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专利名称：一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合成孔径雷达(SAR)卫星的自适应波位设计方法和系统，属于雷达系统设计技术领域。
背景技术：
星载合成孔径雷达具备全天时、全天候的工作能力，是目前备受关注的对地观测系统。波位，是波束位置的简称，是指雷达的波束指向，波位参数包含了波束指向和脉冲重复频率。星载SAR按照波位参数对地观测，获取回波数据然后成像。因此，波位参数的选择直接决定了星载SAR的工作状态，并密切影响到SAR图像的质量和系统性能。另外，选择合适的波位参数可以有效的缩短重访周期，从而提高星载SAR的对地观测效率。综上，波位设计是星载SAR系统设计的重要工作之一。1991 年，由 John Wiley & Sons，Inc.出版，John C. Curlander 和 Robert N. Mcdonough 著作的《Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing》一书中指出，脉冲重复频率的选择是由方位�：�信号比以及发射干扰和星下点干扰共同决定的，发射脉冲必须与数据接收交替进行，并且必须是星下点回波不出现在数据窗内。1999 年，由哈尔滨工业大学出版社出版，刘永坦等著作的《雷达成像技术》中提出了选择测绘带和脉冲重复频率的几项原则，包括尽可能选择近似等长度的测绘带和相邻测绘带之间要有足够的交叠等。综合这些设计原则，即经典的波位设计方法基于星地空间几个模型，在视角-脉冲重复频率平面上，避开星下点回波和发射脉冲遮挡，确定每个波位的观测位置和脉冲重复频率，每个波位要满足方位�：�度、距离�：�度、等效噪声系数和回波数据率等指标，相邻波位之间要有一定的重叠。传统的波位设计方法，需要设计人员在设计平面(即视角-脉冲重复频率平面) 上手动依次选择波位，这种设计方法存在如下两个弊端第一，卫星运行周期中轨道高度不断变化，会引起星地几何关系的变化，手动设计的参数需发生改变；第二，随着星载SAR分辨率的不断提高，新的工作模式增加了波位设计的难度，例如德宇航为TerraSAR的聚束模式设计了上百个波位，传统的手动设计方法将产生巨大的工作量。因此，需要一种自动的波位设计方法以解决上述弊端。2006年5月，《系统工程与电子技术》第观卷第5期，刊登了北京航空航天大学于泽等人的《星载相控阵合成孔径雷达波位设计方法》，文中提出了一种波位设计的自适应算法，该算法首先确定“视角-重频平面”符合要求的菱形区域，然后从起始视角开始在菱形区域中设计第一个波位，并从该波位依次生成下一个波位直至满足覆盖要求。然而该方法也存在一些不足，包括首先，由于脉冲可选区域的不规则性，由当前波位设计下一个波位时往往需要不断地调整重叠率等参数，计算复杂度高，导致设计算法的效率偏低；其次，该算法设计完成的波位参数集虽能满足覆盖要求，但是不够丰富，不能满足高分辨率星载SAR的新工作模式对波位设计的要求；另外，该算法没有考虑到大视角下波位设计难度，由于大视角情况下波位的性能指标特别是方位�：�度和等效噪声系数很难满足要求，需要适当的对波位参数进行修正。
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发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法和系统，能够根据卫星运行周期中不同的轨道高度自动的完成波位设计，生成的波位参数集满足性能指标要求。一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，包括以下几个步骤步骤一获取卫星轨道高度和星下点矢径；根据开普勒方程，基于卫星轨道参数和地球椭球模型，首先获取t时刻卫星的平均近心角M，然后获取真近心角θ和极半径r，最后得到星下点对应的地心矢径长度R6和卫星轨道高度H，确定星地几何关系。步骤二 确定波位参数的选择范围；波位参数的选择范围包括星载SAR最大视角α max、星载SAR最小视角amin、星载 SAR最大脉冲重复频率fprfmax、星载SAR最小脉冲重复频率fprfmin。其中，星载SAR最大视角、 星载SAR最小视角通过用户确定。星载SAR最大脉冲重复频率、星载SAR最小脉冲重复频率通过方位向处理器带宽确定，星载SAR最小脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1. 1倍， 星载SAR最大脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1. 5倍。步骤三确定波位的空间限制条件；波位的空间限制条件即为斑马图，斑马图保证了波位对应的观测带回波可以被完整且无干扰地接收，斑马图由星下点回波和发射脉冲遮挡的限制条件确定。斑马图的横轴为星载SAR脉冲重复频率，范围通过步骤二确定，按照一定的采样间隔确定脉冲重复频率的数组[fprfmin = f:,f2,…，fK = fprfmax]；斑马图的纵轴为天线视角 α，是四簇随脉冲重复频率变化的曲线，记作[乂⑴，Qf^f), anJ(f), afj(f)]，其中i、j 分别表示星下点回波序号和发射脉冲序号。步骤四设计波位参数集；设计波位参数主要是设计近距点视角、远距点视角和脉冲重复频率。近距点、远距点视角的设计方法是给定一个中心视角a C1，获取其对应的地距 Rg0,然后获取相应的近距点地距Rgntl和远距点地距Rgftl,得到中心波位的近距点地距和远距点地距后，按照重叠率向上、向下扩展近距、远距地距直到超出步骤二确定的视角可选范围。将得到的各近距点地距Rgni、远距点地距Rgfi转化为视角即为可选视角，记可选视角个数为M。脉冲重复频率的设计方法是选定一个重频选择间隔Afprf,根据步骤二确定的脉冲重复频率选择范围即得到脉冲重复频率序列[fprfmin，fprfmin+Afprf,…，fprfmax]，则脉冲重复频率的可选个数为N= int [OW^-f^-)/Afprf]+1。为了方便在斑马图上显示，相邻视角的波位不发生重叠，在生成波位时，相间隔的视角重频加上int[Afprf/2]。综上，可生成波位参数共MXN个。步骤五基于斑马图的波位参数一次筛�。欢圆街杷纳�成的每个波位进行判断，判断准则为斑马图中星下点回波和发射脉冲遮挡的限制条件，即验证各波位是否满足式发射脉冲遮挡和星下点回波的限制条件，只保留满足条件的波位。全部判断完成后，综合保留的波位得到经斑马图筛选的波位参数集。
步骤六基于SAR性能指标的波位参数二次筛选；性能指标验证一般针对方位�：�度AASR、距离�：�度RASR、等效噪声系数NE σ °、 回波数据率民展开。对步骤五输出的每个波位参数，计算得到各自的方位�：�度AAS&、距离�：�度RAS&、等效噪声系数NE σ °k、回波数据率Srt，并与用户提出的性能指标要求比较， 只有全部的指标均小于要求时，才保留波位，否则，删除，输出的波位参数集记作BP°。若BP°共包括L个波位，将波位按照视角从低到高、重频从小到大的顺序标记序号为 1, 2,…，L0步骤七大视角波位参数修正；大视角情况下，波位性能指标较差，往往找不到合适的波位，需要加以修正，降低距离向观测带宽度是有效地方法。定义两个用于观测带宽修正的参数修正率η(修正后的观测带宽与原观测带宽的比值)、最小观测带宽Wmin。大视角波位参数修正需要首先确定一个高低波位分界视角α Η,从ΒΡ°中大于α Η 的波位开始修正的迭代过程，设定起始迭代数k = 0，修正过程为1)判断当前波位参数集是否需要进行修正。对BPk进行判断，当某个波位(假定为第1个)出现下列两种情况之一时A.该波位的远距视角小于下一个波位的近端视角时，即出现了波位不重叠的情况；B.该波位是BPk的最后一个波位，其远端地距与斑马图最大地距相差大于 ff(i-y)；停止判断，并记录该波位的中心视角Cim1= (α +α/)/2，即为需要修正的起始视角，删除第1个之后的波位，保留的波位参数集记作BPk。若两种情况均不出现，说明不需要修正，结束迭代，将当前的波位参数集也记为 BPk，转到 5)。2)修正观测带宽，并确保其不小于最小观测带宽要求。若修正后的观测带宽不小于最小观测带宽，增加迭代数k = k+1。否则，结束迭代，转到5)。3)重新确定波位选择范围及中心视角。最大视角仍选用步骤二的最大视角；最小视角的选取需要保证波位间的重叠度， 可取αΛ中心视角可取为以α 为近距视角、以修正后的W为观测带宽的中心视角。4)使用新的最大、最小视角、中心视角和修正后的观测带宽重复步骤四到步骤六， 输出的波位参数集记作BPk，转到1)。5)当完成迭代后，将全部波位参数集合并即为最终输出的优化波位参数集。艮口 BP = U BPk。本发明的一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计系统，包含卫星轨道高度和星下点地球半径获取�？�、波位选择范围确定�？�、波位空间限制条件确定�？�、波位参数集设计模块、基于斑马图的波位参数筛选模块、基于SAR性能指标的波位参数筛选�？楹痛笫咏遣ㄎ徊问�修正模块；卫星轨道高度和星下点地球半径获取�？槭淙胛�卫星轨道参数，经过计算，得到卫星轨道高度和星下点地球半径，输出至波位选择范围确定�？椋徊ㄎ谎≡穹段�确定�？槭淙胛猄AR系统参数，SAR系统参数包括工作波长和方位向天线尺寸，结合卫星轨道高度和星下点地球半径获取�？槭涑龅奈佬枪斓栏叨�、星下点地球半径，获取波位选择的范围， 输出至波位空间限制条件确定�？椋徊ㄎ豢占湎拗铺跫�确定�？槭淙胛猄AR系统参数、波位选择范围、卫星轨道高度和星下点地球半径，所述的SAR系统参数包括脉冲宽度，经过计算，获取得到斑马图，输出至基于斑马图的波位参数筛选�？椋徊ㄎ徊问�集设计模块输入为 SAR性能指标、波位选择范围、卫星轨道高度和星下点地球半径，所述的SAR性能指标包括观测带宽和观测带重叠率，经过计算，获取得到初始波位参数集，输出至基于斑马图的波位参数筛选�？�5 ；基于斑马图的波位参数筛选�？槭淙氚�括初始波位参数集、斑马图、卫星轨道高度和星下点地球半径，经过计算，获取得到经斑马图筛选的波位参数集，输出至基于 SAR性能指标的波位参数筛选�？椋换�于SAR性能指标的波位参数筛选�？槭淙氚�括经斑马图筛选的波位参数集、SAR性能指标、SAR系统参数、卫星轨道高度和星下点地球半径，所述的SAR性能指标方位模糊度AASR、距离�：�度RASR、等效噪声系数NE σ °、回波数据率、 所述的SAR系统参数包括方位向天线尺寸Da、距离向天线尺寸^、雷达峰值发射功率Ppeak、 脉冲宽度τ p、雷达工作波长λ、信号带宽B、采样率fs、系统噪声系数F、损耗因子L、回波量化位数Nb、系统工作温度Ttl，经过计算，获取得到未修正的波位参数集，记做BP°，输出至大视角波位参数修正�？椋淮笫咏遣ㄎ徊问�修正�？槭淙氚�括经未修正的波位参数集BP°，经过计算，获取得到优化波位参数集，记做BP。本发明的优点在于(1)本发明提出的系统可以自动的完成不同轨道高度下的波位设计；(2)本发明针对大视角的波位设计难点实现了高波位参数修正；(3)本发明提出的波位设计方法集成了性能指标计算，具有波位设计一体化的特
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图1是本发明的自适应波位设计方法流程图；图2是本发明中星地几何关系的示意图；图3是本发明的自适应波位设计系统示意图；图如是实施例的斑马图；图4b是实施例的基于斑马图的波位筛选结果；图如是实施例的基于性能指标的波位筛选结果；图4d是实施例的优化波位参数集。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计系统，系统输入为星载SAR性能指标、卫星轨道参数和SAR系统参数，输出为优化波位参数集。SAR性能指标包括空间分辨率P、观测带宽W、观测带重叠率Y、方位�：�度AASR、距离�：�度RASR、等效噪声系数 NE σ °、回波数据率民。卫星轨道参数包括半长轴a，偏心率e，轨道倾角i，近心角距ω，升交点赤径Ω，过近心点时刻τ。SAR系统参数包括方位向天线尺寸Da，距离向天线尺寸，雷达峰值发射功率Pprak，脉冲宽度τ p，雷达工作波长λ，信号带宽B，采样率fs，系统噪声系数 F，损耗因子L，回波量化位数Nb，系统工作温度 ；。输出的波位参数包括近距点视角Cin、远距点视角af、脉冲重复频率fprf、回波延迟时间DWP、回波数据窗宽度τψ。本发明的一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，方法的流程如图1所示，包括以下几个步骤步骤一获取卫星轨道高度和星下点矢径；获取t时刻卫星的平均近心角M M = n(t- τ )(1)其中τ表示过近心点时刻，η表示平均角运动^ = ^/^，μ表示地球引力场的引力常数，μ = 3. 986013Χ IO140获取真近心角θ
1 , 5 4, 5 11, 13 43θ=Μ + β(2 — - e2 + — e4)sinM + e2(---e2) sin 2M + e3 (---e2) sin 3M
4 964 2412 64(2)
r π 103 4 .…1097 5 .…H--e sin 4M H--e sin 5M
96960其中e表示偏心率；获取极半径r r = a(l-e2)/(l+ecos θ )(3)其中a表示半长轴；获取星下点对应的地心矢径长度(星下点矢径长度)Re 丄,Π, 2 -Tl⑷
Vl + tan + (/ -2/)[l + tan M-cos其中u表示升角角矩，且u = θ+ω, ω表示近心角距，Ra表示地球赤道半径，f 表示地球扁率，本发明采用WGS84坐标系的椭球模型，Ra = 6378137m, f = 1/298. 257。获取卫星轨道高度H H = r-Re(5)得到卫星轨道高度和星下点矢径长度之后，确定星地几何关系，如图2所示，图中，W表示观测带宽，H为卫星轨道高度，民为星下点矢径长度，an、Citl和Cif分别表示观测带的近距点视角、雷达波束中心视角和远距点视角，θ in、θ i(|和θ if分别表示近距点入射角、雷达波束中心入射角和远距点入射角，Φεη、Φ,Ρ Φ-分别表示近距点地心角、雷达波束中心对应的地心角和远距点地心角，Rn、Rci和&分别表示近距点斜距、雷达波束中心斜距和远距点斜距。步骤二 确定波位参数的选择范围；波位参数的选择范围包括星载SAR最大视角α max、星载SAR最小视角amin、星载 SAR最大脉冲重复频率fprfmax、星载SAR最小脉冲重复频率fprfmin。其中星载SAR最大视角、 星载SAR最小视角通过用户确定。星载SAR最大脉冲重复频率、星载SAR最小脉冲重复频率通过方位向处理器带宽确定，星载SAR最小脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1. 1倍，星载SAR最大脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1. 5倍，即为1. IBp fprfmin < fprfmax 1· 5Bp(6)其中，fprfmin表示星载SAR最小脉冲重复频率，fprfmax表示星载SAR最大脉冲重复频率，艮表示处理器带宽，通过下式得到
权利要求
1. 一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，其特征在于，包括以下几个步骤 步骤一获取卫星轨道高度和星下点矢径；首先获取t时刻卫星的平均近心角M,然后获取真近心角θ和极半径r，最后得到星下点对应的地心矢径长度民和卫星轨道高度H，确定星地几何关系； 步骤二 确定波位参数的选择范围；波位参数的选择范围包括星载SAR最大视角α·、星载SAR最小视角amin、星载SAR最大脉冲重复频率fprfmax、星载SAR最小脉冲重复频率fprfmin ；其中星载SAR最大视角、星载SAR 最小视角通过用户确定；星载SAR最大脉冲重复频率、星载SAR最小脉冲重复频率通过方位向处理器带宽确定， 星载SAR最小脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1. 1倍，星载SAR最大脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1.5倍；步骤三确定波位的空间限制条件；波位的空间限制条件即为斑马图，斑马图由星下点回波和发射脉冲遮挡的限制条件确定；星下点回波的限制条件为
2.根据权利要求1所述的一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，其特征在于，所述的步骤一具体为获取t时刻卫星的平均近心角M M = n(t- τ )(1)其中τ表示过近心点时刻，η表示平均角运动，HzaZ^P表示半长轴，μ表示地球引力场的引力常数，μ = 3. 986013Χ1014；获取真近心角θ
3.根据权利要求2所述的一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，其特征在于，采用WGS84坐标系的椭球模型，Ra = 6378137m, f = 1/298. 257。
4.根据权利要求1所述的一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，其特征在于，所述的步骤二中，星载SAR最小脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1. 1倍，星载SAR 最大脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1. 5倍具体为(1. IBp - fprfmin < fprf- - 1. 5BP (6)其中，fprfmin表示星载SAR最小脉冲重复频率，fprfmax表示星载SAR最大脉冲重复频率， Bp表示处理器带宽，通过下式得到
5.根据权利要求1所述的一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，其特征在于，所述的步骤七中，高低波位分界视角α H为40度或者是，用户根据BP°选择的波位由低到高开始明显变稀疏的视角。
6.一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计系统，其特征在于，包含卫星轨道高度和星下点地球半径获取�？椤⒉ㄎ谎≡穹段�确定�？�、波位空间限制条件确定�？�、波位参数集设计�？�、基于斑马图的波位参数筛选模块、基于SAR性能指标的波位参数筛选�？楹痛笫咏遣ㄎ徊问�修正模块；卫星轨道高度和星下点地球半径获取�？槭淙胛�卫星轨道参数，经过计算，得到卫星轨道高度和星下点地球半径，输出至波位选择范围确定�？椋徊ㄎ谎≡穹段�确定�？槭淙胛猄AR系统参数，SAR系统参数包括工作波长和方位向天线尺寸，结合卫星轨道高度和星下点地球半径获取模块输出的卫星轨道高度、星下点地球半径，获取波位选择的范围，输出至波位空间限制条件确定�？椋徊ㄎ豢占湎拗铺跫�确定�？槭淙胛猄AR系统参数、波位选择范围、卫星轨道高度和星下点地球半径，所述的SAR系统参数包括脉冲宽度，经过计算，获取得到斑马图，输出至基于斑马图的波位参数筛选�？椋徊ㄎ徊问�集设计�？槭淙胛猄AR 性能指标、波位选择范围、卫星轨道高度和星下点地球半径，所述的SAR性能指标包括观测带宽和观测带重叠率，经过计算，获取得到初始波位参数集，输出至基于斑马图的波位参数筛选�？�5 ；基于斑马图的波位参数筛选�？槭淙氚�括初始波位参数集、斑马图、卫星轨道高度和星下点地球半径，经过计算，获取得到经斑马图筛选的波位参数集，输出至基于SAR 性能指标的波位参数筛选模块；基于SAR性能指标的波位参数筛选�？槭淙氚�括经斑马图筛选的波位参数集、SAR性能指标、SAR系统参数、卫星轨道高度和星下点地球半径，所述的 SAR性能指标方位�：�度AASR、距离�：�度RASR、等效噪声系数NE σ °、回波数据率、所述的SAR系统参数包括方位向天线尺寸Da、距离向天线尺寸^、雷达峰值发射功率Ppeak、脉冲宽度τρ、雷达工作波长λ、信号带宽B、采样率fs、系统噪声系数F、损耗因子L、回波量化位数Nb、系统工作温度Ttl，经过计算，获取得到未修正的波位参数集，记做BP°，输出至大视角波位参数修正�？椋淮笫咏遣ㄎ徊问�修正�？槭淙氚�括经未修正的波位参数集BP°，经过计算，获取得到优化波位参数集，记做BP。
全文摘要
本发明公开了一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法和系统，方法包括以下几个步骤获取卫星轨道高度和星下点矢径；确定波位参数的选择范围；确定波位的空间限制条件；设计波位参数集；基于斑马图的波位参数一次筛�。换�于SAR性能指标的波位参数二次筛选；大视角波位参数修正。系统包含卫星轨道高度和星下点地球半径获取�？�、波位选择范围确定�？�、波位空间限制条件确定�？�、波位参数集设计�？�、基于斑马图的波位参数筛选�？椤⒒�于SAR性能指标的波位参数筛选�？楹痛笫咏遣ㄎ徊问�修正�？�。本发明针对大视角的波位设计难点实现了高波位参数修正；本发明提出的波位设计方法集成了性能指标计算，具有波位设计一体化的特点。
文档编号G01S13/90GK102393514SQ20111032782
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者于泽, 李春升, 王志乾 申请人:北京航空航天大学