CN116165662A - 基于无源卫星的sar天线距离向双程方向图测量方法 - Google Patents

基于无源卫星的sar天线距离向双程方向图测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116165662A
CN116165662A CN202211096848.XA CN202211096848A CN116165662A CN 116165662 A CN116165662 A CN 116165662A CN 202211096848 A CN202211096848 A CN 202211096848A CN 116165662 A CN116165662 A CN 116165662A
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
sar
calibration
distance
cal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211096848.XA
Other languages
English (en)
Inventor
邱天
洪峻
杜少岩
邢楷初
丁赤飚
康利鸿
王宇
牟静雯
明峰
李亮
王爱春
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerospace Information Research Institute of CAS
Original Assignee
Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospace Information Research Institute of CAS filed Critical Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority to CN202211096848.XA priority Critical patent/CN116165662A/zh
Publication of CN116165662A publication Critical patent/CN116165662A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9021—SAR image post-processing techniques

Abstract

本发明提出了一种基于无源卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法，能够将星载SAR天线距离向方向图测量的测绘带宽、定标参考目标在地面布设，且实现高频次自主定标，无需人工参与。本发明以搭载无源定标器的低成本定标卫星作为参考目标，通过合理轨道设计，解决星载SAR天线距离向双程方向图测量问题，将星载SAR天线距离向方向图测量所面临的测绘带宽、定标参考目标在地面布设，并且本发明方法可实现高频次自主定标，无需人工参与。

Description

基于无源卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法
技术领域
本发明涉及雷达对地观测技术领域，具体涉及一种基于无源卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar：SAR)技术是一种能够获取高分辨率微波遥感图像的主动遥感技术，不受光照和气候条件等限制，可实现全天时、全天候对地观测。星载SAR需要进行严格的在轨辐射定标，确保其相对和绝对辐射精度，才能将SAR图像的灰度转换为地物后向散射信息定量应用。随着定量应用需求的不断提高，辐射定标技术对提高星载SAR图像辐射精度起着至关重要的作用，其中SAR天线方向图是影响SAR图像辐射精度的主要误差源。
星载SAR距离向天线方向图测量最初采用基于点目标的方法，即利用雷达截面积(Radar Cross Section:RCS)已知的有源或无源定标器沿SAR测绘带距离向阵列排布作为参考目标来实现距离向天线方向图测量；目前星载SAR距离向天线方向图测量多采用基于分布目标的方法，即利用大面积后向散射系数已知且稳定的热带雨林(如亚马逊热带雨林)作为定标参考目标来完成距离向天线方向图测量；近阶段星载SAR天线方向图可采用定标卫星搭载接收机进行测量，但只可测量单程天线方向图。目前各种新体制SAR给SAR天线方向图测量带来新的需求和挑战，现有的技术方案存在以下不足：
地面定标参考目标布置困难。海洋、极地、环月、环火星深空探测这一类新体制SAR的天线方向图测量方案难以在地面上实施。定标频次较低。传统陆地定标任务实施往往需要数月，定标频次取决于卫星重访频次。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于无源卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法，能够将星载SAR天线距离向方向图测量的测绘带宽、定标参考目标在地面布设，且实现高频次自主定标，无需人工参与。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于无源卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法，包括以下步骤：
步骤1：根据SAR卫星轨道高度，计算SAR卫星空间速度；
步骤2：确定定标卫星轨道高度；根据定标卫星的轨道参数，计算定标卫星空间速度；
步骤3：计算定标卫星轨道高度下，SAR测绘带的覆盖范围及测绘带的移动速度；
步骤4：计算定标卫星顺轨速度分量和交轨速度分量，并计算定标卫星轨道倾角；
步骤5：对处于测绘带内的各定标卫星进行成像并从所成图像中测量无源定标器响应，得到各定标器的响应值；
步骤6：利用SAR卫星和定标卫星的三维坐标和天线指向信息，建立两个卫星的相对几何关系，计算定标卫星成像时刻对应的俯仰角和斜距；
步骤7：利用得到的斜距对各定标器的响应值进行归一化距离校正，得到校正后的响应值；
步骤8：根据波束入射角和校正后的响应值重建双程距离向天线方向图。
其中，所述步骤3中，假定星载SAR的距离波束中心指向θ0为30°，距离向波束宽度为4°，方位向发射波束宽度θw为2°，则星载SAR相对于定标卫星的距离向测绘带宽Wr为：
Wr＝(HSAR-HCAL)*(tan(θ0+2°)-tan(θ0-2°))
方位向测绘带宽度为：
Figure BDA0003839295070000031
测绘带的移动速度为：
Figure BDA0003839295070000032
其中r0＝(HSAR-HCAL)/cos(θ0-2°)为定标卫星处于测绘带内时到SAR天线的最短距离，θi利为第i个定标卫星对应的波束入射角；Re为地球半径，HSAR为SAR卫星轨道高度，HCAL为定标卫星轨道高度，VCAL为定标卫星空间速度，VSAR为SAR卫星空间速度。
其中，所述步骤4中，定标卫星轨道倾角计算方式具体如下：
令定标卫星速度顺轨分量VCAL_A通过测绘带方位向宽度的时间与定标卫星速度交轨分量VCAL_R通过测绘带距离向宽度的时间相等；
定标卫星轨道倾角iCAL＝iSAR+arccos(VCAL_A/VCAL)，
Figure BDA0003839295070000033
Figure BDA0003839295070000034
其中，iSAR为SAR卫星轨道倾角；由此求出定标卫星的轨道倾角。
其中，所述步骤8中，根据雷达方程解得SAR天线双程距离向方向图采样值为：
Figure BDA0003839295070000035
其中Pi为第i个定标卫星所搭载的点目标的散射强度；
Figure BDA0003839295070000036
g为雷达发射接收增益，λ为信号波长，τP为脉冲宽度，fs为SAR接收机采样频率，fPRF为发射脉冲重复频率，V为SAR卫星相对于定标卫星的速度，ρα为方位向分辨单元尺寸；Ri为第i个定标卫星与SAR卫星之间的距离，G2(θi)为天线方向图值，θi利为第i个定标卫星对应的波束入射角，σi为第i个定标卫星搭载的点目标RCS。
其中，通过曲线拟合得到星载轨SAR天线的距离向方向图。
有益效果：
1、本发明以搭载无源定标器的低成本定标卫星作为参考目标，通过合理轨道设计，解决星载SAR天线距离向双程方向图测量问题，将星载SAR天线距离向方向图测量所面临的测绘带宽、定标参考目标在地面布设，并且本发明方法可实现高频次自主定标，无需人工参与。
2、本发明方法中定标卫星处于太空，可降低背景噪声等因素对测量精度的影响。
3、本发明通过曲线拟合得到星载轨SAR天线的距离向方向图，曲线拟合方法具体可采用线性拟合、多项式拟合等多种方式，适应性强。
附图说明
图1为本发明基于定标卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法流程图。
图2为本发明SAR卫星与定标卫星轨道示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明一种基于无源卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法流程图如图1所示，包括以下步骤。
步骤1：根据SAR卫星轨道高度，计算SAR卫星空间速度，计算公式可表示为公式(1)：
Figure BDA0003839295070000051
其中Re＝6371km为地球半径，μ＝3.986×1014m3/s2为地球引力常数，HSAR为SAR卫星轨道高度。
步骤2：确定定标卫星轨道高度HCAL；根据定标卫星的轨道参数，计算定标卫星空间速度VCAL。本发明SAR卫星与定标卫星轨道示意图如图2所示。
步骤3：计算定标卫星轨道高度下，SAR测绘带的覆盖范围及测绘带的移动速度，具体如下：
假定星载SAR的距离波束中心指向θ0为30°，距离向波束宽度为4°，方位向发射波束宽度θw为2°，则可计算其相对于定标卫星的距离向测绘带宽Wr为：Wr＝(HSAR-HCAL)*(tan(θ0+2°)-tan(θ0-2°))，方位向测绘带宽度为
Figure BDA0003839295070000052
测绘带的移动速度为：
Figure BDA0003839295070000053
其中r0＝(HSAR-HCAL)/cos(θ0-2°)为定标卫星处于测绘带内时到SAR天线的最短距离，θi利为第i个定标卫星对应的波束入射角。
步骤4：计算定标卫星顺轨速度分量(沿测绘带方位向速度分量)和交轨速度分量(沿测绘带距离向速度分量)，并计算定标卫星轨道倾角，定标卫星轨道倾角计算方式具体如下：
令定标卫星速度顺轨分量VCAL_A(沿方位向速度分量)通过测绘带方位向宽度的时间与定标卫星速度交轨分量VCAL_R(沿距离向速度分量)通过测绘带距离向宽度的时间相等，计算公式可表示为公式(3)：
Figure BDA0003839295070000061
定标卫星轨道倾角iCAL＝iSAR+arccos(VCAL_A/VCAL)，
Figure BDA0003839295070000062
Figure BDA0003839295070000063
其中，iSAR为SAR卫星轨道倾角；由此可求出定标卫星的轨道倾角，在此轨道上的测绘带范围内放置多个搭载无源反射器的定标卫星。
步骤5：定标卫星与SAR卫星之间存在相对运动，对处于测绘带内的各定标卫星进行成像并从所成图像中测量无源定标器响应，得到各定标器的响应值；
步骤6：利用SAR卫星和定标卫星的三维坐标和天线指向信息，建立两个卫星的相对几何关系，计算定标卫星成像时刻对应的俯仰角和斜距。
步骤7：利用得到的斜距对各定标器的响应值进行归一化距离校正，得到校正后的响应值，也就是补偿由于定标卫星与星载SAR卫星距离差异引起的采样值差异。
步骤8：根据波束入射角和校正后的响应值重建双程距离向天线方向图。具体地：根据雷达方程可以解得SAR天线双程距离向方向图采样值为：
Figure BDA0003839295070000064
其中Pi为第i个定标卫星所搭载的点目标的散射强度；
Figure BDA0003839295070000065
g为雷达发射接收增益，λ为信号波长，τP为脉冲宽度，fs为SAR接收机采样频率，fPRF为发射脉冲重复频率，V为SAR卫星相对于定标卫星的速度，ρα为方位向分辨单元尺寸；Ri为第i个定标卫星与SAR卫星之间的距离，G2(θi)为天线方向图值，θi利为第i个定标卫星对应的波束入射角，σi为第i个定标卫星搭载的点目标RCS。通过曲线拟合得到星载轨SAR天线的距离向方向图，曲线拟合方法具体可采用线性拟合、多项式拟合等多种方式。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于无源卫星的SAR天线距离向双程方向图测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据SAR卫星轨道高度，计算SAR卫星空间速度；
步骤2：确定定标卫星轨道高度；根据定标卫星的轨道参数，计算定标卫星空间速度；
步骤3：计算定标卫星轨道高度下，SAR测绘带的覆盖范围及测绘带的移动速度；
步骤4：计算定标卫星顺轨速度分量和交轨速度分量，并计算定标卫星轨道倾角；
步骤5：对处于测绘带内的各定标卫星进行成像并从所成图像中测量无源定标器响应，得到各定标器的响应值；
步骤6：利用SAR卫星和定标卫星的三维坐标和天线指向信息，建立两个卫星的相对几何关系，计算定标卫星成像时刻对应的俯仰角和斜距；
步骤7：利用得到的斜距对各定标器的响应值进行归一化距离校正，得到校正后的响应值；
步骤8：根据波束入射角和校正后的响应值重建双程距离向天线方向图。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，假定星载SAR的距离波束中心指向θ0为30°，距离向波束宽度为4°，方位向发射波束宽度θw为2°，则星载SAR相对于定标卫星的距离向测绘带宽Wr为：
Wr＝(HSAR-HCAL)*(tan(θ0+2°)-tan(θ0-2°))
方位向测绘带宽度为：
Figure FDA0003839295060000011
测绘带的移动速度为：
Figure FDA0003839295060000021
其中r0＝(HSAR-HCAL)/cos(θ0-2°)为定标卫星处于测绘带内时到SAR天线的最短距离，θi利为第i个定标卫星对应的波束入射角；Re为地球半径，HSAR为SAR卫星轨道高度，HCAL为定标卫星轨道高度，VCAL为定标卫星空间速度，VSAR为SAR卫星空间速度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，定标卫星轨道倾角计算方式具体如下：
令定标卫星速度顺轨分量VCAL_A通过测绘带方位向宽度的时间与定标卫星速度交轨分量VCAL_R通过测绘带距离向宽度的时间相等；
定标卫星轨道倾角iCAL＝iSAR+arccos(VCAL-A/VCAL)，
Figure FDA0003839295060000022
Figure FDA0003839295060000023
其中，iSAR为SAR卫星轨道倾角；由此求出定标卫星的轨道倾角。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤8中，根据雷达方程解得SAR天线双程距离向方向图采样值为：
Figure FDA0003839295060000024
其中Pi为第i个定标卫星所搭载的点目标的散射强度；
Figure FDA0003839295060000025
g为雷达发射接收增益，λ为信号波长，τP为脉冲宽度，fs为SAR接收机采样频率，fPRF为发射脉冲重复频率，V为SAR卫星相对于定标卫星的速度，ρα为方位向分辨单元尺寸；Ri为第i个定标卫星与SAR卫星之间的距离，G2(θi)为天线方向图值，θi利为第i个定标卫星对应的波束入射角，σi为第i个定标卫星搭载的点目标RCS。
5.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，通过曲线拟合得到星载轨SAR天线的距离向方向图。
CN202211096848.XA 2022-09-08 2022-09-08 基于无源卫星的sar天线距离向双程方向图测量方法 Pending CN116165662A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211096848.XA CN116165662A (zh) 2022-09-08 2022-09-08 基于无源卫星的sar天线距离向双程方向图测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211096848.XA CN116165662A (zh) 2022-09-08 2022-09-08 基于无源卫星的sar天线距离向双程方向图测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116165662A true CN116165662A (zh) 2023-05-26

Family

ID=86410196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211096848.XA Pending CN116165662A (zh) 2022-09-08 2022-09-08 基于无源卫星的sar天线距离向双程方向图测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116165662A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116500566A (zh) * 2023-06-28 2023-07-28 中国科学院空天信息创新研究院 在轨sar发射方位向方向图测试装置及性能评估方法
CN117310707A (zh) * 2023-11-30 2023-12-29 中国科学院空天信息创新研究院 一种方位多通道星载sar在轨方位向方向图提取方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116500566A (zh) * 2023-06-28 2023-07-28 中国科学院空天信息创新研究院 在轨sar发射方位向方向图测试装置及性能评估方法
CN116500566B (zh) * 2023-06-28 2023-09-01 中国科学院空天信息创新研究院 在轨sar发射方位向方向图测试装置及性能评估方法
CN117310707A (zh) * 2023-11-30 2023-12-29 中国科学院空天信息创新研究院 一种方位多通道星载sar在轨方位向方向图提取方法
CN117310707B (zh) * 2023-11-30 2024-02-02 中国科学院空天信息创新研究院 一种方位多通道星载sar在轨方位向方向图提取方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11539130B2 (en) 1D phased array antenna for radar and communications
CN116165662A (zh) 基于无源卫星的sar天线距离向双程方向图测量方法
Ford et al. Venus topography and kilometer‐scale slopes
Spencer et al. Tradeoffs in the design of a spaceborne scanning pencil beam scatterometer: Application to SeaWinds
EP4020013A1 (en) Remote sensing system based on satellite formation, and constellation system
CN110488292B (zh) 一种基于卫星编队的遥感系统
CN110456350B (zh) 一种星载sar星座系统
US6634600B2 (en) Satellite constellation for measuring atmospheric wind speeds using doppler lidar
CN102866393A (zh) 一种基于pos与dem数据的sar多普勒参数估计方法
US6677884B2 (en) Satellite configuration for interferometric and/or tomographic remote sensing by means of synthetic aperture radar (SAR)
US20100019956A1 (en) Radar Tracking System
Moreira et al. Drone-borne P-band single-pass InSAR
US8519886B2 (en) System and method for using GPS interferometry to determine atmospheric conditions
Hensley et al. Topographic map generation from the Shuttle Radar Topography Mission C-band SCANSAR interferometry
CN113483699B (zh) 基于星敏感器的地面激光终端多光轴平行标定方法
CN109782280A (zh) 基于定标卫星的中高轨sar天线距离向方向图测量方法
Moccia et al. Bistatic synthetic aperture radar
CN113917411A (zh) 机海融合测量的星载宽刈幅雷达高度计定标方法及系统
US7142149B2 (en) Mensuration for the conformal range migration algorithm
RU2742392C1 (ru) Обзорная наземно-космическая рлс
Dwivedi Active Remote Sensing
Hristov et al. OVERVIEW OF ESA" COPERNICUS" PROGRAM
Tagawa et al. Suppression of surface clutter interference with precipitation measurements by spaceborne precipitation radar
CN116165665A (zh) 一种中心频率预偏置的本振信号提取方法及提取装置
Petrov et al. Errors in Determining the Height of the Earth’s Surface Relief Using Space SARs Operating in the Interferometric Mode

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination