CN111948650A - 基于电扫描的星载双基地sar联合多普勒导引方法 - Google Patents

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丁泽刚
李喆
曾涛
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Abstract

本发明公开了一种基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法。使用本发明能够解决现有高频段星载双基地SAR的波束失配和偏航导引失效的问题，实现了在不降低方位分辨率的前提下抑制多普勒中心的变化。本发明采用主、从卫星联合多普勒导引，即：主、从卫星波束同步且总多普勒中心为零；同时，通过横滚向、俯仰向两个方向的电扫描，拟合等效偏航角。本发明以解析形式给出了以波束电扫描多普勒导引代替传统的基于偏航控制的多普勒导引的方法，显著提升了多普勒导引的适用范围与灵活性，且实现了在不降低方位分辨率的前提下抑制多普勒中心的变化。

Description

基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)技术领域，具体涉及一种基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法。
背景技术
星载双基地SAR是星载SAR的一种重要工作模式。相对于传统星载SAR，星载双基地SAR在三维成像、动目标检测、散射信息精确描述等方面具有显著优势。目前，星载双基地SAR造价高昂，其实际应用受成本限制较大。因此，用低成本小卫星代替高成本大卫星的方法吸引了很多人的关注。然而，虽然小卫星具有一定的成本优势，但小卫星平台的稳定性通常劣于大卫星，采用传统的侧向天线将大大增加姿态控制的难度。为确保整星具有较好稳定性，通常将较重的相控阵天线以指向星下点的方式安装，再通过电扫描的方式将波束调整到所需方向。
多普勒导引是指星载SAR通过调整波束指向来抵消地球自转对回波信号多普勒中心调制的方法，包括电扫描方式和机械扫描方式。偏航控制是实现多普勒导引的一种重要手段。对于星载双基地SAR，传统的多普勒导引方法是分别对主、从卫星进行基于偏航控制的独立导引。然而，对于具有星下点天线指向的小卫星，该多普勒导引方法不再有效，理由如下：第一，当卫星天线斜向安装时，波束指向会随偏航角变化；但当卫星天线具有星下点指向时，改变偏航角不再改变天线的波束指向，即不再影响回波信号的多普勒中心频率；第二，当星载SAR工作于高频段(高于X波段)时，雷达波束较窄，主、从卫星独立导引将造成波束失配，积累角度降低，最终导致方位向分辨率损失，当双星基线较长时，该分辨率损失将尤为明显。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，能够解决现有高频段星载双基地SAR的波束失配和偏航导引失效的问题，实现了在不降低方位分辨率的前提下抑制多普勒中心的变化。
本发明的基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，采用主、从卫星联合多普勒导引，即：主、从卫星波束同步且总多普勒中心为零；同时，通过横滚向、俯仰向两个方向的电扫描，拟合等效偏航角。
较优的，在总多普勒中心为零的约束下，主、从卫星的多普勒中心满足如式(1)、(2)所示关系：
Figure BDA0002561023420000021
fDop1+fDop2＝0 (2)
其中，fDop1和fDop2分别为主、从卫星的多普勒中心；vs1和vs2分别为主、从卫星的线速度，γ1和γ2分别为主、从卫星的下视角，θ1和θ2分别为主、从卫星的等效偏航角，ω1和ω2分别为主、从卫星的角速度，β1和β2分别为主、从卫星的纬度幅角，
Figure BDA0002561023420000022
和
Figure BDA0002561023420000023
分别为主、从卫星的轨道倾角，λ为雷达波长，ωe为地球自转角速度。
较优的，在波束同步的约束下，从卫星的下视角γ2和等效偏航角θ2根据式(3)、(4)由主卫星下视角γ1、主卫星等效偏航角θ1和从卫星坐标(x2,y2,z2)求出：
Figure BDA0002561023420000024
Figure BDA0002561023420000031
其中，(x3,y3,z3)为照射点T的坐标；R为主卫星的斜距。
较优的，在先横滚向后俯仰向的顺序下，横滚向电扫描角θr和俯仰向电扫描角θp由式(5)计算：
Figure BDA0002561023420000032
其中，γ1为主卫星的下视角，θ1为主卫星的等效偏航角。
较优的，在先俯仰向后横滚向的顺序下，横滚向电扫描角θr和俯仰向电扫描角θp由式(6)计算：
Figure BDA0002561023420000033
其中，γ1为主卫星的下视角，θ1为主卫星的等效偏航角。
有益效果：
(1)以解析形式给出了以波束电扫描多普勒导引代替传统的基于偏航控制的多普勒导引的方法，显著提升了多普勒导引的适用范围与灵活性。
(2)针对高频段星载双基地SAR独立偏航导引导致方位分辨率显著降低的问题，以解析形式给出了基于电扫描的联合多普勒导引方法，实现了在不降低方位分辨率的前提下抑制多普勒中心的变化。
附图说明
图1为本发明基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法流程图；
图2为本发明基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法的几何模型；
图3为通过电扫描实现偏航导引的示意图；其中图3(a)为以横滚-俯仰顺序实现偏航导引的示意图；图3(b)为以俯仰-横滚顺序实现偏航导引的示意图；
图4为天线指向星下点体制下的多普勒中心仿真结果；其中图4(a)为无多普勒导引时多普勒中心仿真结果；图4(b)为传统多普勒导引多普勒中心仿真结果；
图5为本发明联合多普勒导引电扫描角和多普勒中心仿真结果；其中，图5(a)为主卫星电扫描角；图5(b)为从卫星电扫描角；图5(c)为主、从卫星多普勒频率及总多普勒频率；
图6为本发明所述方法与传统方法的成像结果对比图；其中，图6(a)为传统多普勒导引方法成像结果；图6(b)为联合多普勒导引方法成像结果；图6(c)为方位向剖面图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，流程图如图1所示，具体步骤包括：
步骤一，设定星载双基地SAR的系统参数，建立星载双基地SAR的几何模型。
星载双基地SAR联合多普勒导引的几何模型如图2所示，其中S1(x1,y1,z1)和S2(x2,y2,z2)分别为主、从卫星位置，γ1和γ2分别为主、从卫星的下视角，θ1和θ2分别为主、从卫星的等效偏航角，T为主、从卫星波束照射点。此外，设vs1和vs2分别为主、从卫星的线速度，ω1和ω2分别为主、从卫星的角速度，β1和β2分别为主、从卫星的纬度幅角，
Figure BDA0002561023420000054
和
Figure BDA0002561023420000055
分别为主、从卫星的轨道倾角，λ为雷达波长，ωe为地球自转角速度，c为光速。
步骤二，建立主、从卫星的多普勒方程，解析表达出主、从卫星多普勒中心与偏航角的关系。
设主、从卫星多普勒中心分别为fDop1和fDop2，则主、从卫星的多普勒方程如式(1)所示。
Figure BDA0002561023420000051
步骤三，在主、从卫星波束同步且总多普勒中心为零的约束下，联立求解主、从卫星的多普勒方程，得到主、从卫星的等效偏航角。
要实现联合多普勒导引，一方面，需要使星载双基地SAR的总多普勒中心为零，即主、从卫星的多普勒中心需要满足如下关系：
fDop1+fDop2＝0 (2)
另一方面，需要主、从卫星波束同步，即波束中心照射在地面上同一点。根据图2所示的几何关系，照射点T的坐标(x3,y3,z3)可以通过主卫星的下视角和等效偏航角求出：
Figure BDA0002561023420000052
其中R为主卫星的斜距。
从卫星的下视角和等效偏航角可由照射点坐标确定：
Figure BDA0002561023420000053
将式(3)和式(4)代入式(2)，多普勒方程组中剩余两个自由变量γ1和θ1。这说明对于给定的卫星位置，多普勒方程组的解集是几何相关的，且该解集可在地面上用一条曲线表示(如图2中加粗实线所示)。
步骤四，根据波束指向转序的需求，将等效偏航角转化为波束电扫描角。
本发明通过横滚向、俯仰向两个方向的电扫描，达到与偏航控制相同的效果。图3(a)和(b)分别展示了以横滚-俯仰顺序和俯仰-横滚顺序实现等效偏航角的示意图，其中为θy等效偏航角，θr为横滚向电扫描角，θp为俯仰向电扫描角。
如图3所示，横滚向电扫描可以看作波束绕Ys轴在XsOZs平面内旋转，此时照射点在XOY平面内沿与X轴平行的方向移动；俯仰电扫描可以看作波束绕Xs轴旋转，此时照射点在XOY平面内表现为沿Y轴或平行于Y轴的直线移动。将向量
Figure BDA0002561023420000061
分解到上述两个方向上，可从几何关系上得出扫描角度的公式。
在先横滚向后俯仰向的顺序下，横滚向电扫描角和俯仰向电扫描角可由式(5)计算：
Figure BDA0002561023420000062
同理，在先俯仰向后横滚向扫描的顺序下，可由式(6)计算另外一组扫描角度：
Figure BDA0002561023420000063
下面结合一个具体实例进行说明。星载双基地SAR仿真参数如表1所示。
表1 星载双基地SAR仿真参数列表
Figure BDA0002561023420000064
Figure BDA0002561023420000071
试验一：多普勒中心仿真
为验证电扫描多普勒导引在解决偏航导引无效问题上的优势，使用表1参数对传统多普勒导引方法及电扫描多普勒导引方法在一个轨道周期内的多普勒中心变化进行了仿真。
在天线指向星下点的体制下，无偏航导引以及采用传统多普勒导引时的多普勒中心变化如图4所示。由图4可见由于天线指向星下点，基于传统基于偏航控制的多普勒导引方法已经不能起到抑制多普勒中心的作用。使用联合多普勒导引时，主、从卫星电扫描角如图5(a)和(b)所示，主从卫星多普勒中心及总多普勒频率分别如图5(c)所示。由图5(c)可见，采用联合多普勒时主、从卫星均有非零多普勒中心。但在式(2)的约束下，二者的多普勒中心可以互相抵消。实际中残余多普勒中心主要由波束控制误差导致。
试验二：点目标成像仿真
为证明联合多普勒导引方法在解决波束失配、分辨率下降问题上的优势，在表1所示参数下，分别用传统多普勒导引方法和联合多普勒导引方法进行点目标成像仿真，二维成像结果分别如图6(a)和6(b)所示，方位向剖面图如图6(c)所示。从图6(a)和6(b)可见，使用传统多普勒导引的成像结果在方位向上有明显的展宽。根据3dB主瓣宽度的评估结果，联合多普勒导引的方位分辨率为1.54m，传统多普勒导引方位分辨率为2.39m，可见联合多普勒导引方法带来了35％的分辨率提升。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，其特征在于，采用主、从卫星联合多普勒导引，即：主、从卫星波束同步且总多普勒中心为零；同时，通过横滚向、俯仰向两个方向的电扫描，拟合等效偏航角。
2.如权利要求1所述的基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，其特征在于，在总多普勒中心为零的约束下，主、从卫星的多普勒中心满足如式(1)、(2)所示关系：
Figure FDA0002561023410000011
fDop1+fDop2＝0 (2)
其中，fDop1和fDop2分别为主、从卫星的多普勒中心；vs1和vs2分别为主、从卫星的线速度，γ1和γ2分别为主、从卫星的下视角，θ1和θ2分别为主、从卫星的等效偏航角，ω1和ω2分别为主、从卫星的角速度，β1和β2分别为主、从卫星的纬度幅角，
Figure FDA0002561023410000014
和
Figure FDA0002561023410000013
分别为主、从卫星的轨道倾角，λ为雷达波长，ωe为地球自转角速度。
3.如权利要求1所述的基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，其特征在于，在波束同步的约束下，从卫星的下视角γ2和等效偏航角θ2根据式(3)、(4)由主卫星下视角γ1、主卫星等效偏航角θ1和从卫星坐标(x2,y2,z2)求出：
Figure FDA0002561023410000012
Figure FDA0002561023410000021
其中，(x3,y3,z3)为照射点T的坐标；R为主卫星的斜距。
4.如权利要求1所述的基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，其特征在于，在先横滚向后俯仰向的顺序下，横滚向电扫描角θr和俯仰向电扫描角θp由式(5)计算：
Figure FDA0002561023410000022
其中，γ1为主卫星的下视角，θ1为主卫星的等效偏航角。
5.如权利要求1所述的基于电扫描的星载双基地SAR联合多普勒导引方法，其特征在于，在先俯仰向后横滚向的顺序下，横滚向电扫描角θr和俯仰向电扫描角θp由式(6)计算：
Figure FDA0002561023410000023
其中，γ1为主卫星的下视角，θ1为主卫星的等效偏航角。
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