CN110208800A - 一种超高分辨率星载sar的分段变重频时序设计方法 - Google Patents

Abstract

一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，首先根据场景回波距离徙动数据确定场景回波的瞬时最大斜距跨度，设计方位向各段斜距总跨度应满足的范围；然后对回波接收期间的方位向进行分段；接着设计方位向各段回波接收窗的长度以及起始与终止采样时刻；然后搜索能够匹配回波接收窗时间范围的工作重频；最后仿真验证分段变重频设计结果是否保证回波能够有效接收，如果是，则设计结束，输出方位向各段内与工作时序相关的系统参数，否则重新进行方位向分段，直到分段变重频设计结果保证整个场景的回波能够被有效接收。本发明通过调整脉冲发射重频和回波接收窗接收区间，保证工作时序能够适应场景回波的超大距离徙动特性，确保了回波的完整接收。

Description

一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法

技术领域

本发明涉及一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，属于空间微波遥感技术领域。

背景技术

为实现超高分辨率成像，星载合成孔径雷达(SAR)系统在方位向上将通过超大转动角滑动聚束模式来增加合成孔径时间，以获得相应分辨率所需的方位多普勒大带宽。当系统利用该模式工作时，场景回波的距离徙动量非常大。这时，传统星载SAR的固定重频(Pulse Repetition Frequency,PRF)的工作时序无法保证对回波的有效接收，从而将造成回波信息的丢失。

发明内容

本发明的发明内容为：克服现有技术的不足，提供一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，确保SAR载荷能够完整地获取整个成像阶段的场景回波。

本发明的技术解决方案是：

一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，包括如下步骤：

步骤一，根据场景回波距离徙动数据确定场景回波的瞬时最大斜距跨度，据此设计方位向各段斜距总跨度应满足的范围；

步骤二，根据方位向各段斜距总跨度应满足的范围对回波接收期间的方位向进行分段；

步骤三，根据方位向各段内的回波最小斜距与最大斜距，设计方位向各段回波接收窗的长度以及起始与终止采样时刻；

步骤四，基于方位向各段回波接收窗的起始与终止采样时刻，搜索能够匹配回波接收窗时间范围的工作重频；

步骤五，仿真验证分段变重频设计结果是否保证回波能够有效接收，如果保证回波能够有效接收，则设计结束，输出方位向各段内与工作时序相关的系统参数，否则返回步骤三，直到分段变重频设计结果保证回波能够有效接收。

所述步骤一中，根据场景回波距离徙动数据确定场景回波瞬时最大斜距跨度的方法如下：

根据场景回波距离徙动数据获得方位向各时刻的卫星至场景远端与近端斜距跨度：

SL(t_a)＝R_far(t_a)-R_near(t_a)

其中SL(t_a)为方位向t_a时刻的卫星至场景远端与近端斜距跨度，R_far(t_a)、R_near(t_a)为场景回波距离徙动数据，R_far(t_a)为方位向t_a时刻瞬时场景回波的远端斜距，R_near(t_a)为方位向t_a时刻瞬时场景回波的近端斜距，整个工作期间斜距跨度SL的最大值SL_max即为场景回波瞬时最大斜距跨度。

所述步骤一中，方位向各段斜距总跨度应满足：

方位向各段斜距总跨度∈[1.1×SL_max,1.25×SL_max]。

所述步骤二的实现方式如下：

(2.1)从方位向各段斜距总跨度应满足的范围中选取一个固定值作为SR；

(2.2)方位向每段的最大远端斜距与最小近端斜距的差值都保持为SR，据此完成回波接收期间的方位向分段设计。

分段完成后，即可确定方位向第i段的起始时间Ta_start与终止时间Ta_end，结合回波距离徙动数据，得到方位向第i段[Ta_start,Ta_end]范围内的最大斜距R_max与最小斜距R_min，并由此获得方位向第i段[Ta_start,Ta_end]的中心斜距R_cen：

所述步骤三中，方位向第i段内的回波接收窗长度EWL满足

其中，SR为方位向各段的斜距总跨度，c为脉冲信号传播速度，c＝3×10⁸m/s，T_p为发射脉冲宽度。

方位向第i段内的回波接收窗起始采样时刻Tr_start满足：

方位向第i段内的回波接收窗终止采样时刻Tr_end满足：

R_cen为方位向第i段的中心斜距。

所述步骤四的实现方式如下：

(4.1)设方位向第i段内回波接收窗的起始与终止采样时刻覆盖的时间段为[Tr_start,Tr_end]，得出该回波接收窗所对应的回波斜距范围为[R_{echo_min},R_{echo_max}]，根据回波斜距范围即可在波位图内搜寻能够适应这一斜距范围的工作重频；

其中R_{echo_min}与R_{echo_max}分别如下：

其中，Tr_start为方位向第i段内回波接收窗的起始采样时间，Tr_end为方位向第i段内回波接收窗的终止采样时间；

(4.2)判断是否所有的回波接收窗都有能与其匹配的工作重频PRF，若该条件满足，则可进入下一步骤；若该条件不满足，则需要返回步骤二，对回波接收期间的方位向进行重新分段，直至划分的所有方位向分段区间内都有可用的工作重频为止。

所述步骤(4.1)中，如果在波位图内有多段重频区间能够适应该回波接收窗所对应的回波斜距范围，从最高可选重频区间中选择其中心值作为适应这一斜距范围的工作重频。

所述步骤五中，当同时满足以下情况时，分段变重频设计结果保证回波能够有效接收：

各发射脉冲发射时刻的场景回波斜距范围位于各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围内；

各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围不会与发射脉冲之后的发射干扰盲区位置发生干扰；

各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围不会与各发射脉冲之后的星下点回波干扰盲区位置发生干扰。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过在一次成像过程中变化系统工作时序及接收回波窗位置，使得超大距离徙动回波也可被有效接收。本发明一方面保证了回波的完整性，另一方面还不会恶化系统性能，从而突破了现有时序技术的瓶颈，解决了超高分辨率星载SAR的回波接收问题。

(2)本发明在方位向上进行时间分段，使各区间段内的回波距离徙动量相比于整个场景的距离徙动量大幅缩减，降低了各段内的时序设计难度。

(3)本发明的方位向分段设计原则是确保各段内的斜距总跨度SR、以及回波窗长度EWL保持不变，从而能够有效降低数据采集系统的硬件实施难度。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为超高分辨率星载SAR的场景回波距离徙动特性；

图3为基于SR的方位向分段划分设计结果；

图4为方位向各区间段内的回波接收窗采样时间范围；

图5为回波接收窗区间搜索可选用的系统工作重频。

具体实施方式

本发明提出了一种实现超高分辨率星载SAR回波完整接收的方位向分段变重频时序设计算法。

步骤如下：

步骤一，根据场景回波距离徙动数据确定场景回波的瞬时最大斜距跨度，据此设计方位向各段的斜距总跨度应满足的范围。

(1.1)场景回波距离徙动数据

在对卫星的飞行轨迹进行精确预报后，基于轨道数据、观测场景的经纬度几何坐标、以及载荷成像的工作时间范围，就可得出该场景成像过程中的回波距离徙动特性。场景回波距离徙动数据包含了整个成像期间各方位采样时刻t_a的场景回波的近端斜距R_near(t_a)、波束中心回波距离R_c(t_a)、场景回波的远端斜距R_far(t_a)、以及波束中心方位斜视角θ_sq(t_a)。

以上场景回波距离徙动信息将作为时序设计的输入参数。

(1.2)确定场景回波的瞬时最大斜距跨度

基于以上给出的场景回波距离徙动数据，可得出方位向采样时刻t_a的卫星至场景远端与近端斜距跨度SL(t_a)，该参数表达式如下所示：

SL(t_a)＝R_far(t_a)-R_near(t_a) (1)

其中R_far(t_a)与R_near(t_a)分别为方位向采样时刻t_a的瞬时场景回波的远端斜距与近端斜距，不同采样时刻得到的SL(t_a)不同，由此可确定出整个工作期间SL的最大值SL_max，SL_max作为场景回波的瞬时最大斜距跨度，将用于回波方位向分段划分的设计。

图2给出了方位向上不同时刻的SL。

(1.3)设计方位向各段的斜距总跨度

场景回波在方位向上分段的约束条件是各段斜距总跨度(最大远端斜距与最小近端斜距)SR保持不变。由于场景回波距离徙动呈现为二次曲线特性，因此在方位向各段时间范围内的斜距总跨度必然大于该范围内任意时刻的瞬时斜距跨度SL。因此，SR的设计首先要满足：

SR>SL_max (2)

SR的设计应不宜过大，否则将导致回波接收窗在每段方位向区间内的瞬时接收占空比过低，同时要求系统重频PRF大幅降低、从而增加脉冲发射间隔(Pulse RepetitionInterval,PRI)来适应这一段时间内的距离徙动量，不利于系统信噪比的改善。另一方面，SR的设计也不宜过小，否则为适应距离徙动而导致系统重频变化过于频繁，这将降低时序设计结果的鲁棒性，同时给地面成像处理带来较大的难度。综合考虑以上两方面因素，SR将在式(3)所列的范围内选取：

SR∈[1.1×SL_max,1.25×SL_max] (3)

步骤二，根据所选取的方位向各段内的斜距总跨度对回波接收期间的方位向进行分段。

(2.1)基于SR进行方位向分段划分设计

从方位向各段斜距总跨度应满足的范围[1.1×SL_max,1.25×SL_max]中选取一个固定值作为SR，就可根据SR对场景回波在方位向上进行时间分段划分。在方位向每段的最大远端斜距与最小近端斜距的差值都保持为SR，相应的方位向分段设计结果如图3所示，从图上对比可看出SL与SR两者的差异，图中的虚线为方位向每段内的最大远端斜距到最小近端斜距的连线。

在划分的每段方位向区间内，其最大远端斜距与最小近端斜距一般都位于该区间的方位向起止时刻。以图3中所示的方位向第一段区间为例，最大远端斜距就位于方位向起始时刻，而最小近端斜距就位于方位向终止时刻。

(2.2)确定方位向各段内的最大斜距与最小斜距

在完成方位向分段设计后，就可根据划分结果确定出每段的方位向起始时间Ta_start与终止时间Ta_end。再结合输入的回波距离徙动数据，得到方位向区间段[Ta_start,Ta_end]范围内的最大斜距R_max与最小斜距R_min，并由此得出该方位区间的中心斜距R_cen，如式(4)所示：

步骤三，根据方位向各段内的回波最小斜距与最大斜距，设计方位向各段回波接收窗的长度以及起始与终止采样时刻。

(3.1)设计回波接收窗长度EWL

在完成方位向分段划分设计后，可进一步设计方位向各段回波接收窗长度EWL。EWL的设计需要适应方位向每段区间的回波距离徙动特性，这一约束条件可表示为：

其中c为脉冲信号传播速度(c＝3×10⁸m/s)，T_p为发射脉冲宽度。与SR的设计原则相类似，回波接收窗长度EWL一方面要保证瞬时接收占空比不能过低，否则将导致系统信噪比的降低；同时还要在时间上适应一定的回波斜距偏差。因此，方位向各段回波接收窗长度EWL将在式(6)所示的范围内来选择。

(3.2)确定方位向各段的回波接收窗起始采样时刻

以方位向第i段为例，在完成回波接收窗长度EWL的设计后，再结合方位向第i段的中心斜距R_cen，就可得出方位向第i段内的回波接收窗起始采样时刻Tr_start，如式(7)所示：

(3.3)确定方位向各段的回波窗终止采样时刻

由方位向第i段内的回波接收窗终止采样时刻Tr_end，如式(8)所示：

据此可确定出方位向每段区间的回波接收窗采样时间范围，如图4所示。

步骤四，基于方位向各段回波接收窗的起始与终止采样时刻，搜索能够匹配回波接收窗时间范围的工作重频。

(4.1)波位图搜索确定方位向各段的工作重频PRF

根据方位向各段内回波接收窗的起始与终止采样时刻覆盖的时间段[Tr_start,Tr_end]，可得出该回波接收窗所对应的回波斜距范围[R_{echo_min},R_{echo_max}]。R_{echo_min}与R_{echo_max}分别如下所示：

基于式(9)与式(10)，就可在波位图内搜寻能够适应这一斜距范围的工作重频。图5给出在[2500Hz,5000Hz]这一PRF范围内，针对[575km,585km]这一斜距范围得出的可用重频区间，从搜索结果来看有4段重频区间能够适应该回波窗对应的斜距范围。

在可用的几段重频区间内，工作重频PRF的设计选取原则是从最高可选重频区间中选择其中心值。以图5为例，最终工作重频将在[4000Hz，4100Hz]这一范围内选择4050Hz。这一选择方式有以下两点优势：1)系统重频选在高区间可提升系统信噪比，改善SAR图像质量；2)在高重频区间内选择其中心值是保证该重频在斜距上具有一定的鲁棒性，能够适应由于轨道偏差、波束指向偏差等一系列误差造成的回波斜距偏移所带来的影响。

(4.2)判断所有方位向分段区间的回波接收窗是否都有可用工作重频

该步骤将针对图4给出的各方位向分段区间内的回波窗范围，判断是否所有的回波接收窗都有能与其匹配的工作重频PRF。若该条件满足，则可进入下一步骤；若该条件不满足，则需要对步骤(2.1)中方位向每段的斜距总跨度SR设计值进行调整，再重新进行方位向分段划分，以及后期的工作重频搜索，直至所有划分的方位向分段区间内都有可用的工作重频为止。

步骤五，仿真验证分段变重频设计结果是否保证回波能够有效接收，如果保证回波能够有效接收，则设计结束，否则返回步骤三，直到分段变重频设计结果保证回波能够有效接收。

在完成方位向各段区间的工作重频PRF、回波接收窗EWL的设计后，再结合回波距离徙动特性，就可仿真验证一景成像过程中的分段变重频时序设计结果是否有效。与传统星载SAR不同，本发明针对回波斜距距离大范围徙动特性所设计的PRI与EWL都是在方位向上分段变化的，因此发射干扰盲区位置、星下点干扰盲区位置、以及接收窗对应的回波斜距范围也将随之变化。以一景成像过程中第n个发射脉冲为例，表1给出了本发明的工作时序下，发射干扰对应的距离向盲区位置。其中PRI_i为第i个发射脉冲与第i+1个发射脉冲的发射间隔。

表1分段变重频时序的距离向发射干扰盲区位置

与发射干扰盲区相类似，星下点回波干扰对应的距离向盲区位置也为非固定的。对于第n个发射脉冲，星下点干扰的盲区位置如表2所示，其中H为星下点距离。

表2分段变重频时序的星下点回波干扰盲区位置

同时，回波接收窗对应的斜距范围也会随着PRI的变化而发生变化，对于第n个发射脉冲，它能够被回波接收窗有效接收的回波斜距范围如表3所示。其中EWN_i为方位向第i段内回波接收窗的起始时刻，EWF_i为方位向第i段内回波接收窗的终止时刻。

表3分段变重频时序下回波接收窗对应的斜距范围

在仿真验证时序及回波接收窗设计是否有效时，需要考虑方位向分段变重频时序导致的脉冲发射干扰、星下点回波干扰、以及回波接收窗位置移动的影响。因此，针对每个发射脉冲的回波进行时序有效性分析时，需要考虑以下四项因素：

1)各脉冲发射时刻的场景回波斜距范围；

2)发射脉冲之后的发射干扰盲区位置(由表1所列的方法计算)；

3)各发射脉冲之后的星下点回波干扰盲区位置(由表2所列的方法计算得出)

4)各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围(由表3所列算法得出)

若第1)项各脉冲发射时刻的场景回波斜距范围位于第4)项各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围内，并且第4)项不会与第2)项及第3)项发生干扰，则说明回波接收窗能够完整地在时间上包含场景回波时间范围，并且回波接收窗不会与发射脉冲与星下点回波发生串扰，这时可认为系统变重频时序及回波接收窗的设计结果有效。

当完成以上设计及仿真验证步骤后，即能够得到以下系统工作所需的时序参数：

·一景成像过程中的方位向分段总数N_a；

·每段的方位向起始采样时刻Ta_start；

·每段的方位向终止采样时刻Ta_end；

·每段的回波接收窗起始采样时刻Tr_start；

·每段的回波接收窗终止采样时刻Tr_end；

·每段的发射脉冲重频PRF；

·每段的脉冲发射总数N_t(N_t＝PRF×(Ta_end-Ta_start))

图1给出了本发明的时序设计流程，本发明的设计输入为场景回波的距离徙动数据，设计输出为回波接收期间的方位向分段总数、方位向每段的起始与终止采样时刻，每段相连两个脉冲的发射间隔(PRI)、每段的发射脉冲数以及每段的回波接收窗起始与终止采样时刻。

本发明提出了一种实现超高分辨率星载SAR回波完整接收的方位向分段变重频时序设计算法。该方法通过在一景成像过程中调整脉冲发射重频和回波窗接收区间，保证工作时序能够适应场景回波的超大距离徙动特性，确保了回波的完整接收。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，根据场景回波距离徙动数据确定场景回波的瞬时最大斜距跨度，据此设计方位向各段斜距总跨度应满足的范围；

步骤二，根据方位向各段斜距总跨度应满足的范围对回波接收期间的方位向进行分段；

步骤三，根据方位向各段内的回波最小斜距与最大斜距，设计方位向各段回波接收窗的长度以及起始与终止采样时刻；

步骤四，基于方位向各段回波接收窗的起始与终止采样时刻，搜索能够匹配回波接收窗时间范围的工作重频；

步骤五，仿真验证分段变重频设计结果是否保证回波能够有效接收，如果保证回波能够有效接收，则设计结束，输出方位向各段内与工作时序相关的系统参数，否则返回步骤三，直到分段变重频设计结果保证回波能够有效接收。

2.根据权利要求1所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，所述步骤一中，根据场景回波距离徙动数据确定场景回波瞬时最大斜距跨度的方法如下：

根据场景回波距离徙动数据获得方位向各时刻的卫星至场景远端与近端斜距跨度：

SL(t_a)＝R_far(t_a)-R_near(t_a)

其中SL(t_a)为方位向t_a时刻的卫星至场景远端与近端斜距跨度，R_far(t_a)、R_near(t_a)为场景回波距离徙动数据，R_far(t_a)为方位向t_a时刻瞬时场景回波的远端斜距，R_near(t_a)为方位向t_a时刻瞬时场景回波的近端斜距，整个工作期间斜距跨度SL的最大值SL_max即为场景回波瞬时最大斜距跨度。

3.根据权利要求2所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，所述步骤一中，方位向各段斜距总跨度应满足：

方位向各段斜距总跨度∈[1.1×SL_max,1.25×SL_max]。

4.根据权利要求1所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，所述步骤二的实现方式如下：

(2.1)从方位向各段斜距总跨度应满足的范围中选取一个固定值作为SR；

(2.2)方位向每段的最大远端斜距与最小近端斜距的差值都保持为SR，据此完成回波接收期间的方位向分段设计。

5.根据权利要求4所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，分段完成后，即可确定方位向第i段的起始时间Ta_start与终止时间Ta_end，结合回波距离徙动数据，得到方位向第i段[Ta_start,Ta_end]范围内的最大斜距R_max与最小斜距R_min，并由此获得方位向第i段[Ta_start,Ta_end]的中心斜距R_cen：

6.根据权利要求1所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，所述步骤三中，方位向第i段内的回波接收窗长度EWL满足

其中，SR为方位向各段的斜距总跨度，c为脉冲信号传播速度，c＝3×10⁸m/s，T_p为发射脉冲宽度。

7.根据权利要求6所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，方位向第i段内的回波接收窗起始采样时刻Tr_start满足：

方位向第i段内的回波接收窗终止采样时刻Tr_end满足：

R_cen为方位向第i段的中心斜距。

8.根据权利要求1所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，所述步骤四的实现方式如下：

(4.1)设方位向第i段内回波接收窗的起始与终止采样时刻覆盖的时间段为[Tr_start,Tr_end]，得出该回波接收窗所对应的回波斜距范围为[R_{echo_min},R_{echo_max}]，根据回波斜距范围即可在波位图内搜寻能够适应这一斜距范围的工作重频；

其中R_{echo_min}与R_{echo_max}分别如下：

其中，Tr_start为方位向第i段内回波接收窗的起始采样时间，Tr_end为方位向第i段内回波接收窗的终止采样时间；

(4.2)判断是否所有的回波接收窗都有能与其匹配的工作重频PRF，若该条件满足，则可进入下一步骤；若该条件不满足，则需要返回步骤二，对回波接收期间的方位向进行重新分段，直至划分的所有方位向分段区间内都有可用的工作重频为止。

9.根据权利要求8所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，所述步骤(4.1)中，如果在波位图内有多段重频区间能够适应该回波接收窗所对应的回波斜距范围，从最高可选重频区间中选择其中心值作为适应这一斜距范围的工作重频。

10.根据权利要求1所述一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法，其特征在于，所述步骤五中，当同时满足以下情况时，分段变重频设计结果保证回波能够有效接收：

各发射脉冲发射时刻的场景回波斜距范围位于各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围内；

各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围不会与发射脉冲之后的发射干扰盲区位置发生干扰；

各发射脉冲之后的回波接收窗对应的斜距范围不会与各发射脉冲之后的星下点回波干扰盲区位置发生干扰。