CN111965640A - 一种大斜视中高轨sar二维波束扫描方法 - Google Patents

一种大斜视中高轨sar二维波束扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，首先通过雷达成像时间、GPS数据和场景位置得到成像几何参数，结合成像几何和目标分辨率设计得到雷达的最优合成孔径时间和带宽，由雷达的最优合成孔径时间和带宽得到方位波束扫描速率，进而通过场景中心目标的线性距离走动得到离线角变化率，根据方位波束扫描速率和离线角变化率得到俯仰向波束扫描速率，使用成像几何参数中的卫星运动参数和二维波束扫描速率计算得到地面波束足迹速度，根据地面波束足迹速度确定瞬时波束足迹位置，进而确定雷达成像时间内的瞬时波束指向。SAR二维波束扫描方法不仅可以得到所需的方位分辨率，还可以在斜视模式下确定较大的测绘带宽度，或缩短回波长度，减小数据量。

Description

一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法
技术领域
本发明属于星载合成孔径雷达成像领域，具体涉及一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法。
背景技术
SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)，是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星或宇宙飞船等飞行平台上，全天时、全天候地对地表进行观测，具有一定的地表穿透能力。因此，SAR系统在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘探、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势。
SAR观测目标通常需要传感器工作在斜视模式下，而对于中高轨SAR来说，严重的距离走动可能高达数百公里，并且视线斜距在波束扫描模式下也可能发生明显的变化，较大的距离变化会导致数据存储的高负担。此外，由于接受窗口受限于天线在方位维度上的尺寸，最大测绘带宽随着斜视角的增大而减小。中高轨SAR多用于对灾害的应急反应、三维表面形变测量、海浪和海流测量以及对移动目标的连续监测等。
中高轨SAR的轨道弯曲导致了内在的波束扫描特性，不同视角下的波束扫描速率明显不同，所得到的分辨率也不同，中高轨SAR不同视角下的分辨率是取决于视线方向和卫星与地球之间的相对运动状态，分辨率不一致可能给图像产品的应用带来一些障碍，例如目标识别的应用。由于波束方向可以被控制，波束驻留时间以及方位分辨率可以被调整到标称值，波束扫描速率可以根据轨道曲率和视线方向自适应地设计，现阶段多用到传统的旋转中心波束扫描法。
现阶段用到的传统的旋转中心波束扫描法存在SAR回波数据量大，测绘带宽不够大的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，包括：
根据雷达成像时间、GPS数据和场景位置得到成像几何参数；
根据所述成像几何参数和目标分辨率设计雷达的最优合成孔径时间和带宽；
根据所述雷达的最优合成孔径时间和带宽得到方位波束扫描速率，所述雷达的最优合成孔径时间为波束驻留时间；
根据场景中心目标的线性距离走动得到离线角变化率；
根据所述方位波束扫描速率和所述离线角变化率得到俯仰向波束扫描速率；
根据所述方位波束扫描速率和所述俯仰向波束扫描速率的集合得到二维波束扫描速率；
根据所述成像几何参数和所述二维波束扫描速率得到地面波束足迹速度；
根据所述地面波束足迹速度得到所述雷达成像时间内的瞬时波束角度。
在本发明的一个实施例中，根据所述成像几何参数和目标分辨率设计雷达的最优合成孔径时间和带宽，包括：
利用地表分辨率椭圆优化的成像参数设计技术对所述成像几何参数和所述目标分辨率进行设计得到所述雷达的最优合成孔径时间和带宽。
在本发明的一个实施例中，根据所述雷达的最优合成孔径时间和带宽得到雷达的方位波束扫描速率，包括：
根据雷达的运动状态和所述场景位置得到目标相对于雷达的瞬时方位角；
根据所述目标相对于雷达的瞬时方位角得到瞬时方位角的变化率；
根据所述瞬时方位角的变化率和所述波束驻留时间得到所述天线的方位波束扫描速率。
在本发明的一个实施例中，根据场景中心目标的线性距离走动得到离线角变化率，包括：
利用变脉冲间隔技术对所述场景中心目标的线性距离走动进行处理得到所述离线角变化率。
在本发明的一个实施例中，所述俯仰向波束扫描速率的表达式为：
Figure BDA0002565339570000031
其中，ωγ表示俯仰向波束扫描速率，β0表示中心时刻的瞬时离线角，γ0表示中心时刻的瞬时俯仰角，θ0表示中心时刻的斜视角，ωβ表示所述离线角变化率，ωθ表示所述方位波束扫描速率。
在本发明的一个实施例中，根据所述成像几何参数和二维波束扫描速率得到地面波束足迹速度，包括：
根据所述成像几何参数得到地面波束足迹速度的单位矢量；
将卫星运动引起的第一波束矢量尖端的瞬时速度和二维波束扫描引起的第二波束矢量尖端的瞬时速度相加、并投影到所述地面波束足迹速度的单位矢量的方向上得到所述地面波束足迹速度。
在本发明的一个实施例中，所述地面波束足迹速度的表达式为：
Vg,new＝(Vt+Vb)·eg,new；
其中，Vg,new表示地面波束足迹速度，Vt表示卫星运动引起的第一波束矢量尖端的瞬时速度，Vb表示波束扫描引起的第二波束矢量尖端的瞬时速度，eg,new表示地面波束足迹速度的单位矢量。
本发明的有益效果：
本发明针对传统的旋转中心波束扫描法存在的问题，提供了一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，SAR二维波束扫描方法通过最优合成孔径时间和带宽得到方位波束扫描速率，通过方位波束扫描速率和离线角变化率得到俯仰向波束扫描速率，根据方位波束扫描速率和俯仰向波束扫描速率的集合得到二维波束扫描速率，大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法可减少SAR回波数据量，进而使占用的存储空间变小，数据处理时间变快，而且可获得更宽的测绘带宽。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法流程图；
图2是本发明实施例提供的针对中高轨SAR提出的TDBS方法示意图；
图3是本发明实施例提供的用于中高轨SAR的TDBS方法几何图；
图4是本发明实施例提供的一种大斜视模式中高轨SAR几何关系图；
图5是本发明实施例提供的一种卫星位置和仿真成像场景示意图；
图6a是本发明实施例提供的恒定PRF情况下采用传统的旋转中心波束扫描法获得的目标距离迁徙；
图6b是本发明实施例提供的结合VIPT技术时采用传统的旋转中心波束扫描法获得的目标距离迁徙；
图6c是本发明实施例提供的恒定PRF情况下采用TDBS方法获得的目标距离迁徙；
图6d是本发明实施例提供的结合VIPT技术时采用TDBS方法获得的目标距离迁徙；
图7是本发明实施例提供的在左视情况下大斜视地面九个目标(A～I)的成像结果；
图8是本发明实施例提供的在右视情况下大斜视地面九个目标(A～I)的成像结果。
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。
实施例一
请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法流程图，图2是本发明实施例提供的针对中高轨SAR提出的TDBS方法示意图。本发明实施例提供的一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，包括：
步骤1、根据雷达成像时间、GPS数据和场景位置得到成像几何参数。
进一步地，成像几何参数包括：卫星的运动参数和中心时刻的波束矢量。
在本实施例中，二维波束扫描简称TDBS(Two Dimensional beam scanning)。卫星的运动参数包括：位置、速度和加速度；中心时刻的波束矢量为雷达成像的中心时刻的的波束矢量。
在图2中，P和P′是不同时间的波束覆盖中心，S是卫星在时间零点的位置，S′是数据收集结束时卫星的位置，V是卫星的速度，N是星下点，T是场景中心，θ是斜视角度，γ是俯仰角，β是偏离星下点的角度，Rc是卫星和波束中心目标之间的距离，Vg,new是地面波束足迹速度，ρb是视线上的单位向量，
Figure BDA0002565339570000062
是Vg,new与ρb的角度。由于俯仰角变化，地面波束足迹速度包含垂直于星下点轨迹的分量。
步骤2、根据成像几何参数和目标分辨率设计雷达的最优合成孔径时间和带宽。
进一步地，利用地表分辨率椭圆优化的成像参数设计技术对所述成像几何参数和所述目标分辨率进行设计得到所述雷达的最优合成孔径时间和带宽。
具体地，首先通过地表分辨率椭圆优化的成像参数设计技术，在成像几何参数的基础上根据目标分辨率得到雷达的合成孔径时间和带宽，然后最小化各个方向的分辨率差异，得到雷达的最优合成孔径时间和带宽，雷达的最优合成孔径时间和带宽的表达式为：
Figure BDA0002565339570000061
其中，Breq表示雷达的最优带宽，Ta,req表示雷达的最优孔径时间，ρr表示斜距分辨率，ρa表示数据采集平面上的方位分辨率，ρl表示地面上的长轴分辨率(所有方向中最差的分辨率)，ω＝Vscosθ0/||SP||表示卫星相对于散射体的旋转速度，c表示光速，λ表示雷达发射的电磁波的波长，λrl和λar为成像几何系数。
步骤3、根据雷达的最优合成孔径时间和带宽得到雷达的方位波束扫描速率，雷达的最优合成孔径时间为波束驻留时间。
进一步地，根据所述雷达的最优合成孔径时间和带宽得到雷达的方位波束扫描速率，包括：
根据雷达的运动状态和所述场景位置得到目标相对于雷达的瞬时方位角；
根据所述目标相对于雷达的瞬时方位角得到瞬时方位角的变化率；
根据所述瞬时方位角的变化率和所述波束驻留时间得到所述天线的方位波束扫描速率。
目标的波束驻留时间的表达式为：
Figure BDA0002565339570000071
其中，Td表示波束驻留时间，ωθ表示方位波束扫描速率，ωT表示瞬时方位波束扫描速率，θazi表示方位向3dB波束宽度。
目标的瞬时方位角的表达式为：
Figure BDA0002565339570000072
其中，θT表示目标的瞬时方位角，Vs表示中心时刻卫星速度的向量，ST表示卫星指向目标的矢量，a表示目标的角速度。
计算目标的瞬时方位角的一阶导数得到瞬时方位波束扫描速率，瞬时方位波束扫描速率的表达式为：
Figure BDA0002565339570000081
其中，ωT表示瞬时方位波束扫描速率，Ar＝A·ST/||A||表示卫星加速度沿LOS(波束视线方向)的分量，A表示卫星加速度，Aa＝A·Vs/||V||s表示卫星加速度沿卫星速度方向的分量，RT表示雷达到目标的距离，θ0表示雷达成像的中心时刻的斜视角。
结合式(1)、(2)和(4)得到雷达的方位波束扫描速率，雷达的方位波束扫描速率的表达式为：
Figure BDA0002565339570000082
其中，ωθ表示雷达的方位波束扫描速率，ωT表示目标瞬时方位波束扫描速率，θazi表示方位向3dB波束宽度。
步骤4、根据场景中心目标的线性距离走动得到离线角变化率。
进一步地，利用变脉冲间隔技术对所述场景中心目标的线性距离走动进行处理得到所述离线角变化率。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的用于中高轨SAR的TDBS方法几何图。η是入射角，Re是地球半径，H是卫星高度，Rc＝||SP||是卫星和波束中心目标之间的距离，φ是交轨加速度。
具体地，首先通过变脉冲间隔技术减少SAR回波数据量，调整天线指向使波束足迹与SAR回波数据接收窗匹配，SAR回波数据量越小，占用存储空间越小，数据处理时间越快。然后利用余弦公式计算离线角，并计算离线角对时间的导数，得到离线角变化率，离线角变化率的表达式为：
Figure BDA0002565339570000091
其中，ωβ表示离线角变化率，Re表示地球半径，H表示卫星高度，Vs表示雷达成像的中心时刻的卫星速度，θ0表示雷达成像的中心时刻的斜视角，RT表示目标点瞬时距离，β0表示雷达成像的中心时刻的瞬时离线角。
步骤5、根据方位波束扫描速率和离线角变化率得到俯仰向波束扫描速率。
具体地，根据几何关系由离线角和方位角确定俯仰角，进而得出俯仰向波束扫描速率，俯仰向波束扫描速率的表达式为：
Figure BDA0002565339570000092
其中，γ0表示雷达成像的中心时刻的瞬时俯仰角。
步骤6、根据所述方位波束扫描速率和所述俯仰向波束扫描速率的集合得到二维波束扫描速率。
具体地，由方位波束扫描速率和俯仰向波束扫描速率的集合可得二维波束扫描速率的集合。
步骤7、根据成像几何参数和二维波束扫描速率得到地面波束足迹速度。
进一步地，根据成像几何参数和二维波束扫描得到地面波束足迹速度，包括：
根据所述成像几何参数得到地面波束足迹速度的单位矢量；
将卫星运动引起的第一波束矢量尖端的瞬时速度和二维波束扫描引起的第二波束矢量尖端的瞬时速度相加、并投影到所述地面波束足迹速度的单位矢量的方向上得到所述地面波束足迹速度。
请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种大斜视模式中高轨SAR几何关系图。ωs是卫星的旋转速度。Vt是条带模式下波束矢量ST端点的瞬时速度，rc是卫星轨道的切圆半径。
具体地，根据卫星轨道的切圆半径和加速度交轨分量的单位矢量得到场景位置中心到卫星的径向矢量，然后，通过现有的数学定义及几何关系得到波束足迹的方向，进而得到地面波束轨迹速度方向的单位矢量eg,new，地面波束轨迹速度方向的单位矢量eg,new的表达式为：
Figure BDA0002565339570000101
其中，eg,new是地面波束足迹速度的单位矢量，ST是卫星指向目标的矢量，OT是地心指向目标的矢量。
进一步地，地面波束足迹速度的表达式为：
Vg,new＝(Vt+Vb)·eg,new；
其中，Vt表示卫星运动引起的波束矢量尖端的瞬时速度，Vb表示波束扫描引起的波束矢量尖端的瞬时速度，eg,new表示地面波束足迹速度的单位矢量。
步骤8、根据地面波束足迹速度得到雷达成像时间内的瞬时波束角度。
具体地，根据地面波束足迹速度确定地面上的波束足迹轨迹，计算得到瞬时波束指向角，进而得到整个雷达成像时间内的瞬时天线指向。
综上所述，首先通过雷达成像时间、GPS数据和场景位置得到成像几何参数，结合成像几何和目标分辨率设计得到雷达的最优合成孔径时间和带宽，由雷达的最优合成孔径时间和带宽得到方位波束扫描速率，进而通过场景中心目标的线性距离走动得到离线角变化率，根据方位波束扫描速率和离线角变化率得到俯仰向波束扫描速率，使用成像几何参数中的卫星运动参数和二维波束扫描速率计算得到地面波束足迹速度，根据地面波束足迹速度确定瞬时波束足迹位置，进而确定雷达雷达成像时间内的瞬时波束指向。本发明提供的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，不仅可以得到所需的方位分辨率，还可以在斜视模式下确定较大的测绘带宽度，或缩短回波长度，减小数据量。
实施例二
为了验证本发明提供的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法的有效性，可以通过以下仿真实验进行说明。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种卫星位置和仿真成像场景示意图。在15000公里轨道高度下进行仿真，在轨道曲率最大的纬度90°下选择成像位置，大斜视模式设计成2m分辨率，则场景宽度为80公里。
请参见图6a，图6a是本发明实施例提供的恒定PRF情况下采用传统的旋转中心波束扫描法获得的目标距离迁徙。由于距离走动和中心距离的变化，SAR回波数据量的距离长度高达272.9公里。
请参见图6b，图6b是本发明实施例提供的结合VIPT技术时采用传统的旋转中心波束扫描法获得的目标距离迁徙。使用VIPT(变脉冲间隔)技术后，距离徙动的线性分量大大减少。然而，由于剩余距离增大，仍存在空白区域，且数据存储器的使用率低。
请参见图6c和图6d，图6c是本发明实施例提供的恒定PRF情况下采用TDBS方法获得的目标距离迁徙，图6d是本发明实施例提供的结合VIPT技术时采用TDBS方法获得的目标距离迁徙。图6d中的距离徙动的距离长度为55.5公里，图6b中的距离徙动的距离长度为87.8公里，图6d明显比图6b中的距离徙动的距离长度小，图6d中的有用信号占据了大部分存储空间。
综上所述，由仿真结果表明TDBS方法与VIPT方法相结合，可极大程度的减小大斜视模式下的SAR回波数据量，获得更宽的测绘带宽。
请参见图7和图8，图7是本发明实施例提供的在左视情况下大斜视地面九个目标(a～i)的成像结果，图8是本发明实施例提供的在右视情况下大斜视地面九个目标(a～i)的成像结果。
表1为在左视情况下，对传统的旋转中心波束扫描法与本发明SAR二维波束扫描方法分别得到的分辨率性能进行评估。
表1
Figure BDA0002565339570000121
表2为在右视情况下，对传统的旋转中心波束扫描法与本发明SAR二维波束扫描方法分别得到的分辨率性能进行评估。
表2
Figure BDA0002565339570000122
Figure BDA0002565339570000131
使用本发明SAR二维波束扫描方法，参考距离处目标的分辨率的短轴和长轴的比值接近理论值。对比使用本发明SAR二维波束扫描方法，非中心位置目标的分辨率在使用传统的旋转中心波束扫描法时的变化范围更大。
综上所述，此仿真结果验证了本发明SAR二维波束扫描方法再满足分辨率要求方面的有效性。
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 (8)

1.一种大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，包括：
根据雷达成像时间、GPS数据和场景位置得到成像几何参数；
根据所述成像几何参数和目标分辨率设计雷达的最优合成孔径时间和带宽；
根据所述雷达的最优合成孔径时间和带宽得到方位波束扫描速率，所述雷达的最优合成孔径时间为波束驻留时间；
根据场景中心目标的线性距离走动得到离线角变化率；
根据所述方位波束扫描速率和所述离线角变化率得到俯仰向波束扫描速率；
根据所述方位波束扫描速率和所述俯仰向波束扫描速率的集合得到二维波束扫描速率；
根据所述成像几何参数和所述二维波束扫描速率得到地面波束足迹速度；
根据所述地面波束足迹速度得到所述雷达成像时间内的瞬时波束角度。
2.根据权利要求1所述的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，所述成像几何参数包括：卫星的运动参数和中心时刻的波束矢量。
3.根据权利要求1所述的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，根据所述成像几何参数和目标分辨率设计雷达的最优合成孔径时间和带宽，包括：
利用地表分辨率椭圆优化的成像参数设计技术对所述成像几何参数和所述目标分辨率进行设计得到所述雷达的最优合成孔径时间和带宽。
4.根据权利要求1所述的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，根据所述雷达的最优合成孔径时间和带宽得到雷达的方位波束扫描速率，包括：
根据雷达的运动状态和所述场景位置得到目标相对于雷达的瞬时方位角；
根据所述目标相对于雷达的瞬时方位角得到瞬时方位角的变化率；
根据所述瞬时方位角的变化率和所述波束驻留时间得到所述天线的方位波束扫描速率。
5.根据权利要求1所述的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，根据场景中心目标的线性距离走动得到离线角变化率，包括：
利用变脉冲间隔技术对所述场景中心目标的线性距离走动进行处理得到所述离线角变化率。
6.根据权利要求1所述的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，所述俯仰向波束扫描速率的表达式为：
Figure FDA0002565339560000021
其中，ωγ表示俯仰向波束扫描速率，β0表示中心时刻的瞬时离线角，γ0表示中心时刻的瞬时俯仰角，θ0表示中心时刻的斜视角，ωβ表示所述离线角变化率，ωθ表示所述方位波束扫描速率。
7.根据权利要求1所述的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，根据所述成像几何参数和二维波束扫描得到地面波束足迹速度，包括：
根据所述成像几何参数得到地面波束足迹速度的单位矢量；
将卫星运动引起的第一波束矢量尖端的瞬时速度和二维波束扫描引起的第二波束矢量尖端的瞬时速度相加、并投影到所述地面波束足迹速度的单位矢量的方向上得到所述地面波束足迹速度。
8.根据权利要求7所述的大斜视中高轨SAR二维波束扫描方法，其特征在于，所述地面波束足迹速度的表达式为：
Vg,new＝(Vt+Vb)·eg,new；
其中，Vg,new表示地面波束足迹速度，Vt表示卫星运动引起的波束矢量尖端的瞬时速度，Vb表示波束扫描引起的波束矢量尖端的瞬时速度，eg,new表示地面波束足迹速度的单位矢量。
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