的有效积分时间，最后统计所有成像时刻，得到该成像点的有效成像时间，并依此时间计算得到方位向分辨率评估值。

步骤23判断提前设定好的性能分析采样点方位向分辨率评估值是否达到设计要求，如未达到要求，则减慢波束足印滑动速度，直到分辨率满足需求。本步骤排除了由于波束足印旋转导致的不完全分辨率成像区域出现的可能。

Claims (10)

1.超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置以及确定SAR卫星的位置、速度和加速度；

根据SAR卫星成像任务需求，确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置，根据SAR卫星的轨道参数，确定不同星历时刻的SAR卫星位置、速度和加速度；

(2)计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标的回波多普勒频率；

根据步骤(1)中得到的SAR卫星位置、速度和加速度，以及成像场景中心位置的坐标，计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标回波多普勒频率f_dc；

(3)确定成像中心时刻；

寻找步骤(2)中得到的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率为零的星历时刻，将其确定为SAR卫星成像中心时刻；

(4)计算步骤(3)中SAR卫星成像中心时刻，卫星到位于成像场景中心目标的斜距；

根据成像中心时刻卫星位置坐标和位于成像场景中心目标位置坐标，计算成像中心时刻卫星到位于成像场景中心目标的斜距；

(5)计算成像中心时刻多普勒调频率；

根据步骤(1)得到的卫星位置、速度及加速度，以及成像场景中心位置，计算成像中心时刻位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率f_a；

(6)计算合成孔径时间；

根据步骤(5)计算得到的位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率，和期望的方位向分辨率，计算方位向合成孔径时间T_s；

(7)计算SAR卫星波束足印地面滑动速度；

根据步骤(6)计算得到的合成孔径时间T_s及SAR卫星波束地面投影长度，计算得到波束足印地面滑动速度V_f；

(8)计算总成像时间；

根据步骤(7)计算得到的波束足印地面滑动速度和期望的SAR卫星方位成像场景范围，计算SAR卫星方位向总成像时间T_all；

(9)确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点；

根据步骤(3)得到的中心时刻、步骤(8)得到的总成像时间、步骤(7)得到的地面波束足印滑动速度、步骤(1)确定的成像场景中心位置，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点；

(10)布置性能分析采样点；

在成像场景内沿二维方向均匀布置性能分析采样点；

(11)计算成像所需卫星姿态；

根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(9)得到的方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点，计算卫星所有成像时刻瞬时成像所需姿态；

首先根据SAR卫星和地面瞄准点在轨道系下的坐标，计算期望的波束指向向量；再根据SAR卫星和地球中心在轨道系下的坐标，计算起始波束指向向量；得到卫星所有成像时刻瞬时成像所需卫星姿态如式(6)和(7)所示：

$\stackrel{\→}{e}=\frac{\stackrel{\→}{V_{SL}}\×\stackrel{\→}{V_{ST}}}{|\stackrel{\→}{V_{SL}}\×\stackrel{\→}{V_{ST}}|}---\left(6\right)$

$\mathrm{\Φ}=\arccos \left(\frac{\stackrel{\→}{V_{SL}}\·\stackrel{\→}{V_{ST}}}{\left|\stackrel{\→}{V_{SL}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{V_{ST}}\right|}\right)---\left(7\right)$

其中，×为向量积，·为标量积，为欧拉轴，Φ为欧拉角，为起始波束指向向量的向量长度，为起始波束指向向量，为期望波束指向向量的向量长度；为期望波束指向向量；然后再将上述姿态转换到期望的表示形式，如期望的形式为任意转序的欧拉角或四元数；

(12)计算瞬时回波时间范围；

根据步骤(1)中得到的卫星位置以及已知的卫星的天线波束宽度，确定卫星波束覆盖范围；计算卫星到卫星波束覆盖范围内各个点的斜距，再根据得到的各个点的斜距变化范围，计算瞬时回波时间范围；

(13)计算瞬时回波多普勒频率范围；

根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(12)得到的卫星波束覆盖范围，计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标瞬时回波的多普勒频率，最终确定卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；所述的计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标回波的多普勒频率的计算方法同步骤(2)，其不同点在于步骤(2)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标位于卫星波束覆盖范围内各个点；

(14)确定PRF选择范围；

根据步骤(13)计算得到的卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围，确定SAR卫星脉冲重复频率选择下限PRF_min，根据SAR卫星能力即SAR卫星的脉冲重复频率的最高值，给定SAR卫星脉冲重复频率选择上限PRF_max；所述的SAR卫星脉冲重复频率选择下限的确定方法如式(8)所示：

PRF_min＝K_aB_as (8)

其中K_a为需求方位向过采样率，B_as为卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；

所述的SAR卫星脉冲重复频率选择上限PRF_max不高于SAR卫星的脉冲重复频率的最高值；

(15)计算发射脉冲干扰时间；

在SAR卫星脉冲重复频率变化范围内，根据给定SAR卫星发射脉冲宽度和保护时间宽度，逐点计算发射脉冲干扰时间T_inter，计算方法如式(9)所示：N*PRI-T_rp≤T_inter≤N*PRI+T_p+T_rp (9)

其中，PRI为脉冲重复周期即为PRF的倒数，T_p为发射脉冲宽度，T_rp保护时间宽度，N为发射接收脉冲延迟数；

(16)计算星下点回波干扰时间；

在SAR卫星脉冲重复频率变化范围内，根据SAR卫星发射脉冲宽度、保护时间宽度和瞬时星下点高度，逐点计算星下点回波干扰时间T_nadir；

(17)选择瞬时PRF值；

根据步骤(12)计算得到的瞬时回波时间范围和步骤(14)确定的PRF选择范围，在避开步骤(15)中发射脉冲干扰时间和步骤(16)中星下点回波干扰时间的情况下，按照需求选择合适的瞬时PRF值；

(18)确定方位向处理带宽范围；

根据步骤(13)计算得到的瞬时多普勒频率变化范围，和给定的方位向处理带宽，确定瞬时方位有用的带宽f范围；

(19)计算性能分析采样点回波多普勒频率；

根据卫星瞬时位置和瞬时速度，以及步骤(10)布置好的性能分析采样点坐标，计算采样点回波的多普勒频率，所述的采样点回波的多普勒频率的计算方法同步骤(2)，其不同点在于步骤(2)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标为采样点；

(20)判断是否在处理带宽范围内；

判断步骤(19)计算的采样点的回波多普勒频率是否在步骤(18)确定的方位向处理带宽范围内，并将判断结果进行记录；

上面步骤(11)-步骤(20)计算的均为某一时刻的卫星的各个相应的参数，采用相同的方法计算步骤(8)中总成像时间内所有时刻的卫星的各个相应的参数；

(21)统计性能分析采样点照射时间和性能分析采样点多普勒调频率；

统计性能分析采样点的有效成像时间和性能分析采样点的多普勒调频率；所述的性能分析采样点的多普勒调频率的计算方法同步骤(5)，其不同点在于步骤(5)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标为性能分析采样点；

(22)计算方位向分辨率；

根据步骤(21)得到的性能分析采样点照射时间和和性能分析采样点多普勒调频率，获得性能分析采样点的方位向分辨率ρ_a；

(23)判断是否达到分辨率需求；

判断步骤(22)得到的所有性能分析采样点的方位向分辨率是否都达到设定的要求值，如能达到，进入步骤(24)；如不能达到，减慢波束足印滑动速度，重新自步骤(7)开始执行，即将步骤(7)中计算得到的波束足印地面滑动速度V_f减去一个给定值代替步骤(7)中计算得到的V_f，然后进入步骤(8)，直到性能分析采样点的方位向分辨率小于等于设定的要求值；

(24)确定方位向覆盖范围；

根据步骤(1)得到的卫星位置和步骤(11)得到的卫星姿态，获取方位向成像覆盖范围；

(25)判断是否达到覆盖需求；

判断步骤(24)得到的卫星方位向覆盖范围是否达到设定的方位向覆盖范围，如能达到，则超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计符合要求；如不能达到，增加总成像时间，重新自步骤(8)开始执行，即将步骤(8)中计算得到的总成像时间T_all加上一个给定值代替步骤(8)中计算得到的T_all，然后进入步骤(9)；直至卫星方位向覆盖范围大于等于设定的方位向覆盖范围；

(26)利用得到的SAR卫星参数，指导SAR卫星系统设计；

在步骤(6)得到的成像时间内，利用步骤(11)得到的需求姿态参数和步骤(17)得到的PRF值，指导敏捷SAR卫星控制分系统和载荷分系统工作模式设计，实现满足需求的高分辨率成像。

2.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，多普勒频率f_dc的计算方法如式(1)所示：

$f_{dc}=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\frac{(\stackrel{\→}{R_s}-\stackrel{\→}{R_t})\·(\stackrel{\→}{V_s}-\stackrel{\→}{V_t})}{R_{st}}---\left(1\right)$

其中，为地心惯性坐标系下卫星的位置矢量，为地心惯性坐标系下成像场景中心的位置矢量，为地心惯性坐标系下卫星的速度矢量，为地心惯性坐标系下位于成像场景中心的目标的速度矢量，λ为载波波长，R_st为卫星与位于成像场景中心的目标之间的距离；根据上式可以得到所有星历时刻的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率。

3.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，回波多普勒调频率f_a，计算方法如式(2)所示：

$f_a=-\frac{2}{\mathrm{\λ}}\[\frac{{(\stackrel{\→}{V_s}-\stackrel{\→}{V_t})}^2}{R_{st}}+\frac{(\stackrel{\→}{A_s}-\stackrel{\→}{A_t})\·(\stackrel{\→}{R_s}-\stackrel{\→}{R_t})}{R_{st}}\]---\left(2\right)$

其中，为地心惯性坐标系下卫星的加速度矢量，为地心惯性坐标系下成像场景中心目标的加速度矢量。

4.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，方位向合成孔径时间T_s，计算方法如式(3)所示：

$T_s=k_{wa}\frac{V_g}{{\mathrm{\ρ}}_a{f}_a}---\left(3\right)$

其中，V_g为零多普勒线扫过地面的速度，k_wa为多普勒信号处理加权扩展因子，ρ_a为期望的方位向分辨率。

5.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(7)中，波束足印地面滑动速度V_f，计算方法如式(4)所示：

$V_f=\frac{{\mathrm{\θ}}_a{R}_{st\_m}}{T_s}---\left(4\right)$

其中，θ_a为SAR卫星天线方位向波束宽度，R_{st_m}为步骤(4)中得到的斜距。

6.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(8)中，SAR卫星方位向总成像时间T_all，计算方法如式(5)所示：

$T_{all}=\frac{{\mathrm{\θ}}_a{R}_{st\_m}+W_a}{V_f}---\left(5\right)$

其中，W_a为期望的SAR卫星方位成像场景的长度。

7.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(16)中，回波干扰时间T_nadir的计算方法如式(10)所示：

$\frac{2H_s}{c}+N*PRI-T_{rp}\≤T_{nadir}\≤\frac{2H_s}{c}+N*PRI+T_p+T_{rp}---\left(10\right)$

其中，c为光速，H_s为瞬时星下点高度。

8.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(18)中，带宽f范围的确定方法如式(11)所示：

f_dc-B_p/2≤f≤f_dc+B_p/2 (11)

其中f_dc为瞬时多普勒频率变化范围的中间值，B_p为方位向处理带宽。

9.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(22)中，方位向分辨率的获得方法如式(12)所示：

${\mathrm{\ρ}}_a=k_{wa}\frac{V_g}{T_s{f}_a}---\left(12\right)$

其中，V_g为零多普勒线扫过地面的速度，k_wa为多普勒信号处理加权扩展因子，T_s为性能分析采样点的有效成像时间。

10.根据权利要求1所述的超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于：所述的步骤(24)中，方位向成像覆盖范围的获取方法为：将步骤(1)得到的卫星位置和步骤(11)得到的卫星姿态输入到虚拟卫星中，根据虚拟卫星波束的覆盖范围，得到准确的卫星方位向覆盖范围。