CN114265063A - 一种基于星电联合扫描的sar卫星成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法。使用本发明能够利用馈源阵电扫描实现距离向波束切换，利用卫星俯仰向机械匀速摆动代替天线电扫描功能，实现波束方位向扫描，形成两维扫描能力，在同时实现高分辨率和大幅宽成像的情况下，减少对电扫描能力的需求。首先将成像区域划分成N×M个子块，每个子块均通过聚束模式进行成像，每个子块内其方位向波束扫描由卫星平台作俯仰匀速机械摆动实现，距离向的小块之间的成像区域切换由馈源阵电扫描实现，方位向的小块之间的成像区域切换由馈源阵电扫描实现，依次遍历N×M个子块完成多个方位范围的观测成像。

Description

一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法

技术领域

本发明属于微波成像卫星总体设计领域，具体涉及一种基于星电联合扫描的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)卫星成像方法。

技术背景

SAR是一种先进的高分辨率的主动式微波成像雷达，它利用先进的信号处理技术与脉冲压缩技术获得高质量的二维雷达图像。SAR图像分辨率高，能够全天候、全天时工作，对土壤、植被具有一定的穿透能力，与可见光、红外遥感器比较，具有独特的优势和不能替代的地位。SAR图像幅宽较大、时间分辨率较高，这对观测全球态势有重要意义。目前，SAR卫星在灾害监测、资源调查、环境监测以及海洋研究等众多领域具有重要作用和巨大的应用价值。

目前对SAR卫星的应用需求主要集中于高分辨率和大幅宽，其中，可通过方位向波束扫描增加对目标的相干积累时间来达到高分辨率，只要方位扫描角度足够大，就可以实现任意高的方位分辨率指标。但是成像幅宽受限于波束足迹大小，很难实现大幅宽，通常采用马赛克模式(即将聚束模式和扫描模式相结合)来实现，其中，马赛克模式成像幅宽内的各小块成像均由聚束模式实现。如果同时要求具有高分辨率和大幅宽成像，SAR卫星就需要具有方位和距离二维扫描功能，然而，在现有的方案中都没有涉及到如何利用卫星平台的机动性，增加SAR卫星的扫描能力，从而减小对电扫描能力的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法，利用馈源阵电扫描实现距离向波束切换，利用卫星俯仰向机械匀速摆动代替天线电扫描功能，实现波束方位向扫描，形成两维扫描能力，在同时实现高分辨率和大幅宽成像的情况下，减少对电扫描能力的需求。

具体技术方案如下：

首先将成像区域划分成N×M个子块，每个子块均通过聚束模式进行成像，每个子块内其方位向波束扫描由卫星平台作俯仰匀速机械摆动实现，距离向的小块之间的成像区域切换由馈源阵电扫描实现，方位向的小块之间的成像区域切换由馈源阵电扫描实现，依次遍历N×M个子块完成多个方位范围的观测，其中，M表示距离向分块数，N表示方位向分块数。

令卫星轨道高度为H，入射角范围为θ_L～θ_H，方位向分辨率为ρ_a，方位向幅宽为W_A，距离向幅宽为W_R。天线方位向波束宽度为θ_A，天线距离向波束宽度为θ_R，雷达作用距离为R，则成像区域分块情况如图1所示，其中距离向分块数为

方位向分块数为

单个子块的合成孔径时间(即波束持续照射目标时间)为

其中T_s为，λ为雷达工作波长，V_s为卫星运行速度。相应地，子块成像的方位向扫描角度为

扫描角速度为

卫星在成像期间方位向机械摆动的总角度为N×M×θ_scan，总时间为N×M×T_s。方位向需要小的电扫角度为(N-1)×θ_A，距离向需要小的电扫角度为(M-1)×θ_R。

有益效果

本发明利用卫星俯仰向匀速摆动实现方位波束扫描，结合馈源阵两维小角度电扫能力，可以使SAR卫星具备高分辨率、大幅宽兼顾的成像能力。与用相控阵天线相比，对天线扫描能力的要求由几十度降低为几度，减少了对电扫描能力的需求，极大降低了天线的设计和实现难度，工程实用性更强，卫星成本更低。

附图说明

图1成像几何关系。

具体实施方式

在开始扫描成像之前，首先进行参数计算，具体如下

1)确定待成像区域划分子块的数量

若距离向幅宽为W_R，天线距离向波束宽度为θ_R，雷达作用距离为R，则距离向分块数为

距离向需要的总的电扫角度为(M-1)×θ_R。

2)确定方位向电扫描角度

若方位向幅宽为W_A，天线方位向波束宽度为θ_A，雷达作用距离为R，则方位向分块数为

方位向需要的总的电扫角度为(N-1)×θ_A。

3)确定方位向机械扫描时间

单个子块的合成孔径时间为

即波束持续照射目标时间，λ为SAR发射电磁波的波长，V_s为卫星运行速度，ρ_a为方位向分辨率，则方位向总的机械扫描时间为M×N×T_s。

4)确定方位向机械扫描角度

子块成像的方位向扫描角度为

卫星在成像期间方位向机械摆动的总角度为M×N×θ_scan。

5)确定卫星平台机械摆动角速度

卫星平台机械摆动角速度为

根据上述计算得到的参数进行扫描成像，具体如下：

如图1所示，将待成像区域划分为N×M个子块，其中，距离向分块数

方位向分块数

距离向需要的总的电扫角度为(M-1)×θ_R，方位向需要的总的电扫角度为(N-1)×θ_A；

天线波束首先指向(1，1)子块，子块内其方位向波束扫描由卫星平台作俯仰匀速机械摆动实现，子块内方位向机械扫描时间(即单个子块的合成孔径时间)为

单个子块成像的方位向扫描角度为

卫星平台机械摆动角速度为

每个子块均通过聚束模式进行成像；

(1，1)子块扫描完成后，由馈源阵电扫描将成像区域切换至(2，1)，距离向电扫描角度即为天线距离向波束宽度θ_R，重复(1，1)子块内的成像方式，然后继续切换，直到子块(M，1)；

在每一列距离向小块成像完成后，通过馈源阵方位向电扫描快速切换到下一个方位成像区域，本实施例中，从子块(M，1)切换至子块(M，2)，方位向电扫描角度即为天线方位向波束宽度θ_A。相比卫星平台做的机械摆动，馈源阵方位向电扫描切换速度快，能够保证成像的流畅性；

从子块(M，2)沿距离向继续进行聚束观测，依次遍历N×M个子块，SAR卫星利用上述参数完成一次成像。在距离向，通过馈源电扫描形成M个波束完成距离扫描，实现距离向测绘带要求。在方位向需要进行N次子块成像，在每一个方位小块成像完成后，通过天线方位向电扫描快速切换到下一个方位成像区域，继续进行观测，依次完成N个方位范围的观测。需要说明的是，在完成整个距离向M个小块、方位向N个小块观测的过程中，始终要求卫星沿方位向作匀速摆动，而距离和方位小块之间的切换由天线小角度电扫来实现。

举一个典型例子，取H＝1000km，θ_H＝60°，θ_L＝10°，W_A＝100km，W_R＝100km，θ_A＝1°，θ_R＝1°，λ＝10GHz，ρ_a＝2m，若采用相控阵体制的SAR卫星，则需要SAR天线在方位向具备12°的电扫描能力、距离向具备50°的电扫描能力；若采用本发明所用的星电联合扫描的方法，则SAR天线在方位向具备4°的电扫描能力、距离向具备4°的电扫描能力。可见，本发明对SAR天线的扫描能力要求大幅降低。

Claims (5)

1.一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法，其特征在于，包括：首先将成像区域划分成N×M个子块，每个子块均通过聚束模式进行成像，每个子块内其方位向波束扫描由卫星平台作俯仰匀速机械摆动实现，距离向的小块之间的成像区域切换由馈源阵电扫描实现，方位向的小块之间的成像区域切换由馈源阵电扫描实现，依次遍历N×M个子块完成多个方位范围的观测，其中，M表示距离向分块数，N表示方位向分块数。

2.如权利要求1所述的一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法，其特征在于，进一步的，距离向分块数

其中，W_R表示距离向幅宽，R表示雷达作用距离，θ_R表示天线距离向波束宽度。

3.如权利要求1所述的一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法，其特征在于，进一步的，方位向分块数

其中，W_A表示方位向幅宽，θ_A表示天线方位向波束宽度。

4.如权利要求1所述的一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法，其特征在于，进一步的，卫星方位向机械扫描角度为

其中，V_S为卫星运行速度。

5.如权利要求4所述的一种基于星电联合扫描的SAR卫星成像方法，其特征在于，进一步的，卫星平台机械摆动角速度

其中，单个子块的合成孔径时间

λ为雷达工作波长，ρ_a为方位向分辨率。

Images