CN114924269A - 一种基于星载f-scan sar的距离向模糊度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于星载F‑SCANSAR的距离向模糊度分析方法，通过计算F‑SCANSAR在脉冲内实现波束扫描这一新型工作方式下测绘带内各采样点接收信号的参数，并确定该工作模式下模糊区的分布位置及模糊区每个模糊点接收到的波束参数，从而得到测绘带采样点及模糊区的模糊点经波束扫描后的最终积累能量，进一步确定测绘带上每个采样点距离向模糊度，并绘制出了距离向模糊度随地距变化的曲线和测绘带上各采样点在刚好进入波束、处于波束中心位置和刚好离开波束时，其对应的模糊区在天线方向图上的位置分布图，便于系统设计者更好地分析系统的参数与性能，能够直观地反应距离向模糊度在整个场景内的变化。

Description

一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式的对地观测系统，具备全天时、全天候的成像能力，在全球军事侦察、环境遥感、自然灾害检测等领域发挥了不可替代的作用。高分辨率宽幅成像是星载SAR领域中的一个重要研究方向，许多学者针对这一目标展开了大量研究，提出了一些新的体制、技术、模式等。如今距离向常用的实现高分辨率宽幅成像的方法是将多通道技术与数字波束形成(DBF)技术结合，但这种方法会产生较大的数据量并且无法在发射时实现高增益。F-SCAN SAR于2017年被提出，它在发射端和接收端都采用高增益的窄波束，能够很好地实现高分辨率宽幅成像，并具备许多其他的优良性能。

在星载SAR中，发射和接收一个脉冲信号之间间隔多个脉冲重复周期。在有用信号到达雷达的同时，会有与它发射时间相差整数个脉冲重复周期的其他回波信号同时被雷达接收，从而产生距离向模糊。图1为距离向模糊示意图。这时天线波束的旁瓣信号被测绘带外的区域接收并反射回雷达，与目标区域的回波信号混叠，导致图像质量下降甚至产生虚假目标。因此，距离向模糊度是星载SAR在系统设计和波位选择时的一个重要指标。

传统SAR在距离向通常是采用小孔径天线实现宽波束覆盖，而F-SCAN SAR在距离向采用的是频率扫描的方式：通过发射一个上变频啁啾信号实现窄波束从远端到近端的扫描，故在距离向模糊的分析上与传统模式有较大不同。目前针对F-SCAN SAR的研究内容相对较少，并且没有关于距离向模糊度的详细分析方法被提出。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，通过分析F-SCAN SAR中模糊区位置的分布以及计算测绘带和模糊区上每个点接收到的信号参数及与波束中心的夹角，从而得到这些区域上每个采样点的天线方向图和波束扫描过程中积累的能量，最终确定了F-SCAN SAR的距离向模糊度。

本发明提出了一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：初始化光速的值，并读入星载SAR系统的相关参数，包括卫星高度，平均地球半径，雷达中心频率，发射信号带宽，天线距离向尺寸。

初始化开普勒常数，计算卫星到地心的距离和卫星速度；读取选取的波位参数，包括脉冲重复频率，测绘带的近端地距和远端地距，并计算出测绘带近端和远端的一些距离和角度参数，包括测绘带近端对应的地心角，远端对应的地心角，测绘带的近端对应的斜距，测绘带的远端对应的斜距，测绘带的近端对应的视角与远端对应的视角。

步骤二：对测绘带进行均匀分块采样，计算每个采样点接收到的信号参数，包括频率f_i、波长λ_i和对应的瞬时波束宽度θ_{i_beam}。

步骤三：确定向雷达反射信号的模糊区范围。

(1)计算模糊区的最大斜距RangeMax和最小斜距RangeMin。

(2)计算实际最小模糊区的序号SequenceMin和最大模糊区的序号SequenceMax。

(3)设定最大模糊区序号，将待计算的模糊区序号限定在-A到A之间；将实际计算得到的最小模糊区序号SequenceMin和最大模糊区序号SequenceMax与预先设定的最大模糊区范围-A～A对比，取二者交集。

步骤四：找到测绘带上每个采样点在不同模糊区上的对应点，并计算测绘带上每个采样点的入射角θ_i和视角α_i，以及对应模糊区每个模糊点的入射角θ_ij和视角α_ij。

步骤五：计算每个采样点经历波束扫描后的天线方向图的积累结果，方法为：

1)计算第i个采样点处于天线3dB波束过程中波束中心指向的起始位置和终止位置。

2)对测绘带上第i个采样点经历的波束中心指向变化角度进行T点均匀采样，T取奇数。计算瞬时波束中心指向角度。

3)计算t时刻测绘带和模糊区上每个采样点在天线方向图上的位置θ_{i_t}和θ_{ij_t}。

4)计算测绘带上第i个采样点积累的方向图G_i及其在第j个模糊区的对应点积累的天线方向图G_ij：

其中，Lr为天线距离向尺寸，λ_i为测绘带上第i个采样点接收到的信号波长，t表示从目标刚好进入天线3dB波束到刚好离开3dB波束的这段时间。

步骤六：计算测绘带和模糊区上每个采样点的能量。

步骤七：计算测绘带上第i个采样点的距离向模糊度。

步骤八：计算测绘带上每个采样点的地距并绘制距离向模糊度随地距的变化曲线和测绘带上各采样点在刚好进入波束、处于波束中心位置和刚好离开波束时，其对应的模糊区在天线方向图上的位置分布图。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，分析了F-SCAN SAR在脉冲内实现波束扫描这一新型工作方式下测绘带内各点接收信号的参数，确定了该工作模式下模糊区的分布位置并找到了模糊区每个点接收到的波束参数，给出了采样点经波束扫描后计算最终积累能量的方法，得出了测绘带上每个采样点距离向模糊度，最终绘制出了距离向模糊度随地距变化的曲线和测绘带上各采样点在刚好进入波束、处于波束中心位置和刚好离开波束时，其对应的模糊区在天线方向图上的位置分布图，便于系统设计者更好地分析系统的参数与性能，能够直观地反应距离向模糊度在整个场景内的变化。

(2)本发明基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，距离向模糊度的精确计算对F-SCAN SAR在进行系统设计和波位选择的过程十分重要，该发明具有较高的实用价值。

附图说明

图1是本发明的距离向模糊示意图；

图2是本发明提出的一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法的流程图；

图3是本发明的距离向几何关系示意图；

图4是本发明的F-SCAN SAR发射信号频率随斜距变化的示意图；

图5是本发明的确定模糊区位置的流程图；

图6是本发明的最大模糊区范围示意图；

图7是本发明的确定测绘带某一采样点在第j个模糊区对应点位置的示意图；

图8是本发明的对每个模糊区采样点赋予标志值的流程图；

图9是本发明测绘带上某一采样点在刚好进入波束和刚好离开波束时的示意图；

图10是本发明的仿真数据绘制所得的随地距变化的距离向模糊度的曲线；

图11是本发明的仿真数据绘制所得的不同时刻模糊区在天线方向图上的位置分布图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，如图2所示，具体包括以下几个步骤：

步骤一：进行常量的初始化设置并读入星载SAR系统的相关参数和选取的波位等参数。

(1)首先初始化光速c的值；然后读入星载SAR系统的相关参数，包括卫星高度H，平均地球半径Re，雷达中心频率freq_0，发射信号带宽B_chirp，天线距离向尺寸Lr；

本实施方式中具体参数为：c＝3.0×10⁸m/s，H＝514km，Re＝6371140m，Lr＝1m，freq_0＝9800MHz，B_chirp＝1200MHz；

(2)初始化开普勒常数u，计算卫星到地心的距离Rh和卫星速度v_sat：

Rh＝Re+H (1)

本实施方式中具体参数为：u＝3.986×10¹⁴，Rh＝6885140m，v_sat＝7608.7m/s；

(3)读入选取的波位参数，包括脉冲重复频率PRF，测绘带的近端地距Rg_n和远端地距Rg_f。并根据图3展示的距离向几何关系计算出测绘带近端和远端的一些距离和角度参数，包括以下部分：

其中，

为测绘带近端对应的地心角，

为远端对应的地心角，R_n为测绘带的近端对应的斜距，R_f为测绘带的远端对应的斜距，α_n为测绘带的近端对应的视角，α_f为远端对应的视角。

本实施方式中的具体参数为：PRF＝4800Hz，Rg_n＝265km，Rg_f＝290km，根据公式(3)-(8)可以计算得到

R_n＝583.16km，R_f＝595.87km，α_n＝0.4716，α_f＝0.5081。

步骤二：对测绘带进行均匀分块采样，计算每个采样点接收到的信号参数，如图4所示。

(1)设置采样点个数为N，N取奇数；

(2)计算每相邻两个采样点之间的频率差值：

Δf＝B_chirp/(N-1) (9)

(3)计算每个采样点接收的信号频率f_i：从测绘带的远端到近端接收的信号频率分别对应(freq_0-B_chirp/2)，(freq_0-B_chirp/2)+Δf，(freq_0-B_chirp/2)+2Δf，…freq_0-Δf，freq_0，freq_0+Δf，…，(freq_0+B_chirp/2)-Δf，(freq_0+B_chirp/2)，其中每两个相邻采样点接收信号的频率相差Δf；

(4)计算每个采样点接收信号的波长λ_i和对应的瞬时波束宽度θ_{i_beam}：

λ_i＝c/f_i (10)

θ_{i_beam}＝λ_i/Lr (11)

本实施方式N取101，测绘带的远端到近端采样点接收信号的频率分别对应9200MHz到10400MHz，每相邻两个采样点频率相差Δf＝12MHz，根据不同的i值得到不同的f_i，λ_i和θ_{i_beam}。

步骤三：确定模糊区范围，如图5所示。

(1)如图6所示，计算可能向雷达反射信号的区域(即可能存在的模糊区)的最大斜距RangeMax和最小斜距RangeMin：

RangeMin＝H (13)

本实施例中计算得到RangeMax＝2610.3km，RangeMin＝514km；

(2)计算实际最小模糊区的序号SequenceMin和最大模糊区的序号SequenceMax：

其中，PRF为脉冲重复频率，

表示取不大于x的整数，

表示取不小于x的整数。

(3)设定一个最大模糊区序号，将待计算的模糊区序号限定在-A到A之间；实施方式中设定，A＝10。将实际计算得到的最小模糊区序号SequenceMin和最大模糊区序号SequenceMax与预先设定的最大模糊区范围-10～10对比，取二者交集进行之后的分析计算；

本实施例中计算得到SequenceMin＝-3，SequenceMax＝65，经过步骤(3)的比较最终取模糊区序号范围-3～10。

步骤四：找到测绘带上每个采样点在不同模糊区上的对应的模糊点，并计算其斜距、入射角、视角等参数。

(1)首先计算测绘带上每个采样点的斜距，第i个采样点的斜距为：

R_i＝R_n+ΔR·(i-1) (16)

由步骤二(1)中设定的采样点个数N可得相邻两个采样点的斜距相差ΔR＝(R_f-R_n)/(N-1)，因此斜距序列的值从测绘带近端到远端为从R_n到R_f，步长为ΔR。本实施方式中ΔR＝127.1m。

(2)如图7所示，测绘带上第i个采样点在第j个模糊区上对应的模糊点的斜距为：

并将计算得到的模糊点斜距R_ij与模糊点可能的最大斜距RangeMax与最小斜距RangeMin比较，如图8所示，对超出模糊区可能范围的点赋标志值RangeFlag_ij＝0，未超出范围则RangeFlag_ij＝1。在本实施的方式中根据不同的i，j值得到不同的R_i和R_ij，并且判断序号为-3的模糊区的斜距R_ij全部小于RangeMin的值，因此RangeFlag_i,-3＝0，该模糊区被舍去。

(3)根据图3所示的几何关系计算测绘带上每个采样点的入射角θ_i和视角α_i，以及对应模糊区每个模糊点的入射角θ_ij和视角α_ij：

在本实施方式中可以根据不同的i，j值计算得到对应的角度θ_i，α_i，θ_ij和α_ij。

步骤五：如图9所示，计算每个采样点经历波束扫描后积累的天线方向图结果。

(1)计算第i个采样点处于天线3dB波束过程中波束中心指向的起始位置和终止位置：

α_{i_far}＝α_i+θ_{i_beam}/2 (22)

α_{i_near}＝α_i-θ_{i_beam}/2 (23)

其中，α_{i_far}为第i个采样点刚进入天线3dB波束时波束中心的指向角度，α_{i_near}为第i个采样点刚离开天线3dB波束时波束中心的指向角度，θ_{i_beam}为第i个采样点接收到雷达发射窄波束的3dB宽度。

(2)对测绘带上第i个采样点经历的波束中心指向变化角度进行T点均匀采样，T取奇数。计算瞬时波束中心指向角度：

α_{i_t}＝α_{i_far}-(t-1)·Δα (25)

其中，Δα为相邻采样时刻波束中心指向角的差值，α_{i_t}为第t时刻波束中心指向角度。本实施方式中T＝101。

(3)计算t时刻测绘带和模糊区上每个采样点在天线方向图上的位置：

θ_{i_t}＝α_i-α_{i_t} (26)

θ_{ij_t}＝α_ij-α_{i_t} (27)

其中，α_i为测绘带上第i个采样点的视角，α_ij为测绘带上第i个采样点在第j个模糊区上对应的点的视角，θ_{i_t}为t时刻测绘带上第i个采样点与波束中心的夹角，θ_{ij_t}为t时刻测绘带上第i个采样点在第j个模糊区上对应点与波束中心的瞬时夹角。

(4)计算测绘带上第i个采样点积累的方向图G_i及其在第j个模糊区的对应点积累的天线方向图G_ij：

其中Lr为天线距离向尺寸，λ_i为测绘带上第i个采样点接收到的信号波长，t表示从目标刚好进入天线3dB波束到刚好离开3dB波束的这段时间。在本实施方式中，根据不同采样点的i，j值可以计算得到其经历波束扫描过程中涉及的角度α_{i_t}，θ_{i_t}和θ_{ij_t}，并得到不同的G_i和G_ij值。

步骤六：计算每个采样点的能量。测绘带上第i个采样点的能量E_i和其对应的第j个模糊区上点的能量E_ij如下：

其中，σ⁰为后向散射系数，θ_i和R_i分别为测绘带上第i个采样点的入射角和斜距，θ_ij和R_ij分别为对应在第j个模糊区上点的入射角和斜距，RangeFlag_ij为步骤四(2)中得到的标志值。E_ai为测绘带上第i个采样点在所有模糊区上对应点的能量总和，SequenceMin为模糊区的最小序号，SequenceMax为模糊区的最大序号。本实施方式中根据i和j的不同取值得到E_i，E_ij和E_ai的值。

步骤七：计算测绘带上第i个采样点的距离向模糊度RASR_i：

其中，E_i为测绘带上第i个采样点在经历窄波束扫描后积累的能量，E_ai为该采样点对应所有模糊点的能量总和。在本实施方式中，根据不同的i值得到不同的RASR_i。

步骤八：计算测绘带上每个采样点的地距并绘制距离向模糊度随地距的变化曲线和测绘带上各采样点在刚好进入波束、处于波束中心位置和刚好离开波束时，其对应的模糊区在天线方向图上的位置分布图。

采用本发明提出一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法进行计算，得出的本实施方式的仿真数据，对仿真数据进行绘制得到距离向模糊度的曲线，如图10所示，该曲线直观反映距离向模糊度在整个场景内的变化情况，便于系统设计者及决策者通过曲线做出正确的判断；对仿真过程中模糊区在天线方向图上的位置分布图进行绘制，如图11所示，图中整个细实线表示完整的天线方向图，粗实现表示不同模糊区对应的部分天线方向图；该图反映了不同时刻模糊区在天线方向图的不同位置，体现了F-SCAN SAR的特性，并能够直观地反应距离向模糊信号在整个场景内的变化，便于对距离向模糊度的计算过程进行分析。本发明提出的距离向模糊度分析和计算方法在F-SCAN SAR进行系统设计和波位选择的过程中具有重要意义，具有较高的实用价值。

Claims (3)

1.一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，其特征在于：步骤为：

步骤一：初始化光速的值，并读入星载SAR系统的相关参数，包括卫星高度，平均地球半径，雷达中心频率，发射信号带宽，天线距离向尺寸；初始化开普勒常数，计算卫星到地心的距离和卫星速度；读取选取的波位参数，包括脉冲重复频率，测绘带的近端地距和远端地距，并计算出测绘带近端和远端的一些距离和角度参数，包括测绘带近端对应的地心角，远端对应的地心角，测绘带的近端对应的斜距，测绘带的远端对应的斜距，测绘带的近端对应的视角与远端对应的视角；

步骤二：对测绘带进行均匀分块采样，计算每个采样点接收到的信号参数，包括波长λ_i和对应的瞬时波束宽度θ_{i_beam}；

步骤三：确定向雷达反射信号的模糊区范围：

(1)计算模糊区的最大斜距RangeMax和最小斜距RangeMin；

(2)计算实际最小模糊区的序号SequenceMin和最大模糊区的序号SequenceMax；

(3)设定最大模糊区序号，将待计算的模糊区序号限定在-A到A之间；

(4)将实际计算得到的最小模糊区序号SequenceMin和最大模糊区序号SequenceMax与预先设定的最大模糊区范围-A～A对比，取二者交集。

步骤四：找到测绘带上每个采样点在不同模糊区上的对应点，并计算测绘带上每个采样点的入射角θ_i和视角α_i，以及对应模糊区每个模糊点的入射角θ_ij和视角α_ij；

步骤五：计算每个采样点经历波束扫描后的天线方向图的积累结果，方法为：

1)计算第i个采样点处于天线3dB波束过程中波束中心指向的起始位置和终止位置：

2)对测绘带上第i个采样点经历的波束中心指向变化角度进行T点均匀采样，T取奇数；计算瞬时波束中心指向角度；

3)计算t时刻测绘带和模糊区上每个采样点在天线方向图上的位置θ_{i_t}和θ_{ij_t}；

4)计算测绘带上第i个采样点积累的方向图G_i及其在第j个模糊区的对应点积累的天线方向图G_ij：

其中，Lr为天线距离向尺寸，λ_i为测绘带上第i个采样点接收到的信号波长，t表示从目标刚好进入天线3dB波束到刚好离开3dB波束的这段时间；

步骤六：计算每个采样点的能量；

步骤七：计算测绘带上第i个采样点的距离向模糊度；

步骤八：计算测绘带上每个采样点的地距并绘制距离向模糊度随地距的变化曲线和测绘带上各采样点在刚好进入波束、处于波束中心位置和刚好离开波束时，其对应的模糊区在天线方向图上的位置分布图。

2.如权利要求1所述一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，其特征在于：步骤二具体方法为：

a、设置采样点个数为N，N取奇数；

b、计算每相邻两个采样点之间的频率差值：

Δf＝B_chirp/(N-1)

其中，B_chirp为发射信号带宽；

c、计算每个采样点接收的信号频率f_i：从测绘带的远端到近端接收的信号频率分别对应(freq_0-B_chirp/2)，(freq_0-B_chirp/2)+Δf，(freq_0-B_chirp/2)+2Δf，…freq_0-Δf，freq_0，freq_0+Δf，…，(freq_0+B_chirp/2)-Δf，(freq_0+B_chirp/2)，其中每两个相邻采样点接收信号的频率相差Δf；freq_0为雷达中心频率；

d、计算每个采样点接收信号的波长λ_i和对应的瞬时波束宽度θ_{i_beam}：

λ_i＝c/f_i

θ_{i_beam}＝λ_i/Lr；

式中，c为光速值。

3.如权利要求1所述一种基于星载F-SCAN SAR的距离向模糊度分析方法，其特征在于：步骤四具体方法为：

A、计算测绘带上每个采样点的斜距

B、测绘带上第i个采样点在第j个模糊区上对应点的斜距R_ij；并将实际得到的斜距R_ij与模糊区最大斜距RangeMax与最小斜距RangeMin比较，对超出模糊区范围的点赋标志值RangeFlag_ij＝0，未超出范围则设定RangeFlag_ij＝1；

C、计算测绘带上每个采样点的入射角θ_i和视角α_i，以及对应模糊区每个采样点的入射角θ_ij和视角α_ij。

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