CN110376587A - 一种基于空时采样方法的宽幅星载sar系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统，宽幅SAR系统是由Q个子测绘带拼接而成的，对应于每一个子测绘带上会有一个空时采样矩阵；第一方面对任意一个空时采样矩阵进行计算其最大互相关系数，再对最大互相关系数求系数均值；第二方面，根据一维高斯分布对空时采样矩阵进行调整，得到最优空时采样矩阵组；第三方面，将最优空时采样矩阵组赋给子测绘带；第四方面，为了避免星载SAR系统中发射脉冲遮挡，通过添加斜视角使每个子带工作在斜视状态，保证每个子测绘带的回波时延相同，以实现每个子测绘带的回波被完整接收，最终得到能够保证分辨率的情况下增大观测带宽度的宽幅SAR系统。本发明通过用低于奈奎斯特采样频次的采样率，改善了传统SAR系统不能同时实现高分辨率和宽测绘带的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种星载SAR系统，更特别地说，是指一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统。
背景技术
星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)是一种具有全天候、全天时的能力的成像系统，不受云、雨、雾、黑夜等自然条件的限制，在军事领域、地形测绘等许多领域有广泛的应用价值。星载SAR系统原始回波信号的模拟对SAR系统设计、成像算法研究等有重要意义。
1999年10月哈尔滨工业大学出版社出版、刘永坦编著的《雷达成像技术》指出，合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)安装在运动平台上，按照一定的重复频率发射、接收脉冲，形成回波信号。SAR系统的结构框图如图1所示，SAR系统包括有星上雷达系统、卫星平台及数据下传系统和地面系统三部分，对合成孔径雷达成像处理是在地面系统中完成的。地面系统通过地面接收站接收卫星平台及数据下传系统下发的回波信号，该回波信号经SAR信号处理器进行成像处理，获得SAR图像；所述SAR图像存储于备档操作系统中。
宽幅(wide swath)是指宽测绘带。高分辨率和宽测绘带是星载SAR系统的两个关键指标，它决定了成像质量和观测效率。SAR系统的发射机以某一脉冲重复频率发射脉冲信号，从目标区域接收回波。对于传统的SAR成像，脉冲重复频率应该满足奈奎斯特采样定律，大于瞬时多普勒带宽。否则，将会导致方位向频谱混叠，产生严重的距离模糊。另外，一个回波必须在一个脉冲重复周期内完全接收，所以幅宽的增加将会导致传统SAR系统分辨率的降低。
星载扫描合成孔径雷达(ScanSAR,Scan Synthetic Aperture Radar)在积累时间内改变其观测视角，而且能够大大扩展它一次通过观测地区时的观测带宽度。相应地，每个子测绘带上的积累时间减少，分辨率降低。为了改善ScanSAR系统中的扇贝效应，在2006年9月，Zan等人在发表的文章《TOPSAR:Terrain observation by progressive scans》中提出地形步进观测扫描模式(TOPSAR，Terrain observation by progressive scans)，同样地每个子测绘带上的积累时间减少，导致分辨率的降低。为避免这个问题，在2002年4月，N.Goodman等人在发表的文章《Processing of multiple-receiver spaceborne arraysfor wide-area SAR》中提出多通道系统，其中一个通道发射脉冲，多个通道同时接收回波，提供了更多的空间采样，以实现宽测绘带的目的。但是多通道模式的等效脉冲重复频率仍然满足奈奎斯特采样定理，并且多通道系统较为复杂。
本发明将突破奈奎斯特采样定理，提出一种空时采样数据获取方法实现单通道宽幅SAR系统，该系统在保证分辨率的前提下，增大了测绘带宽度。
发明内容
为了实现在保证分辨率的情况下增大SAR系统的宽测绘带的目的，本发明提出一种可用于合成孔径雷达系统方位向上的基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统。本发明系统通过用低于奈奎斯特采样频次的采样率，改善了传统SAR系统不能同时实现高分辨率和宽测绘带的问题。
本发明的一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统的构建包括有下列六个步骤：
第一步：建立SAR系统与地面场景之间的几何运动模型，构建在各个采样时刻各个场景点对应的斜距矩阵R；
第二步：基于第一步的斜距矩阵，构建在奈奎斯特采样频率下SAR方位向上的观测矩阵D；
第三步：将第二步中的观测矩阵D，按行随机划分为Q个矩阵；
第四步：分别计算第三步中Q个矩阵的相关系数，然后求Q个相关系数的均值，通过调整第三步中的随机性使这个均值达到最小；
第五步：对于相关系数均值最小的Q个矩阵中每个矩阵，将Q个观测矩阵对应于Q个子测绘带，最终得到宽幅SAR系统；
第六步：为了避免发射脉冲遮挡，除了最高视角的子测绘带外，使每个子带工作在斜视状态，保证每个子测绘带的回波时延相同，以实现每个子测绘带的回波被完整接收，最终得到宽幅SAR系统。
在合成孔径雷达系统中，应用本发明的方法具有如下优点：与传统的SAR系统相比，本发明方法可以在方位向实现子奈奎斯特观测，方位向采样不再完全受限于奈奎斯特采样定理。本发明实现宽幅合成孔径雷达系统受限于目标的稀疏性，故该发明主要应用于稀疏场景，例如有舰船目标的海洋。利用本发明中的空时采样方法，可以实现在保证分辨率的情况下增大观测带宽度。
附图说明
图1是传统SAR系统的结构框图。
图2是传统SAR系统的采样方法示意图。
图3是采用空时采样方法的SAR系统的示意图。
图4是空时采样时发射的脉冲和接收的回波的示意图。
图5是基于空时采样的宽幅SAR系统的结构图。
图6是采用本发明系统的空时采样海洋场景重建的结果照片。
图7是传统采样海洋场景重建的结果照片。
具体实施方式
下面将结合附图和仿真实例对本发明做进一步的详细说明。
本发明设计的基于空时采样方法的宽幅SAR系统是在发射机和接收机中收发开关中进行实现的，如图3所示。在本发明中，是将传统SAR系统中N次奈奎斯特采样(如图2所示)随机地分配给Q个子测绘带，然后基于压缩感知理论，得到在保证分辨率下的宽测绘带SAR系统。而针对每个子带上观测的示意图和整个宽幅观测系统的示意图，分别如图4、5所示。
在图2和图3中，一个积累时间里存在有多个采样时刻，即t1表示第一个采样时刻，t2表示第一个采样时刻，tn表示第n个采样时刻，tN表示最后一个采样时刻，下角标n为采样点标识号，下角标N为方位向采样点总个数。为了方便说明，tn也称为任意一个采样点。
本发明为一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统进行的采样处理包括有下列六个步骤：
第一步：建立星载SAR空间几何关系，并构建在每个采样时刻各个场景点对应的斜距矩阵R；
在本发明中，SAR系统与场景之间的距离由星载空间几何关系确定，在不同采样时刻，对于不同场景点，得到的斜距矩阵R形式表示为：
N表示在满足奈奎斯特率采样定理下的方位向采样点总个数；
M表示同一个距离门上的场景点总个数；
n是一个变量，取值范围1至N，表示为方位向第n个采样点；
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个场景点；
r1,1表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统到第1个场景点的距离；
r1,2表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统到第2个场景点的距离；
r1,m表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统到第m个场景点的距离；
r1,M表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统到第M个场景点的距离；
r2,1表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统到第1个场景点的距离；
rn,1表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统到第1个场景点的距离；
rN,1表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统到第1个场景点的距离；
r2,2表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统到第2个场景点的距离；
rn,2表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统到第2个场景点的距离；
rN,2表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统到第2个场景点的距离；
r2,m表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统到第m个场景点的距离；
rn,m表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统到第m个场景点的距离；
rN,m表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统到第m个场景点的距离；
r2,M表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统到第M个场景点的距离；
rn,M表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统到第M个场景点的距离；
rN,M表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统到第M个场景点的距离。
在本发明中，“星载空间几何关系”参考《合成孔径雷达卫星》，魏钟铨等著，2001年2月第一版，第132－135页。
在本发明中，在不转动地心坐标系中计算斜距矩阵R中任意一个距离rn,m，关于所述rn,m的计算参考了《合成孔径雷达卫星》，魏钟铨等著，2001年2月第一版，第135－137页的公式(7.15)、公式(7.16)、公式(7.18)。同时所述rn,m需要考虑过近心点时刻和SAR系统开机时刻之间的时间差。
第二步：依据斜距矩阵构建在奈奎斯特采样频率下SAR方位向上的观测矩阵；
在本发明中，在不同采样时刻，对于不同场景点，得到的观测矩阵D形式表示为：
N表示在满足奈奎斯特率采样定理下的方位向采样点总个数；
M表示同一个距离门上的场景点总个数；
n是一个变量，取值范围1至N，表示为方位向第n个采样点；
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个场景点；
d1,1表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统收到第1个场景点的方位向信息；
d1,2表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统收到第2个场景点的方位向信息；
d1,m表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统收到第m个场景点的方位向信息；
d1,M表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统收到第M个场景点的方位向信息；
d2,1表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统收到第1个场景点的方位向信息；
dn,1表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统收到第1个场景点的方位向信息；
dN,1表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统收到第1个场景点的方位向信息；
d2,2表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统收到第2个场景点的方位向信息；
dn,2表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统收到第2个场景点的方位向信息；
dN,2表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统收到第2个场景点的方位向信息；
d2,m表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统收到第m个场景点的方位向信息；
dn,m表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统收到第m个场景点的方位向信息；
dN,m表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统收到第m个场景点的方位向信息；
d2,M表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统收到第M个场景点的方位向信息；
dn,M表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统收到第M个场景点的方位向信息；
dN,M表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统收到第M个场景点的方位向信息。
在本发明中，由于观测矩阵D的采样时刻与斜距矩阵R的采样时刻是相同的，且二都之间的矩阵中元素是一一对应的。考虑到SAR系统实际工作中受天线系统的控制，所以采用天线决定的控制矩阵和斜距矩阵R对观测矩阵D进行表示，则有D＝G*W，其中“*”为矩阵对应元素相乘，G为由多普勒运动造成的对斜距矩阵R的影响，W为相控阵天线造成的控制矩阵。
由多普勒运动造成的对斜距矩阵R的影响G表示为：
其中，ε为虚数单位，λ为SAR系统的波长，π的取值为3.1415。
相控阵天线造成的控制矩阵W表示为：
N表示在满足奈奎斯特率采样定理下的方位向采样点总个数；
M表示同一个距离门上的场景点总个数；
n是一个变量，取值范围1至N，表示为方位向第n个采样点；
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个场景点；
w1,1表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第1个场景点；
w1,2表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第2个场景点；
w1,m表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第m个场景点；
w1,M表示沿方位向上采集到的第1个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第M个场景点；
w2,1表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第1个场景点；
wn,1表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第1个场景点；
wN,1表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第1个场景点；
w2,2表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第2个场景点；
wn,2表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第2个场景点；
wN,2表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第2个场景点；
w2,m表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第m个场景点；
wn,m表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第m个场景点；
wN,m表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第m个场景点；
w2,M表示沿方位向上采集到的第2个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第M个场景点；
wn,M表示沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第M个场景点；
wN,M表示沿方位向上采集到的第N个方位时刻SAR系统的天线主瓣能否观测到第M个场景点。
在本发明中，对于wn,m的取值是以SAR系统的天线主瓣在第n个采样时刻是否能够观测到第m个场景点来选取的，若能够观测到第m个场景点，则wn,m赋值为1；若不能观测到第m个场景点，则wn,m赋值为0；则所述W转换为天线控制矩阵，记为W天线；所述W天线表示为：
第三步：将观测矩阵D中的元素按行向量随机划分为一组行数为L的Q个空时采样矩阵；
将观测矩阵D写成行向量的形式，然后将所述D中的行向量随机地分配给Q个空时采样矩阵O。
Q个空时采样矩阵的行数为其中表示下取整函数，N表示在满足奈奎斯特率采样定理下的方位向采样点总个数。
在本发明中，宽幅SAR系统是由Q个子测绘带拼接而成的，对应于每一个子测绘带上会有一个空时采样矩阵，即Q个子测绘带上对应的空时采样矩阵分别记为O1,O2,…,Oq,…,OQ，其中，O1表示第一个子测绘带上的第一个空时采样矩阵，O2表示第二个子测绘带上的第二个空时采样矩阵，Oq表示第q个子测绘带上的第q个空时采样矩阵，上角标q表示子测绘带的标识号，也称为任意一个子测绘带上的空时采样矩阵，OQ表示第Q个子测绘带上的第Q个空时采样矩阵，也称为最后一个子测绘带上的空时采样矩阵，上角标Q表示子测绘带的总个数。
所述第一个空时采样矩阵O1表征为：
L表示空时采样矩阵中的行数，也是在降采样后的方位向采样点数；
M表示同一个距离门上的场景点数；
l是一个变量，取值范围1至L，表示为方位向第l个点；
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个点；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素。
同理，所述第二个空时采样矩阵O2表征为：
其中，表示第二个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素。其余的说明参考第一个空时采样矩阵O1的解释。
同理，所述任意一个空时采样矩阵Oq表征为：
其中，表示任意一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素。其余的说明参考第一个空时采样矩阵O1的解释。
同理，所述最后一个空时采样矩阵OQ表征为：
其中，表示最后一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素。其余的说明参考第一个空时采样矩阵O1的解释。
第四步：计算每个空时采样矩阵的最大互相关系数和每组矩阵的矩阵系数均值，通过调整第三步中的随机性使这个均值达到最小，并保存相对应的一组空时采样矩阵；
步骤401，将各个空时采样矩阵表示为由列向量组成的形式；执行步骤402；
第一个空时采样矩阵O1表示为由列向量组成的形式，记为第一个列向－空时采样矩阵
M表示同一个距离门上的场景点数。
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个点。
表示第一个空时采样矩阵O1中的第1个列向量。
表示第一个空时采样矩阵O1中的第2个列向量。
表示第一个空时采样矩阵O1中的第m个列向量。
表示第一个空时采样矩阵O1中的第M个列向量。
第二个空时采样矩阵O2表示为由列向量组成的形式，记为第二个列向－空时采样矩阵
M表示同一个距离门上的场景点数。
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个点。
表示第二个空时采样矩阵O2中的第1个列向量。
表示第二个空时采样矩阵O2中的第2个列向量。
表示第二个空时采样矩阵O2中的第m个列向量。
表示第二个空时采样矩阵O2中的第M个列向量。
任意一个空时采样矩阵Oq表示为由列向量组成的形式，记为任意一个列向－空时采样矩阵
M表示同一个距离门上的场景点数。
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个点。
表示任意一个空时采样矩阵Oq中的第1个列向量。
表示任意一个空时采样矩阵Oq中的第2个列向量。
表示任意一个空时采样矩阵Oq中的第m个列向量。
表示任意一个空时采样矩阵Oq中的第M个列向量。
最后一个空时采样矩阵OQ表示为由列向量组成的形式，记为最后一个列向－空时采样矩阵
M表示同一个距离门上的场景点数。
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个点。
表示最后一个空时采样矩阵OQ中的第1个列向量。
表示最后一个空时采样矩阵OQ中的第2个列向量。
表示最后一个空时采样矩阵OQ中的第m个列向量。
表示最后一个空时采样矩阵OQ中的第M个列向量。
步骤402，设置列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系记为执行步骤403；
在本发明中，uq表示列向－空时采样矩阵的最大互相关系数，表示任意一个空时采样矩阵中的第i列向量，表示任意一个空时采样矩阵中的第j列向量，下角标i表示任意一个空时采样矩阵中的第一个任意列序号，下角标j表示任意一个空时采样矩阵中的第二个任意列序号，且i≠j。
步骤403，计算各个列向－空时采样矩阵的最大互相关系数；执行步骤404；
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到第一个列向－空时采样矩阵的第一个最大互相关系数u1，即u1表示列向－空时采样矩阵的第一个最大互相关系数，表示第一个空时采样矩阵中的第i列向量，表示第一个空时采样矩阵中的第j列向量。
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到第二个列向－空时采样矩阵的第二个最大互相关系数u2，即u2表示列向－空时采样矩阵的第二个最大互相关系数，表示第二个空时采样矩阵中的第i列向量，表示第二个空时采样矩阵中的第j列向量。
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到任意一个列向－空时采样矩阵的任意一个最大互相关系数uq，即uq表示列向－空时采样矩阵的最大互相关系数，表示任意一个空时采样矩阵中的第i列向量，表示任意一个空时采样矩阵中的第j列向量，下角标i表示任意一个空时采样矩阵中的第一个任意列序号，下角标j表示任意一个空时采样矩阵中的第二个任意列序号，且i≠j。
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到最后一个列向－空时采样矩阵的最后一个最大互相关系数uQ，即uQ表示列向－空时采样矩阵的最后一个最大互相关系数，表示最后一个空时采样矩阵中的第i列向量，表示最后一个空时采样矩阵中的第j列向量。
步骤404，计算最大互相关系数均值执行步骤405；
在本发明中，一维高斯公布参考《随机过程理论》，周荫清主编，2006年10月第1次印刷，第153页内容。
步骤405，利用一维高斯分布重复调整步骤三中的各个空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ；直至输出的最大互相关系数均值为最小；执行步骤406；
步骤4051，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第一次调整，得到第一次调整后的第一组空时采样矩阵，简称为第一组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第一次调整的最大互相关系数均值执行步骤4052；
表示第一组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示第一组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示第一组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示第一组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
步骤4052，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第二次调整，得到第二次调整后的第二组空时采样矩阵，简称为第二组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第二次调整的最大互相关系数均值执行步骤4053；
表示第二组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示第二组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵。表示第二组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵。表示第二组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵。参考的说明。
步骤4053，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第l次调整，得到第l次调整后的第l组空时采样矩阵，简称为第l组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第l次调整的最大互相关系数均值执行步骤4054；
表示第l组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示第l组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示第l组调整矩阵中的第l个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示第l组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
步骤4054，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第L次调整，得到第L次调整后的第L组空时采样矩阵，简称为第L组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第L次调整的最大互相关系数均值执行步骤406；
表示最后一组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示最后一组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示最后一组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
表示最后一组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵。表示属于的第一个列向量。表示属于的第二个列向量。表示属于的第m个列向量。表示属于的最后一个列向量。
步骤406，从u均值、和中选取出最小的系数均值，记为umin；然后将所述umin对应的一组空时采样矩阵输出给步骤五；为了方便说明，所述umin对应的一组空时采样矩阵也称为最优空时采样矩阵组MVO1,MVO2,…,MVOq,…,MVOQ，MVO1为最优空时采样矩阵组中第一个空时采样矩阵，MVO2为最优空时采样矩阵组中第二个空时采样矩阵，MVOq为最优空时采样矩阵组中第q个空时采样矩阵，MVOQ为最优空时采样矩阵组中最后一个空时采样矩阵。
第五步：将最优空时采样矩阵组中的Q个空时采样矩阵对应于Q个子测绘带，最终得到宽幅SAR系统；
参见图3和图5所示，在本发明中，由于空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ的行是从观测矩阵D中随机抽取的，最终获得最优空时采样矩阵组MVO1,MVO2,…,MVOq,…,MVOQ；该MVO1,MVO2,…,MVOq,…,MVOQ对应于观测矩阵D中行的每个序号为：
所述MVO1对应的修正后的行序号为其中：
L表示空时采样矩阵中的行数，也是在降采样后的方位向采样点数；
l是一个变量，取值范围1至L，表示为方位向第l个点；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲。
所述MVO2对应的修正后的行序号为其中：
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲。
所述MVOq对应的修正后的行序号为其中：
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲。
所述MVOQ对应的修正后的行序号为其中：
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲。
第六步：为了避免星载SAR系统中发射脉冲遮挡，除了最高视角的子测绘带外，通过添加斜视角使每个子带工作在斜视状态，保证每个子测绘带的回波时延相同，以实现每个子测绘带的回波被完整接收，最终得到宽幅SAR系统；
参见图4所示，星载SAR系统在空时采样中，由于观测幅宽是超宽幅，且发射脉冲和接收回波之间可能发射冲突，为了避免不同子测绘带回波的重叠，采用添加斜视角使得所有子测绘带回波的时延相同。除了具有最大观测入射角的子测绘带处于正侧视状态，每个子测绘带的斜视角为：
θq＝arccos(Rmq/RmQ),0≤θq≤π/2
其中，θq表示在任意一子测绘带上添加的斜视角，上角标q表示子测绘带，Rmq表示任意一子测绘带波束中心的斜距，RmQ表示最后一子测绘带波束中心的斜距。当子测绘带离星下点越近，则斜视角越大。
当距离向天线波束指向从一个子测绘带跳转到另一个子测绘带时，相应的方位向天线也从一个固定的斜视角旋转到另一个固定的斜视角。天线的旋转角度是离散的、随机变化地，且仅有Q个值。经过斜视机制后，所有子测绘带有相同的回波时延，发射脉冲的脉冲重复频率是固定的。因此，从发射机的收发角度来看，类似于传统SAR系统中一个子测绘带的发射和接收方法，捷变扫描观测方法也是类似的，即发射一个脉冲和接收一个回波。
仿真实例
在基于图1所示的SAR系统的SAR信号处理器的平台上，采用本发明中空时采样方法进行仿真，其参数设置如下表1：
表1成像参数设置
| 轨道高度(km) | 693 |
| 波长(m) | 0.0555 |
| 信号带宽(MHz) | 100 |
| 天线高度(m) | 8.93 |
| 天线长度(m) | 3.793 |
| 平均功率(W) | 1413 |
| 入射角(°) | 38.73～43.50 |
| 斜视角(°) | 0 |
| 脉冲重复频率(Hz) | 1947 |
为了说明重建的性能，宽幅SAR系统的空时采样海洋场景重建的结果如图6所示，传统SAR系统的海洋场景重建的结果如图7所示，从图6和图7的对比中可以看出，采用本发明空时采样方法重建的结果来看，采用了sub-Nyquist采样样本，基于压缩感知理论，使得大多数目标细节保留，所以该采样方法可用于实现宽幅系统。
Claims (4)
1.一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统，其特征在于采样处理包括有下列六个步骤：
第一步：建立星载SAR空间几何关系，并构建在每个采样时刻各个场景点对应的斜距矩阵R；
SAR系统与场景之间的距离由星载空间几何关系确定，在不同采样时刻，对于不同场景点，得到的斜距矩阵R；
第二步：依据斜距矩阵构建在奈奎斯特采样频率下SAR方位向上的观测矩阵；
在不同采样时刻，对于不同场景点，得到的观测矩阵D；
第三步：将观测矩阵D中的元素按行向量随机划分为一组行数为L的Q个空时采样矩阵；
将观测矩阵D写成行向量的形式，然后将所述D中的行向量随机地分配给Q个空时采样矩阵O；
Q个空时采样矩阵的行数为其中表示下取整函数，N表示在满足奈奎斯特率采样定理下的方位向采样点总个数；
宽幅SAR系统是由Q个子测绘带拼接而成的，对应于每一个子测绘带上会有一个空时采样矩阵，即Q个子测绘带上对应的空时采样矩阵分别记为O1,O2,…,Oq,…,OQ，其中，O1表示第一个子测绘带上的第一个空时采样矩阵，O2表示第二个子测绘带上的第二个空时采样矩阵，Oq表示第q个子测绘带上的第q个空时采样矩阵，上角标q表示子测绘带的标识号，也称为任意一个子测绘带上的空时采样矩阵，OQ表示第Q个子测绘带上的第Q个空时采样矩阵，也称为最后一个子测绘带上的空时采样矩阵，上角标Q表示子测绘带的总个数；
所述第一个空时采样矩阵O1表征为
L表示空时采样矩阵中的行数，也是在降采样后的方位向采样点数；
M表示同一个距离门上的场景点数；
l是一个变量，取值范围1至L，表示为方位向第l个点；
m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个点；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；
表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；
同理，所述第二个空时采样矩阵O2表征为其中，表示第二个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
同理，所述任意一个空时采样矩阵Oq表征为其中，表示任意一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
同理，所述最后一个空时采样矩阵OQ表征为其中，表示最后一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；
第四步：计算每个空时采样矩阵的最大互相关系数和每组矩阵的矩阵系数均值，通过调整第三步中的随机性使这个均值达到最小，并保存相对应的一组空时采样矩阵；
步骤401，将各个空时采样矩阵表示为由列向量组成的形式；执行步骤402；
第一个空时采样矩阵O1表示为由列向量组成的形式，记为第一个列向－空时采样矩阵
步骤402，设置列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系记为执行步骤403；
uq表示列向－空时采样矩阵的最大互相关系数，表示任意一个空时采样矩阵中的第i列向量，表示任意一个空时采样矩阵中的第j列向量，下角标i表示任意一个空时采样矩阵中的第一个任意列序号，下角标j表示任意一个空时采样矩阵中的第二个任意列序号，且i≠j；
步骤403，计算各个列向－空时采样矩阵的最大互相关系数；执行步骤404；
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到第一个列向－空时采样矩阵的第一个最大互相关系数u1，即
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到第二个列向－空时采样矩阵的第二个最大互相关系数u2，即
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到任意一个列向－空时采样矩阵的任意一个最大互相关系数uq，即
利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到最后一个列向－空时采样矩阵的最后一个最大互相关系数uQ，即
步骤404，计算最大互相关系数均值执行步骤405；
步骤405，利用一维高斯分布重复调整步骤三中的各个空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ；直至输出的最大互相关系数均值为最小；执行步骤406；
步骤4051，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第一次调整，得到第一次调整后的第一组空时采样矩阵，简称为第一组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第一次调整的最大互相关系数均值执行步骤4052；
表示第一组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示第一组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示第一组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示第一组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
步骤4052，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第二次调整，得到第二次调整后的第二组空时采样矩阵，简称为第二组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第二次调整的最大互相关系数均值执行步骤4053；
表示第二组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示第二组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；
表示第二组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵；
表示第二组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；
步骤4053，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第l次调整，得到第l次调整后的第l组空时采样矩阵，简称为第l组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第l次调整的最大互相关系数均值执行步骤4054；
表示第l组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示第l组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示第l组调整矩阵中的第l个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示第l组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
步骤4054，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O1,O2,…,Oq,…,OQ进行第L次调整，得到第L次调整后的第L组空时采样矩阵，简称为第L组调整矩阵所述 和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第L次调整的最大互相关系数均值执行步骤406；
表示最后一组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示最后一组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示最后一组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
表示最后一组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；
步骤406，从u均值、和中选取出最小的系数均值，记为umin；然后将所述umin对应的一组空时采样矩阵组MVO1,MVO2,…,MVOq,…,MVOQ输出给步骤五；
第五步：将最优空时采样矩阵组中的Q个空时采样矩阵对应于Q个子测绘带，最终得到宽幅SAR系统；
采用MVO1,MVO2,…,MVOq,…,MVOQ对应于观测矩阵D中行的每个序号为：
所述MVO1对应的修正后的行序号为其中：
L表示空时采样矩阵中的行数，也是在降采样后的方位向采样点数；
l是一个变量，取值范围1至L，表示为方位向第l个点；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；
所述MVO2对应的修正后的行序号为其中：
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；
所述MVOq对应的修正后的行序号为其中：
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；
所述MVOQ对应的修正后的行序号为其中：
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；
表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；
第六步：为了避免星载SAR系统中发射脉冲遮挡，除了最高视角的子测绘带外，通过添加斜视角使每个子带工作在斜视状态，保证每个子测绘带的回波时延相同，以实现每个子测绘带的回波被完整接收，最终得到宽幅SAR系统；
为了避免不同子测绘带回波的重叠，采用添加斜视角使得所有子测绘带回波的时延相同，除了具有最大观测入射角的子测绘带处于正侧视状态，每个子测绘带的斜视角为θq＝arccos(Rmq/RmQ),0≤θq≤π/2；θq表示在任意一子测绘带上添加的斜视角，上角标q表示子测绘带，Rmq表示任意一子测绘带波束中心的斜距，RmQ表示最后一子测绘带波束中心的斜距；当子测绘带离星下点越近，则斜视角越大。
2.根据权利要求1所述的基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统，其特征在于：在第二步中，由于观测矩阵D的采样时刻与斜距矩阵R的采样时刻是相同的，且二都之间的矩阵中元素是一一对应的；考虑到SAR系统实际工作中受天线系统的控制，所以采用天线决定的控制矩阵和斜距矩阵R对观测矩阵D进行表示，则有D＝G*W；其中“*”为矩阵对应元素相乘，G为由多普勒运动造成的对斜距矩阵R的影响，W为相控阵天线造成的控制矩阵；
由多普勒运动造成的对斜距矩阵R的影响G表示为：
其中，ε为虚数单位，λ为SAR系统的波长，π的取值为3.1415；
相控阵天线造成的控制矩阵W表示为：
3.根据权利要求1所述的基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统，其特征在于：第一步中的沿方位向上采集到的第n个方位时刻SAR系统到第m个场景点的距离rn,m需要考虑过近心点时刻和SAR系统开机时刻之间的时间差。
4.根据权利要求1所述的基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统，其特征在于：是在发射机和接收机中收发开关中进行实现的。
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