CN116774222B - 一种机电扫结合的多模式马赛克成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电扫结合的多模式马赛克成像方法，包括：机械扫描由姿态控制系统控制卫星平台匀速旋转控制平台机动，实现波束在方位向上的匀速连续扫描；电扫描在机械扫描的基础上根据每个Burst的斜视几何，通过控制步进角度和驻留时间，完成对波束扫描速率的灵活控制，保障波束指向精度；通过调整波束指向和不同Burst的扫描速率，实现不同区域不同分辨率成像。本发明的方法具有扫描范围广、扫描速率控制精度高、研制成本低、系统效益高等优点，是实现马赛克模式方位向波束扫描新方法。

Description

一种机电扫结合的多模式马赛克成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及一种机电扫结合的多模式马赛克成像方法。

背景技术

马赛克成像模式通过将一维或两维子观测带拼接来实现高分宽幅成像，子观测带的方位分辨率取决于方位向天线方向图和天线扫描方式，方位覆盖和距离覆盖靠子观测带在方位/距离两维、距离一维或方位一维的无缝拼接，因而具有很强的使用灵活性。该模式用大扫描角换取成像大幅宽，由于需要在一维或两维的成像观测带拼接，要求系统具有较强的方位维和距离维两维扫描能力。为了实现Burst(波束在一个子带上连续成像的区域)之间拼接，需要雷达具备高精度波束指向控制能力，便于子成像块精准拼接和对地面无缝隙覆盖

可以看出，波束扫描能力是决定马赛克模式成像性能的重要因素。波束扫描能力包括两个层面，一是要求大扫描角来保证分辨率和幅宽要求，二是要求高精度波束控制能力，来保证成像质量的一致性和稳定性。目前，工程上容易实现的波束扫描方式有机械扫描和电扫描两种，见文献《基于敏捷卫星平台的星载SAR Mosaic模式研究》(韩晓磊,李世强,王宇等.基于敏捷卫星平台的星载SAR Mosaic模式研究[J].宇航学报,2013,34(07):971-979)、《应用二维电扫描的星载SAR凝视马赛克模式研究》(韩晓磊,张庆君,刘杰等.应用二维电扫描的星载SAR凝视马赛克模式研究[J].航天器工程,2016,25(03):17-25)。其中，机械扫描通过姿态控制系统控制卫星平台的姿态角，使固定在平台上的雷达天线波束连续扫描，或者是通过动力系统直接控制雷达天线的机械运动，使波束连续扫描，电扫描(相扫)由相控阵天线实现，通过控制不同阵元天线信号的相位和幅度，获得所要求的天线方向图，进而能快速改变天线波束的指向，实现方位向扫描。

马赛克模式可采用电扫描实现距离向波束快速切换，难点在于方位向上，成像幅宽和分辨率指标要求波束具备大角度扫描能力，由于不同Burst具有不同的斜视几何，为了得到一致的分辨率，不同Burst之间的波束扫描速率要求并不一致。目前系统，如以色列TecSAR卫星，主要依靠机械扫描来保障宽扫描角的需求。

现有技术存在的问题是，由于惯性因素，方位向仅采用机扫方式难以灵活调整每一个Burst波束扫描速率。而受相控阵天线技术条件限制，方位向电扫描范围一般较小，仅采用电扫难以满足扫描范围要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种机电扫结合的多模式马赛克成像方法，包括以下步骤：

机械扫描由姿态控制系统控制卫星平台匀速旋转控制平台机动，实现波束在方位向上的匀速连续扫描，保障波束扫描范围，马赛克成像模式的平均分辨率由机械扫描决定；

电扫描在机械扫描的基础上根据每个Burst的斜视几何，通过控制步进角度和驻留时间，完成对波束扫描速率的灵活控制，保障波束指向精度；

通过调整波束指向和不同Burst的扫描速率，实现不同区域不同分辨率成像，根据观测目标不同实现观测幅宽和分辨率的调整。

进一步地，所述机械扫描时，波束扫描速率确定方法为：

马赛克模式下，距离向分辨率可表示为：

其中，B为带宽，θ为入射角在距离向上的投影；

方位向上每个Burst均可视为滑聚模式，方位向分辨率表示为：

其中，L_a为天线方位向口径，N_B为距离向测绘带数量，R_rot为旋转中心斜距，R₀为最近斜距，v_g为卫星的地面速度，k_w为波束扫描速率；距离向测绘带数量N_B根据任务所需的分辨率和幅宽要求确定；

根据上式确定波束扫描速率

进一步地，所述机械扫描时，波束扫描角度确定方法为：

确定每个Burst方位向尺寸；

波束宽度表示为

则每个Burst方位向宽度表示为；

根据方位向幅宽要求确定方位向拼接块数N_A，则Burst总块数为N＝N_AN_B

则扫描起始角和扫描结束角分别表示为

其中，θ_start，θ_end在波束机械扫描能力范围之内。

进一步地，在电扫描时，波束扫描补偿速率确定方法为：

机械扫描参数运算时，通过电扫对波束指向和扫描速率进行调整；

对于第n个Burst，电扫描速率Δk_w表示为：

其中，R_n表示第n个Burst的最小斜距，k_w表示机械扫描时的波束扫描速率；根据上式，即可实现波束扫描速率的微调。

本发明与现有技术相比，具备的优点在于：

研制成本低：该发明方位向仅需要做匀速机械扫描，扫描速率不需要切换，降低卫星姿态控制难度；由于方位向波束不需要具备大扫描角，降低了对方位向天线单元数量的需求。同样实现±15°的方位扫描角度，相比全电扫天线，本发明天线单元数量降低了6倍，天线阵面结构更简单，质量更轻，大大降低了卫星的研制和发射成本。

系统精度高：该发明以电扫描补偿机械扫描速率。在匀速机械扫描的情况下，根据不同Burst成像几何的差异，利用电扫实现波束扫描速率的微调，使波束在地面的移动速度保持一致，从而保证各个Burst之间成像质量的连续性和稳定性。

可拓展性强：电扫描作为机扫的补充，不仅可以用于保持不同Burst之间保持分辨率的一致性，也可以在机扫基础上，进一步增大扫描角度，方位向扫描角拓展±2.5°，增大了马赛克模式成像范围。

应用模式多：由于机扫与电扫相互独立运作，除了可以相互配合实现高分宽幅成像，也可以根据应用需求，灵活调整波束指向和不同Burst的扫描速率，实现不同区域不同分辨率成像，根据观测目标不同实现观测幅宽和分辨率的灵活调整。

附图说明

图1为本发明实施例的波束控制流程图。

图2为本发明实施例的方位波束机械扫描速率示意图。

图3为本发明实施例的电扫描时的方位波束速率图。

图4为本发明实施例的多区域多分辨率灵活成像示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种机/电扫结合的多模式马赛克成像方法，其目的在于在大的方位扫描范围内精确控制波束扫描速率，保持不同Burst之间成像性能的一致性。本发明提出的波束扫描方法具有扫描范围广、扫描速率控制精度高、研制成本低、系统效益高等优点，是实现马赛克模式方位向波束扫描新方法。

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。

本实施例提供了一种机/电扫结合的多模式马赛克成像方法，总的波束控制分为机扫和电扫两部分，机扫通过控制平台机动，实现在方位向上匀速连续扫描，保障波束扫描范围；电扫则在机械扫描的基础上根据每个Burst的斜视几何，自主运算新的方向图，通过控制步进角度和驻留时间，完成对波束扫描速率的灵活控制，保障波束指向精度，波束控制流程如图1所示，具体包括以下步骤：

(10)机械扫描方案：

机械扫描目的是提供大角度方位向基础扫描能力。由于在方位向电扫描范围有限，方位向整体扫描范围由机械扫描决定，因此机械扫描决定了马赛克成像模式平均分辨。在整个成像时间内，由姿态控制系统控制卫星平台匀速旋转，实现波束由前向后匀速扫描。

(11)波束扫描速率确定方法为：

某星载系统轨道高度500km，系统工作在X频段，最大带宽720MHz，方位向口径长度1.8m，成像场景中心入射角为40°，卫星速度7000m/s，在子块以滑聚模式成像过程中，旋转中心位于地表之下。条带模式下，系统可以实现1m×1m分辨率，20km幅宽成像。为了实现1m×1m分辨率，50km(距离向)×30km(方位向)范围成像，可以考虑采用马赛克模式。

以马赛克模式工作时，距离向分辨率可表示为：

其中，B为带宽，θ为入射角在距离向上的投影，c是光速。使用600MHz带宽，入射角在距离上投影为40°时，距离向分辨率为0.39m，符合指标要求。

方位向上每个Burst均可视为滑聚模式，方位向分辨率可表示为：

其中，L_a为天线方位向口径，N_B为距离向测绘带数量，R_rot为旋转中心斜距，R₀为最近斜距，v_g为卫星的地面速度，k_w为波束扫描速率。

根据任务分辨率和幅宽要求，可以确定距离向上条带个数N_B＝3，方位向上每个Burst采用滑聚模式，波束扫描速率为：

波束机械扫描是匀速的，扫描速率随时间变化如图2所示。

(12)波束扫描角度确定方法为：

首先确定每个Burst方位向尺寸。波束宽度为

则每个Burst方位向宽度为；

根据方位向幅宽要求，可以确定方位向拼接块数N_A＝30/7.53≈7，则Burst总块数为N＝N_AN_B＝12。

则扫描起始角和扫描结束角分别为

(20)电扫描方案

由于马赛克模式不同Burst之间斜视几何不一致，在机械匀速扫描情况下，会导致子块之间分辨率和成像性能发生变化。为了保证不同Burst之间成像性能连续性，需要系统能够灵活调整波束指向，并具备波束指向快速跳变能力。机械扫描由于惯性作用很难实现上述操作。电扫描可以作为机械扫描的补充，通过控制不同天线阵元的信号相位和幅度，快速改变天线波束的指向和形状，实现波束指向和扫描速率的灵活调整，使得波束电扫描速率满足要求。

(21)波束扫描补偿速率确定方法为：

机扫参数运算时，没有考虑不同子块之间斜视角度的不一致性，匀速扫描会导致成像分辨率不一致。需要通过电扫对波束指向和扫描速率进行调整。

对于第n个Burst，电扫描速率Δk_w可表示为：

其中，R_n表示第n个Burst的最小斜距,k_w表示机械扫描时的波束扫描速率。根据上式，即可实现波束扫描速率的微调，如图3所示。

(30)多区域多分辨率成像

除了可以利用电扫描调整波束旋转速率来保持不同Burst之间成像分辨率的一致性，也可以利用电扫，在机扫的基础上进一步拓展扫描范围，增加成像性能。

此外，利用电扫描灵活调整波束扫描速率，可以实现不同Burst以不同分辨率成像，实现对成像范围内不同目标的针对性观测，拓展应用模式，如图4所示。

本发明提供了一种机电扫结合的多模式马赛克成像方法，其目的在于在大的方位扫描范围内精确控制波束扫描速率，保持不同Burst之间成像性能的一致性；该波束扫描方法具有扫描范围广、扫描速率控制精度高、研制成本低、系统效益高等优点，是实现马赛克模式方位向波束扫描新方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例、并不用以限制本发明、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 (3)

1.一种机电扫结合的多模式马赛克成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

机械扫描由姿态控制系统控制卫星平台匀速旋转控制平台机动，实现波束在方位向上的匀速连续扫描，保障波束扫描范围，马赛克成像模式的平均分辨率由机械扫描决定；

电扫描在机械扫描的基础上根据每个Burst的斜视几何，通过控制步进角度和驻留时间，完成对波束扫描速率的灵活控制，保障波束指向精度；

在电扫描时，波束扫描补偿速率确定方法为：

机械扫描参数运算时，通过电扫对波束指向和扫描速率进行调整；

对于第n个Burst，电扫描速率Δk_w表示为：

其中，R_n表示第n个Burst的最小斜距，k_w表示机械扫描时的波束扫描速率；根据上式，即可实现波束扫描速率的微调；v_g为卫星的地面速度，k_w为波束扫描速率；N_B为距离向测绘带数量，L_a为天线方位向口径，ρ_a为机械扫描时马赛克成像模式下的方位向分辨率；

通过调整波束指向和不同Burst的扫描速率，实现不同区域不同分辨率成像，根据观测目标不同实现观测幅宽和分辨率的调整。

2.根据权利要求1所述的机电扫结合的多模式马赛克成像方法，其特征在于，所述机械扫描时，波束扫描速率确定方法为：

马赛克模式下，距离向分辨率可表示为：

其中，B为带宽，θ为入射角在距离向上的投影，c是光速；

方位向上每个Burst均可视为滑聚模式，方位向分辨率表示为：

其中，L_a为天线方位向口径，N_B为距离向测绘带数量，R_rot为旋转中心斜距，R₀为最近斜距，v_g为卫星的地面速度，k_w为波束扫描速率；距离向测绘带数量N_B根据任务所需的分辨率和幅宽要求确定；

根据上式确定波束扫描速率。

3.根据权利要求2所述的机电扫结合的多模式马赛克成像方法，其特征在于，所述机械扫描时，波束扫描角度确定方法为：

确定每个Burst方位向尺寸；

波束宽度表示为

则每个Burst方位向宽度表示为：

根据方位向幅宽要求确定方位向拼接块数N_A，则Burst总块数为N＝N_AN_B

则扫描起始角和扫描结束角分别表示为

其中，θ_start，θ_end在波束机械扫描能力范围之内。