CN109782280B - 基于定标卫星的中高轨sar天线距离向方向图测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法，包括：根据中高轨SAR卫星的轨道参数计算得到定标卫星的轨道参数；根据所述中高轨SAR卫星和定标卫星的轨道参数计算得到定标卫星的标准接收机的参数；根据所述定标卫星的标准接收机的参数设计所述标准接收机；所述标准接收机对所述中高轨SAR卫星发射的信号脉冲串进行采集、处理，得到所述中高轨SAR天线的距离向方向图；其中，所述定标卫星的轨道高度低于所述中高轨SAR卫星，且两者的轨道方向存在交叉。本发明能够解决中高轨SAR天线距离向方向图测量所面临的测绘带宽，点目标和分布目标方法都难以施测的问题。

Description

基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法

技术领域

本发明属于雷达对地观测技术领域，具体涉及一种基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图的测量方法。

背景技术

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar：SAR)是一种重要的对地观测传感器，星载SAR需要进行严格的在轨辐射定标，确保其相对和绝对辐射精度，才能将SAR图像的灰度转换为地物后向散射信息定量应用，其中星载SAR天线的距离向天线方向图测量是影响SAR图像相对辐射精度的最重要因素。任何天线距离向方向图的测量方法都需要雷达截面积(Radar Cross Section：RCS)或后向散射特性已知的定标参考目标。传统定标卫星技术(也称雷达定标卫星)将卫星作为载体无源定标器作为载荷可用于地基雷达的RCS标定，不能用于天线方向图测量。早期的星载SAR采用基于点目标方法，即利用雷达截面积已知有源或无源定标器在整个距离向宽度(测绘带宽)排布的阵列作为定标参考目标来完成天线距离向方向图测量；目前的星载SAR普遍基于分布目标的方法，即利用大面积后向散射系数已知且稳定的热带雨林(如亚马逊热带雨林)作为定标参考目标来完成距离向天线方向图测量。然而对于中高轨SAR(中轨轨道高度约1000km到20000km，高轨轨道高度在20000km以上)，现有的星载SAR距离向天线方向图测量存在以下问题：

(1)对定标器的RCS要求高，一般要求65～70dB，造成基于点目标的方法需要研制高RCS的无源或有源定标设备，目前无源和有源定标设备一般在60dB以内，高RCS的定标设备存在成本、体积、功耗等方面的研制困难；

(2)测绘带宽宽，中高轨SAR的测绘带宽可达上千公里，基于分布目标的定标方法难以获得上千公里范围的热带雨林分布目标，而且中高轨SAR一般为地球同步轨道，观测区域相对固定，难以覆盖亚马逊雨林；

(3)测量工作量大，即使可研制出高RCS的定标设备，也存在上千公里范围的多台定标设备(一般8到10台)的协同布设等问题，定标试验持续时间往往数月，耗费的人力和物力成本高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图的测量方法，以解决中高轨SAR天线距离向方向图的测量问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法，包括：

根据中高轨SAR卫星的轨道参数计算得到定标卫星的轨道参数；

根据所述中高轨SAR卫星和定标卫星的轨道参数计算得到定标卫星的标准接收机的参数；

根据所述定标卫星的标准接收机的参数设计所述标准接收机；

利用所述标准接收机对所述中高轨SAR卫星发射的信号脉冲串进行采集、处理，得到所述中高轨SAR天线的距离向方向图；

其中，所述定标卫星的轨道高度低于所述中高轨SAR卫星的轨道高度，且两者的轨道方向存在交叉。

在进一步的实施方案中，所述计算得到定标卫星的轨道参数包括：

根据所述中高轨SAR卫星和所述定标卫星的轨道高度分别计算两者的空间速度；

根据所述中高轨SAR卫星的空间速度得到所述定标卫星相对于所述中高轨SAR卫星的顺轨速度分量；

根据所述中高轨SAR卫星的轨道倾角计算得到所述定标卫星的轨道倾角；

根据所述定标卫星的顺轨速度和轨道倾角计算得到其相对于所述中高轨SAR卫星的交轨速度分量；

根据所述中高轨SAR卫星的距离波束指向和波束宽度计算所述定标卫星的测绘带宽。

在进一步的实施方案中，所述定标卫星的顺轨速度分量等于所述中高轨SAR卫星的空间速度。

在进一步的实施方案中，所述定标卫星的交轨速度分量V_{CAL_Across}计算公式为：

V_{CAL_Across}＝V_{CAL_S}*sin(i_CAL-i_SAR)

其中，V_{CAL_S}为所述定标卫星的空间速度，i_CAL为所述定标卫星的轨道倾角，i_SAR为所述中高轨SAR卫星的轨道倾角。

在进一步的实施方案中，所述计算得到定标卫星的标准接收机的参数包括：

根据雷达方程确定所述定标卫星标准接收机的总接收功率；

根据所述总接收功率的范围确定所述标准接收机的天线增益和接收通道增益；

根据所述定标卫星的测绘带宽计算得到其采集记录时长；

根据所述采集记录时长计算所述标准接收机存储的数据量。

在进一步的实施方案中，所述设计所述标准接收机包括：

基于标准接收机的原理来设计定标卫星的标准接收机天线、射频电路和采集记录单元。

在进一步的实施方案中，所述处理所述信号脉冲串得到所述中高轨SAR天线的距离向方向图包括：

分别计算所述信号脉冲串的每个接收脉冲的接收功率；

根据所述中高轨SAR卫星和所述定标卫星的轨道参数计算所述标准接收机的每个接收脉冲时刻对应的俯仰角和斜距；

利用所述俯仰角和斜距对所述每个接收脉冲的接收功率进行斜距校正得到中高轨SAR天线距离向方向图的每个取样值；

对相邻的接收脉冲时刻的所述每个取样值取统计平均操作来实现均值滤波；

通过曲线拟合得到中高轨SAR天线的距离向方向图。

在进一步的实施方案中，所述曲线拟合方法为线性拟合或多项式拟合。

(三)有益效果

(1)本发明以定标卫星作为定标设备的载体，通过较低轨道的定标卫星的交叉轨道设计，利用标准接收机作为定标卫星载荷来测量SAR天线距离向方向图所述的方法，能够解决中高轨SAR天线距离向方向图测量所面临的测绘带宽，点目标和分布目标方法都难以施测的问题；

(2)本发明中，所述定标卫星一旦发射，则不需要传统点目标方法需要有人值守，定标频次可以由原来的数月缩短到数个轨道周期，而卫星轨道周期一般在数小时之内。因此，本发明能够实现中高轨SAR天线距离向方向图无人工参与、高频次测量，提高了测量效率。

附图说明

图1是本发明提供的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图的测量方法的流程图；

图2是本发明所采用的定标卫星的标准接收机原理框图；

图3是依照本发明实施例的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图的测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

需要提前说明的是，本专利申请中，所述定标卫星的轨道高度低于所述中高轨SAR卫星，且两者的轨道方向存在交叉，其中所述中高轨SAR卫星指轨道高度高于或等于1000km的SAR卫星。

还需要说明的是，本专利申请中，顺轨和交轨是相对于中高轨SAR卫星的轨迹来定义的，即与所述中高轨SAR卫星的轨迹平行称为顺轨，与所述中高轨SAR卫星的轨迹垂直称为交轨。

如图1所示，图1是本发明提供的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图的测量方法的流程图。该方法是以定标卫星作为定标设备的载体，通过较低轨道的定标卫星的交叉轨道设计，利用标准接收机作为定标卫星载荷来测量SAR天线距离向方向图，解决中高轨SAR天线的距离方向图测量问题。该方法包括：

步骤101：根据中高轨SAR卫星的轨道参数计算得到定标卫星的轨道参数，该步骤具体包括：

步骤1011：根据所述中高轨SAR卫星和所述定标卫星的轨道高度分别计算两者的空间速度；

步骤1012：根据所述中高轨SAR卫星的空间速度得到所述定标卫星相对于所述中高轨SAR卫星的顺轨速度分量；

步骤1013：根据所述中高轨SAR卫星的轨道倾角计算得到所述定标卫星的轨道倾角；

步骤1014：根据所述定标卫星的顺轨速度和轨道倾角计算得到其相对于所述中高轨SAR卫星的交轨速度分量；

步骤1015：根据所述中高轨SAR的距离波束指向和波束宽度计算所述定标卫星的测绘带宽。

步骤102：根据所述中高轨SAR卫星和定标卫星的轨道参数计算得到定标卫星的标准接收机的参数，该步骤具体包括：

步骤1021：根据雷达方程确定所述定标卫星标准接收机的总接收功率；

步骤1022：根据所述接收信号功率的范围确定所述标准接收机的天线增益和接收通道增益；

步骤1023：根据所述定标卫星的测绘带宽计算得到其采集记录时长；

步骤1024：根据所述采集记录时长计算所述标准接收机存储的数据量。

步骤103：根据所述定标卫星的标准接收机的参数设计所述标准接收机；

在本步骤中，设计所述标准接收机为基于标准接收机的原理来设计定标卫星的标准接收机天线、射频电路和采集记录单元。其中，定标卫星的标准接收机的原理框图如图2所示，由6个基本单元组成，SAR发射信号作为输入信号首先被接收天线接收，随后经过滤波器消除噪声，再经过增益控制将滤波器输出的信号进行合理的放大或衰减从而满足检波器的对输入信号幅度的要求，增益控制单元的增益控制量由主控单元发出，检波器用来提取增益控制输出信号的包络，检波器输出的包络信号被采集记录，作为标准接收机的测量的接收功率原始数据。

步骤104：所述标准接收机对所述中高轨SAR卫星发射的信号脉冲串进行采集、处理，得到所述中高轨SAR天线的距离向方向图，该步骤具体包括：

步骤1041：分别计算所述信号脉冲串的每个接收脉冲的接收功率；

步骤1042：根据所述中高轨SAR卫星和所述定标卫星的轨道参数计算所述标准接收机的每个接收脉冲时刻对应的俯仰角和斜距；该步骤具体包括：

步骤1043：利用所述俯仰角和斜距对所述每个接收脉冲的接收功率进行斜距校正得到中高轨SAR天线距离向方向图的每个取样值；

步骤1044：对相邻的接收脉冲时刻的所述每个取样值取统计平均操作来实现均值滤波；

步骤1045：通过曲线拟合得到中高轨SAR天线的距离向方向图。

其中，所述曲线拟合方法具体可采用线性拟合、多项式拟合等多种方式。

下面通过一个具体实施例对本发明提供的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图的测量方法进一步详细说明：

如图3所示，图3是依照本发明实施例的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图的测量方法的流程图。本实施例通过已知的中高轨SAR卫星的轨道参数计算得到定标卫星的轨道参数，进而获得定标卫星的标准接收机的相关参数，然后基于标准接收机的原理对标准接收机设定，最后标准接收对所述中高轨SAR卫星发射的信号进行采集和处理得到所述中高轨SAR天线的距离向方向图，该实施例包括如下几个步骤：

步骤1：首先根据中高轨SAR卫星的轨道参数，计算中高轨SAR卫星空间速度，例如中高轨SAR卫星轨道高度H_SAR为20000km，则可计算其空间速度V_{SAR_S}为3887.3m/s，计算公式可表示为公式(1)：

其中R_e＝6371km为地球半径，μ＝3.986×10¹⁴m³/s²为地球引力常数。

步骤2：根据步骤1得到的中高轨SAR卫星空间速度和轨道倾角确定定标卫星标准接收机的顺轨速度分量，例如给定中高轨SAR卫星轨道倾角为i_SAR为98°，上步计算得到的空间速度V_{SAR_S}为3887.3m/s，则定标卫星的顺轨速度的大小V_{CAL_Along}为3887.3m/s，方向为沿98°轨道倾角的轨迹方向运动；

步骤3：根据步骤2得到的定标卫星接收天线的顺轨速度分量V_{CAL_Along}为3887.3m/s，例如给定定标卫星的轨道高度H_CAL为800km，则可采用类似步骤1的计算公式得到定标卫星的空间速度V_{CAL_S}为7451.9m/s，定标卫星的轨道倾角可按照i_CAL＝i_SAR+arccos(V_{CAL_Along}/V_{CAL_S})计算并得到定标卫星的轨道倾角i_CAL为156.56°；

步骤4：根据步骤3得到的定标卫星的轨道倾角i_CAL，可以计算得到定标卫星相对于中高轨SAR卫星的交轨速度分量V_{CAL_Across}＝V_{CAL_S}*sin(i_CAL-i_SAR)，可得定标卫星的交轨速度分量为6357.9m/s。假定中高轨SAR的距离波束指向θ₀为30°，波束宽度θ_w为2°，则可计算其相对于定标卫星的测绘带宽W为：W＝(H_SAR-H_CAL)*(tan(θ₀+θ_w)-tan(θ₀-θ_w))，即893.8km，因此定标卫星的标准接收机的采集记录时长T为：T＝W/V_{CAL_Across}，即140.6秒。

步骤5：根据雷达方程确定定标卫星标准接收机的总接收功率P_r可以表示为公式(2)：

其中G_t是中高轨SAR天线的发射增益，G_r是定标卫星标准接收机天线的增益，P_r是标准接收机的接收信号功率，P_t为中高轨SAR卫星发射信号功率，R为定标卫星与中高轨SAR卫星之间的间距，g_r为定标卫星的标准接收机的接收通道增益。

为设计定标卫星的标准接收机的天线增益G_r和接收通道增益g_r，一般可根据标准接收机的接收动态范围即接收信号功率P_r的范围，比如0dBm＞P_r＞-40dBm来设计；另外根据步骤4计算的采集记录时长、中高轨SAR发射脉冲的持续时间T和脉冲重复频率PRF来确定接收机存储的数据量，假定脉冲持续时间T为5μs，脉冲重复频率PRF为2000Hz，为获得每个脉冲不少于50个采样点，则采样率可设计为10MHz，对应于步骤4计算的采集记录时间140.6秒，则至少需要存储50*2000*140.6＝1.406M的数据。根据上述计算结果，就可以按照标准接收机的原理来设计定标卫星的标准接收机天线和射频电路，采集记录单元；

步骤6：按照步骤5中的参数设计定标卫星的标准接收机，并用来对中高轨SAR发射信号脉冲串的进行数据采集，计算每个接收脉冲的接收功率；本步骤主要是对采集的每个脉冲的多个采样点进行均值滤波计算每个接收脉冲的接收功率，例如第i接收脉冲的接收功率P_ri可按公式(3)计算；

其中N表示单个接收脉冲的总采样点数，S_i(n)表示第i个接收脉冲的第n个采样点的取值。

步骤7：利用中高轨SAR卫星和定标卫星的轨道参数，计算定标卫星标准接收机的每个接收脉冲时刻对应的俯仰角和斜距；本步骤所提的轨道参数主要指中高轨SAR卫星和定标卫星的三维坐标，根据这些信息建立两个卫星的相对几何关系，可以计算定标卫星标准接收机在每个接收脉冲时刻对应的俯仰角和斜距；

假定地心赤道坐标系下，地心原点标记为O，中高轨SAR卫星和定标卫星在第i个接收脉冲时刻t_i的三维坐标分别为S(x_s(t_i)，y_s(t_i)，z_s(t_i))，C(x_c(t_i)，y_c(t_i)，z_c(t_i))，中高轨SAR卫星位置矢量

和定标卫星位置矢量

的夹角为α_i，那么定标卫星标准接收机的第i接收脉冲时刻对应俯仰角θ_i的可按照公式(4)来计算：

其中α_i可由空间三角形的余弦定理求得。定标卫星标准接收机的第i个接收脉冲时刻t_i的斜距R_i，即定标卫星到中高轨SAR卫星的距离可按公式(5)计算：

步骤8：首先利用步骤7得到的斜距R(t_i)和俯仰角θ_i，对步骤6得到的每个接收脉冲的接收功率按照公式(6)进行斜距校正，也就是补偿由于不同脉冲时刻的斜距差异引起的标准接收机接收功率的距离衰减差异，从而得到中高轨SAR天线距离向方向图的每个取样值G(θ_i)。

随后对相邻的接收脉冲时刻的G(θ_i)取统计平均操作来实现均值滤波，并通过线性拟合或多项式拟合得到中高轨SAR天线的距离向方向图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法，其特征在于，包括：

根据中高轨SAR卫星的轨道参数计算得到定标卫星的轨道参数；

根据所述中高轨SAR卫星和定标卫星的轨道参数计算得到定标卫星的标准接收机的参数；

根据所述定标卫星的标准接收机的参数设计所述标准接收机；

利用所述标准接收机对所述中高轨SAR卫星发射的信号脉冲串进行采集、处理，得到所述中高轨SAR天线的距离向方向图；

其中，所述定标卫星的轨道高度低于所述中高轨SAR卫星的轨道高度，且两者的轨道方向存在交叉；

所述定标卫星的轨道参数通过以下方法计算得到：

根据所述中高轨SAR卫星和所述定标卫星的轨道高度分别计算两者的空间速度；

根据所述中高轨SAR卫星的空间速度得到所述定标卫星相对于所述中高轨SAR卫星的顺轨速度分量；所述定标卫星的顺轨速度分量等于所述中高轨SAR卫星的空间速度；

根据所述中高轨SAR卫星的轨道倾角计算得到所述定标卫星的轨道倾角；

根据所述定标卫星的顺轨速度和轨道倾角计算得到其相对于所述中高轨SAR卫星的交轨速度分量；

根据所述中高轨SAR卫星的距离波束指向和波束宽度计算所述定标卫星的测绘带宽；

所述定标卫星的交轨速度分量V_{CAL_Across}计算公式为：

V_{CAL_Across}＝V_{CAL_s}*sin(i_CAL-i_SAR)

其中，V_{CAL_s}为所述定标卫星的空间速度，i_CAL为所述定标卫星的轨道倾角，i_SAR为所述中高轨SAR卫星的轨道倾角。

2.根据权利要求1所述的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法，其特征在于，所述计算得到定标卫星的标准接收机的参数包括：

根据雷达方程确定所述定标卫星标准接收机的总接收功率；

根据所述总接收功率的范围确定所述标准接收机的天线增益和接收通道增益；

根据所述定标卫星的测绘带宽计算得到其采集记录时长；

根据所述采集记录时长计算所述标准接收机存储的数据量。

3.根据权利要求2所述的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法，其特征在于，所述设计所述标准接收机包括：

基于标准接收机的原理来设计定标卫星的标准接收机天线、射频电路和采集记录单元。

4.根据权利要求3所述的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法，其特征在于，所述处理所述信号脉冲串得到所述中高轨SAR天线的距离向方向图包括：

分别计算所述信号脉冲串的每个接收脉冲的接收功率；

根据所述中高轨SAR卫星和所述定标卫星的轨道参数计算所述标准接收机的每个接收脉冲时刻对应的俯仰角和斜距；

利用所述俯仰角和斜距对所述每个接收脉冲的接收功率进行斜距校正得到中高轨SAR天线距离向方向图的每个取样值；

对相邻的接收脉冲时刻的所述每个取样值取统计平均操作来实现均值滤波；

通过曲线拟合得到中高轨SAR天线的距离向方向图。

5.根据权利要求4所述的基于定标卫星的中高轨SAR天线距离向方向图测量方法，其特征在于，所述曲线拟合方法为线性拟合或多项式拟合。

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