CN114488148A - 一种基于稀疏tops-sar成像模式实现方法 - Google Patents

一种基于稀疏tops-sar成像模式实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于稀疏TOPS‑SAR成像模式实现方法，包括如下步骤：(1)构建TOPS‑SAR系统波位选择示意图；(2)设计稀疏TOPS‑SAR成像模式波位，计算相关参数；(3)构建稀疏TOPS‑SAR成像模式阵列天线方向图模型；(4)构建稀疏TOPS‑SAR成像模式扫描时序模型；(5)稀疏TOPS‑SAR成像模式性能分析。本发明将稀疏微波成像系统与TOPS‑SAR模式相结合，可在不改变现有SAR硬件设备的基础上，降低雷达系统设计中对脉冲重复频率的约束，以获取更大的测绘带宽；且随着波束扫描角的增大，分布式目标模糊比变化更小，获取的图像质量更稳定。

Description

一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法
技术领域
本发明属于雷达系统模式设计领域，具体涉及一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)是一种主动式高分辨率成像雷达，具有全天时、全天候、穿透能力强的特点，在灾情预测、地质探测以及情报侦察等方面都有着广泛的应用前景。
TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans)模式是一种SAR宽测绘带工作模式。当SAR工作在TOPS模式时，通过波束在方位向的快速扫描，可在短时间内实现对方位向的大范围观测；通过在距离向子测绘带之间的波束切换可以提高SAR在距离向的观测范围。相比起ScanSAR模式中把合成孔径时间分给每个子测绘带，TOPS SAR通过在航迹向上控制天线的波束进行扫描，使每个目标都可以快速的经历几乎相同的天线方向图加权，从而实现对扇贝效应的有效抑制。
稀疏SAR成像是雷达成像领域的新理论、新体制和新方法。与传统SAR相比，稀疏SAR成像系统在降低系统数据量和复杂度方面具有更大潜力，可以在许多方面提高系统性能，如对方位和距离采样率的要求更低、分辨能力更高、模糊度更低等。
将稀疏SAR成像系统与TOPS工作模式结合，可以在不改变雷达硬件设备的基础上，进一步优化雷达系统性能，获取更大的测绘带宽。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法，在不改变现有雷达硬件设备的基础上，直接降低SAR方位向采样频率，经过恰当的波位设计获取更大的测绘带宽，提升TOPS模式宽测绘带的优势。
技术方案：本发明提供了一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法，包括以下步骤：
(1)构建TOPS-SAR系统波位选择示意图，得到合成孔径雷达的入射角和脉冲重复频率；
(2)设计稀疏TOPS-SAR成像模式波位，并计算相关参数；
(3)构建稀疏TOPS-SAR成像模式阵列天线方向图模型；
(4)构建稀疏TOPS-SAR成像模式扫描时序模型。
进一步地，步骤(1)所述合成孔径雷达的脉冲重复频率满足：
Figure BDA0003466382160000021
Figure BDA0003466382160000022
Figure BDA0003466382160000023
其中，R0和RN为测绘带斜距的最小值和最大值，c为光速，Int(·)表示取其整数部分，Frac(·)表示取其分数部分，τp为脉冲宽度，τRP是为了保证数据的有效记录在脉冲周期间隔留出的时间间隔；
为保证星下点回波不落在接收窗内，合成孔径雷达的脉冲重复频率同时满足：
Figure BDA0003466382160000024
Figure BDA0003466382160000025
其中，H为卫星高度，j为脉冲号，j＝0表示想要的脉冲，j为正整数时表示想要脉冲之前的干扰脉冲，j为负整数时表示想要脉冲之后的干扰脉冲。
进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
以降采样比设为75％进行设计，天线高度不变，脉冲宽度增加，峰值发射功率不变；通过步骤(1)获得的入射角和脉冲重复频率，根据卫星高度和卫星速度这些卫星参数，计算中心入射角、中心斜距、等效速度和测绘带宽度。
进一步地，所述步骤(3)通过以下公式实现：
Figure BDA0003466382160000026
Figure BDA0003466382160000031
Figure BDA0003466382160000032
Figure BDA0003466382160000033
其中，λ为波长，N为天线方位向子阵个数，Lae为单阵元天线方位向尺寸，θ为目标的观测角，θp为波束的扫描角，Δt为脉冲从发射到被接收的时间延迟。
进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
简化步骤(3)获取的天线方向图模型为：
Figure BDA0003466382160000034
其中，ta代表方位慢时间，La为天线方位向尺寸，Vs为SAR平台运动速度，
Figure BDA0003466382160000038
为转向角速率，R0为SAR平台飞行轨迹到距离向测绘带中心处的最短斜距；
稀疏TOPS SAR成像模式的方位向分辨率可以表示为：
Figure BDA0003466382160000035
其中，ρ为方位向分辨率，θ0为方位向波束宽度；
为保证系统做到连续测绘，需满足：
Figure BDA0003466382160000036
Figure BDA0003466382160000037
其中，TB为每个子测绘带的扫描时间，TR为工作周期，TG表示为实现连续测绘而留出的Burst之间的重叠时间，也称为波数转换时间，各参数的上标n代表第n个子测绘带。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、稀疏TOPS-SAR成像模式可以在不改变雷达硬件设备的基础上，降低雷达系统设计中对脉冲重复频率的约束，从而获取更大的测绘带宽；2、随着波束扫描角的增大，相比与常规TOPS-SAR工作模式，稀疏TOPS-SAR成像模式分布式目标模糊比变化更小，图像质量更稳定。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为稀疏TOPS SAR成像模式波位选择示意图；
图3为稀疏TOPS SAR成像模式阵列天线方向图；其中，(a)为转向角为0°时的阵列天线方向图；(b)为转向角为0.4°时的阵列天线方向图；
图4为稀疏TOPS SAR成像模式扫描时序模型示意图；其中(a)为方位向分辨率与转向角速率的关系，(b)为方位向分辨率与最大转向角的关系；
图5为信噪比随波束宽度变化示意图；其中，(a)为稀疏TOPS模式的变化图；(b)为常规TOPS模式的变化图；
图6为方位模糊信号比示意图；
图7为分布式目标模糊比变化示意图；其中，(a)为稀疏TOPS模式下分布式目标模糊比随转向角变化示意图；(b)为常规TOPS模式下分布式目标模糊比随转向角变化示意图；(c)为稀疏TOPS模式下分布式目标模糊比随波束宽度变化示意图；(d)为常规TOPS模式下分布式目标模糊比随波束宽度变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种基于稀疏TOPS-SAR模式实现方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：构建TOPS-SAR系统波位选择示意图，得到SAR的入射角和脉冲重复频率等波位信息。
(1.1)避免发射脉冲干扰。
为保证整个测绘带宽内的回波都在同一数据记录窗内，脉冲重复频率(PulseRepetition Frequency，简称PRF)必须满足：
Figure BDA0003466382160000041
Figure BDA0003466382160000051
Figure BDA0003466382160000052
其中，R0和RN为测绘带斜距的最小值和最大值，c为光速，Int(·)表示取其整数部分，Frac(·)表示取其分数部分，τp为脉冲宽度，τRP是为了保证数据的有效记录在脉冲周期间隔留出的时间间隔。
(1.2)避免星下点回波干扰。
为保证星下点回波不落在接收窗内，PRF必须满足：
Figure BDA0003466382160000053
Figure BDA0003466382160000054
其中，H为卫星高度，j为脉冲号，j＝0表示想要的脉冲，j为正整数时表示想要脉冲之前的干扰脉冲，j为负整数时表示想要脉冲之后的干扰脉冲。
步骤2：设计稀疏TOPS-SAR成像模式波位，并计算相关参数。
以降采样比设为75％进行设计，天线高度不变，脉冲宽度增加，峰值发射功率不变。通过波位选择示意图设计波位之后，可以得到入射角和脉冲重复频率，根据卫星高度和卫星速度这些卫星参数，可以计算中心入射角、中心斜距、等效速度和测绘带宽度等这些参数，计算的参数见表1。
步骤3：构建稀疏TOPS-SAR成像模式阵列天线方向图模型。
稀疏TOPS-SAR成像模式阵列天线方向图模型可以表示为子阵方向图与阵列方向图乘积的形式，具体为：
Figure BDA0003466382160000055
Figure BDA0003466382160000056
Figure BDA0003466382160000061
Figure BDA0003466382160000062
其中，λ为波长，N为天线方位向子阵个数，Lae为单阵元天线方位向尺寸，θ为目标的观测角，θp为波束的扫描角，Δt为脉冲从发射到被接收的时间延迟。
步骤4：构建稀疏TOPS-SAR成像模式扫描时序模型。
为了分析方便，先不考虑子阵方向图对阵列综合方向图的影响，简化的天线方向图模型为：
Figure BDA0003466382160000063
其中，ta代表方位慢时间，La为天线方位向尺寸，Vs为SAR平台运动速度，
Figure BDA0003466382160000067
为转向角速率，R0为SAR平台飞行轨迹到距离向测绘带中心处的最短斜距。
稀疏TOPS-SAR成像模式的方位向分辨率可以表示为：
Figure BDA0003466382160000064
其中，ρ为方位向分辨率，θ0为方位向波束宽度。
为保证系统可以做到连续测绘，需满足：
Figure BDA0003466382160000065
Figure BDA0003466382160000066
其中，TB为每个子测绘带的扫描时间，TR为一个工作周期时间，TG表示为实现连续测绘而留出的Burst之间的重叠时间，也称为波数转换时间，各参数的上标n代表第n个子测绘带。
稀疏TOPS-SAR成像模式性能分析包括信噪比随波束宽度变化、方位模糊信号比变化、分布式目标模糊比随转向角变化、分布式目标模糊比随波束宽度变化。
下面通过实际数据，以公开的TerraSAR卫星参数为例对本发明稀疏TOPS-SAR成像模式设计进行验证。
图2为TOPS-SAR成像模式波位选择示意图，其中虚线为常规TOPS-SAR成像模式波位，实线为稀疏TOPS-SAR成像模式波位，经过计算，稀疏TOPS-SAR成像模式参数和常规TOPS-SAR成像模式参数如表1所示。
表1稀疏TOPS模式和常规TOPS模式参数对比
Figure BDA0003466382160000071
可见稀疏TOPS-SAR成像模式与常规TOPS-SAR成像模式相比，方位向分辨率和波束宽度并无变化，距离向测绘带宽度由120km提高到160km。图3为稀疏TOPS-SAR成像模式阵列天线方向图，其中(a)为转向角为0°时的阵列天线方向图，(b)为转向角为0.4°时的阵列天线方向图，可见当进行波束扫描时，天线方向图会有栅瓣产生。图4为稀疏TOPS-SAR成像模式转向角速率和最大转向角与方位向分辨率的关系，其中，(a)为方位向分辨率与转向角速率的关系，(b)为方位向分辨率与最大转向角的关系。图5、图6和图7为稀疏TOPS-SAR成像模式和常规TOPS-SAR成像模式性能分析比较。图5为信噪比随波束宽度变化示意图，其中，(a)为稀疏TOPS模式的变化；(b)为常规TOPS模式的变化；稀疏TOPS-SAR成像模式与常规TOPS-SAR成像模式相比并无较大改变。图6为方位模糊信号比随PRF变化示意图，稀疏TOPS-SAR成像模式与常规TOPS-SAR成像模式相比方位模糊信号比提高了13dB。图7为分布式目标模糊比变化示意图，其中，(a)为稀疏TOPS模式下分布式目标模糊比随转向角变化示意图；(b)为常规TOPS模式下分布式目标模糊比随转向角变化示意图；(c)为稀疏TOPS模式下分布式目标模糊比随波束宽度变化示意图；(d)为常规TOPS模式下分布式目标模糊比随波束宽度变化示意图；可见在分布式目标模糊比随转向角变化方面，稀疏TOPS-SAR成像模式的变化明显小于常规TOPS-SAR。在分布式目标模糊比随波束宽度变化方面，稀疏TOPS-SAR成像模式变化较大，而常规TOPS-SAR成像模式变化较小。

Claims (5)

1.一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建TOPS-SAR系统波位选择示意图，得到合成孔径雷达的入射角和脉冲重复频率；
(2)设计稀疏TOPS-SAR成像模式波位，并计算相关参数；
(3)构建稀疏TOPS-SAR成像模式阵列天线方向图模型；
(4)构建稀疏TOPS-SAR成像模式扫描时序模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法，其特征在于，步骤(1)所述合成孔径雷达的脉冲重复频率满足：
Figure FDA0003466382150000011
Figure FDA0003466382150000012
Figure FDA0003466382150000013
其中，R0和RN为测绘带斜距的最小值和最大值，c为光速，Int(·)表示取其整数部分，Frac(·)表示取其分数部分，τp为脉冲宽度，τRP是为了保证数据的有效记录在脉冲周期间隔留出的时间间隔；
为保证星下点回波不落在接收窗内，合成孔径雷达的脉冲重复频率同时满足：
Figure FDA0003466382150000014
Figure FDA0003466382150000015
其中，H为卫星高度，j为脉冲号，j＝0表示想要的脉冲，j为正整数时表示想要脉冲之前的干扰脉冲，j为负整数时表示想要脉冲之后的干扰脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：
以降采样比设为75％进行设计，天线高度不变，脉冲宽度增加，峰值发射功率不变；通过步骤(1)获得的入射角和脉冲重复频率，根据卫星高度和卫星速度这些卫星参数，计算中心入射角、中心斜距、等效速度和测绘带宽度。
4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法，其特征在于，所述步骤(3)通过以下公式实现：
Figure FDA0003466382150000021
Figure FDA0003466382150000022
Figure FDA0003466382150000023
Figure FDA0003466382150000024
其中，λ为波长，N为天线方位向子阵个数，Lae为单阵元天线方位向尺寸，θ为目标的观测角，θp为波束的扫描角，Δt为脉冲从发射到被接收的时间延迟。
5.根据权利要求1所述的一种基于稀疏TOPS-SAR成像模式实现方法，其特征在于，所述步骤(4)实现过程如下：
简化步骤(3)获取的天线方向图模型为：
Figure FDA0003466382150000025
其中，ta代表方位慢时间，La为天线方位向尺寸，Vs为SAR平台运动速度，
Figure FDA0003466382150000028
为转向角速率，R0为SAR平台飞行轨迹到距离向测绘带中心处的最短斜距；
稀疏TOPS-SAR成像模式的方位向分辨率可以表示为：
Figure FDA0003466382150000026
其中，ρ为方位向分辨率，θ0为方位向波束宽度；
为保证系统做到连续测绘，需满足：
Figure FDA0003466382150000027
Figure FDA0003466382150000031
其中，TB为每个子测绘带的扫描时间，TR为工作周期，TG表示为实现连续测绘而留出的Burst之间的重叠时间，也称为波数转换时间，各参数的上标n代表第n个子测绘带。
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