CN112462365A - 一种星载场景匹配sar数据获取构型优化设计方法 - Google Patents

一种星载场景匹配sar数据获取构型优化设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112462365A
CN112462365A CN202010992598.2A CN202010992598A CN112462365A CN 112462365 A CN112462365 A CN 112462365A CN 202010992598 A CN202010992598 A CN 202010992598A CN 112462365 A CN112462365 A CN 112462365A
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
scene
borne
sar
projection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010992598.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112462365B (zh
Inventor
王岩
丁泽刚
陈轲
曾涛
龙腾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202010992598.2A priority Critical patent/CN112462365B/zh
Publication of CN112462365A publication Critical patent/CN112462365A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112462365B publication Critical patent/CN112462365B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/904—SAR modes
    • G01S13/9041—Squint mode

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，一、设定星载SAR系统参数和观测场景参数，建立星载场景匹配SAR几何模型；二、基于星载场景匹配SAR几何模型特征，得到卫星在数据获取期间中心斜距变化量的解析表达式；三、在满足成像带长、宽均覆盖场景的情况下，采用凸优化的方法得到中心斜距变化量最小时，波束指向与卫星轨道位置的解析关系；四、根据卫星的轨道位置信息和观测场景位置信息得到波束指向；本发明能够解决星载场景匹配SAR模式中数据获取构型不定，设计准则不明确的问题。

Description

一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法
技术领域
本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)的技术领 域，具体涉及一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法。
背景技术
星载场景匹配SAR是星载SAR的一种特有的工作模式。相对于传统星载 SAR，星载场景匹配SAR通过连续调整俯仰波束指向，直接生成沿目标地形的 测绘带，而不是传统的沿卫星轨道生成测绘带，这使得其在对某些“斜向场景” 如地震带、海岸线成像时具有独特的优势。若采用传统模式对“斜向场景”成像， 只能使用多成像带观测策略，这会导致数据获取时间长，无效数据多等问题； 若采用场景匹配模式对“斜向场景”成像，将直接生成与“斜向场景”相匹配的成像 带，较好的解决了这一问题。
在成像过程中，星载场景匹配SAR的波束俯仰向指向连续变化，导致其斜 距历程时变剧烈，给波位设计带来了一定的困难。同时，星载场景匹配SAR要 求成像带与场景相“匹配”，其几何构型中的参量多、自由度高，这意味着即使对 于相同的卫星轨迹和观测场景，依旧有许多不同角度的观测方案。基于以上两 点，需要建立几何模型并进行优化设计，找到一个最优的数据获取构型以减小 斜距变化便于后续进行系统波位设计，并且给出观测场景与卫星轨道的解析关 系，做到依据观测场景的改变而直接、快速的调整数据获取构型。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方 法，能够弥补现有技术的不足，解决星载场景匹配SAR模式中数据获取构型不 定，设计准则不明确的问题。
实现本发明的技术方案如下：
一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，包括以下步骤：
步骤一、设定星载SAR系统参数和观测场景参数，建立星载场景匹配SAR 几何模型；
步骤二、基于星载场景匹配SAR几何模型特征，得到卫星在数据获取期间 中心斜距变化量的解析表达式；
步骤三、在满足成像带长、宽均覆盖场景的情况下，采用凸优化的方法得 到中心斜距变化量最小时，波束指向与卫星轨道位置的解析关系；
步骤四、根据卫星的轨道位置信息和观测场景位置信息得到波束指向。
进一步地，对于卫星轨道直线假设，在L已知的情况下，通过式(8)得到场景 匹配模式下的α，即为最优波束倾角；
Figure BDA0002691271640000021
其中，H为轨道高度，Wr为观测带宽度，L为波束中心在场景上的轨迹到 卫星轨道在地面上的投影的最近距离，
Figure BDA0002691271640000022
为距离向波束宽度，θ为卫星轨道在地 面上的投影与波足运动方向夹角，即场景斜角；α为波束在地面上的投影与波足 运动方向夹角的余角，即波束倾角。
进一步地，若地球曲率不可忽略，在L已知的情况下，通过式(9)得到景匹 配模式下的α，即为最优波束倾角；
Figure BDA0002691271640000023
其中，Re为地球半径，H为轨道高度，Wr为观测带宽度，L为波束中心在 场景上的轨迹到卫星轨道在地面上的投影的最近距离，
Figure BDA0002691271640000031
为距离向波束宽度，θ 为卫星轨道在地面上的投影与波足运动方向夹角，即场景斜角；α为波束在地面 上的投影与波足运动方向夹角的余角，即波束倾角。
有益效果：
本发明首次以解析形式给出了最小斜距变化量约束下的星载场景匹配SAR 最优构型设计方法，可在轨道和场景一定时，确定最优波束指向。
附图说明
图1是本发明所述星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法的流程图。
图2是本发明所述的星载场景匹配SAR几何模型示意图。
图3是实施例中观测场景示意图，其中，(a)为未确定成像带的观测场景 示意图，(b)为确定成像带的观测场景示意图。
图4是实施例中固定卫星轨道下中心斜距变化量随波束斜角的关系。
图5是实施例中场景匹配模式下的波束指向变化历程，其中，(a)为斜视 角变化历程，(b)为下视角变化历程。
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。
本发明提供了一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，流程图 如图1所示，其具体过程如下：
步骤一，设定星载SAR系统参数和观测场景参数，建立星载场景匹配SAR 几何模型。
星载场景匹配SAR几何模型如图2所示，其中卫星速度大小为V，轨道高 度H，观测带长度为Wa、观测带宽度为Wr，在场景上建立坐标系其X轴、Y轴 如图，卫星轨道在地面上的投影与X轴夹角为θ，称其为场景斜角；波束在地面 上的投影与Y轴的夹角为α，称其为波束倾角，在本发明中利用该参数描述波束 指向。中心斜距历程中最大、最小下视角分别为βf、βn，成像中心时刻时中心 斜距大小为Rc，波束中心在场景上的轨迹到卫星轨道在地面上的投影的最近距 离为L。
步骤二，基于场景匹配SAR几何模型特征，得到卫星在数据获取期间中心 斜距变化量ΔR的解析表达式。
将观测场景的长、宽用雷达参数表示，其中
Figure BDA0002691271640000041
为距离向波束宽度，具体表达 式如(1)所示。
Figure BDA0002691271640000042
步骤三，在满足成像带长、宽均覆盖场景的情况下，采用凸优化的方法得到 中心斜距变化量最小时，波束指向与卫星轨道位置的解析关系。
要实现场景匹配SAR模式成像，首先需要波束完整的扫过场景，即成像带 的长、宽需要满足如下关系：
Figure BDA0002691271640000043
其中Wa0、Wr0分别为场景的长和宽。
另一方面，需要使数据获取期间中心斜距变化量最小，即式(1)中的ΔR最小， 可以发现这是一个凸优化问题，考虑式(1)、(2)可以得到其KT条件如式(3)所示， 其中
Figure BDA0002691271640000051
为哈密顿算子。
Figure BDA0002691271640000052
由(3)中第一行等式可以得到式(4-1)、(4-2)：
Figure BDA0002691271640000053
Figure BDA0002691271640000054
对(4-1)进行化简，其表达式如式(5-1)。可以看到该式的前两项均大于零，因 此第三项中的λ2必须大于零才能使等式成立，再根据式(3)可得Wa(α,βn,βf)＝Wa0， 即在成像带长度等于场景长度时，才能取到最佳的波束倾角α使中心斜距变化量 最小。
Figure BDA0002691271640000055
同样的，假设(4-2)中λ1＝0并进行化简，表达式如(5-2)所示。设等式(5-2)左侧为K(α,βn,βf)并对其进行放缩得到式(6)。
Figure BDA0002691271640000056
Figure BDA0002691271640000057
因为距离向波束宽度
Figure BDA0002691271640000058
很小，因此有式(7)：
Figure BDA0002691271640000059
结合(5)、(7)两式可发现其中存在矛盾，因此假设λ1＝0不成立，既λ1≠0。进 一步结合式(3)可得Wr(α,βn)＝Wr0。
基于以上分析可知，对于最小化中心斜距变化量准则来说，其最优解仅存在 于在成像带长、宽等于场景长、宽时。式(3)的凸优化问题被简化为一个条件极 值问题。
为了便于描述卫星轨道的位置，用图1中的L将式(3)中βn,βf进行替换，简 化后的约束条件如(8)所示。当L为给定的值，ΔR都是随α的单调减函数，使中 心斜距变化最小的波束倾角α总落在(8)所代表的曲线上。因此在卫星轨道位置 L已知的情况下，可以通过式(8)得到场景匹配模式下的最优波束倾角α。
Figure BDA0002691271640000061
上式为在直线模型下的解析关系，若考虑地球曲率的影响，则上式变为式(9)：
Figure BDA0002691271640000062
步骤四、根据卫星的轨道位置信息和观测场景位置信息得到具体的波束指向。
根据卫星实际运行轨道计算得出波足中心在场景上的轨迹到卫星轨道在地 面上的投影的最近距离为L，依据式(9)解出最优波束斜角，再根据观测时的几 何关系即可得到成像期间波束的下视角变化曲线与斜视角变化曲线。
实施例
为验证星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法在解决斜距时变剧烈 问题的优势，表1为场景匹配SAR部分仿真参数，现以中国台湾南部沿海为 例进行仿真验证，观测场景示意图如图3(a)。
首先确定待观测场景的卫星轨道位置并根据待观测场景设置成像带位置、尺 寸，成像带示意图如图3(b)，表2为设置好的成像带参数。
表1场景匹配SAR卫星参数列表
Figure BDA0002691271640000071
表2成像带参数列表
Figure BDA0002691271640000072
根据表1、表2中卫星轨道与成像带位置信息即可求得L，并将其带入式(9) 中得到基于中心斜距最小变化准则下的最优波束斜角为α0＝36.98°，图4为不同 波束斜角下中心斜距变化量的关系，从图中也可看出在α＝α0时中心斜距变化量 最小，为86km；而最大中心斜距变化量为125km，此时α＝0°。说明通过数据获 取构型优化可以一定程度的减弱斜距的时变性，为后续波位设计以及成像提供 便利。根据α0、卫星轨道与场景位置即可得到成像期间波束斜视角历程与下视 角历程分别如图5(a)和(b)所示，确切的描述出波束指向。
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 (3)

1.一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设定星载SAR系统参数和观测场景参数，建立星载场景匹配SAR几何模型；
步骤二、基于星载场景匹配SAR几何模型特征，得到卫星在数据获取期间中心斜距变化量的解析表达式；
步骤三、在满足成像带长、宽均覆盖场景的情况下，采用凸优化的方法得到中心斜距变化量最小时，波束指向与卫星轨道位置的解析关系；
步骤四、根据卫星的轨道位置信息和观测场景位置信息得到波束指向。
2.如权利要求1所述的一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，其特征在于，对于卫星轨道直线假设，在L已知的情况下，通过式(8)得到场景匹配模式下的α，即为最优波束倾角；
Figure FDA0002691271630000011
其中，H为轨道高度，Wr为观测带宽度，L为波束中心在场景上的轨迹到卫星轨道在地面上的投影的最近距离，
Figure FDA0002691271630000012
为距离向波束宽度，θ为卫星轨道在地面上的投影与波足运动方向夹角，即场景斜角；α为波束在地面上的投影与波足运动方向夹角的余角，即波束倾角。
3.如权利要求1所述的一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，其特征在于，若地球曲率不可忽略，在L已知的情况下，通过式(9)得到景匹配模式下的α，即为最优波束倾角；
Figure FDA0002691271630000013
其中，Re为地球半径，H为轨道高度，Wr为观测带宽度，L为波束中心在场景上的轨迹到卫星轨道在地面上的投影的最近距离，
Figure FDA0002691271630000021
为距离向波束宽度，θ为卫星轨道在地面上的投影与波足运动方向夹角，即场景斜角；α为波束在地面上的投影与波足运动方向夹角的余角，即波束倾角。
CN202010992598.2A 2020-09-21 2020-09-21 一种星载场景匹配sar数据获取构型优化设计方法 Active CN112462365B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010992598.2A CN112462365B (zh) 2020-09-21 2020-09-21 一种星载场景匹配sar数据获取构型优化设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010992598.2A CN112462365B (zh) 2020-09-21 2020-09-21 一种星载场景匹配sar数据获取构型优化设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112462365A true CN112462365A (zh) 2021-03-09
CN112462365B CN112462365B (zh) 2024-05-24

Family

ID=74832909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010992598.2A Active CN112462365B (zh) 2020-09-21 2020-09-21 一种星载场景匹配sar数据获取构型优化设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112462365B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102721949A (zh) * 2012-06-19 2012-10-10 北京航空航天大学 一种通用模式下星载sar等效噪声系数的计算方法
EP2759847A1 (en) * 2014-01-08 2014-07-30 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Method and apparatus for determining equivalent velocity
CN105677942A (zh) * 2015-12-27 2016-06-15 北京航空航天大学 一种重复轨道星载自然场景sar复图像数据快速仿真方法
CN106291557A (zh) * 2016-08-30 2017-01-04 西安空间无线电技术研究所 一种实现星载sar超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法
CN108562902A (zh) * 2018-06-15 2018-09-21 西安电子科技大学 基于模拟退火算法的高低轨双基地sar构型设计方法
CN109521424A (zh) * 2018-12-21 2019-03-26 西安电子科技大学 星载滑动聚束sar卫星姿态和prf序列设计方法
CN109782278A (zh) * 2019-01-08 2019-05-21 上海卫星工程研究所 干涉合成孔径雷达高度计波束中心指向设计方法及系统
CN110208797A (zh) * 2019-05-27 2019-09-06 西安空间无线电技术研究所 一种快响sar卫星大斜视姿态机动方法
CN110596704A (zh) * 2019-08-19 2019-12-20 西安空间无线电技术研究所 一种星载sar多方位角重复观测的卫星平台姿态机动方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102721949A (zh) * 2012-06-19 2012-10-10 北京航空航天大学 一种通用模式下星载sar等效噪声系数的计算方法
EP2759847A1 (en) * 2014-01-08 2014-07-30 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences Method and apparatus for determining equivalent velocity
CN105677942A (zh) * 2015-12-27 2016-06-15 北京航空航天大学 一种重复轨道星载自然场景sar复图像数据快速仿真方法
CN106291557A (zh) * 2016-08-30 2017-01-04 西安空间无线电技术研究所 一种实现星载sar超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法
CN108562902A (zh) * 2018-06-15 2018-09-21 西安电子科技大学 基于模拟退火算法的高低轨双基地sar构型设计方法
CN109521424A (zh) * 2018-12-21 2019-03-26 西安电子科技大学 星载滑动聚束sar卫星姿态和prf序列设计方法
CN109782278A (zh) * 2019-01-08 2019-05-21 上海卫星工程研究所 干涉合成孔径雷达高度计波束中心指向设计方法及系统
CN110208797A (zh) * 2019-05-27 2019-09-06 西安空间无线电技术研究所 一种快响sar卫星大斜视姿态机动方法
CN110596704A (zh) * 2019-08-19 2019-12-20 西安空间无线电技术研究所 一种星载sar多方位角重复观测的卫星平台姿态机动方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
宋舒 等: "地球同步轨道双基SAR成像方法", 数据采集与处理, vol. 28, no. 04, pages 410 - 415 *
杨磊 等: "分布式小卫星SAR多普勒解模糊成像", 电子与信息学报, vol. 33, no. 02, pages 355 - 362 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112462365B (zh) 2024-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Blacknell et al. Geometric accuracy in airborne SAR images
EP1881342B1 (en) System and method for estimating airborne radar antenna pointing errors
US7884752B2 (en) Radar system and a method relating thereto
CN108344396B (zh) 一种敏捷卫星斜条带成像模式姿态计算方法
Teo Bias compensation in a rigorous sensor model and rational function model for high-resolution satellite images
CN109827541B (zh) 一种提高协同工作的多台光电经纬仪互引导精度的方法
Toutin State-of-the-art of geometric correction of remote sensing data: a data fusion perspective
CN115128603A (zh) 星载sar非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法
US6987479B1 (en) Conformal range migration algorithm (CRMA) “KARMA”
KR20190084730A (ko) 비선형 비행 궤적에서 스퀸트 스포트라이트 모드를 위한 sar 신호 처리기와 항공기 탑재 합성구경 레이더 및 방법
CN112462365A (zh) 一种星载场景匹配sar数据获取构型优化设计方法
Zhang et al. A two-stage time-domain autofocus method based on generalized sharpness metrics and AFBP
Lee et al. Georegistration of airborne hyperspectral image data
JP2007256134A (ja) レーダ信号処理装置
Guo et al. Novel Trajectory Optimization Algorithm of Vehicle-borne LiDAR Mobile Measurement System.
RU2406071C1 (ru) Способ навигации движущихся объектов
CN115685202A (zh) 星载分布式干涉合成孔径雷达的基线估计方法及装置
Li et al. A modified factorized geometrical autofocus method for wide angle SAR
Jung et al. Line-of-sight vector adjustment model for geopositioning of SPOT-5 stereo images
CN111044076B (zh) 基于参考底图的高分一号b卫星几何检校方法
CN108387897B (zh) 基于改进高斯牛顿-遗传混合算法的弹体定位方法
Wang et al. Spaceborne large-squint terrain-matching synthetic aperture radar: Concept and technology
US20060028372A1 (en) Mensuration for the conformal range migration algorithm
Gao et al. A Robust Track Estimation Method for Airborne SAR Based on Weak Navigation Information and Additional Envelope Errors
Chu et al. The performance of a tight ins/gnss/photogrammetric integration scheme for land based mms applications in gnss denied environments

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant