CN107422321B - 微波凝视关联成像对地观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，包括：通过静轨卫星平台中的收发一体式微波凝视关联成像系统，进行一次微波凝视关联成像，得到观测区域大范围低分辨成像结果，并确定重点目标区域；利用基于静轨卫星平台和浮空器平台进行同步接收的广域收发分置与任务协同的二次微波凝视关联成像，最终得到重点目标区域的高分辨成像结果。该方法可以实现全天时、全天候、大范围、低分辨观测普查与小范围热点区域重点目标的高分辨微波凝视成像，适用于军事战场侦查、抗震救灾等对地遥感应用场景。

Description

微波凝视关联成像对地观测方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法。

背景技术

雷达成像(Radar Imaging)技术是雷达发展史上的一个飞跃，其拓展了雷达最初的检测(Detection)和测距(Ranging)的功能，使得雷达能利用获取的电磁散射信息，获得对场景的全景雷达图像。

合成孔径雷达(SAR)虽然具有较高的方位向分辨率，但其重访周期长，在需要长时间连续凝视观测和成像的场景下，存在不可避免的先天劣势。传统的实孔径雷达凝视成像，其角度分辨率受实际天线阵列孔径限制，限制了其在实际中的应用。

微波凝视关联成像因为具有超越实孔径雷达成像分辨率极限以及快速成像的优点，在最近几年取得了较快的发展。该成像方法的核心是构造一个具有时空两维随机特性的辐射场照射目标区域，使位于不同位置的目标散射独立的时变的回波，最后对回波和预置的辐射场进行关联处理得到反演图像。

静轨卫星轨道周期和地球自转周期相同，所以静轨卫星平台恰好可以满足微波凝视关联成像凝视的特点，可以对地球表面大范围区域进行监测。但由于其轨道高度较高，实孔径雷达分辨率跟成像距离成正比，在如此远的成像距离下，需要非常大的天线口径，卫星平台难以实现。且成像区域边长一般在百公里量级，若要进行高分辨成像，区域分辨单元非常多，单次成像所需脉冲数相应地需要很多，必然导致成像所需时间较长，所以静轨卫星成像很难在动态监测的同时达到高分辨成像的要求。但对于一些应用场景，如灾情监测、战场监视等，需要在对大范围区域动态监视的基础上，发现区域内的重点目标并对其进行高分辨成像，以确定重点目标及其周边区域具体情况。如何实现上述目的是一个尚未解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，以静轨卫星平台一次微波凝视关联成像为基础，利用静轨卫星平台随机辐射和浮空器平台接收构成的二次微波关联成像过程，实现对重点目标的高分辨成像。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

(与权利要求相对应)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，首先通过静轨卫星平台收发一体式一次微波凝视关联成像过程，得到对地遥感、大范围、低分辨率快速普查成像结果，并确定重点目标区域；其次利用静轨卫星平台随机辐射和浮空器平台同步接收的广域收发分置、任务协同式的二次微波凝视关联成像过程，得到重点目标的高分辨成像；实现了全天时、全天候、大范围、低分辨观测普查与小范围热点区域重点目标的高分辨微波凝视成像，适用于军事战场侦查、抗震救灾等对地遥感应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法成像场景示意图；

图3为本发明实施例提供基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法大范围的观测区域S_h成像仿真结果图；

图4为本发明实施例提供基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法小范围的重点目标区域S_l成像仿真结果图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其包含二次关联成像的过程；如图1所示，首先，通过静轨卫星平台中的收发一体式微波凝视关联成像系统，进行一次微波凝视关联成像，得到观测区域大范围低分辨成像结果，并确定重点目标区域；然后，基于利用静轨卫星平台随机辐射和浮空器平台同步接收的广域收发分置与任务协同的二次微波凝视关联成像，最终得到重点目标区域的高分辨成像结果。通过上述方案，可以实现全天时、全天候、大范围、低分辨观测普查与小范围热点区域重点目标的高分辨微波凝视成像，适用于军事战场侦查、抗震救灾等对地遥感应用场景。

为了便于理解，下面针对本发明做进一步说明。

本发明实施例中，静轨卫星平台高度约为35768km，其所述静轨卫星平台中载有收发一体式微波凝视关联成像系统；收发一体式微波凝视关联成像系统中，N个位于

的高增益的天线单元可以均匀或也可以非均匀分布组成展开式大口径的星载天线阵列，i＝1...N；星载接收机天线位于星载天线阵列的中心

处；所有天线单元同步发射的随机信号表示为：

其中，f_ik为第i个辐射天线单元的第k个脉冲的发射频率，在带宽B范围内随机选择，辐射单元之间满足正交跳频图案，K为发射脉冲总个数，τ为脉冲持续时间，T_p为脉冲间隔，t为时刻。

本发明实施例中，还将星载天线阵列波束内斜下视方向的观测区域S_h划分J个低分辨的粗网格，J＝P×Q；P为方位向分辨单元数，Q为距离向分辨单元数，第j个网格中心位置记为

其目标后向散射系数为

j＝1,2,3····J，则在观测区域S_h形成的入射随机辐射场

表示为：

其中，c＝3×10⁸m/s，入射随机辐射场

与观测区域S_h内的目标相互作用，由星载天线阵列所接收的散射回波表示：

其中考虑到包含到达接收机的双程自由空间传播，定义修正的随机辐射场

为：

经过时间域与空间域离散化操作，散射回波方程表示为如下矩阵形式：

矩阵矢量形式如下：

上式中，等号左侧为散射回波的矩阵矢量形式，等号右侧分别为随机辐射场、目标后向散射系数的矩阵矢量形式。

利用随机辐射场和同步接收的散射回波，通过时、空关联成像处理，获得观测区域大范围低分辨成像结果，其关联成像过程表示为：

其中，

为关联成像算法的算符，对于一次关联成像，直接一阶场强关联算法、伪逆算法、正交匹配追踪OMP算法或者稀疏贝叶斯学习SBL算法实现。

通过对得到的观测区域S_h大范围低分辨成像结果进行分析，确定重点目标图像信息及重点目标区域S_l的空间位置，区域一般为几到几十千米，

分析过程如下：利用预设的重点目标图样与观测区域S_h大范围低分辨成像结果进行比对，在发现类似目标之后，以类似目标为中心，将能够包含整个重点目标图样的区域设定为重点目标区域S_l；

并且，对重点目标区域进行M个精细的二次网格划分，M＝U×V，U为方位向分辨单元数，V为距离向分辨单元数，第m个网格中心的位置记为

其目标后向散射系数记为

本发明实施例中，利用浮空器平台和静轨卫星平台共同构成广域收发分置及任务协同式的二次关联成像系统，以获得重点目标区域的高分辨图像。

浮空器平台选用包括但不限于高空气球和热气飞艇等，位于临近空间，高度约为10-50km，设有同步接收机系统，采用静默接收方式，提高其安全性，窄波束天线位于

处，接收来自重点目标区域的散射回波信号。

本发明实施例中，建立静轨卫星平台与浮空器平台之间的广域星地微波或者激光通信链路，两平台的时间基准与频率基准模块利用时、频校准技术，实现收、发系统之间广域、高精度时频同步，进而实现统一系统时钟和精确同步控制，同时，在静轨卫星总控中心模块的控制下，实现两平台之间的数据传输、指令交互和任务协同；

在交互式信令的控制下，静轨卫星平台发送给浮空器平台包括星载天线阵列随机信号参数、星载天线阵列空间构型参数、已获得的重点目标区域的低分辨图像及其空间位置与区域范围，浮空器平台通过接收机接收到相关信息后，控制其窄波束接收天线指向重点目标区域S_l。

浮空器平台接收机同步接收并采样来自重点目标区域S_l的散射回波，在重点目标区域S_l内修正随机辐射场表示为：

其中，

为浮空器平台接收机的位置；

浮空器平台同步接收的散射回波表示为：

散射回波方程的矩阵矢量形式为：

上式中，等号左侧为散射回波的矩阵矢量形式，等号右侧分别为随机辐射场、重点目标区域S_l后向散射系数的矩阵矢量形式。

二次关联成像时，根据第一次关联成像获得的重点目标区域的类型和低分辨图像，来选取相应目标类型的稀疏基，对重点目标区域进行最大化稀疏表征，再进行综合压缩关联成像，其模型为：

其中，ψ为所选取的稀疏基，ε为设定的误差限，

是重点目标区域的高分辨率关联成像结果。

二次关联成像相比第一次关联成像，重点目标成像区域S_l的范围大大减小，且从星载随机辐射源到目标区域S_l、再到浮空器平台接收机的随机辐射场总传播路径明显减小，所以所产生的随机辐射场随机性更好，因而二次关联成像可以对重点目标进行高分辨成像。

下面结合具体成像场景，通过附图和具体实施方式对本发明的原理和效果作详细描述。下面以一个较为典型的具体实例为例，给出本发明的具体实施方式，但是，不应以此限定本发明的实际应用以及保护范围。

成像场景如图2，其中静轨卫星高度为35798km，浮空平台高度为20km，大范围的观测区域S_h边长为80km，网格划分为400*400，小范围的重点目标区域S_l边长为200m，网格划分为200*200，具体仿真参数如下表：

大范围的观测区域S_h低分辨成像结果和小范围的重点目标区域S_l成像结果分别如图3，图4所示；图3、图4中的a均表示目标模型，b则表示成像结果。可以看出，在上述场景及仿真参数设置下，一次关联成像与二次关联成像均可成功反演，说明本发明可以有效地实现全天时、全天候、大范围、低分辨观测普查与小范围热点区域重点目标的高分辨微波凝视成像。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，包括：

通过静轨卫星平台中的收发一体式微波凝视关联成像系统，进行一次微波凝视关联成像，得到观测区域大范围低分辨成像结果，并确定重点目标区域；

利用基于静轨卫星平台和浮空器平台进行同步接收的广域收发分置与任务协同的二次微波凝视关联成像，最终得到重点目标区域的高分辨成像结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，所述静轨卫星平台中载有收发一体式微波凝视关联成像系统；收发一体式微波凝视关联成像系统中，N个位于

的高增益的天线单元均匀或非均匀分布组成展开式大口径的星载天线阵列，i＝1...N；星载接收机天线位于星载天线阵列的中心

处；第i个天线单元同步发射的随机信号表示为：

其中，f_ik为第i个辐射天线单元的第k个脉冲的发射频率，在带宽B范围内随机选择，辐射单元之间满足正交跳频图案，K为发射脉冲总个数，τ为脉冲持续时间，T_p为脉冲间隔，t为时刻。

3.根据权利要求2所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，将星载天线阵列波束内斜下视方向的观测区域S_h划分J个低分辨的粗网格，J＝P×Q；P为方位向分辨单元数，Q为距离向分辨单元数，第j个网格中心位置记为

其目标后向散射系数为

j＝1,2,3····J，则在观测区域S_h形成的入射随机辐射场

表示为：

其中，c＝3×10⁸m/s，入射随机辐射场

与观测区域S_h内的目标相互作用，由星载天线阵列所接收的散射回波表示：

其中考虑到包含到达接收机的双程自由空间传播，定义修正的随机辐射场

为：

4.根据权利要求3所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，

经过时间域与空间域离散化操作，散射回波方程表示为如下矩阵形式：

矩阵矢量形式如下：

利用随机辐射场和同步接收的散射回波，通过时、空关联成像处理，获得观测区域大范围低分辨成像结果，其关联成像过程表示为：

其中，

为关联成像算法的算符，对于一次关联成像，直接一阶场强关联算法、伪逆算法、正交匹配追踪OMP算法或者稀疏贝叶斯学习SBL算法实现。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，通过对得到的观测区域S_h大范围低分辨成像结果进行分析，确定重点目标图像信息及重点目标区域S_l的空间位置；分析过程如下：利用预设的重点目标图样与观测区域S_h大范围低分辨成像结果进行比对，在发现类似目标之后，以类似目标为中心，将能够包含整个重点目标图样的区域设定为重点目标区域S_l；

并且，对重点目标区域进行M个精细的二次网格划分，M＝U×V，U为方位向分辨单元数，V为距离向分辨单元数，第m个网格中心的位置记为

其目标后向散射系数记为

6.根据权利要求5所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，所述浮空器平台设有同步接收机系统，采用静默接收方式窄波束天线位于

处，接收来自重点目标区域的散射回波信号，浮空器平台和静轨卫星平台共同构成广域收发分置及任务协同式的二次关联成像系统。

7.根据权利要求6所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，所述利用基于静轨卫星平台和浮空器平台进行同步接收的广域收发分置与任务协同的二次微波凝视关联成像包括：

建立静轨卫星平台与浮空器平台之间的广域星地微波或者激光通信链路，两平台的时间基准与频率基准模块利用时、频校准技术，实现收、发系统之间广域、高精度时频同步，进而实现统一系统时钟和精确同步控制，同时，在静轨卫星总控中心模块的控制下，实现两平台之间的数据传输、指令交互和任务协同；

在交互式信令的控制下，静轨卫星平台发送给浮空器平台包括星载天线阵列随机信号参数、星载天线阵列空间构型参数、已获得的重点目标区域的低分辨图像及其空间位置与区域范围，浮空器平台通过接收机接收到相关信息后，控制其窄波束接收天线指向重点目标区域S_l。

8.根据权利要求7所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，浮空器平台接收机同步接收并采样来自重点目标区域S_l的散射回波，在重点目标区域S_l内修正随机辐射场表示为：

其中，

为浮空器平台接收机的位置；

浮空器平台同步接收的散射回波表示为：

散射回波方程的矩阵矢量形式为：

9.根据权利要求8所述的一种基于静轨卫星和浮空器平台协同的微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，

二次关联成像时，根据第一次关联成像获得的重点目标区域的类型和低分辨图像，来选取相应目标类型的稀疏基，对重点目标区域进行最大化稀疏表征，再进行综合压缩关联成像，其模型为：

其中，ψ为所选取的稀疏基，ε为设定的误差限，

是重点目标区域的高分辨率关联成像结果。

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