CN115436940A - 一种稀疏滑动聚束sar成像模式实现方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法及装置，所述方法包括如下步骤：(1)构建稀疏滑动聚束SAR成像模式波位示意图；(2)设计稀疏滑动聚束SAR成像模式波位并计算相关参数；(3)构建稀疏滑动聚束SAR成像模式天线方向图模型；(4)分析稀疏滑动聚束SAR成像模式系统性能。本发明将稀疏成像与滑动聚束SAR模式相结合，可以降低系统对脉冲重复频率的要求，获取更大的测绘带宽，实现高分辨率宽测绘带SAR成像；同时极大地抑制了天线方位向扫描对方位模糊的影响，并降低了距离模糊，使得到的图像质量更加稳定。

Description

一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法及装置
技术领域
本发明属于雷达系统模式设计领域，具体涉及一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法及装置。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)是现代遥感领域的一种主要技术工具，具有全天时、全天候、穿透能力强的特点。星载SAR在农业估产、海洋监测、灾害监测和军事侦察等领域均有着巨大的应用潜力。
滑动聚束模式是介于条带模式和聚束模式之间的一种SAR工作模式，该模式通过控制天线波束指向地面下的虚拟旋转点来延长目标照射时间。与具有相同天线尺寸的条带模式相比，可以获得更高的分辨率；与聚束模式相比，具有更大的成像面积。它以损失很小的方位向分辨率为代价，结合了条带模式和聚束模式的优势。
稀疏SAR成像是SAR成像领域的新理论、新体制和新方法。与传统SAR成像方法相比，稀疏SAR成像在降低系统数据量和复杂度方面具有巨大潜力，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、抑制旁瓣和杂波、模糊度更低等。
本发明将稀疏SAR成像与滑动聚束模式相结合，降低了系统对脉冲重复频率的要求，进一步优化雷达系统性能，获取更大的测绘带宽，实现高分辨率宽测绘带的目的。
发明内容
发明目的：本发明目的是提出一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法及装置，在不改变SAR平台硬件设备的基础上，降低系统对脉冲重复频率的限制，将传统滑动聚束模式测绘带宽进一步提升，实现高分辨率宽测绘带的目的，同时能够提升其他系统性能，如距离模糊减小、抑制天线方位向转动对方位模糊的影响等。
技术方案：本发明提供了一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法，包括以下步骤：
(1)构建稀疏滑动聚束SAR成像模式波位示意图；
(2)基于步骤(1)构建的波位示意图，设计稀疏滑动聚束SAR成像模式波位，并计算相关参数；
(3)构建稀疏滑动聚束SAR成像模式天线方向图模型；
(4)根据步骤(2)设计的稀疏滑动聚束SAR成像模式波位和相关参数，分析稀疏滑动聚束SAR成像模式系统性能。
进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：
为避免发射脉冲干扰，PRF满足以下条件：
Figure BDA0003786457300000021
Figure BDA0003786457300000022
Figure BDA0003786457300000023
其中，Rf和RN为测绘带斜距的最大值和最小值，c为光速，Int(·)表示取其整数部分，Frac(·)表示取其分数部分，Tp为脉冲宽度，Tg是为了保证数据有效记录的时间间隔，又称为保护窗宽度；
为避免星下点回波干扰，PRF满足：
Figure BDA0003786457300000024
Figure BDA0003786457300000025
其中，H为卫星高度，n为脉冲号，n＝0表示期望脉冲，n为正整数时表示之前的干扰脉冲，n为负整数时表示之后的干扰脉冲；在避免发射脉冲和星下点回波干扰的情况下，绘制入射角与脉冲重复频率的关系作为波位示意图。
进一步地，所述步骤(2)实现过程如下；
在原卫星参数的基础上以降采样比设为50％进行设计，天线尺寸不变，脉冲宽度增加，峰值发射功率不变，确保信噪比不受影响；根据雷达方程计算必要的雷达参数，包括中心入射角、距离向测绘带宽、方位向测绘带宽。
进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
稀疏滑动聚束SAR成像模式阵列天线方向图模型表示为：
Figure BDA0003786457300000031
Figure BDA0003786457300000032
Figure BDA0003786457300000033
Figure BDA0003786457300000034
其中，λ为波长，N为方位向天线子阵个数，Le为单阵元方位向天线尺寸，θ为目标的观测角，ωr为天线转向角速率，t为方位向慢时间，Δt为脉冲被接收的时间延迟；
构建简化的天线方向图模型，即扫描时序模型：
Figure BDA0003786457300000035
其中，La为天线方位向尺寸，vg为SAR平台地面扫描速度，R0为SAR平台测绘带中心处的最短斜距。
进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
(41)稀疏滑动聚束SAR成像模式方位模糊分析：
方位模糊是回波多普勒频谱的欠采样所引起的，由于工作模式不同雷达天线方位向扫描方式具有差异，因此不同工作模式下方位模糊也不同；稀疏滑动聚束成像模式方位模糊比表示为：
Figure BDA0003786457300000036
其中，G(·)为阵列天线方向图，θ0为波束宽度，m为方位模糊的模糊区；
(42)稀疏滑动聚束SAR成像模式距离模糊分析：
由于雷达平台工作距离远，使得不同时间的发射脉冲在同一时刻到达雷达接收机，从而形成距离模糊；距离模糊比定义为混入模糊带的模糊区信号强度与主观测区信号强度比值，具体表示为：
Figure BDA0003786457300000041
Figure BDA0003786457300000042
其中，N为数据记录窗内回波信号的采样数，Si和Sai分别为第i时刻接收机输出端的有用信号功率和模糊信号功率，j为脉冲号，j＝0，±1，±2，…，j＝0表示有用脉冲，θij为雷达波束入射角，σij 0为给定θij归一化后的后向散射系数，Gij为距离向天线方向图，Rij为i时刻斜距。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述的稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、稀疏滑动聚束模式继承了传统滑动聚束模式高分辨率成像能力，并进一步提升了测绘带宽；2、极大地抑制了天线方位向转动对方位模糊的影响，图像质量更稳定；3、降低了系统对脉冲重复频率的限制，抑制了距离模糊。
附图说明
图1为稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法的流程图；
图2为波位选择示意图；其中(a)为稀疏滑动聚束SAR成像模式波位选择示意图，(b)为传统滑动聚束SAR成像模式波位选择示意图；
图3为稀疏滑动聚束SAR成像模式阵列天线方向图；其中(a)为转向角为0°的情况，(b)为转向角为1°的情况；
图4为稀疏滑动聚束SAR成像模式方位模糊分析；其中(a)为方位模糊与脉冲重复频率关系，(b)方位模糊与转向角的关系；
图5为稀疏滑动聚束SAR成像模式距离模糊分析。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：构建稀疏滑动聚束SAR成像模式波位示意图。
为避免发射脉冲干扰，脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，简称PRF)必须满足以下条件：
Figure BDA0003786457300000051
Figure BDA0003786457300000052
Figure BDA0003786457300000053
其中，Rf和RN为测绘带斜距的最大值和最小值，c为光速，Int(·)表示取其整数部分，Frac(·)表示取其分数部分，Tp为脉冲宽度，Tg是为了保证数据有效记录的时间间隔，又称为保护窗宽度。
为避免星下点回波干扰，PRF必须满足：
Figure BDA0003786457300000054
Figure BDA0003786457300000055
其中，H为卫星高度，n为脉冲号，n＝0表示期望脉冲，n为正整数时表示之前的干扰脉冲，n为负整数时表示之后的干扰脉冲。在避免发射脉冲和星下点回波干扰的情况下，绘制入射角与脉冲重复频率的关系作为波位示意图。
步骤2：设计稀疏滑动聚束SAR成像模式波位，并计算相关参数。
在原卫星参数的基础上以降采样比设为50％进行设计，天线尺寸不变，脉冲宽度增加，峰值发射功率不变，确保信噪比不受影响。之后根据雷达方程计算必要的雷达参数，如中心入射角、距离向测绘带宽、方位向测绘带宽等。
步骤3：构建稀疏滑动聚束SAR成像模式天线方向图模型。
构建阵列天线方向图模型：稀疏滑动聚束SAR成像模式阵列天线方向图模型可以表示为：
Figure BDA0003786457300000061
Figure BDA0003786457300000062
Figure BDA0003786457300000063
Figure BDA0003786457300000064
其中，λ为波长，N为方位向天线子阵个数，Le为单阵元方位向天线尺寸，θ为目标的观测角，ωr为天线转向角速率，t为方位向慢时间，Δt为脉冲被接收的时间延迟。
构建扫描时序模型，即简化的天线方向图模型：为了分析方便，暂不考虑子阵天线方向图的影响，简化的天线方向图模型为：
Figure BDA0003786457300000065
其中，La为天线方位向尺寸，vg为SAR平台地面扫描速度，R0为SAR平台测绘带中心处的最短斜距。
步骤4：分析稀疏滑动聚束SAR成像模式系统性能。
(1)稀疏滑动聚束SAR成像模式方位模糊分析：
方位模糊是回波多普勒频谱的欠采样所引起的，由于工作模式不同雷达天线方位向扫描方式具有差异，因此不同工作模式下方位模糊也不同。稀疏滑动聚束成像模式方位模糊比(Azimuth Ambiguity to Signal Ratio，简称AASR)可以表示为：
Figure BDA0003786457300000071
其中，G(·)为阵列天线方向图，θ0为波束宽度，m为方位模糊的模糊区。
(2)稀疏滑动聚束SAR成像模式距离模糊分析：
由于雷达平台工作距离远，使得不同时间的发射脉冲在同一时刻到达雷达接收机，从而形成距离模糊。距离模糊比(Range Ambiguity to Signal Ratio，简称RASR)定义为混入模糊带的模糊区信号强度与主观测区信号强度比值，具体表示为：
Figure BDA0003786457300000072
Figure BDA0003786457300000073
其中，N为数据记录窗内回波信号的采样数，Si和Sai分别为第i时刻接收机输出端的有用信号功率和模糊信号功率，j为脉冲号，j＝0，士1，±2，…，j＝0表示有用脉冲，θij为雷达波束入射角，σij 0为给定θij归一化后的后向散射系数，Gij为距离向天线方向图，Rij为i时刻斜距。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述的稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法。
下面以一组典型的卫星参数为例对本发明稀疏滑动聚束SAR成像模式设计进行验证。图2为传统滑动聚束模式波位示意图和所设计的稀疏滑动聚束模式波位示意图，其中图2(a)为稀疏滑动聚束模式波位示意图，图2(b)为传统滑动聚束模式波位示意图。根据波位选择示意图计算相关参数，所计算的稀疏滑动聚束SAR成像模式参数和常规滑动聚束SAR成像模式参数如表1所示：
表1稀疏滑动聚束模式和传统滑动聚束模式参数对比
稀疏滑动聚束模式 传统滑动聚束模式
脉冲重复频率[Hz] 1150 2300
脉冲宽度[μs] 40 20
近距入射角[deg] 29.91 36.87
远距入射角[deg] 35.85 39.94
中心入射角[deg] 32.78 38.41
方位向分辨率[m] 0.5 0.5
波束宽度[deg] 0.22 0.22
卫星速度[m/s] 7600 7600
距离向测绘带宽[km] 90.16 45.03
方位向扫描角[deg] ±3.5 ±3.5
方位向测绘带宽[km] 45 45
与传统滑动聚束模式相比，稀疏滑动聚束模式脉冲重复频率降低至原来的50％，脉冲宽度提高了2倍，可保证信噪比不会发生变化，同时距离向测绘带宽从45.03km增大到90.16km，而方位向分辨率、波束宽度、卫星速度等并未改变。
图3为稀疏滑动聚束SAR成像模式天线方向图，其中图3(a)为转向角为0°时的情况，图3(b)为转向角为1°时的情况，可见当进行波束扫描时，天线方向图会有栅瓣产生。
图4为稀疏滑动聚束SAR成像模式方位模糊分析，图4(a)为方位模糊与脉冲重复频率的关系，图4(b)为方位模糊与转向角的关系，其中实线为稀疏滑动聚束模式的情况，虚线为传统滑动聚束成像模式的情况。可见与传统滑动聚束SAR成像模式相比，稀疏滑动聚束SAR成像模式方位模糊增大了20.5dB，但是极大地抑制了天线旋转对方位模糊的影响。
图5为稀疏滑动聚束SAR成像模式距离模糊分析，与传统滑动聚束SAR成像模式相比，稀疏滑动聚束SAR成像模式距离模糊比减小了10.7dB，
综上所述，稀疏滑动聚束SAR成像模式在不改变SAR平台硬件设备的基础上，降低了系统对脉冲重复频率的限制，得到了更大的测绘带宽，同时极大地抑制了天线旋转对方位模糊的影响，并降低了距离模糊。

Claims (6)

1.一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建稀疏滑动聚束SAR成像模式波位示意图；
(2)基于步骤(1)构建的波位示意图，设计稀疏滑动聚束SAR成像模式波位，并计算相关参数；
(3)构建稀疏滑动聚束SAR成像模式天线方向图模型；
(4)根据步骤(2)设计的稀疏滑动聚束SAR成像模式波位和相关参数，分析稀疏滑动聚束SAR成像模式系统性能。
2.根据权利要求1所述的一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法，其特征在于，所述步骤(1)实现过程如下：
为避免发射脉冲干扰，PRF满足以下条件：
Figure FDA0003786457290000011
Figure FDA0003786457290000012
Figure FDA0003786457290000013
其中，Rf和RN为测绘带斜距的最大值和最小值，c为光速，Int(·)表示取其整数部分，Frac(·)表示取其分数部分，Tp为脉冲宽度，Tg是为了保证数据有效记录的时间间隔，又称为保护窗宽度；
为避免星下点回波干扰，PRF满足：
Figure FDA0003786457290000014
Figure FDA0003786457290000015
其中，H为卫星高度，n为脉冲号，n＝0表示期望脉冲，n为正整数时表示之前的干扰脉冲，n为负整数时表示之后的干扰脉冲；在避免发射脉冲和星下点回波干扰的情况下，绘制入射角与脉冲重复频率的关系作为波位示意图。
3.根据权利要求1所述的一种稀疏滑动聚束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；
在原卫星参数的基础上以降采样比设为50％进行设计，天线尺寸不变，脉冲宽度增加，峰值发射功率不变，确保信噪比不受影响；根据雷达方程计算必要的雷达参数，包括中心入射角、距离向测绘带宽、方位向测绘带宽。
4.根据权利要求1所述的一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：
稀疏滑动聚束SAR成像模式阵列天线方向图模型表示为：
Figure FDA0003786457290000021
Figure FDA0003786457290000022
Figure FDA0003786457290000025
Figure FDA0003786457290000023
其中，λ为波长，N为方位向天线子阵个数，Le为单阵元方位向天线尺寸，θ为目标的观测角，ωr为天线转向角速率，t为方位向慢时间，Δt为脉冲被接收的时间延迟；
构建简化的天线方向图模型，即扫描时序模型：
Figure FDA0003786457290000024
其中，La为天线方位向尺寸，vg为SAR平台地面扫描速度，R0为SAR平台测绘带中心处的最短斜距。
5.根据权利要求1所述的一种稀疏滑动聚束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：
(41)稀疏滑动聚束SAR成像模式方位模糊分析：
方位模糊是回波多普勒频谱的欠采样所引起的，由于工作模式不同雷达天线方位向扫描方式具有差异，因此不同工作模式下方位模糊也不同；稀疏滑动聚束成像模式方位模糊比表示为：
Figure FDA0003786457290000031
其中，G(·)为阵列天线方向图，θ0为波束宽度，m为方位模糊的模糊区；
(42)稀疏滑动聚束SAR成像模式距离模糊分析：
由于雷达平台工作距离远，使得不同时间的发射脉冲在同一时刻到达雷达接收机，从而形成距离模糊；距离模糊比定义为混入模糊带的模糊区信号强度与主观测区信号强度比值，具体表示为：
Figure FDA0003786457290000032
Figure FDA0003786457290000033
其中，N为数据记录窗内回波信号的采样数，Si和Sai分别为第i时刻接收机输出端的有用信号功率和模糊信号功率，j为脉冲号，j＝0，±1，±2，…，j＝0表示有用脉冲，θij为雷达波束入射角，σij 0为给定θij归一化后的后向散射系数，Gij为距离向天线方向图，Rij为i时刻斜距。
6.一种稀疏滑动聚束SAR成像模式实现装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-5任一项所述的稀疏滑动聚束SAR成像模式实现方法。
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