CN113848548A - 一种基于二维模糊度的geo-leo sar波位设计方法 - Google Patents

一种基于二维模糊度的geo-leo sar波位设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于二维模糊度的GEO‑LEO SAR波位设计方法，在系统通道数M确定的情况下，计算星载多通道高分辨宽测绘带GEO‑LEO SAR系统的二维模糊度ASR，确定ASR值小于门限对应的PRF及下视角区域，求出满足所有俯仰角ASR值均小于门限最小的PRF值，即PRFmin；根据系统PRF满足的条件划分各个波位对应观察区域，对划分的各个波位，进行选择PRF值。本发明可以有效解决星载多通道高分辨率宽测绘带GEO‑LEO SAR系统存在双基直达波干扰问题，实现最大程度地抑制双基直达波对场景回波信号干扰影响，以达到对地面及海面进行双基广域高分辨探测的目的。

Description

一种基于二维模糊度的GEO-LEO SAR波位设计方法
技术领域
本发明属于星载雷达系统设计领域，特别涉及一种基于二维模糊度的GEO-LEOSAR波位设计算法，适用于星载方位多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR雷达在回波多普勒频谱存在模糊情况下对观察区域波位进行设计和选择。
背景技术
目前，在轨运行的星载雷达成像卫星均为低轨道(Low Earth Orbit,LEO)合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)系统，其轨道高度通常在500km～1000km，空间分辨率高，可达亚米级，但重复观察周期长。地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)雷达成像卫星的轨道高度为35786km，其生存能力强，且地面覆盖范围广，完成全球覆盖所需要的卫星数量少(约3～4颗)，重访周期短(约一天)，具备实时或准实时的对地观测能力，但存在空间分辨率较低，难以达到米级空间分辨率的要求。近年来，随着GEO SAR卫星技术的发展，以GEO SAR卫星作为主动照射源，LEO SAR小卫星沿航向搭载多个通道同时接收地面散射信号的GEO-LEO双/多基SAR体制逐渐进入人们视野。星载方位多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR体制的时空分辨率高、地面覆盖范围广，在遥感对地观测领域优势显著。
对于星载方位多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR系统进行设计时，波位设计及选择是个核心问题。由于星载多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR系统不可以避免的存在双基直达波干扰问题，直接利用已有星载单基SAR波位设计技术进行波位设计，将无法有效的避免直达波对系统的影响及获得高质量的SAR图像。
发明内容
要解决的技术问题
针对现有星载SAR波位设计技术无法有效避免星载方位多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR系统双基之间直达波干扰问题，本发明的目的在于提出一种基于两维模糊的星载多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR波位设计及选择方法，该方法可以在双基之间直达波存在情况下通过优化设计PRF，避免直达波对雷达回波的干扰，进而达到对直达波进行有效抑制。
技术方案
一种基于二维模糊度的GEO-LEO SAR波位设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在系统通道数M确定的情况下，计算星载多通道高分辨宽测绘带GEO-LEOSAR系统的二维模糊度ASR表示为：脉冲重复频率周期PRF及τ的关系图：
Figure BDA0002558581520000021
其中，PRF为脉冲重复频率，τ为一个脉冲内接收信号时延，即
Figure BDA0002558581520000022
fdc为多普勒中心频率，fd为多普勒频率，Bp为方位向成像处理带宽，满足fd≤Bp；GG(·)和GL(·)分别为高轨卫星及低轨卫星天线方向图增益；当时延为τ+l/PRF及多普勒频率为fd+k·PRF时，θG,k,l(τ,fd)为高轨道卫星俯仰角，θL,k,l(τ,fd)为低轨道卫星俯仰角，
Figure BDA0002558581520000023
为高轨道卫星方位角，
Figure BDA0002558581520000024
为低轨道卫星方位角，RG,l为高轨道卫星斜距，RL,l为低轨道卫星斜距，
Figure BDA0002558581520000025
表示目标的等效入射角，近似为收发平台的平均入射角，
Figure BDA0002558581520000026
为等效入射角度为
Figure BDA0002558581520000027
目标的散射系数；当时延为τ及多普勒频率为fd时，θG,0,0(τ,fd)为高轨道卫星俯仰角，θL,0,0(τ,fd)为低轨道卫星俯仰角，
Figure BDA0002558581520000028
为高轨道卫星方位角，
Figure BDA0002558581520000029
为低轨道卫星方位角，RG,0为高轨道卫星斜距，RL,0为低轨道卫星斜距，
Figure BDA00025585815200000210
表示目标的等效入射角；Gp(fd,M)为方位多通道SAR多普勒谱重构增益；
步骤2：确定ASR值小于门限对应的PRF及下视角区域，求出满足所有俯仰角ASR值均小于门限最小的PRF值，即PRFmin；
步骤3：由于GEO SAR发射机与LEO SAR接收机大尺度异构，可忽略发射干扰及星下点干扰，重点考虑直达波干扰；为保证直达波不落在接收窗内，计算系统PRF需满足如下条件；
Figure BDA0002558581520000031
其中，c为电磁波传播速度，RG表示目标到GEO SAR发射机的单程斜距；RL表示目标到LEO SAR接收机的单程斜距，floor(·)表示向下取整；Tp为脉冲宽度；Tr为保护时间；L为收发平台间的基线长度；
步骤4：划分各个波位对应观察区域，假设每个波位对应的测绘宽度为ΔRswath，双基构型最短斜距为RL_min+RG_min，RL_min为LEO SAR卫星对应的观察区域最短斜距，RG_min为GEOSAR卫星对应观察区域最短斜距；双基构型最大斜距为RL_max+RG_max，RL_max为LEO SAR卫星对应观察区域最大斜距，RG_max为GEO SAR卫星对应观察区域最大斜距；假设RGEO_LEO(k)为第k个波位对应的斜距，其满足：
Figure BDA0002558581520000032
利用上式将整个观察区域划为分K个波位；
步骤5：对于步骤4划分的各个波位，进行选择PRF值；以第k个波位为例，如果第k波位所有斜距对应的由步骤2确定的PRFmin值均处于步骤3确定的可选择区域，该波位的PRF值选择为PRFmin；如果第k波位所有斜距对应的由步骤2确定的PRFmin值未完全处于步骤3确定的可选择区域，可以选择一个最小的PRF值，使得第k波位所有斜距对应该PRF值均处于步骤3确定的可选择区域，同时该PRF值需要保证大于PRFmin
步骤6：重复步骤5，确定所有波位的PRF值。
步骤2中门限值为-20dB。
有益效果
本发明提出的一种基于二维模糊度的GEO-LEO SAR波位设计方法，可以有效解决星载多通道高分辨率宽测绘带GEO-LEO SAR系统存在双基直达波干扰问题，实现最大程度地抑制双基直达波对场景回波信号干扰影响，以达到对地面及海面进行双基广域高分辨探测的目的。
附图说明
图1基于两维模糊度的星载多通道高分辨率宽测绘带GEO-LEO SAR波位设计过程：(a)计算得到两维模糊度结果图；(b)两维模糊度满足小于-22dB区域图；(c)设计得到的各个波位及其对应的PRF值关系图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于两维模糊度的星载多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR波位设计算法，包括以下步骤：
步骤1，在系统通道数M确定的情况下，计算星载多通道高分辨宽测绘带GEO-LEOSAR系统的二维模糊度(Ambiguity-Signal-Ratio，ASR)可以表示为：脉冲重复频率周期PRF及τ的关系图：
Figure BDA0002558581520000041
其中，PRF为脉冲重复频率，τ为一个脉冲内接收信号时延，即
Figure BDA0002558581520000042
fdc为多普勒中心频率，fd为多普勒频率，Bp为方位向成像处理带宽，满足fd≤Bp；GG(·)和GL(·)分别为高轨卫星及低轨卫星天线方向图增益；当时延为τ+l/PRF及多普勒频率为fd+k·PRF时，θG,k,l(τ,fd)为高轨道卫星俯仰角，θL,k,l(τ,fd)为低轨道卫星俯仰角，
Figure BDA0002558581520000051
为高轨道卫星方位角，
Figure BDA0002558581520000052
为低轨道卫星方位角，RG,l为高轨道卫星斜距，RL,l为低轨道卫星斜距，
Figure BDA0002558581520000053
表示目标的等效入射角，近似为收发平台的平均入射角，
Figure BDA0002558581520000054
为等效入射角度为
Figure BDA0002558581520000055
目标的散射系数。当时延为τ及多普勒频率为fd时，θG,0,0(τ,fd)为高轨道卫星俯仰角，θL,0,0(τ,fd)为低轨道卫星俯仰角，
Figure BDA0002558581520000056
为高轨道卫星方位角，
Figure BDA0002558581520000057
为低轨道卫星方位角，RG,0为高轨道卫星斜距，RL,0为低轨道卫星斜距，
Figure BDA0002558581520000058
表示目标的等效入射角。Gp(fd,M)为方位多通道SAR多普勒谱重构增益。
步骤2，确定ASR值小于门限(典型值为-20dB)对应的PRF及下视角区域，求出满足所有俯仰角ASR值均小于门限最小的PRF值，即PRFmin。
步骤3，由于GEO SAR发射机与LEO SAR接收机大尺度异构，可忽略发射干扰及星下点干扰，重点考虑直达波干扰。为保证直达波不落在接收窗内，计算系统PRF需满足如下条件；
Figure BDA0002558581520000059
其中，c为电磁波传播速度，RG表示目标到GEO SAR发射机的单程斜距；RL表示目标到LEO SAR接收机的单程斜距，floor(·)表示向下取整；Tp为脉冲宽度；Tr为保护时间；L为收发平台间的基线长度。
步骤4，划分各个波位对应观察区域，假设每个波位对应的测绘宽度为ΔRswath，双基构型最短斜距为RL_min+RG_min，RL_min为LEO SAR卫星对应的观察区域最短斜距，RG_min为GEOSAR卫星对应观察区域最短斜距；双基构型最大斜距为RL_max+RG_max，RL_max为LEO SAR卫星对应观察区域最大斜距，RG_max为GEO SAR卫星对应观察区域最大斜距。假设RGEO_LEO(k)为第k个波位对应的斜距，其满足：
Figure BDA0002558581520000061
利用上式将整个观察区域划为分K个波位。
步骤5，对于步骤4划分的各个波位，进行选择PRF值。以第k个波位为例，如果第k波位所有斜距对应的由步骤2确定的PRFmin值均处于步骤3确定的可选择区域，该波位的PRF值选择为PRFmin；如果第k波位所有斜距对应的由步骤2确定的PRFmin值未完全处于步骤3确定的可选择区域，可以选择一个最小的PRF值，使得第k波位所有斜距对应该PRF值均处于步骤3确定的可选择区域，同时该PRF值需要保证大于PRFmin。
步骤6，重复步骤5，确定所有波位的PRF值。
至此，一种基于两维模糊度的星载多通道高分辨率宽测绘带GEO-LEO SAR波位设计及选择算法基本完成。
以下通过一个星载多通道高分辨率宽测绘带GEO-LEO SAR设计例子来进一步验证本发明的有效性。
(一)设计例子
1.GEO-LEO SAR系统参数
为了验证本发明方法的有效性，此处给出了表1中的GEO-LEO SAR系统参数及技术指标要求。
表1系统参数及技术指标要求
Figure BDA0002558581520000062
Figure BDA0002558581520000071
2.设计内容
图1示意了利用本发明提出基于二维模糊度的星载多通道高分辨率宽测绘带GEO-LEO SAR波位设计及选择算法获得波位设计结果图。从图中可以看到本发明先对各个俯仰角度及PRF值对应的两维模糊进行计算，接着确定两维模糊度小于-20dB区域，进而可以确定PRF选择范围为960Hz～1100Hz。对各个波位进行设计和选择PRF，结果图如图1(c)所示。采用本发明方法所设计得到的波位及PRF值可以有效抑制双基直达波对星载多通道高分辨率宽测绘带GEO-LEO SAR回波影响问题。
综上所述，星载多通道高分辨率宽测绘带GEO-LEO SAR波位设计实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
表2所设计波位参数
Figure BDA0002558581520000072

Claims (2)

1.一种基于二维模糊度的GEO-LEO SAR波位设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在系统通道数M确定的情况下，计算星载多通道高分辨宽测绘带GEO-LEO SAR系统的二维模糊度ASR表示为：脉冲重复频率周期PRF及τ的关系图：
Figure FDA0002558581510000011
其中，PRF为脉冲重复频率，τ为一个脉冲内接收信号时延，即
Figure FDA0002558581510000012
fdc为多普勒中心频率，fd为多普勒频率，Bp为方位向成像处理带宽，满足fd≤Bp；GG(·)和GL(·)分别为高轨卫星及低轨卫星天线方向图增益；当时延为τ+l/PRF及多普勒频率为fd+k·PRF时，θG,k,l(τ,fd)为高轨道卫星俯仰角，θL,k,l(τ,fd)为低轨道卫星俯仰角，
Figure FDA0002558581510000013
为高轨道卫星方位角，
Figure FDA0002558581510000014
为低轨道卫星方位角，RG,l为高轨道卫星斜距，RL,l为低轨道卫星斜距，
Figure FDA0002558581510000015
表示目标的等效入射角，近似为收发平台的平均入射角，
Figure FDA0002558581510000016
为等效入射角度为
Figure FDA0002558581510000017
目标的散射系数；当时延为τ及多普勒频率为fd时，θG,0,0(τ,fd)为高轨道卫星俯仰角，θL,0,0(τ,fd)为低轨道卫星俯仰角，
Figure FDA0002558581510000018
为高轨道卫星方位角，
Figure FDA0002558581510000019
为低轨道卫星方位角，RG,0为高轨道卫星斜距，RL,0为低轨道卫星斜距，
Figure FDA00025585815100000110
表示目标的等效入射角；Gp(fd,M)为方位多通道SAR多普勒谱重构增益；
步骤2：确定ASR值小于门限对应的PRF及下视角区域，求出满足所有俯仰角ASR值均小于门限最小的PRF值，即PRFmin；
步骤3：由于GEO SAR发射机与LEO SAR接收机大尺度异构，可忽略发射干扰及星下点干扰，重点考虑直达波干扰；为保证直达波不落在接收窗内，计算系统PRF需满足如下条件；
Figure FDA0002558581510000021
其中，c为电磁波传播速度，RG表示目标到GEO SAR发射机的单程斜距；RL表示目标到LEOSAR接收机的单程斜距，floor(·)表示向下取整；Tp为脉冲宽度；Tr为保护时间；L为收发平台间的基线长度；
步骤4：划分各个波位对应观察区域，假设每个波位对应的测绘宽度为ΔRswath，双基构型最短斜距为RL_min+RG_min，RL_min为LEO SAR卫星对应的观察区域最短斜距，RG_min为GEO SAR卫星对应观察区域最短斜距；双基构型最大斜距为RL_max+RG_max，RL_max为LEO SAR卫星对应观察区域最大斜距，RG_max为GEO SAR卫星对应观察区域最大斜距；假设RGEO_LEO(k)为第k个波位对应的斜距，其满足：
Figure FDA0002558581510000022
利用上式将整个观察区域划为分K个波位；
步骤5：对于步骤4划分的各个波位，进行选择PRF值；以第k个波位为例，如果第k波位所有斜距对应的由步骤2确定的PRFmin值均处于步骤3确定的可选择区域，该波位的PRF值选择为PRFmin；如果第k波位所有斜距对应的由步骤2确定的PRFmin值未完全处于步骤3确定的可选择区域，可以选择一个最小的PRF值，使得第k波位所有斜距对应该PRF值均处于步骤3确定的可选择区域，同时该PRF值需要保证大于PRFmin
步骤6：重复步骤5，确定所有波位的PRF值。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维模糊度的GEO-LEO SAR波位设计方法，其特征在于步骤2中门限值为-20dB。
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