专利名称：一种基于稳态rcs的星载sar高保真回波仿真方法
技术领域：
本发明属于信号处理领域，特别涉及一种基于稳态RCS(Radar Cross-Section)的星载SAR(Synthetic Aperture Radar)高保真回波仿真方法。
背景技术：
星载合成孔径雷达(SAR)是一种基于空间高度对地球进行观测的高分辨率遥感探测卫星雷达。由于SAR卫星能克服云雾雨雪和暗夜条件的限制对地面目标进行成像，能实现全天时、全天候、高分辨率、宽幅对地观测，因此在军事、海洋、农业和林业等诸多领域具有广阔的应用前景。但是，星载SAR系统成像原理十分复杂，数据处理以及成像处理设备庞大、昂贵，因此在SAR系统方案设计和成像处理算法研究过程中都离不开回波仿真。
星载SAR有效载荷通过主动发射线性调频信号对地面目标进行观测，为提高方位向分辨率，需要在不同的位置对目标进行观测。由于目标被不同角度来波照射时，所呈现出的后向散射特性存在着差异，尤其对于棱角分明的建筑物和军事目标，其后向散射特性存在明显的差异，简言之目标的后向散射特性是空间角度的函数。因此随着SAR天线同目标之间的相对位置关系发生了变化，在不同的位置观测目标的后向散射特性也是不同的。传统SAR回波仿真方法认为目标后向散射特性具有不变性，忽略了目标的空间角谱变化特性，无法真实的反映目标在整个合成孔径时间内的后向散射变化特性。此外传统SAR回波仿真方法无法反映回波信号从发射、传播、接收及处理的整个流程，SAR仿真图像的逼真度相对较差。随着星载SAR技术的发展和分辨率的提高，传统SAR回波仿真方法已经难以满足SAR系统方案设计，特别是在高分辨率成像模式下(如聚束模式和滑动聚束模式)这种需求显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，针对现有星载SAR回波仿真无法真实反映SAR工作原理及过程，提出了一种基于稳态RCS的星载SAR高保真回波仿真方法，利用本发明可以精确描述和重构SAR回波仿真信号，在回波仿真过程中反映了目标的空间角谱变化特性，真实反映目标在整个合成孔径时间内的后向散射变化特性。一种基于稳态RCS的星载SAR高保真回波仿真方法,包括如下几个步骤步骤一通过仿真参数表获取星载SAR回波仿真参数，包括卫星轨道半长轴a，轨道倾角i,轨道偏心率e，仿真中心时刻τ，仿真中心时刻天线瞄准线在地球表面的焦点位置经度Aci，纬度Otl，天线波束下视角β，天线方位向长度La，天线距离向长度Lp波长入，调频率b，地球半短轴Ea，地球半长轴Eb，地球平均角运动速率η，地球引力场引力常数μ ；步骤二 设置场景，在转动地心坐标系下将场景映射到地面，确定每一个散射体Ty的坐标；具体包括以下几个步骤(a)设置场景点阵TaXI；，以仿真中心时刻天线瞄准线在地球表面的焦点为场景中心点，其中，Ta为场景方位向点阵数目，I；为场景距离向点阵数目，并设定场景方位向点阵间隔Da，距离向点阵间隔，场景坐标系以场景中心为原点，X轴沿南北方向，指北为正，Y轴沿东西方向，指东为正；(b)获取每一个散射体IVj在场景坐标系下的坐标」，y_ti；J)；(c)获取每一个散射体IVj的经度、纬度(Λ"，Φ^.)；(d)获取每一个散射体IVj在转动地心坐标系下的坐标(Xji,」，Yji,」，Z_ti；J)；步骤三根据星地空间几何关系及开普勒轨道方程确定卫星在方位某一时刻m的坐标(X-Sni, Y_sm, Z_sm)；具体包括以下几个步骤(a)根据开普勒轨道方程确定方位某一时刻m的平均近心角M，偏心角E，真近心角Θ，卫星矢径r ；(b)根据卫星矢径r和真近心角Θ确定卫星在轨道坐标系下的坐标(x_Sni，y_sm, z_
S )'(C)获取卫星在转动地心坐标系下的坐标(X_sm，Y_sffl, Z_sffl)；步骤四确定方位时刻m卫星同场景中心的相对位置关系，获取方位角度^ ;具体包括以下几个步骤 (a)获取场景中心在转动地心坐标系下的坐标(X_tQ，Y_t0, Z_t0)；(b)获取时刻m卫星同场景中心的相对位置矢量(X_s_tm，Y_s_tm, Z_s_tm)；(c)获取时刻m卫星同场景中心的方位角度炉 ；步骤五根据方位角度I的不同读取场景不同的后向散射系数矩阵ΑΥ'ΛΧα);具体包括以下几个步骤(a)根据时刻m卫星同场景中心的方位角度化，查表获得场景的后向散射矩阵;(b)在后向散射矩阵中获取场景中每一个散射体Τ。的后向散射系数
Rcsu步骤六获取此时刻场景中每一个散射体Ti, j的天线方向图加权特性以及同有效载荷的斜距；具体包括以下几个步骤(a)获取场景中每一个散射体Tiij同有效载荷的斜距S1^Ti,j ；(b)获取场景中每一个散射体Τ。同有效载荷的方位向离轴角以及距离向离轴角H ；(C)获取场景中每一个散射体IVj的方位向天线方向图加权Waji，j)以及距离向天线方向图加权Wrm (i, j)；(d)获取场景中每一个散射体Ti;j的天线方向图加权W111 (i，j)；步骤七构造线性调频信号，并同后向散射特性及天线方向图加权特性进行调制，并根据斜距变化叠加多普勒效应；具体包括以下几个步骤
(a)构造线性调频信号
权利要求
1.一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤 步骤一通过仿真参数表获取星载SAR回波仿真参数，包括卫星轨道半长轴a，轨道倾角i，轨道偏心率e，仿真中心时刻τ，仿真中心时刻天线瞄准线在地球表面的焦点位置经度Aci，纬度Otl，天线波束下视角β，天线方位向长度La，天线距离向长度Lp波长λ，调频率b，地球半短轴Ea，地球半长轴Eb，地球平均角运动速率η，地球引力场引力常数μ ； 步骤二 设置场景，在转动地心坐标系下将场景映射到地面上，确定每一个散射体IVj的坐标(X_ti，j，Y—ti j, Ζ_1^,Ρ ； 根据用户需求设置相应大小的场景，并空间坐标转换获取场景中每一个散射体Ti, J在转动地心坐标系下的坐标； 步骤三根据星地空间几何关系及开普勒轨道方程确定卫星在方位时刻m的坐标(X_sm, Y_sm, Z_sm)； 利用星载SAR空间几何关系及开普勒轨道方程，获取转动地心坐标系下卫星在方位确定时刻的坐标(X_sm, Y_sm, Z_sm)； 步骤四确定方位时刻m卫星同场景中心的相对位置关系，获取方位角度I; 利用该时刻卫星和场景中心的在转动地心坐标系下的坐标，得到它们的相对位置关系,并以此获取相应的方位角度； 步骤五根据方位角度I的不同读取场景不同的后向散射特性利用步骤四获取的方位角度I以及预先提供的不同角度下的场景后向散射矩阵，获取该方位角度下场景的后向散射矩阵RCS(<pJ，进一步得到场景中每一个散射体Ty对应的后向散射系数 步骤六获取方位时刻m场景中每一个散射体Ti, j的天线方向图加权特性Wm(i，j)以及同有效载荷的斜距Sm_Tu ； 步骤七构造线性调频信号，并同后向散射特性及天线方向图加权特性进行调制，并根据斜距变化叠加多普勒效应； 构造出线性调频信号，并根据斜距的变化叠加多普勒效应，最后根据构造的线性调频信号和多普勒效应，得到场景中每一个散射体Τ。的回波信号； 步骤八将经过以上处理的方位时刻m的一帧回波信号写入数据文件中； 步骤九判断是否完成所有脉冲的仿真，如没有则返回第三步开始重复后续步骤，否则结束仿真。
2.根据权利要求I所述的一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤二具体包括以下几个步骤 (a)设置场景点阵TaXI；，以仿真中心时刻天线瞄准线在地球表面的焦点为场景中心点，其中，Ta为场景方位向点阵数目，I；为场景距离向点阵数目，并设定场景方位向点阵间隔1，距离向点阵间隔，场景坐标系以场景中心为原点，X轴沿南北方向，指北为正，Y轴沿东西方向，指东为正； (b)获取每一个散射体Ty在场景坐标系下的坐标;方法如公式(I)所示 = Da · (i-Ta/2)(I) y_ti;J = Dr · (j-Tr/2) 其中i表示场景点阵行，j表示场景点阵列；I = O, I, 2-, Ta-I, j = O, 1，2...，Tr-I ； (c)获取每一个散射体IVj的经度、纬度(Ay,CDi,」)；方法如公式(2)所示
3.根据权利要求I所述的一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤三具体包括以下几个步骤 Ca)获取方位时刻m的平均近心角M，偏心角E，真近心角Θ，卫星矢径r ;方法如公式(4)所示
4.根据权利要求I所述的一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤四具体包括以下几个步骤Ca)获取场景中心在转动地心坐标系下的坐标(X_tQ，Y_t0, Z_t0,);方法如公式(7)所示
5.根据权利要求I所述的一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤五具体包括以下几个步骤 (a)根据时刻m卫星同场景中心的方位向角度φ ，查表获得场景的后向散射矩阵^CS((Pj ； (b)在后向散射特性表中获得时刻m场景点阵中每一个散射体Tm对应的后向散射系数RCS(<pmJJh 表示方位向时刻m，卫星同点阵中第i行第j列点目标的方位向角度。
6.根据权利要求I所述的一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤六具体包括以下几个步骤Ca)获取时刻m场景点阵中每一个散射体Τ。同有效载荷的斜距Sm_TM ；方法如公式(10)所示
7.根据权利要求I所述的一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤七具体包括以下几个步骤(a)构造线性调频信号 (b)根据斜距变化叠加多普勒效应
全文摘要
本发明公开了一种基于稳态RCS的星载SAR高精度回波仿真方法，包括步骤一、通过仿真参数表获取星载SAR回波仿真参数；步骤二、确定每一个散射体Ti，j的坐标；步骤三、确定卫星在方位时刻m的坐标；步骤四、获取方位角度步骤五读取场景不同的后向散射特性步骤六获取方位时刻m场景中每一个散射体Ti，j的天线方向图加权特性Wm(i,j)以及同有效载荷的斜距Sm_Ti,j；步骤七构造线性调频信号，并同后向散射特性及天线方向图加权特性进行调制，并根据斜距变化叠加多普勒效应；步骤八将经过以上处理的方位时刻m的一帧回波信号写入数据文件中；步骤九判断是否完成所有脉冲的仿真。本发明具有很强的实用性，可以满足星载SAR高分辨率成像模式对高精度仿真信号的要求。
文档编号G01S13/90GK102879768SQ201210341978
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者陈杰, 杨威, 曾虹程, 张豪杰, 匡辉, 王凯 申请人:北京航空航天大学
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