CN110275140A - 基于抛物面天线的星载sar波束扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达发射信号处理技术领域，具体涉及一种基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，步骤1设置完成一次V型扫描的周期T_r；步骤2设置扫描的子观测带数N；步骤3计算子观测带方位向分辨率ρ_v‑scan；步骤4计算组合观测带地距幅宽W_gr和方位向幅宽W_ga。本发明波束扫描方法相对于传统SAR扫描模式，从经济效益来说，不需要使用相控阵天线，使用抛物面天线即可实现，因此极大地节省了星载SAR天线的制造成本，有极高的性价比优势。从性能方面来说，连续的V型扫描使得方位向观测带宽度得到提高，方位向子观测带的衔接也会更好，有利于实现大场景高宽幅一次性成像。

Description

基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法

技术领域

本发明属于雷达发射信号处理技术领域，具体涉及一种基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法。

背景技术

随着空间信息技术的快速发展，控制和利用空间成为世界军事强国谋求的重要目标之一。星载合成孔径雷达(SAR)由于其不受天气、气候的影响，能全天时、全天候、高分辨率、大区域对地观测，已经成为空间对地观测的重要手段。星载SAR作为一种快速获取地表变化的有效手段，随着近年来的不断发展，已经广泛应用于国土测绘、资源调查、军事侦查、环境监测等诸多领域中。

自1978年第一颗SAR卫星成功发射以来，星载SAR系统的探测距离、成像分辨率和观测范围等性能也都逐步提高。进入21世纪后，随着合成孔径雷达应用领域的研究不断拓展和深入，越来越多的观测任务对SAR卫星的性能指标提出了更为苛刻的要求，不仅要求合成孔径雷达卫星具有一定的分辨率，还要求其能够实现对大面积定点区域进行不间断的观测，这就在重复观测周期、高宽幅、可视能力等方面对系统设计提出了新的挑战。

目前在轨的SAR卫星，均为低轨SAR(LEO SAR)，轨道高度通常在500km～1000km，由于轨道高度的限制，其可覆盖区域小，观测带窄，重复观测周期长，在很大程度上限制了其应用。如何实现星载SAR高宽幅成像，提高卫星的全轨利用率已经成为近些年来急需解决的问题。目前星载SAR提高观测带的做法是采用扫描工作模式。波束扫描模式是星载SAR的重要发展方向，通过波束扫描可以获得多条子观测带，通过子观测带的拼接得到纵向超宽的地面观测带(可达到500km以上)。该模式通过在若干个不同天线波位之间合理分配成像时间，得到全部组合观测带宽度上的连续的雷达图像。在波束扫描模式下，星载SAR的天线波束能在俯仰面内从一个位置快速转换到另一个位置，对不同的子观测带进行波束扫描和回波数据录取，大大扩展其一次通过观测地区时的观测带宽度，从而实现高宽幅成像。传统扫描模式虽然可以提高距离向观测带宽度，但方位向观测带宽度还是受限于固有天线波束宽度，并没有提高，并且方位向前后两个扫描周期的子带衔接性不强。再者，传统SAR扫描工作模式通常采用基于T/R组件的相控阵天线系统来进行电扫描，而每片T/R组件造价高昂，因此整个星载SAR天线的制造成本将大幅度提升，这也在一定程度上制约了星载SAR的发展和应用速度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，方法步骤包括：

步骤1，设置完成一次V型扫描的周期T_r；

其中R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，λ为发射信号波长，V_g为星载SAR天线波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小；

步骤2，设置扫描的子观测带数N；

其中ω_r为天线俯仰向扫描速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，D_r为天线俯仰向孔径大小，V_g为星载SAR波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小；

步骤3，计算子观测带方位向分辨率ρ_v-scan；

该扫描方法下方位分辨率为：

其中λ为发射信号波长，V_eq为卫星等效速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，ω_r为天线俯仰向扫描速度，D_r为天线俯仰向孔径大小；

步骤4，计算组合观测带地距幅宽W_gr和方位向幅宽W_ga；

完成一次V型扫描，组合观测带地距幅宽为：

其中R_e为地球半径，和分别为天线波束在最近端和最远端观测带时卫星和波束中心对应的地心角，W_gr1和W_gr2分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时波束瞬时覆盖地距幅宽；

组合观测带方位向幅宽为：

其中为各个观测带对应的卫星等效速度的平均值，T_r为一个V型扫描的周期，W_ga1为天线波束指向最近端观测带时波束瞬时覆盖方位向幅宽。

在本发明的一个实施例中，所述步骤1中SAR作用距离R_s表示如下：

其中R_e为地球半径，h为卫星轨道距离地面的高度为，γ为天线波束中心视角，φ为波束中心入射角；

卫星的空间速度V_s表示如下：

其中u为地球引力常数，且取值u＝3.98600436e14；

SAR天线波束地面覆盖区的速度V_g表示如下：

其中：为卫星和场景间的地心张角，当卫星绕赤道运行时，即为场景对应的纬度；同样正侧视情况下等效速度V_eq表示为：

在本发明的一个实施例中，所述步骤1中设置完成一次V型扫描的周期T_r，按如下步骤计算：

1a.天线方位向波束宽度为：

1b.波束瞬时覆盖方位向幅宽W_a为：

W_a＝R_sθ_bwa；

1c.要满足在第一子带内前后两个周期波束相切，则波束中心扫过的距离也应为W_a；由此可算出按V字形扫描来回一个周期的时间为：

其中λ为发射信号波长，D_a为天线方位向孔径大小，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，V_g为SAR波束地面覆盖区的速度。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2中设置扫描的子观测带数N，按如下步骤计算：

2a.从最近子观测带扫到最远子观测带的扫描时间为：

2b.若天线俯仰向扫描速度为ω_r，则单周期的扫描时间内可扫描的角度为：

θ_r＝ω_rT₀；

2c.天线俯仰向波束宽度为：

2e.相邻距离子观测带俯仰向扫描的角度为一个距离波束宽度θ_bwr，则距离向最多可以扫描的子带数为：

其中ω_r为天线俯仰向扫描速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，D_r为天线俯仰向孔径大小，V_g为SAR波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小。

在本发明的一个实施例中，所述步骤3中计算该扫描方法下方位分辨率ρ_v-scan，按如下步骤进行：

3a.考虑匀速扫描阶段，俯仰波束宽度为：

3b.波束沿俯仰向扫描速度为ω，则每个点被波束照射到的时间为

3c.故该扫描模式下方位分辨率为：

其中λ为发射信号波长，V_eq为卫星等效速度，R_s为作用距离，ω_r为天线俯仰向扫描速度，D_r为天线俯仰向孔径大小。

在本发明的一个实施例中，所述步骤4中完成一次V型扫描，组合观测带地距幅宽W_gr表示如下：

其中R_e为地球半径，和分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时卫星和波束中心对应的地心角，W_gr1和W_gr2分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时波束瞬时覆盖地距幅宽，可根据如下步骤计算：

天线波束中心视角为γ时，卫星与波束覆盖观测带的近端和远端对应的地心角分别为：

则此时地距覆盖为：

W_r＝R_e(θ₂-θ₁)

其中R_e为地球半径，h为卫星轨道距离地面的高度，λ为发射信号波长，D_a为天线方位向孔径大小；

天线扫描期间卫星等效速度在V_eq1～V_eq2范围内变化，取各个观测带对应的卫星等效速度的平均值计算可得，组合观测带方位向幅宽W_ga表示如下：

其中T_r为一个V形扫描的周期，W_ga1为天线波束指向最近端观测带时波束瞬时覆盖方位向幅宽。

本发明的有益效果：

本发明波束扫描方法相对于传统SAR扫描模式，从经济效益来说，不需要使用相控阵天线，使用抛物面天线即可实现，因此极大地节省了星载SAR天线的制造成本，有极高的性价比优势。从性能方面来说，连续的V型扫描使得方位向观测带宽度得到提高，方位向子观测带的衔接也会更好，有利于实现大场景高宽幅一次性成像。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的的流程框图；

图2是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的V型扫描工作模式示意图；

图3是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的工作几何关系图示意图；

图4是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的扫描时近端和远端观测带示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1，图1是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的的流程框图，方法步骤包括：

步骤1，设置完成一次V型扫描的周期T_r；

其中R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，λ为发射信号波长，V_g为星载SAR天线波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小；

步骤2，设置扫描的子观测带数N；

其中ω_r为天线俯仰向扫描速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，D_r为天线俯仰向孔径大小，V_g为星载SAR波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小；

步骤3，计算子观测带方位向分辨率ρ_v-scan；

该扫描方法下方位分辨率为：

其中λ为发射信号波长，V_eq为卫星等效速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，ω_r为天线俯仰向扫描速度，D_r为天线俯仰向孔径大小；

步骤4，计算组合观测带地距幅宽W_gr和方位向幅宽W_ga；

完成一次V型扫描，组合观测带地距幅宽为：

其中R_e为地球半径，和分别为天线波束在最近端和最远端观测带时卫星和波束中心对应的地心角，W_gr1和W_gr2分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时波束瞬时覆盖地距幅宽；

组合观测带方位向幅宽为：

其中为各个观测带对应的卫星等效速度的平均值，T_r为一个V型扫描的周期，W_ga1为天线波束指向最近端观测带时波束瞬时覆盖方位向幅宽。

具体的，请参见图2，图2是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的V型扫描工作模式示意图，天线波束首先指向最近端的子观测带并驻留足够长的时间，之后调整天线视角使波束指向下一个子观测带，依此类推。当卫星飞到最近端覆盖区的边缘时，波束处于最远端的子观测带处。这时波束又以最远端的子观测带为起点并驻留足够长时间，然后波束向着最近端的子观测带方向指向下一个子观测带，依此类推，直至最近端子观测带前后两个周期波束完成相切。至此，完成了一个完整的V型扫描过程。之后，开始重复前面的过程，使得最近端或最远端子观测带前后两个周期波束相切。

本发明波束扫描新方法相对于传统SAR扫描模式，从经济效益来说，不需要使用相控阵天线，使用抛物面天线即可实现，因此极大地节省了星载SAR天线的制造成本，有极高的性价比优势。从性能方面来说，连续的V型扫描使得方位向观测带宽度得到提高，方位向子观测带的衔接也会更好，有利于实现大场景高宽幅一次性成像。

在本发明的一个实施例中，请参见图3，图3是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的工作几何关系图示意图，所述步骤1中SAR作用距离R_s表示如下：

其中R_e为地球半径，h为卫星轨道距离地面的高度，γ为天线波束中心视角，φ为波束中心入射角；

卫星的空间速度V_s表示如下：

其中u为地球引力常数，且取值u＝3.98600436e14；

SAR天线波束地面覆盖区的速度V_g表示如下：

其中：为卫星和场景间的地心张角，当卫星绕赤道运行时，即为场景对应的纬度；同样正侧视情况下等效速度V_eq表示为：

进一步地，星载SAR工作几何模型，有如下关系式：

根据天线波束中心入射角φ可以得到天线波束中心视角γ：

同理可以得到SAR作用距离R_s：

同时，根据万有引力定理，处于稳定状态的卫星其运行速度与轨道高度有关，表达式如下

其中，中G为万有引力常数，M为地球质量，m为卫星质量，m₁为地球表面物体的质量，g为重力加速度。于是卫星的空间速度为：

其中u为地球引力常数，且取值u＝3.98600436e14；

相应的可以得到SAR天线波束地面覆盖区的速度(卫星地速)：

其中，为卫星和场景间的地心张角，当卫星绕赤道运行时，即为场景对应的纬度。同样正侧视情况下等效速度可以表示为：

在本发明的一个实施例中，所述步骤1中设置完成一次V型扫描的周期T_r，按如下步骤计算：

1a.天线方位向波束宽度为：

1b.波束瞬时覆盖方位向幅宽W_a为：

W_a＝R_sθ_bwa；

1c.要满足在第一子带内前后两个周期波束相切，则波束中心扫过的距离也应为W_a；由此可算出按V字形扫描来回一个周期的时间为：

其中λ为发射信号波长，D_a为天线方位向孔径大小，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，V_g为SAR波束地面覆盖区的速度。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2中设置扫描的子观测带数N，按如下步骤计算：

2a.从最近子观测带扫到最远子观测带的扫描时间为：

2b.若天线俯仰向扫描速度为ω_r，则单周期的扫描时间内可扫描的角度为：

θ_r＝ω_rT₀；

2c.天线俯仰向波束宽度为：

2e.相邻距离子观测带俯仰向扫描的角度为一个距离波束宽度θ_bwr，则距离向最多可以扫描的子带数为：

其中ω_r为天线俯仰向扫描速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，D_r为天线俯仰向孔径大小，V_g为SAR波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小。

在本发明的一个实施例中，所述步骤3中计算该扫描方法下方位分辨率ρ_v-scan，按如下步骤进行：

3a.考虑匀速扫描阶段，俯仰波束宽度为：

3b.波束沿俯仰向扫描速度为ω，则每个点被波束照射到的时间为

3c.故该扫描模式下方位分辨率为：

其中λ为发射信号波长，V_eq为卫星等效速度，R_s为作用距离，ω_r为天线俯仰向扫描速度，D_r为天线俯仰向孔径大小。

在本发明的一个实施例中，请参见图4，图4是本发明实施例提供的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法的扫描时近端和远端观测带示意图，所述步骤4中完成一次V型扫描，组合观测带地距幅宽W_gr表示如下：

其中R_e为地球半径，和分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时卫星和波束中心对应的地心角，W_gr1和W_gr2分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时波束瞬时覆盖地距幅宽，可根据如下步骤计算：

天线波束中心视角为γ时，卫星与波束覆盖观测带的近端和远端对应的地心角分别为：

则此时地距覆盖为：

W_r＝R_e(θ₂-θ₁)

其中R_e为地球半径，h为卫星轨道距离地面的高度，λ为发射信号波长，D_a为天线方位向孔径大小；

天线扫描期间卫星等效速度在V_eq1～V_eq2范围内变化，取各个观测带对应的卫星等效速度的平均值计算可得，组合观测带方位向幅宽W_ga表示如下：

其中T_r为一个V形扫描的周期，W_ga1为天线波束指向最近端观测带时波束瞬时覆盖方位向幅宽。

进一步地，计算波束在子观测带内的停留时间T_sub

按N个子观测带划分时，每个子观测带的驻留时间为：

其中λ为发射信号波长，ω_r为天线俯仰向扫描速度，D_a为天线方位向孔径大小。

本发明的效果可通过以下仿真实验作进一步说明：

1.本实验仿真参数如SAR系统仿真参数表所示。

SAR系统仿真参数表

2.仿真内容和结果分析

在SAR系统仿真参数表所示的仿真条件下，按本发明所提方法进行相关指标计算。

2.1幅宽计算

(1)中间状态；

地球半径R_e＝6371km，下视角γ＝30°，作用距离R_s＝585.1km，入射角φ＝32.63°，地心角等效速度V_eq＝7330.3m/s，波束瞬时覆盖为W_gr×W_ga＝7.23km×6.09km

(2)波束扫描至最远子带处时；

根据卫星天线运动情况，天线扫描至最远子带时波束中心下视角变化量Δγ＝6.3，对应的波束中心下视角变化范围为[γ-Δγ/2，γ+Δγ/2]，对应的地心角变换范围为：波束在近端和远端的波束覆盖范围分别为W_gr1×W_ga1＝6.75km×5.89km和W_gr2×W_ga2＝7.83km×6.33km，故整个V型扫描过程地距幅宽为此期间卫星等效速度在7052.4m/s～7330.3m/s范围内变化，取平均值计算可得，整个V型扫描过程方位向幅宽为

2.2方位分辨率计算；

考虑匀速扫描阶段，天线俯仰向波束宽度为波束沿距离向扫描速度为ω＝16.8°/s，则每个点被波束照射到的时间为故该扫描模式下方位分辨率为

根据计算例子，证明了本发明所提方法的有效性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，其特征在于，包括：

步骤1，设置完成一次V型扫描的周期T_r；

其中R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，λ为发射信号波长，V_g为星载SAR天线波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小；

步骤2，设置扫描的子观测带数N；

其中ω_r为天线俯仰向扫描速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，D_r为天线俯仰向孔径大小，V_g为星载SAR波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小；

步骤3，计算子观测带方位向分辨率ρ_v-scan；

该扫描方法下方位分辨率为：

其中λ为发射信号波长，V_eq为卫星等效速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，ω_r为天线俯仰向扫描速度，D_r为天线俯仰向孔径大小；

步骤4，计算组合观测带地距幅宽W_gr和方位向幅宽W_ga；

完成一次V型扫描，组合观测带地距幅宽为：

其中R_e为地球半径，和分别为天线波束在最近端和最远端观测带时卫星和波束中心对应的地心角，W_gr1和W_gr2分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时波束瞬时覆盖地距幅宽；

组合观测带方位向幅宽为：

其中为各个观测带对应的卫星等效速度的平均值，T_r为一个V型扫描的周期，W_ga1为天线波束指向最近端观测带时波束瞬时覆盖方位向幅宽。

2.根据权利要求1所述的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，其特征在于，所述步骤1中SAR作用距离R_s表示如下：

其中R_e为地球半径，h为卫星轨道距离地面的高度，γ为天线波束中心视角，φ为波束中心入射角；

卫星的空间速度V_s表示如下：

其中u为地球引力常数，且取值u＝3.98600436e14；

SAR天线波束地面覆盖区的速度V_g表示如下：

其中：为卫星和场景间的地心张角，当卫星绕赤道运行时，即为场景对应的纬度；同样正侧视情况下等效速度V_eq表示为：

3.根据权利要求1所述的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，其特征在于，所述步骤1中设置完成一次V型扫描的周期T_r，按如下步骤计算：

1a.天线方位向波束宽度为：

1b.波束瞬时覆盖方位向幅宽W_a为：

W_a＝R_sθ_bwa；

1c.要满足在第一子带内前后两个周期波束相切，则波束中心扫过的距离也应为W_a；由此可算出按V字形扫描来回一个周期的时间为：

其中λ为发射信号波长，D_a为天线方位向孔径大小，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，V_g为SAR波束地面覆盖区的速度。

4.根据权利要求1所述的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，其特征在于，所述步骤2中设置扫描的子观测带数N，按如下步骤计算：

2a.从最近子观测带扫到最远子观测带的扫描时间为：

2b.若天线俯仰向扫描速度为ω_r，则单周期的扫描时间内可扫描的角度为：

θ_r＝ω_rT₀；

2c.天线俯仰向波束宽度为：

2e.相邻距离子观测带俯仰向扫描的角度为一个距离波束宽度θ_bwr，则距离向最多可以扫描的子带数为：

其中ω_r为天线俯仰向扫描速度，R_s为波束指向最近端观测带时卫星与观测带间的距离，D_r为天线俯仰向孔径大小，V_g为SAR波束地面覆盖区的速度，D_a为天线方位向孔径大小。

5.根据权利要求1所述的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，其特征在于，所述步骤3中计算该扫描方法下方位分辨率ρ_v-scan，按如下步骤进行：

3a.考虑匀速扫描阶段，俯仰波束宽度为：

3b.波束沿俯仰向扫描速度为ω，则每个点被波束照射到的时间为

3c.故该扫描模式下方位分辨率为：

其中λ为发射信号波长，V_eq为卫星等效速度，R_s为作用距离，ω_r为天线俯仰向扫描速度，D_r为天线俯仰向孔径大小。

6.根据权利要求1所述的基于抛物面天线的星载SAR波束扫描方法，其特征在于，所述步骤4中完成一次V型扫描，组合观测带地距幅宽W_gr表示如下：

其中R_e为地球半径，和分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时卫星和波束中心对应的地心角，W_gr1和W_gr2分别为天线波束指向最近端和最远端观测带时波束瞬时覆盖地距幅宽，可根据如下步骤计算：

天线波束中心视角为γ时，卫星与波束覆盖观测带的近端和远端对应的地心角分别为：

则此时地距覆盖为：

W_r＝R_e(θ₂-θ₁)

其中R_e为地球半径，h为卫星轨道距离地面的高度，λ为发射信号波长，D_a为天线方位向孔径大小；

天线扫描期间卫星等效速度在V_eq1～V_eq2范围内变化，取各个观测带对应的卫星等效速度的平均值计算可得，组合观测带方位向幅宽W_ga表示如下：

其中T_r为一个V形扫描的周期，W_ga1为天线波束指向最近端观测带时波束瞬时覆盖方位向幅宽。