CN116594014B - 一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法及实现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法及实现装置，所述方法包括如下步骤：(1)构建稀疏Mosaic成像模式波位图；(2)设计稀疏Mosaic成像模式波位并计算系统参数；(3)构建稀疏Mosaic成像模式天线方向图模型；(4)稀疏Mosaic模式系统性能分析。本发明将稀疏SAR成像与Mosaic成像模式结合，降低了SAR系统对脉冲重复频率的要求，进而得到更大的测绘带宽，同时有效地抑制了天线方位向扫描对方位模糊的影响，提升重构图像质量。在保留了Mosaic成像模式高分辨率优点的同时，进一步提升了测绘带宽，实现高分辨率宽测绘带成像。

Description

一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法及实现装置
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Mosaic成像模式的实现方法及实现装置。
背景技术
作为现代对地遥感观测的重要技术工具，SAR不受光照和气候条件限制，具有全天时、全天候、穿透能力强的特点。这些优点使星载SAR在农业、林业、海洋、军事、地质灾害监测和地表高程测量等领域均有着巨大的应用潜力。
Mosaic成像模式作为一种新的SAR工作体制可以很好的满足现代星载SAR大场景高分辨率成像能力的需求。在距离向上，它采用Burst机制，与Scan和TOPS模式类似，通过控制天线波束在不同子测绘带之间扫描，扩展了测绘带宽。在方位向上，通过控制天线扫描，降低了波束地面扫描速度，以提高方位向分辨率。
稀疏SAR是的一种全新的SAR体制、理论和方法。它可以通过稀疏降采样减少数据量，来降低对SAR系统的要求，从而提升数据处理效率。此外，稀疏SAR成像在提高系统性能具有巨大潜力，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Mosaic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，获取了更大的测绘带宽，从而实现高分辨率宽测绘带的目的。
发明内容
发明目的：本发明提供一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法及实现装置，目的是设计全新的稀疏Mosaic成像模式，在不改变其他硬件设备参数的基础上，降低SAR系统对脉冲重复频率的要求，进而提升测绘带宽，实现高分辨率宽测绘带对地观测，同时抑制Mosaic成像模式因天线扫描而造成的方位模糊问题，使成像质量更稳定。
技术方案：本发明提供一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法，具体包括以下步骤：
(1)构建传统Mosaic成像模式波位图；
(2)基于步骤(1)构建传统Mosaic成像模式波位图，设计稀疏Mosaic成像模式波位，并计算SAR系统参数；
(3)构建稀疏Mosaic成像模式天线方向图模型；
(4)根据步骤(2)设计的稀疏Mosaic成像模式波位、SAR系统参数和步骤(3)所设计的天线方向图模型，分析稀疏Mosaic成像模式性能。
进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：
为避免发射脉冲干扰，脉冲重复频率须满足以下条件：
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：
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图。
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，天线尺寸不变，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。
进一步地，步骤(3)所述稀疏Mosaic成像模式天线方向图模型为：
其中，G0为天线增益，为斜距平面内测得的与视线的夹角，θ0为波束宽度，Vg为波束地面速度，t为方位向慢时间，R0为场景中心最近斜距，/>为转向角速率；根据时频关系，得到展宽后天线方向图的多普勒频率表达式：
其中，ft为方位向频率。
进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
稀疏Mosaic成像模式方位模糊随脉冲重复频率变化，方位模糊比为：
其中，G(·)为阵列天线方向图，m为方位模糊的模糊区；
稀疏Mosaic成像模式方位模糊随目标方位向位置变化：
其中，PRFeff＝PRF/A为等效方位向采样率，Bp为方位向处理带宽，fdc(Xpos)是与目标方位向位置相关的等效多普勒中心，Xpos为目标的方位向位置，Vf为波束足印的地面移动速度。
基于相同的发明构思，本发明还提出一种稀疏Mosaic成像模式的实现装置，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一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、稀疏Mosaic成像模式在继承了传统Mosaic成像模式高分辨能力基础上，进一步提高了测绘带宽；2、极大地抑制了天线方位向转动对方位模糊的影响，使图像质量更稳定。
附图说明
图1为一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法的流程图；
图2为稀疏Mosaic成像模式波位图；
图3为稀疏Mosaic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0.3°的情况。
图4为稀疏Mosaic成像模式在不同转向角下方位模糊随脉冲重复频率的变化；
图5为Mosaic成像模式三条子测绘带方位模糊随转向角变化；其中(a)为稀疏Mosaic模式；(b)为传统Mosaic模式。
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Mosaic成像模式的实现方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1：构建传统Mosaic成像模式波位图。
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：
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：
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图。
步骤2：设计稀疏Mosaic成像模式波位，并计算SAR系统参数。
以降采样比设为75％进行设计，天线尺寸不变，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、距离向测绘带宽等。
步骤3：构建稀疏Mosaic成像模式天线方向图模型；
稀疏Mosaic成像模式阵列天线方向图模型可以表示为：
其中，G0为天线增益，为斜距平面内测得的与视线的夹角，θ0为波束宽度，Vg为波束地面速度，t为方位向慢时间，R0为场景中心最近斜距，/>为转向角速率。根据时频关系，得到展宽后天线方向图的多普勒频率表达式：
其中，ft为方位向频率。
步骤4：稀疏Mosaic成像模式系统性能分析。
(1)稀疏Mosaic成像模式方位模糊随脉冲重复频率变化。
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Mosaic成像模式方位模糊比(Azimuth Ambiguity to Signal Ratio，简称AASR)可以表示为：
其中，G(·)为阵列天线方向图，m为方位模糊的模糊区。
(2)稀疏Mosaic成像模式方位模糊随目标方位向位置变化。
稀疏Mosaic成像模式下方位模糊随目标方位向位置变化可以表示为：
其中，PRFeff＝PRF/A为等效方位向采样率，Bp为方位向处理带宽，fdc(Xpos)是与目标方位向位置相关的等效多普勒中心，Xpos为目标的方位向位置，Vf为波束足印的地面移动速度。
基于相同的发明构思，本发明还提出一种稀疏Mosaic成像模式的实现装置，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，其中计算机程序被加载至处理器时实现上述的一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法。
下面通过实际数据，以一组典型的卫星参数为例对本发明稀疏Mosaic成像模式设计进行验证。
实验结果如图2、图3、图4、图5所示。图2为传统Mosaic成像模式波位图和所设计的稀疏Mosaic成像模式波位图，其中虚线表示传统Mosaic成像模式波位，实线表示稀疏Mosaic成像模式波位，SS1-SS3分别表示三条子测绘带。根据图2所设计波位计算相关系统参数，所计算的传统Mosaic成像模式参数和稀疏Mosaic成像模式参数如表1所示：
表1传统Mosaic成像模式和稀疏Mosaic成像模式参数对比
与传统Mosaic成像模式相比，稀疏Mosaic成像模式三条子测绘带脉冲重复频率降低至原来的75％左右，三条子测绘带距离向测绘带宽均从12km增大到16m，因此总测绘带宽度从36km提高到48km。而方位向分辨率、卫星速度等参数并未改变。
图3为稀疏Mosaic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0.3°的情况。可见当Mosaic成像模式开始工作，即当天线波束进行扫描时，天线方向图会有栅瓣产生，这将会影响SAR系统性能。
图4为稀疏Mosaic成像模式方位模糊随脉冲重复频率变化。可见在Mosaic成像模式中，方位模糊随着脉冲重复频率的增大而减小。此外，收到天线方向图的影响，转向角会对方位模糊产生影响，且这一影响随着脉冲重复频率的增大而增大。与传统Mosaic成像模式相比，稀疏Mosaic成像模式方位模糊增大了4.6dB，但是极大地抑制了天线方位向扫描对方位模糊的影响。
图5为稀疏Mosaic成像模式方位模糊随转向角变化，其中(a)为稀疏Mosaic成像模式情况，(b)为传统Mosaic成像模式情况。可见在转向角达到0.7°时，稀疏Mosaic成像模式三条子测绘带方位模糊变化不超过1.4dB，而传统Mosaic成像模式方位模糊变化超过2.7dB，这说明稀疏Mosaic有效地减少了天线扫描对系统性能的影响，使成像质量更加稳定。
综上所述，稀疏Mosaic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要求，得到了更大的测绘带宽，同时极大地抑制了天线扫描对系统性能的影响。

Claims (6)

1.一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建传统Mosaic成像模式波位图；
(2)基于步骤(1)构建传统Mosaic成像模式波位图，设计稀疏Mosaic成像模式波位，并计算SAR系统参数；
(3)构建稀疏Mosaic成像模式天线方向图模型；
(4)根据步骤(2)设计的稀疏Mosaic成像模式波位、SAR系统参数和步骤(3)所设计的天线方向图模型，分析稀疏Mosaic成像模式性能；
所述步骤(4)实现过程如下：
稀疏Mosaic成像模式方位模糊随脉冲重复频率变化，方位模糊比为：
其中，PRF为脉冲重复频率，G(·)为阵列天线方向图，m为方位模糊的模糊区，θ0为波束宽度；
稀疏Mosaic成像模式方位模糊随目标方位向位置变化：
其中，PRFeff＝PRF/A为等效方位向采样率，Bp为方位向处理带宽，fdc(Xpos)是与目标方位向位置相关的等效多普勒中心，Xpos为目标的方位向位置，Vg为波束地面速度，Vf为波束足印的地面移动速度，R0为场景中心最近斜距，ft为方位向频率，/>为转向角速率。
2.根据权利要求1所述的一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法，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，脉冲重复频率PRF须满足以下条件：
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：
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图。
3.根据权利要求1所述的一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法，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，天线尺寸不变，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。
4.根据权利要求1所述的一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法，其特征在于，步骤(3)所述稀疏Mosaic成像模式天线方向图模型为：
其中，G0为天线增益，为斜距平面内测得的与视线的夹角，θ0为波束宽度，Vg为波束地面速度，t为方位向慢时间，R0为场景中心最近斜距，/>为转向角速率；根据时频关系，得到展宽后天线方向图的多普勒频率表达式：
其中，ft为方位向频率。
5.根据权利要求3所述的一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法，其特征在于，所述必要的雷达参数为中心入射角、距离向测绘带宽。
6.一种稀疏Mosaic成像模式的实现装置，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任一项所述的一种稀疏Mosaic成像模式的实现方法。
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