CN117310707A - 一种方位多通道星载sar在轨方位向方向图提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，属于方位多通道星载SAR相控阵天线测试领域，通过在轨回波数据提取少量在轨天线方位向收发方向图，采用多参数PML联合求解算法提取影响在轨方向图的主要误差数据，结合地面测试数据计算出在轨天线方位向形变误差，最后通过方向图计算模型计算出方位向在轨天线方向图。本发明具有测试工作量小、效率高等特点。
Description
技术领域
本发明属于方位多通道星载SAR相控阵天线测试领域，涉及一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法。
背景技术
为了提高SAR成像雷达的成像幅宽和分辨率，目前主要的方法是采用方位多通道技术，同时采用ScanSAR模式来实现高分宽幅成像。在该模式下SAR雷达系统在方位向将天线分成多个天线子阵，工作时天线进行全孔径发射，每个天线子阵单独接收。方位多通道星载SAR为了保证高分宽幅成像，发射方向图在方位向进行大比例展宽。在轨天线热变形不可避免的引起方位向激励相位发生变化，而大展宽方向图形状对激励相位误差比较敏感，导致在轨天线发射方向图与地面差异较大，从而影响ScanSAR模式的方位向残余扇贝。因此如何准确提取在轨方位向方向图对减少ScanSAR模式的残余扇贝具有重要意义。
目前在轨提取天线方位向方向图的方法包括：方法1：在地面布置有源定标器分别获取发射方向图和接收方向图；方法2：在地面布置无源定标器并进行成像，通过计算无源定标器的多普勒数据来提取收发双程方向图。方法1每次测试仅能得到一个波位的发射或接收方向图，同时该方法需要地面有源定标器的天线指向、接收时间、链路增益等参数与SAR雷达系统工作状态进行匹配和同步，定标器状态设置复杂。方法2雷达系统方位模糊和回波信号的信噪比均会影响方向图提取精度。由于SAR系统工作模式复杂波位数量众多，通过以上两种方法逐个完成方向图提取，测试效率低下。并且SAR天线不同波位覆盖地面较大范围，而地面定标器数量有限，可能无法完成所有波位的测试。同时目前方向图提取方法主要提取方位向幅度方向图无法提取相位方向图，而方位向相位方向图对高分辨率成像具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，结合传统方向图提取方法，通过提取少量在轨天线方位向方向图，计算出影响在轨方向图的主要误差数据，并通过方向图计算模型计算出方位向在轨天线幅度和相位方向图，该方法具有测试工作量小、效率高等特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，包括如下步骤：
第一步：通过在轨回波数据提取方位向收发双程方向图；
第二步：采用多参数PML联合求解算法提取方位向相位误差；
第三步：提取在轨天线方位向形变误差；
第四步：采用天线方向图模型计算在轨方向图。
有益效果：
1、本发明采用成像回波数据进行计算，方法简单、效率高；
2、本发明采用多参数PML联合求解算法提高计算精度；
3、本发明通过方向图模型可以快速计算出其他工作波位方向图性能。
附图说明
图1是本发明的一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法的流程图；
图2是本发明中涉及的多参数联合求解PML算法流程图；
图3是本发明实施例相控阵天线阵面分布原理框图；
图4是本发明实施例回波数据提取的方位向方向图；
图5是本本发明实施例相控阵天线方位向热变形结果图；
图6是本发明实施例在轨方向图比对分析结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，针对方位多通道星载SAR有源相控阵天线方位向在轨收发方向图的提取，本发明的一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法包括如下步骤：
第一步：通过在轨回波数据提取方位向收发双程方向图
为了提高方位向收发方向图的提取精度，选用方位波束形状一致、距离波束小展宽的工作波位，对布置有无源定标器的地面场景或热带雨林场景采用多通道条带模式进行正常成像。通过对多通道回波数据进行估计，提取方位向多通道间的幅相误差，并计算出方位向多普勒频谱数据，再根据多普勒频率与斜视角的关系计算出多普勒频谱数据对应的天线方向图角度，即天线的方位向收发双程方向图。多普勒频率与方向图角度的对应关系为：
（1）
其中，为多普勒频率，/>为卫星速度，/>为工作波长，/>为雷达斜视角，雷达斜视角减去平台指向即天线方向图角度。在进行方位向收发双程方向图提取时，需要尽量提高雷达系统的PRF（脉冲重复频率）参数以保证系统具有更佳的方位模糊性能，以提高方位向收发方向图的提取精度。
第二步：采用多参数PML联合求解算法提取方位向相位误差
对于多通道SAR系统，天线发射方向图通常采用全孔径发射模式，此时发射方向图通过相位权进行大比例展宽，主瓣内方向图形状对方位向激励误差比较敏感，方向图形状容易发生变化。对于接收方向图，每个天线子阵采用均匀口径工作，此时接收方向图主瓣形状对方位向激励误差相对不敏感。在轨引起天线方位向方向图形状产生变化的激励误差主要包括两部分：1）相控阵天线馈电网络由于在轨工作环境条件引起的幅相误差；2）无源天线阵面在轨热变形引起的相位误差。针对第1）项误差，可以通过高精度内定标网络进行提取，第2）项无法进行直接获取。由于单子阵在轨热变形相对于全阵面热变形相对较小，且方向图形状对误差相对不敏感，因此接收方向图主瓣形状可以认为未发生变化。此时方位向发射方向图可表示为：
（2）
其中，为方向图角度，/>为方位向收发合成方向图，/>为方位向发射方向图，/>为方位向接收方向图。/>可以通过第一步得到，/>可以通过地面测试得到。对于等间距一维相控阵天线，其方位向发射方向图/>可以表示为：
（3）
其中，表示第n个辐射单元的激励，/>表示工作波长，/>表示方位向辐射单元间距，/>表示方向图角度，N表示辐射单元的总数，/>表示指数函数，j表示虚数。同时也可以写成矩阵形式：
（4）
其中，表示第K个角度的发射方向图数值，/>，表示第K个角度数值，因此公式（4）采用矩阵相乘可以表示为/>，/>表示发射方向图，/>表示系数矩阵，/>表示天线激励系数。在最小二乘的意义下，当误差矢量与T矩阵的列向量空间正交时，可以得到激励系数/>,表示对矩阵取共轭转置。根据矩阵线性运算/>，其中/>表示激励误差系数，/>表示方向图误差，其中/>采用以下公式进行求解，/>表示当前发射方向图，/>为当前发射方向图的最大值，/>为归一化当前发射方向图，/>为归一化目标发射方向图即对公式（2）进行归一化。
由第一步提取的方位向收发双程方向图仅只能覆盖主瓣内的方向图形状，因此采用一个收发双程方向图进行方位向误差提取，可能会出现多组解，不能准确提取相位误差。为了准确提取相位误差数据，需采用多组不同形状的方位向方向图数据进行联合求解。多参数联合求解PML算法流程如下图2所示：
求解时首先计算系数矩阵T，然后将求解的M组发射方向图发射理论加权作为初始激励系数矩阵，然后由/>计算出当前M组方向图数据F,再由公式/>计算每一组方向图误差/>，其中/>表示当前M组方向图数据F中第/>个方向图数据，当方向图误差小于设置要求则停止计算。当方向图误差不满足设置要求时，由/>计算M组方向图的激励误差矩阵，其中/>，M表示方向图总数。最后再更新激励系数矩阵/>，其中/>表示第/>次迭代的数据。对于发射方向图每个T/R激励均为饱和输出，因此发射方向图误差主要由相位误差引起。激励矩阵/>的更新方法如下所示：
,/>表示下一次迭代的临时激励系数矩阵，由于天线工作时T/R组件为饱和放大，其幅度保持不变，因此激励系数矩阵可由激励相位误差矩阵/>进行表示：/>，其中/>表示取复数的实部。 因此仅由激励相位误差引起的相位激励系数/>可以表示为/>，将/>进行平均，此时方位向每个辐射单元激励相位误差为/>，其中/>表示相位误差激励系数中第m个激励系数的第n个辐射单元激励系数数值，/>表示初始激励系数中第m个激励系数的第n个辐射单元激励系数数值，M表示M组激励系数。更新后的M组激励系数为/>，即每组方向图采用相同的激励相位误差数据，N表示辐射单元总数。按照上述步骤反复迭代，直到获得满足精度的方向图或者达到最大迭代步数。
第三步：在轨天线方位向形变误差提取
SAR雷达系统在暗室内完成天线方向图校正测试后，SAR系统进行转运并开展整星试验。在试验测试过程中可能会引起天线展开机构发生变化，从而影响天线方位向方向图。因此需要提取地面试验测试过程中引起的天线方位向误差数据，该误差数据可以通过卫星发射前的平面度数据减去天线方向图测试时的平面度数据来获取。在轨工作环境会导致天线馈电网络幅相数据发生变化形成误差数据，该误差数据可以通过高精度内定标网络在雷达系统同状态下通过在轨和地面单T/R定标数据差得到。由于第二步得到的方位向相位误差为一维数据，因此需要将试验过程中的天线方位向误差数据B和天线馈电网络幅相数据发生变化的误差数据C在距离向进行平均得到B1和C1。此时，由在轨热变形引起的相位误差数据为D1=D-B1-C1, 其中D表示由第二步求解出的激励相位误差数据的相位。
第四步：采用天线方向图模型计算在轨方向图：
SAR系统工作模式复杂且工作波位数量众多，不可能逐个波位进行测试。因此，通过建立高精度天线方向图模型计算出天线各波位实际幅相分布，从而计算在轨天线方向图对成像处理具有重要意义。
在轨工作波位的幅相数据主要由地面暗室校正后的幅相数据、地面试验过程中的展开误差数据、在轨误差数据三部分组成。其中暗室校正后的幅相数据可由波控码与有源组件各种控制状态下的幅相实测数据计算得到的天线激励幅相数据E和法向波位测试得到的口径场幅相误差F组成；地面试验过程中的展开误差数据为第三步中的试验过程中的天线方位向的误差数据B；在轨误差数据分为有源组件幅相误差数据和天线无源阵面热变形数据，其中有源组件幅相误差数据可以由在轨内定标数据测试得到，为第三步中的天线馈电网络幅相数据发生变化形成的误差数据C；天线无源阵面热变形数据为第三步的在轨热变形引起的相位误差数据D1，同时将在轨热变形引起的相位误差数据D1沿距离向进行复制形成与天线激励幅相数据E、法向波位口径场幅相误差数据F、展开误差数据B、在轨天线馈电网络幅相误差数据C大小一致的二维误差数据D2。此时在轨工作波位的幅相数据为这五部分数据相加。然后再根据天线布阵参数即可以计算出该波位的方位向方向图。在地面进行成像处理时，采用计算得出的方位向方向图进行补偿校正，既可实现减小ScanSAR方位向残余扇贝效应。
实施例：
某星载SAR雷达系统为方位向8通道有源相控阵天线，其天线分布原理框图如下图3所示。
步骤1通过对布置有无源定标器的地面场景采用多通道条带模式进行正常成像，通过对无源定标器的回波数据分3次进行提取，提取出的3个工作模式的方位向收发双程方向图如图4示。
通过步骤2采用多参数PML联合求解算法对第一步提取的3个方位向收发双程方向图进行计算得到方位向误差数据，然后通过步骤3去除地面展开误差数据和内定标幅相误差数据得到的方位热变形结果如图5所示。
通过步骤4采用方向图高精度模型计算其他工作波位在轨实际方向图形状，并与地面实测数据和在轨回波数据提取结果进行比对分析如图6所示。从图6中可以看出，在轨计算模型与在轨回波提取结果基本一致，说明该方法可以有效计算出在轨方位向方向图形状。最终通过在地面成像处理中采用该方法计算得到的方向图数据进行补偿校正，最终实现了减小ScanSAR工作模式残余扇贝和保证成像分辨率的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：通过在轨回波数据提取方位向收发双程方向图；
第二步：采用多参数PML联合求解算法提取方位向相位误差；
第三步：提取在轨天线方位向形变误差；
第四步：采用天线方向图模型计算在轨方向图。
2.根据权利要求1所述的一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，其特征在于，所述第一步包括：
选用方位波束形状一致、距离波束小展宽的工作波位，对布置有无源定标器的地面场景或热带雨林场景采用多通道条带模式进行正常成像；通过对方位向多通道的在轨回波数据进行估计，提取出方位向多通道间的幅相误差，并计算出无源定标器的多普勒频谱数据，再根据多普勒频率与斜视角的关系计算出多普勒频率对应的天线方向图角度，即获得天线的方位向收发双程方向图；多普勒频率与天线方向图角度的对应关系为：
（1）
其中，为多普勒频率，/>为卫星速度，/>为工作波长，/>为雷达斜视角，雷达斜视角减去平台指向即天线方向图角度。
3.根据权利要求2所述的一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，其特征在于，所述第二步中的多参数PML联合求解算法包括：
首先计算系数矩阵T，然后将求解的M组发射方向图的发射理论加权作为初始激励系数矩阵，然后由/>计算出当前M组发射方向图的数据F，再由公式/>计算每一组发射方向图的误差数据向量/>，其中/>表示当前M组方向图数据F中第/>个发射方向图数据，/>为归一化第/>个发射方向图，/>为归一化第/>个目标发射方向图；由/>计算M组发射方向图的激励误差矩阵/>，/>表示发射方向图误差，/>，M表示发射方向图的总数；最后再更新激励系数矩阵/>，其中/>表示第/>次迭代的数据；激励系数矩阵/>的更新方法为：/>,/>表示下一次迭代的临时激励系数矩阵；/>表示第/>次迭代的激励系数矩阵；激励系数矩阵由激励相位误差矩阵进行表示：/>，其中/>表示取复数的实部，j表示虚数，仅由激励相位误差引起的激励系数/>表示为/>，将仅由激励相位误差引起的激励系数/>中M个激励误差进行平均，此时方位向每个辐射单元的激励误差为，其中/>表示相位误差激励系数中第m个激励系数的第n个辐射单元激励系数数值，/>表示初始激励系数中第m个激励系数的第n个辐射单元激励系数数值；更新后的激励系数为/>，即每组发射方向图采用相同的激励相位误差数据/>，N表示辐射单元总数；按照上述步骤反复迭代，直到获得满足精度的发射方向图或者达到最大迭代步数。
4.根据权利要求3所述的一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，其特征在于，所述第三步包括：通过发射前天线的平面度数据减去天线方向图测试时的平面度数据获取地面试验测试过程中引起的天线方位向误差的数据B；通过高精度内定标网络在雷达系统同状态下，通过在轨和地面单T/R定标数据差得到在轨工作环境导致的天线馈电网络幅相数据发生变化形成的误差数据C；将试验过程中引起的天线方位向误差的数据B和天线馈电网络幅相数据发生变化形成的误差数据C在距离向分别进行平均得到B1和C1，由在轨热变形引起的相位误差数据为D1，其计算公式为：D1=D-B1-C1,其中D表示由第二步求解出的激励相位误差数据的相位。
5.根据权利要求4所述的一种方位多通道星载SAR在轨方位向方向图提取方法，其特征在于，所述第四步包括：建立高精度的天线方向图模型，计算出天线各工作波位实际幅相分布，从而计算在轨天线方向图形状；
在轨工作波位的幅相数据由地面暗室校正后的幅相数据、地面试验过程中的展开误差数据、在轨误差数据三部分组成；其中暗室校正后的幅相数据由波控码与有源组件各种控制状态下的幅相实测数据计算得到的天线激励幅相数据E和法向波位口径场幅相误差数据F组成；地面试验过程中的展开误差数据为第三步中的试验过程中引起的天线方位向误差数据B；在轨误差数据分为有源组件幅相误差数据和天线无源阵面热变形数据，其中有源组件幅相误差数据由在轨内定标数据测试得到，为第三步中的天线馈电网络幅相数据发生变化形成的误差数据C，天线无源阵面热变形数据为第三步的在轨热变形引起的相位误差数据D1，同时将在轨热变形引起的相位误差数据D1沿距离向进行复制形成与天线激励幅相数据E、法向波位口径场幅相误差数据F、试验过程中引起的天线方位向误差数据B、天线馈电网络幅相数据发生变化形成的误差数据C大小一致的二维误差数据D2；在轨工作波位的幅相数据为天线激励幅相数据E、法向波位口径场幅相误差数据F、试验过程中引起的天线方位向误差数据B、天线馈电网络幅相数据发生变化形成的误差数据C、二维误差数据D2相加；然后再根据天线设计参数计算出该在轨工作波位的方位向方向图。
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