CN110286360B - 一种基于固定距离延迟的星载sar回波模拟及成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，涉及星载SAR系统研制及测试领域；包括如下步骤：步骤一、对延迟后的信号进行距离方向脉冲压缩，得到脉冲压缩后信号s1(tk,tm)；步骤二、重新抽取脉冲压缩后的回波信号s2(t'k,tm)；步骤三、计算该点目标沿方位向斜距历程R(tm)，对信号s2(t'k,tm)进行相位预补偿得到相位预补偿信号s3(t'k,tm)；步骤四、计算各网格点真实斜距历程Rij(tm)，通过sinc插值、相位补偿得到各网格点的子图像
Figure DDA0002112567160000011
步骤五、对子图像数据沿方位向相干叠加得到最终成像结果f(xi,yj)；本发明解决了SAR载荷测试过程中回波信号的真实斜距延迟无法模拟的问题。

Description

一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法
技术领域
本发明涉及一种星载SAR系统研制及测试领域，特别是一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法。
背景技术
由于星载合成孔径雷达(SAR)具有全天时，全天候，不受天气影响，具有较强的穿透性，且可以获得多频段多极化地物信息，得到了越来越多地关注。通过将卫星轨道提升至地球同步轨道，能提供更大的观测范围，更高的时间分辨率，实现一天内对区域的多次观测。随着轨道的提高，SAR卫星受地球自转影响，合成孔径时间长达上千秒，合成孔径时间内单个点目标距离走动严重，对SAR载荷的测试带来了巨大的挑战。
随着信号模拟及计算机仿真技术的日趋成熟，基于回波模拟器的星地全程回波延迟模拟仿真成为验证SAR有效载荷在轨性能评估的重要手段。目前，常用的SAR回波模拟设备都是基于光纤延迟线或数字延迟技术的回波模拟。由于光纤的低损耗、宽带及抗干扰强等优点，基于光纤延迟线的回波模拟设备在雷达领域中得到了广泛应用，但是基于光纤的延迟时间较短，一般都在几十纳秒到几百纳秒之间，并且基本都是固定的单一延迟时间，每个光纤延迟只能满足特定的应用范围，极大地限制了它在雷达系统中应用。对于地球同步轨道SAR而言，信号往返延迟达0.2s左右，光纤延迟方案根本无法使用。
采用数字技术实现信号的超大延迟，既节约成本，又可灵活配置，配合回波模拟技术，可实现雷达回波延迟功能。然而数字延迟回放方案需要对雷达射频信号进行采集，下变频到基带后采用数字延迟回放的形式进行星地间回波延迟的模拟，最后再通过上变频输出给SAR载荷接收系统，该方案实现过程复杂，且会对原始信号引入新的幅度及相位误差。同时，由于地球同步轨道SAR的长合成孔径时间和严重的距离走动，导致回波采样窗变宽，采集数据量极大，这对于数据采集及后续数据分析处理都带来了极大的困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，解决了SAR载荷测试过程中回波信号的真实斜距延迟无法模拟的问题。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，括如下步骤：
步骤一、SAR卫星发射信号至回拨模拟设备，设备进行固定延迟，将延迟后的信号反馈至SAR卫星；对延迟后的信号进行距离方向脉冲压缩，得到脉冲压缩后信号s1(tk,tm)；
步骤二、对脉冲压缩后信号s1(tk,tm)进行插值，找出每个方位向时间tm对应脉冲压缩峰值点位置Nmax(tm)；然后以每个Nmax(tm)为中心，Nc为距中心的边界，从边界范围内重新抽取脉冲压缩后的回波信号s2(t'k,tm)；s2(t'k,tm)为Nr×Na的矩阵；
步骤三、根据卫星的位置信息和需要模拟的地面点目标位置信息；计算该点目标沿方位向斜距历程R(tm)，根据R(tm)对信号s2(t'k,tm)进行相位预补偿得到相位预补偿信号s3(t'k,tm)；
步骤四、以(xt,yt)为中心进行地面点目标网格划分，然后根据地面成像区域各网格点坐标Pij(xi,yj)计算各网格点真实斜距历程Rij(tm)，通过sinc插值、相位补偿得到各网格点的子图像
Figure BDA0002112567140000021
步骤五、对子图像数据沿方位向相干叠加得到最终成像结果f(xi,yj)。
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述的步骤一中，脉冲压缩后信号s1(tk,tm)的计算方法为：
Figure BDA0002112567140000031
式中，tk为距离向时间；
tm为方位向时间；
c为光速；
γ为调频率；
Tp为发射雷达信号脉冲宽度；
Rc为固定距离延迟；
aa(tm)为方位窗函数；
j为复数；
exp{*}为求指数；
s1(tk,tm)为Nr×Na的矩阵；其中，Nr为距离向采样点数；Na为方位向。
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述的步骤二中，对脉冲压缩后信号s1(tk,tm)进行插值的差值倍数为Nc；Nc大于8的偶数。
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述的步骤三中，所述卫星的位置信息包括卫星在地心地固坐标系中的坐标(xs(tm)，ys(tm)，zs(tm))；地面点目标位置信息包括地面点目标的经度xt和纬度yt。
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述的步骤三中，该点目标沿方位向斜距历程R(tm)的计算方法为：
S1、根据地面点目标的经度xt和纬度yt计算该点目标在地心地固坐标系下的坐标(xECF，yECF，zECF)；
S2、根据卫星在地心地固坐标系中的坐标(xs(tm)，ys(tm)，zs(tm))和点目标在地心地固坐标系下的坐标(xECF，yECF，zECF)计算点目标沿方位向斜距历程R(tm)。
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，
所述S1中，xECF＝Recosytcosxt；yECF＝Recosytsinxt；zECF＝Resinyt；
所述S2中，
Figure BDA0002112567140000041
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述的步骤三中，相位预补偿信号s3(t'k,tm)为：
Figure BDA0002112567140000042
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述步骤四中，以(xt,yt)为中心进行地面点目标网格划分时，网格线条沿经纬度方向；相邻两条经度网格线间距为Δy；相邻两条纬度网格线间距为Δx；Δx和Δy均小于成像分辨率的
Figure BDA0002112567140000043
地面点目标网格划分的区域为成像分辨率的100倍。
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述的步骤四中，网格点的子图像
Figure BDA0002112567140000044
为：
Figure BDA0002112567140000045
式中，fs为采样频率；
Figure BDA0002112567140000046
在上述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，所述的步骤五中，对子图像数据沿方位向相干叠加的方法为：
Figure BDA0002112567140000047
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明基于固定距离延迟，并结合时域后向投影成像算法，利用sinc插值的方法在距离脉冲压缩后的信号中提取特定距离延迟回波信号，同时完成了回波延迟模拟及成像过程，避免了使用复杂的回波模拟设备；
(2)本发明不需要根据距离走动而增大采样窗宽，因此降低了采样数据量，进一步提高了测试效率。
附图说明
图1为本发明回波模拟及成像流程图；
图2为本发明地面点目标网格划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
为简化测试系统，提高测试效率，解决回波信号的真实斜距延迟无法模拟的问题，同时避免星载SAR较大距离走动导致的回波采样窗变宽，数据量较大的问题，需要对固定距离延迟的回波信号通过仿真的方法进行回波的回放。
本发明提供一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，简化了测试系统，提高了测试效率，解决了回波信号的真实斜距延迟无法模拟的问题，同时避免了星载SAR较大距离走动导致的回波采样窗变宽，数据量较大的问题。
如图1所示为回波模拟及成像流程图，由图可知，一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，括如下步骤：
步骤一、SAR卫星发射信号至回拨模拟设备，设备进行固定延迟，将延迟后的信号反馈至SAR卫星；对延迟后的信号进行距离方向脉冲压缩，得到脉冲压缩后信号s1(tk,tm)；脉冲压缩后信号s1(tk,tm)的为：
Figure BDA0002112567140000051
式中，tk为距离向时间；
tm为方位向时间；
c为光速；
γ为调频率；
Tp为发射雷达信号脉冲宽度；
Rc为固定距离延迟；
aa(tm)为方位窗函数；
j为复数；
exp{*}为求指数；
s1(tk,tm)为Nr×Na的矩阵；其中，Nr为距离向采样点数；Na为方位向。
步骤二、对脉冲压缩后信号s1(tk,tm)进行插值，对脉冲压缩后信号s1(tk,tm)进行插值的差值倍数为Nc；Nc大于8的偶数。找出每个方位向时间tm对应脉冲压缩峰值点位置Nmax(tm)；然后以每个Nmax(tm)为中心，Nc为距中心的边界，从边界范围内重新抽取脉冲压缩后的回波信号s2(t'k,tm)；s2(t'k,tm)为Nr×Na的矩阵；
步骤三、根据卫星的位置信息和需要模拟的地面点目标位置信息；所述卫星的位置信息包括卫星在地心地固坐标系中的坐标(xs(tm)，ys(tm)，zs(tm))；地面点目标位置信息包括地面点目标的经度xt和纬度yt。计算该点目标沿方位向斜距历程R(tm)，根据R(tm)对信号s2(t'k,tm)进行相位预补偿得到相位预补偿信号s3(t'k,tm)；
该点目标沿方位向斜距历程R(tm)的计算方法为：
S1、根据地面点目标的经度xt和纬度yt计算该点目标在地心地固坐标系下的坐标(xECF，yECF，zECF)；xECF＝Recosytcosxt；yECF＝Recosytsinxt；zECF＝Resinyt；
S2、根据卫星在地心地固坐标系中的坐标(xs(tm)，ys(tm)，zs(tm))和点目标在地心地固坐标系下的坐标(xECF，yECF，zECF)计算点目标沿方位向斜距历程R(tm)。
Figure BDA0002112567140000061
相位预补偿信号s3(t'k,tm)为：
Figure BDA0002112567140000062
步骤四、如图2所示为地面点目标网格划分示意图，由图可知，以(xt,yt)为中心进行地面点目标网格划分，然后根据地面成像区域各网格点坐标Pij(xi,yj)计算各网格点真实斜距历程Rij(tm)，通过sinc插值、相位补偿得到各网格点的子图像
Figure BDA0002112567140000071
以(xt,yt)为中心进行地面点目标网格划分时，网格线条沿经纬度方向；相邻两条经度网格线间距为Δy；相邻两条纬度网格线间距为Δx；Δx和Δy均小于成像分辨率的
Figure BDA0002112567140000072
地面点目标网格划分的区域为成像分辨率的100倍。
网格点的子图像
Figure BDA0002112567140000073
为：
Figure BDA0002112567140000074
式中，fs为采样频率；
Figure BDA0002112567140000075
步骤五、对子图像数据沿方位向相干叠加得到最终成像结果f(xi,yj)。
对子图像数据沿方位向相干叠加的方法为：
Figure BDA0002112567140000076
本发明方法基于固定距离延迟，并结合时域后向投影成像算法，利用sinc插值的方法在距离脉冲压缩后的信号中提取特定距离延迟回波信号，同时完成了回波延迟模拟及成像过程，避免了使用复杂的回波模拟设备，同时，该方法不需要根据距离走动而增大采样窗宽，因此降低了采样数据量，进一步提高了测试效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，其特征在于：括如下步骤：
步骤一、SAR卫星发射信号至回拨模拟设备，设备进行固定延迟，将延迟后的信号反馈至SAR卫星；对延迟后的信号进行距离方向脉冲压缩，得到脉冲压缩后信号s1(tk,tm)；
步骤二、对脉冲压缩后信号s1(tk,tm)进行插值，找出每个方位向时间tm对应脉冲压缩峰值点位置Nmax(tm)；然后以每个Nmax(tm)为中心，Nc为距中心的边界，从边界范围内重新抽取脉冲压缩后的回波信号s2(t'k,tm)；s2(t'k,tm)为Nr×Na的矩阵；对脉冲压缩后信号s1(tk,tm)进行插值的差值倍数为Nc；Nc大于8的偶数；
步骤三、根据卫星的位置信息和需要模拟的地面点目标位置信息；计算该点目标沿方位向斜距历程R(tm)，根据R(tm)对信号s2(t'k,tm)进行相位预补偿得到相位预补偿信号s3(t'k,tm)；相位预补偿信号s3(t'k,tm)为：
Figure FDA0002966050730000011
步骤四、以(xt,yt)为中心进行地面点目标网格划分，然后根据地面成像区域各网格点坐标Pij(xi,yj)计算各网格点真实斜距历程Rij(tm)，通过sinc插值、相位补偿得到各网格点的子图像
Figure FDA0002966050730000012
网格点的子图像
Figure FDA0002966050730000013
为：
Figure FDA0002966050730000014
式中，fs为采样频率；
Figure FDA0002966050730000015
步骤五、对子图像数据沿方位向相干叠加得到最终成像结果f(xi,yj)。
2.根据权利要求1所述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，其特征在于：所述的步骤一中，脉冲压缩后信号s1(tk,tm)的计算方法为：
Figure FDA0002966050730000021
式中，tk为距离向时间；
tm为方位向时间；
c为光速；
γ为调频率；
Tp为发射雷达信号脉冲宽度；
Rc为固定距离延迟；
aa(tm)为方位窗函数；
j为复数；
exp{*}为求指数；
s1(tk,tm)为Nr×Na的矩阵；其中，Nr为距离向采样点数；Na为方位向。
3.根据权利要求2所述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，其特征在于：所述的步骤三中，所述卫星的位置信息包括卫星在地心地固坐标系中的坐标(xs(tm)，ys(tm)，zs(tm))；地面点目标位置信息包括地面点目标的经度xt和纬度yt。
4.根据权利要求3所述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，其特征在于：所述的步骤三中，该点目标沿方位向斜距历程R(tm)的计算方法为：
S1、根据地面点目标的经度xt和纬度yt计算该点目标在地心地固坐标系下的坐标(xECF，yECF，zECF)；
S2、根据卫星在地心地固坐标系中的坐标(xs(tm)，ys(tm)，zs(tm))和点目标在地心地固坐标系下的坐标(xECF，yECF，zECF)计算点目标沿方位向斜距历程R(tm)。
5.根据权利要求4所述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，其特征在于：
所述S1中，xECF＝Recosytcosxt；yECF＝Recosytsinxt；zECF＝Resinyt；
所述S2中，
Figure FDA0002966050730000031
6.根据权利要求5所述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，其特征在于：所述步骤四中，以(xt,yt)为中心进行地面点目标网格划分时，网格线条沿经纬度方向；相邻两条经度网格线间距为Δy；相邻两条纬度网格线间距为Δx；Δx和Δy均小于成像分辨率的
Figure FDA0002966050730000032
地面点目标网格划分的区域为成像分辨率的100倍。
7.根据权利要求6所述的一种基于固定距离延迟的星载SAR回波模拟及成像方法，其特征在于：所述的步骤五中，对子图像数据沿方位向相干叠加的方法为：
Figure FDA0002966050730000033
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