CN109164449A - 一种高低轨双基sar斜距确定方法 - Google Patents

一种高低轨双基sar斜距确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高低轨双基SAR斜距确定方法，该方法包括如下步骤：(1)、建立非“停‑走”假设；假设SAR脉冲信号在发射时刻t时从高轨卫星发出，此时高轨卫星的位置为PG(t)，速度为VG(t)，低轨卫星的位置为PL(t)，速度为VL(t)、加速度为aL(t)，经过第一时延η′后，卫星信号到达目标位置PT，定义此时低轨卫星位置为PL(t1)、速度为VL(t1)，卫星信号经目标反射形成回波信号，回波信号在第二时延η″后，到达低轨卫星，被低轨卫星接收，定义此时低轨卫星的位置为PL(t2)。(2)、在非“停‑走”假设下，推导高低轨双基SAR精确斜距模型；(3)、根据高低轨双基SAR精确斜距模型，计算高低轨双基SAR精确斜距r(t)。该发明斜距计算精度高，具有很好地抑制模糊和聚焦的效果。

Description

一种高低轨双基SAR斜距确定方法
技术领域
本发明涉及一种高低轨双基SAR斜距确定方法，属于微波遥感和信号处理技术领域。
背景技术
地球同步轨道SAR地面覆盖范围广、时间分辨率高，但空间分辨率低；低轨道SAR的空间分辨率高，可达亚米级，但时间分辨率低，必须大规模组网飞行以提高重访能力，系统复杂代价高昂。为充分利用GEO卫星和LEO卫星的优势，可通过对轨道构型进行合理设计，采用以GEO卫星发射的合作信号为主动照射源，LEO卫星被动无源接收地面散射信号的双/多基协同体制，进行组网观测。这种空间遥感体制，同时具备高时空分辨率和高信噪比，可实现全球成像、测绘、地面动目标检测等多种应用，且灵活性强、成本低、抗摧毁和抗干扰能力强，可实现轻型化、模块化及商业化，具有广阔的应用前景。
斜距模型是SAR信号建模与成像处理的基础，其对图像质量有较大的影响。传统斜距模型是基于“停-走”假设下建立的，其假设SAR卫星发射信号到接收目标散射信号期间卫星是不移动的，而实际过程中卫星是不断运动的，导致基于“停-走”假设的斜距模型与实际斜距间存在误差。在低轨情况时，该误差通常较小，对成像质量的影响可以忽略。但对于GEO-LEO双基SAR(GEO-LEO BiSAR)中，由于信号收发时延长、接收机速度快，基于“停-走”假设引入的误差对成像质量有较大影响，不可忽略。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种高低轨双基SAR斜距确定方法，该方法基于非“停-走”假设，解决了高低轨双基SAR精确斜距建模问题，提高斜距计算精度。
本发明的技术解决方案是：一种高低轨双基SAR斜距确定方法，该方法包括如下步骤：
(1)、建立非“停-走”假设；
(2)、在非“停-走”假设下，推导高低轨双基SAR精确斜距模型；
(3)、根据高低轨双基SAR精确斜距模型，计算高低轨双基SAR精确斜距r(t)。
所述非“停-走”假设为：假设SAR脉冲信号在发射时刻t时从高轨卫星发出，此时高轨卫星的位置为PG(t)，速度为VG(t)，低轨卫星的位置为PL(t)，速度为VL(t)、加速度为aL(t)，经过第一时延η′后，卫星信号到达目标位置PT，定义此时低轨卫星位置为PL(t1)、速度为VL(t1)，卫星信号经目标反射形成回波信号，回波信号在第二时延η″后，到达低轨卫星，被低轨卫星接收，定义此时低轨卫星的位置为PL(t2)。
所述高低轨双基SAR精确斜距模型为：
RL(t1)为卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星与目标的距离，VL(t1)为卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星速度，||RG(t)||为高轨卫星与地面目标的距离。
卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星位置RL(t1)、速度VL(t1)分别为：
其中，RG(t)为卫星信号发射时刻t高轨卫星与目标的距离，RL(t)为卫星信号发射时刻t低轨卫星与目标的距离，VL(t)、aL(t)卫星信号发射时刻t低轨卫星所在的速度和加速度，c为光速。
所述步骤(2)具体的推导过程为：
(2.1)、计算非“停-走”假设下，回波信号到达低轨卫星时刻，目标到低轨卫星的距离：
(2.2)、忽略时延η″内低轨卫星速度变化，将步骤(2.1)得到的目标到低轨卫星的距离简化为
(2.3)、采用目标到低轨卫星的距离除以光速得到回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″；
(2.3)、将回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″做泰勒展开，并忽略高阶微小项，得到简化后的回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″公式：
其中,
(2.4)、将简化后的回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″公式代入高低轨双基SAR斜距公式r(t)＝||RG(t)||+c·η″，最终求得在SAR脉冲信号发射时刻t时，非“停-走”假设下的斜距模型。
所述高轨卫星为GEO卫星。
所述低轨卫星为LEO卫星。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明采用基于非“停-走”假设，相比于传统“停-走”假设其构建的斜距模型精度高，可提高斜距计算精度。(2)、本发明基于非“停-走”假设建立的高低轨双基SAR精确斜距模型能够很好地抑制模糊，实现很好的聚焦效果。
(3)、通过仿真数据验证，本发明高低轨双基SAR精确斜距模型在成像处理方面具有超强的有效性。
附图说明
图1为本发明实施例GEO-LEO BiSAR系统中非“停-走”下的信号传播示意图；
图2为本发明实施例高低轨双基SAR卫星星下点轨迹；
图3(a)为本发明实施例采用“停-走”假设斜距模型在合成孔径时间内由的残余误差；
图3(b)为本发明实施例采用本发明的斜距模型在合成孔径时间内由的残余误差；
图4(a)为本发明实施例采用“停-走”假设斜距模型点目标的成像结果；
图4(b)为本发明实施例采用本发明的非“停-走”假设斜距模型点目标的成像结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种高低轨双基SAR斜距确定方法，该方法包括如下步骤：
首先，建立非“停-走”假设；
如图1所示，所述非“停-走”假设为：假设SAR脉冲信号在发射时刻t时从高轨卫星(GEO SAR卫星)发出，此时高轨卫星(LEO SAR卫星)的位置为PG(t)，速度为VG(t)，低轨卫星(LEO SAR卫星)的位置为PL(t)，速度为VL(t)、加速度为aL(t)，经过第一时延η′后，卫星信号到达目标位置PT，定义此时低轨卫星(LEO SAR卫星)位置为PL(t1)、速度为VL(t1)，卫星信号经目标反射形成回波信号，回波信号在第二时延η″后，到达低轨卫星(LEO SAR卫星)，被低轨卫星(LEO SAR卫星)接收，定义此时低轨卫星的位置为PL(t2)。
这种非“停-走”假设相对与传统的“停-走”假设，其可提升斜距计算精度，从而提升回波信号模型精度，对提高图像聚焦效果具有很好的作用。其次，在非“停-走”假设下，推导高低轨双基SAR精确斜距模型；
基于上述非“停-走”假设，可以看出：
(2.1)、回波信号到达低轨卫星时刻，目标到低轨卫星的距离：
式中，c为电磁波传播速度。
(2.2)、由于信号在目标到LEO SAR卫星间的传播时延η″极短，忽略时延η″内LEO卫星速度变化，可以忽略时延η″内地轨卫星速度变化，将步骤(2.1)得到的目标到低轨卫星的距离简化为：
(2.3)、采用目标到低轨卫星的距离除以光速得到回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″；
(2.3)、将回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″做泰勒展开，并忽略高阶微小项，得到简化后的回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″公式：
其中：
(2.4)、将简化后的回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″公式代入高低轨双基SAR斜距公式r(t)＝||RG(t)||+c·η″，最终求得在SAR脉冲信号发射时刻t时，非“停-走”假设下的斜距模型：
RL(t1)为卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星与目标的距离，VL(t1)为卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星速度，||RG(t)||为高轨卫星与地面目标的距离。卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星位置RL(t1)、速度VL(t1)分别为：
其中，RG(t)为卫星信号发射时刻t高轨卫星与目标的距离，RL(t)为卫星信号发射时刻t低轨卫星与目标的距离，VL(t)、aL(t)卫星信号发射时刻t低轨卫星所在的速度和加速度，c为光速。
最后，根据高低轨双基SAR精确斜距模型，计算高低轨双基SAR精确斜距r(t)，对应的双程传播时延η(t)＝r(t)/c。
为验证上述高低轨双基SAR精确斜距模型的准确性，采用表1所示的仿真参数，该参数下的GEO SAR发射机和LEO SAR接收机的星下点轨迹如图2所示。在1.5s的仿真时间内，“停-走”假设和本发明所提供的精确斜距模型的残余斜距误差分别如图3(a)和图3(b)所示。由仿真结果可知，“停-走”假设引入的最大斜距误差接近8m，会对成像造成一定影响，不可忽略；而提出的斜距模型可很好的补偿“停-走”假设引入的误差，最大的残余斜距误差约为1×10-4m，在X波段下引入的相位误差约为1°，可忽略不计。
表1仿真参数
为验证本发明在非“停-走”假设下提出的精确斜距模型，在传统的“停-走”假设下对上述回波进行成像处理，点目标的成像对比结果如图4(a)和图4(b)所示.由图可知，“停-走”假设下会引起方位向的轻微散焦，而采用本文非“停-走”下的精确的斜距模型可实现良好的聚焦效果。
本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种高低轨双基SAR斜距确定方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、建立非“停-走”假设；
(2)、在非“停-走”假设下，推导高低轨双基SAR精确斜距模型；
(3)、根据高低轨双基SAR精确斜距模型，计算高低轨双基SAR精确斜距r(t)。
2.根据权利要求1所述的一种高低轨双基SAR斜距计算方法，其特征在于所述非“停-走”假设为：假设SAR脉冲信号在发射时刻t时从高轨卫星发出，此时高轨卫星的位置为PG(t)，速度为VG(t)，低轨卫星的位置为PL(t)，速度为VL(t)、加速度为aL(t)，经过第一时延η′后，卫星信号到达目标位置PT，定义此时低轨卫星位置为PL(t1)、速度为VL(t1)，卫星信号经目标反射形成回波信号，回波信号在第二时延η″后，到达低轨卫星，被低轨卫星接收，定义此时低轨卫星的位置为PL(t2)。
3.根据权利要求2所述的一种高低轨双基SAR斜距计算方法，其特征在于所述高低轨双基SAR精确斜距模型为：
RL(t1)为卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星与目标的距离，VL(t1)为卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星速度，||RG(t)||为高轨卫星与地面目标的距离。
4.根据权利要求3所述的一种高低轨双基SAR斜距计算方法，其特征在于卫星信号到达目标位置PT时刻低轨卫星位置RL(t1)、速度VL(t1)分别为：
其中，RG(t)为卫星信号发射时刻t高轨卫星与目标的距离，RL(t)为卫星信号发射时刻t低轨卫星与目标的距离，VL(t)、aL(t)卫星信号发射时刻t低轨卫星所在的速度和加速度，c为光速。
5.根据权利要求2所述的一种高低轨双基SAR斜距计算方法，其特征在于所述步骤(2)具体的推导过程为：
(2.1)、计算非“停-走”假设下，回波信号到达低轨卫星时刻，目标到低轨卫星的距离：
(2.2)、忽略时延η″内低轨卫星速度变化，将步骤(2.1)得到的目标到低轨卫星的距离简化为
(2.3)、采用目标到低轨卫星的距离除以光速得到回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″；
(2.3)、将回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″做泰勒展开，并忽略高阶微小项，得到简化后的回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″公式：
其中,
(2.4)、将简化后的回波信号从目标位置到低轨卫星的时间η″公式代入高低轨双基SAR斜距公式r(t)＝||RG(t)||+c·η″，最终求得在SAR脉冲信号发射时刻t时，非“停-走”假设下的斜距模型。
6.根据权利要求2所述的一种高低轨双基SAR斜距计算方法，其特征在于所述高轨卫星为GEO卫星。
7.根据权利要求2所述的一种高低轨双基SAR斜距计算方法，其特征在于所述低轨卫星为LEO卫星。
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Application publication date: 20190108

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