CN106932776A - 一种基于导航卫星多基地合成孔径雷达大场景成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种导航卫星多基地合成孔径雷达系统的大场景成像方法，在数据采集时间段内选择不同场景方向的最佳成像导航卫星，充分利用了卫星导航系统的丰富时空资源，与放置在近地面的接收系统构成多基地合成孔径雷达系统，成像场景范围扩大一倍以上，实现了以地面接收平台为中心的不同场景方向分辨性能差异较小并且分辨率较高大场景成像，具有成本低，部署灵活的突出优点，对地面遥感成像具有重要意义。

Description

一种基于导航卫星多基地合成孔径雷达大场景成像方法

技术领域

本发明属于多基地合成孔径雷达领域，尤其涉及一种基于导航卫星多基地合成孔径雷达大场景成像方法。

背景技术

基于全球卫星导航系统的双基地合成孔径雷达(Global Navigation SatelliteSyetem-Bistatic SAR，GNSS-BiSAR)系统利用在轨的导航卫星作为发射机，将接收机放置在近地面(地面静止，车载等)构成双基地合成孔径雷达系统，具有高数据率、低成本和易于部署等突出特点。国外对GNSS-BiSAR系统的研究起步时间很早。2002年，英国伯明翰大学首先提出了GNSS-BiSAR系统概念，并设计实验利用GLONASS卫星获取了第1幅遥感成像结果。之后，这一系统快速发展起来。国内外许多科研单位致力于系统构型、信号同步和成像算法等方面的理论与实验研究。北京理工大学开展了GPS和北斗卫星的理论研究和成像实验，其成果都展示了GNSS-BiSAR系统的可行性和成像能力。

GNSS-BiSAR系统的突出优势包括以下几个方面。首先，有GPS、GLONASS、Galilio和北斗多个卫星导航系统可供选择，可以提供丰富的空时资源，为实现全球的空间和时间上的连续覆盖提供可能；其次，设计卫星导航系统时是考虑到至少有4～8颗卫星可以多角度照射地球上的同一点，该特点可以使GNSS-BiSAR系统实现对特定区域的同时多角度成像，从而得到更多的目标信息。但是，由于设计时并没有考虑会作为雷达系统的发射机，导航信号发射功率很低，所以该系统的突出特点是回波的低信噪比，目前获得的成像结果范围均小于0.8km*0.8km，限制了导航卫星双基地合成孔径雷达系统在地面成像应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种导航卫星多基地合成孔径雷达系统的大场景成像方法，在数据采集时间段内选择不同场景方向的最佳成像导航卫星，充分利用了卫星导航系统的丰富时空资源，与放置在近地面的接收系统构成多基地合成孔径雷达系统，成像场景范围扩大一倍以上，实现了以地面接收平台为中心的不同场景方向分辨性能差异较小并且分辨率较高大场景成像，具有成本低，部署灵活的突出优点，对地面遥感成像具有重要意义。

一种基于导航卫星多基地合成孔径雷达大场景成像方法，包括以下步骤：

步骤1：采用一个导航全向天线(1)和M个喇叭天线(2)对周围场景进行探测，其中每个场景方向至少配置一个喇叭天线(2)；其中M至少为4；

步骤2：系统构型设计，包括场景方向及其最佳成像的导航卫星、以及对应接收天线的组合选择，具体为：

步骤21：在地距平面，建立扩展的距离向分辨率ρ_r(θ,r,N；M)、距离向分辨率方向与方位向分辨率方向之间的夹角模型：

其中，θ为成像目标的参数方位角，r为目标到接收天线的距离，c为光速，B表示导航信号中伪随机码的码速率，β(θ,r,N；M)为双基地角，Θ(θ,r,N；M)是二等分双基地角方向的单位矢量，Ω_r(θ,r,N；M)表示距离向分辨率ρ_r(θ,r,N；M)在地距平面的单位方向矢量，Ω_a(θ,r,N；M)为方位向分辨率在地距平面的单位方向矢量，上标T为矩阵转置操作；矢量N表示各个场景方向，具体的：

N＝{N_i，i＝1，2，···，j)

其中N_i表示第i个场景方向，j表示场景方向的数量；矢量M表示场景方向对应的最佳成像的导航卫星，具体的：

M＝{Mi，i＝1，2，···，j}

其中M_i表示第i个场景方向对应的最佳成像的导航卫星；

步骤22：对于场景方向N_i，在选定的时间段下，遍历所有导航卫星，并在不同的导航卫星成像情况下，计算场景方向N_i中相隔设定距离的一系列位置处的距离向分辨率ρ_r(θ,r,N_i；M)，并计算在场景方向N_i下，距离向分辨率方向与方位向分辨率方向之间的夹角则有

其中S(N_i；M)为中间变量；

步骤23：计算场景方向N_i的一系列位置处的中间变量S(N_i；M)的平均值并比较其大小；对于使得平均值最小的导航卫星，则为在场景方向N_i成像时对应的最佳成像的导航卫星M_i；

步骤24：遍历所有的场景方向，获得各个场景方向及其对应最佳成像的导航卫星组合对；

步骤3：根据步骤2获得的场景方向及其对应最佳成像的导航卫星组合对，对任意场景方向N_i选择其对应最佳成像的导航卫星M_i进行成像，并对成像结果进行预处理，其中预处理包括捕获跟踪直达波数据、将直达波数据与场景回波信号进行同步处理、以及利用本地参考信号对场景回波信号进行距离向脉冲压缩操作；

步骤4：将各个场景方向划分为相互间大小不同的网格，且网格小于各个场景方向对应的最佳成像的导航卫星的分辨率大小；然后采用时域反向投影算法，将步骤3获得的进行距离向脉冲压缩操作后的场景回波信号与对应的相位补偿因子相乘，得到单个场景方向下1个脉冲重复时间的成像结果；遍历所有场景方向，并将各个场景方向的所有脉冲重复时间的成像结果进行叠加，实现合成孔径下360°大场景成像。

一种导航卫星多基地合成孔径雷达大场景成像方法，导航全向天线(1)安装在支撑支架(3)顶部，喇叭天线(2)安装在支撑支架(3)中部。

有益效果：

本发明大场景成像中，选择在轨的导航卫星作为发射机，从分辨性能出发优化设计系统构型，同时利用多个喇叭天线接收来自多颗导航卫星在特定场景方向的回波信号，而且喇叭天线分别朝向各个场景方向，实现周围场景360°覆盖；

本发明在大场景成像中反投成像划分网格时，需要在场景方向中划分大小不同的网格，且网格大小略小于各个场景方向对应的最佳成像的导航卫星的分辨率大小；然而目前针对单个场景方向成像时，场景方向范围内网格大小均相同，因此本发明能够避免统一划分网格造成某些场景方向上分辨性能的损失或是成像处理耗时的增加，实现以接收天线为中心的不同场景方向分辨性能差异较小并且分辨率较高的360°大场景成像，对扩展导航卫星多基地SAR应用潜力具有重要意义。

附图说明

图1为本发明接收天线安装示意图；

图2为本发明导航卫星多基地合成孔径雷达系统拓扑结构；

图3为本发明地距平面距离向与方位向分辨率示意图；

图4为本发明反投成像网格划分示意图；

1-导航全向天线，2-喇叭天线，3-支撑支架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细叙述。

步骤1：搭建系统平台；其中系统平台包括：支撑支架3、位于支撑结构顶部的导航全向天线1，增益低波束宽，可实现所有可见导航卫星直达波信号的接收；朝向各个场景方向的M个喇叭天线2，位于支撑结构的中部，增益高波束主瓣窄，可实现对应场景回波的接收。接收天线安装如图1所示，所有天线通过定制的支架提供支撑；其中M至少为4。

利用多个喇叭天线2完成对天线周围场景360°覆盖后，虽然在每个场景方向都有多颗导航卫星可用于GNSS-BiSAR成像，但图像分辨性能与成像导航卫星运行状态密切相关，并且正因为在不同场景方向下可能会选择不同的成像导航卫星，所以应在传统反向投影成像算法的基础上作出改进。

因此，本发明对基于导航卫星多基地合成孔径雷达系统构型和成像算法作出设计，以获得质量较高、视觉效果良好的GNSS-BiSAR大场景成像结果；

步骤2：系统构型设计，包括场景方向及其最佳成像的导航卫星、以及对应接收天线的组合选择；

在选定接收天线位置后，需要确定各个场景方向应该选择的成像导航卫星，以便获得视觉效果良好的成像结果。在指定时间段下，每个场景方向选择成像效果最优的导航卫星与对应接收天线组成合成孔径雷达系统，系统拓扑结构如图2所示，下面详细说明如何根据场景方向选择对应成像导航卫星。

步骤21：在地距平面，导航卫星双基地合成孔径雷达系统的距离向分辨率和方位向分辨率可以近似表达为：

其中c为光速，B表示导航信号中伪随机码的码速率，β为双基地角，λ表示导航信号的波长，ω_E表示导航卫星等效角速度，T_S为合成孔径时间；Θ是二等分双基地角方向的单位矢量，Ω_r和Ω_a分别表示距离向分辨率ρ_r和方位向分辨率ρ_a在地距平面的单位方向矢量，Ξ表示导航卫星等效运动方向，T为矩阵转置操作。如图3定义距离向分辨率方向和方位向分辨率方向之间的夹角为

从(3)式可以看出，通过增加合成孔径时间T_S可以有效提高方位向分辨率ρ_a，因此基于导航卫星双基地合成孔径雷达系统的分辨性能主要取决于系统的距离向分辨率ρ_r及角度而这两个因素与具体系统构型密切相关；下面针对基于导航卫星多站双基地合成孔径雷达系统，建立扩展的距离向分辨率ρ_r(θ,r,N；M)和角度模型如下：

其中通过成像目标的参数方位角θ和目标到接收天线的距离r来描述目标的位置信息。为了使整个大场景中各方向的分辨性能较优，需要在每个场景方向成像时选择特定的导航卫星。可以用矢量N来区别各个场景方向，

N＝{N_i，i＝1，2，···，j}

其中N_i表示第i个场景方向，j表示选择的场景方向数量，其中i、j至少为1，并用矢量M表示对应场景方向上选择的导航卫星，其中：

M＝{Mi，i＝1，2，···，j}

步骤22：对于场景方向N_i，在选定的时间段下，遍历所有导航卫星，并在不同的导航卫星成像情况下，计算场景方向N_i中相隔设定距离的一系列位置处的距离向分辨率ρ_r(θ,r,N_i；M)，并由距离向分辨率方向Θ(θ,r,N_i；M)和方位向分辨率方向Ξ(θ,r,N_i；M)得到二者夹角有

其中S(N_i；M)为中间变量；

步骤23：计算场景方向N_i的一系列位置处的中间变量S(N_i；M)的平均值并比较其大小；对于使得平均值最小的导航卫星，即为在场景方向N_i成像时最应选择的导航卫星M_i；

步骤24：遍历所有的场景方向，会获得各个场景方向及其对应最佳成像的成像导航卫星组合对；

列出多星大场景成像下系统拓扑结构的优化模型如(4)式：

此时，各个场景方向与对应的最佳成像卫星已经配对组合完成；

步骤3：根据步骤2获得的场景方向及其对应最佳成像的导航卫星组合对，对任意场景方向N_i选择其对应最佳成像的导航卫星M_i进行成像，并对成像结果进行预处理，其中预处理包括捕获跟踪直达波数据、将直达波数据与回波信号进行同步处理、以及利用本地参考信号对场景回波信号进行距离向脉冲压缩操作；

场景回波信号模型为：

其中i用来表示场景方向，在导航卫星双基地合成孔径雷达系统中，距离向分辨率依赖导航卫星发射的有一定带宽的信号，而导航卫星不断运动相对成像场景形成孔径，对应方位向分辨能力，因此，为了实现较好的大场景成像效果，一般至少需要接收4个方向的场景回波，即取i∈[1,2,3,4]；η_n对应慢时间轴，τ对应快时间轴，x和y表示成像场景中目标点的坐标，σ(x,y)表示对应各点的散射系数，f₀表示导航信号载波频率，C_i(τ-τ(η_n；x,y))表示导航卫星信号中的测距码，τ(η_n；x,y)对应双站距离和引入的信号传播时延，可以表示为，

其中R_T(η_n；x,y)表示位于(x,y)处目标在慢时间η_n下与成像导航卫星之间的距离，R_R(η_n；x,y)表示位于(x,y)处目标在慢时间η_n下与接收天线之间的距离。

利用本地参考信号对场景回波信号做距离向脉冲压缩得到

其中ψ_i(t-τ(η_n；x,y))表示C/A码的自相关结果。

步骤4：实现以接收天线位置为中心的大场景成像；

成像时采用时域反向投影算法，首先将场景回波信号脉冲压缩结果与对应的相位补偿因子相乘，得到单个场景方向下1个PRT的成像结果，即

I(x′,y′；η_n)＝S_rc(η_n,τ(η_n；x,y))·exp(j2πf₀τ(η_n；x′,y′)) (8)

其中x′和y′表示各个成像网格的坐标，那么最终得到的合成孔径下360°大场景成像结果可以表示为：

在大场景成像中，部署有多个朝向不同场景方向的喇叭天线2，可以接收到不同场景方向的导航信号反射信号。在反投成像划分网格时，网格大小应该略小于选中卫星在该场景区域的分辨率大小。目前针对单个场景方向成像时，场景范围内网格大小均相同。但在大场景成像中，需要在各个方向的场景区域中划分大小不同的网格，避免统一划分网格造成某些场景方向上分辨性能的损失或是成像处理耗时的增加。

当部署4个喇叭天线2分别朝向西北、西南、东南和东北方向时，如图4对应的地面网格划分示意图，则大场景成像结果可以展开表示为(10)式，

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于导航卫星多基地合成孔径雷达大场景成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用一个导航全向天线(1)和M个喇叭天线(2)对周围场景进行探测，其中每个场景方向至少配置一个喇叭天线(2)；其中M至少为4；

步骤2：系统构型设计，包括场景方向及其最佳成像的导航卫星、以及对应接收天线的组合选择，具体为：

步骤21：在地距平面，建立扩展的距离向分辨率ρ_r(θ,r,N；M)、距离向分辨率方向与方位向分辨率方向之间的夹角模型：

其中，θ为成像目标的参数方位角，r为目标到接收天线的距离，c为光速，B表示导航信号中伪随机码的码速率，β(θ,r,N；M)为双基地角，Θ(θ,r,N；M)是二等分双基地角方向的单位矢量，Ω_r(θ,r,N；M)表示距离向分辨率ρ_r(θ,r,N；M)在地距平面的单位方向矢量，Ω_a(θ,r,N；M)为方位向分辨率在地距平面的单位方向矢量，上标T为矩阵转置操作；矢量N表示各个场景方向，具体的：

N＝{N_i,i＝1,2,…,j}

其中N_i表示第i个场景方向，j表示场景方向的数量；矢量M表示场景方向对应的最佳成像的导航卫星，具体的：

M＝{M_i,i＝1,2,…,j}

其中M_i表示第i个场景方向对应的最佳成像的导航卫星；

步骤22：对于场景方向N_i，在选定的时间段下，遍历所有导航卫星，并在不同的导航卫星成像情况下，计算场景方向N_i中相隔设定距离的一系列位置处的距离向分辨率ρ_r(θ,r,N_i；M)，并计算在场景方向N_i下，距离向分辨率方向与方位向分辨率方向之间的夹角则有

其中S(N_i；M)为中间变量；

步骤23：计算场景方向N_i的一系列位置处的中间变量S(N_i；M)的平均值并比较其大小；对于使得平均值最小的导航卫星，则为在场景方向N_i成像时对应的最佳成像的导航卫星M_i；

步骤24：遍历所有的场景方向，获得各个场景方向及其对应最佳成像的导航卫星组合对；

步骤3：根据步骤2获得的场景方向及其对应最佳成像的导航卫星组合对，对任意场景方向N_i选择其对应最佳成像的导航卫星M_i进行成像，并对成像结果进行预处理，其中预处理包括捕获跟踪直达波数据、将直达波数据与场景回波信号进行同步处理、以及利用本地参考信号对场景回波信号进行距离向脉冲压缩操作；

步骤4：将各个场景方向划分为相互间大小不同的网格，且网格小于各个场景方向对应的最佳成像的导航卫星的分辨率大小；然后采用时域反向投影算法，将步骤3获得的进行距离向脉冲压缩操作后的场景回波信号与对应的相位补偿因子相乘，得到单个场景方向下1个脉冲重复时间的成像结果；遍历所有场景方向，并将各个场景方向的所有脉冲重复时间的成像结果进行叠加，实现合成孔径下360°大场景成像。

2.如权利要求1所述的一种导航卫星多基地合成孔径雷达大场景成像方法，其特征在于，导航全向天线(1)安装在支撑支架(3)顶部，喇叭天线(2)安装在支撑支架(3)中部。