[發明專利]一種合成孔徑雷達衛星的自適應波位設計方法和系統

無效

• 申請號: 201110327821.2
• 申請日: 2011-10-25
• 公開（公告）號: CN102393514A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 王志乾;于澤;李春升
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G01S13/90
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文利

1.一種合成孔徑雷達衛星的自適應波位設計方法，其特征在于，包括以下幾個步驟：

步驟一：獲取衛星軌道高度和星下點矢徑；

首先獲取t時刻衛星的平均近心角M，然后獲取真近心角θ和極半徑r，最后得到星下點對應的地心矢徑長度R_e和衛星軌道高度H，確定星地幾何關系；

步驟二：確定波位參數的選擇范圍；

波位參數的選擇范圍包括星載SAR最大視角α^max、星載SAR最小視角α^min、星載SAR最大脈沖重復頻率f_prf^max、星載SAR最小脈沖重復頻率f_prf^min；其中星載SAR最大視角、星載SAR最小視角通過用戶確定；

星載SAR最大脈沖重復頻率、星載SAR最小脈沖重復頻率通過方位向處理器帶寬確定，星載SAR最小脈沖重復頻率為方位向處理器帶寬的1.1倍，星載SAR最大脈沖重復頻率為方位向處理器帶寬的1.5倍；

步驟三：確定波位的空間限制條件；

波位的空間限制條件即為斑馬圖，斑馬圖由星下點回波和發射脈沖遮擋的限制條件確定；

星下點回波的限制條件為：

2Rnc>2Hc+ifprf+2τpi=0,±1,±2,......2Rfc<2Hc+i+1fprf-τpi=0,±1,±2,......---(9)]]>

其中：i表示星下點回波的序號，H表示衛星軌道高度，c表示光速，f_prf表示脈沖重復頻率，τ_p表示發射信號的脈沖寬度，由用戶確定，R_n為近距斜距；R_f為遠距斜距；式(9)保證了觀測帶回波不與星下點的回波混疊；

發射脈沖遮擋的限制條件為：

2Rnc>jfprf+τp+τRPj=0,±1,±2,......2Rfc<j+1fprf-τRP-τpj=0,±1,±2,......---(10)]]>

其中，j表示發射脈沖的序號，τ_RP表示接收機保護窗時間，一般取脈沖寬度的一半；式(10)保證了觀測帶回波不進入發射脈沖保護窗；

斑馬圖的橫軸為脈沖重復頻率，范圍通過步驟二確定，星載SAR脈沖重復頻率的采樣間隔為1Hz，按照采樣間隔確定脈沖重復頻率的數組[f_prf^min＝f₁，f₂，…，f_K＝f_prf^max]；斑馬圖的縱軸為天線視角α，是四簇隨重頻變化的曲線，記作[α_nⁱ(f)，α_fⁱ(f)，α_n^j(f)，α_f^j(f)]，視角對應的遠、近斜距由式(9)和式(10)取等號求得，斜距R到視角α的轉換關系如下：

α＝arccos[(R²+(R_e+H)²-R_e²)/(2·R·(R_e+H))]????????????(11)

選擇合適的i、j的方法是，對于每個f_k(k＝1，…，K)：

1)保證遠端視角α_f能夠達到最大視角，近端視角α_n能夠達到最小視角；

2)斜距R滿足H<R<H2+2·H·Re;]]>

同時還應將視角限制在步驟二所確定的范圍內，即：

α>αmax→α=αmaxα<αmin→α=αmin---(12)]]>

步驟四：設計波位參數集；

波位參數包括近距點視角α_n、遠距點視角α_f、脈沖重復頻率f_prf、回波延遲時間DWP、回波數據窗寬度τ_w；

近距點視角、遠距點視角的設計方法是：設定一個中心視角α₀，其對應的中心波位的地距R_g0為：

R_g0＝R_e·{arcsin[sinα₀·(R_e+H)/R_e]-α₀}???????????(13)

相應的中心波位的近距點、遠距點的地距分別為：

Rgn0=Rg0-W/2Rgf0=Rg0+W/2---(14)]]>

得到中心波位的近距點地距和遠距點地距后，按照重疊率向上、向下擴展近距、遠距地距直到超出步驟二確定的視角可選范圍，得到中心波位向下擴展的個數l_down和中心波位向上擴展的個數l_up：

ldown=int[Rgn0-RgminW·(1-γ)]]]>lup=int[Rgmax-Rgf0W·(1-γ)]---(15)]]>

式中，R_g^min、R_g^max表示最大視角α^max、最小視角α^min所對應的最大、最小地距，由式(13)得到，int[·]表示取整操作；則近距點、遠距點地距為

Rgni=Rgn0+l·W·(1-γ)Rgfi=Rgn0+l·W·(1-γ)l=-ldown,...,0,...,lup---(16)]]>

地距到斜距的轉化關系為：

R=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos(R/Re)---(17)]]>

結合式(17)、式(11)得到地距對應的近距視角和遠距視角，且視角可選個數為M＝l_down+l_up+1；

脈沖重復頻率的設計方法是：選定一個重頻選擇間隔Δf_prf，根據步驟二確定的脈沖重復頻率選擇范圍，得到脈沖重復頻率序列[f_prf^min，f_prf^min+Δf_prf，…，f_prf^max]，脈沖重復頻率的可選個數為N＝int[(f_prf^max-f_prf^min)/Δf_prf]+1；為了方便在斑馬圖上顯示，相鄰視角的波位不發生重疊，在生成波位時，對式(16)中l為偶數時，脈沖重復頻率加上int[Δf_prf/2]；

綜上，生成波位參數共M×N個，若某個波位的近距點視角為α_n、遠距點視角為α_f，則近距斜距和遠距斜距分別為：

Rn=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos{arcsin[sinαn·(Re+H)/Re]-αn}]]>

(18)

Rf=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos{arcsin[sinαf·(Re+H)/Re]-αf}]]>

回波延遲時間DWP、回波數據窗寬度τ_w為：

DWP＝2R_n/c??????????????(19)

τ_w＝2(R_f-R_n)/c+τ_p????(20)

步驟五：基于斑馬圖的波位參數一次篩選；

對步驟四生成的每個波位[α_n，α_f，f_prf，DWP，τ_w]進行判斷，具體的判斷方法為：

1)根據式(18)計算α_n、α_f對應的遠近斜距R_f、R_n；

2)計算最大、最小視角對應的斜距R^max、R^min，從而確定檢索的起止i、j值

imin=int[2(Rmin-Hc-τp)·fprf]imax=int[2(Rmax-Hc+τp2)·fprf]+1---(21)]]>

jmin=int[(2Rminc-1.5·τp)·fprf]jmax=int[(2Rmaxc+1.5·τp)·fprf]+1---(22)]]>

3)從i_min到i_max依次驗證R_n、R_f是否滿足式(9)，從j_min到j_max依次驗證R_n、R_f是否滿足式(10)，若都滿足則保留波位，否則刪除；

全部判斷完成后，綜合保留的波位得到經斑馬圖篩選的波位參數集；

步驟六：基于SAR性能指標的波位參數二次篩選；

對步驟五輸出的每個波位參數進行基于SAR性能指標的二次篩選，具體為：

a)方位模糊度的計算方法是：

AASR=Σm=-∞m≠0∞∫-B2B2Ga2(f-fde+mfprf)df∫-B2B2Ga2(f-fde)df---(23)]]>

式中，B為方位向多普勒帶寬，等于步驟二中的處理器帶寬B_p，f為多普勒頻率，f_de為等效多普勒中心頻率估計偏差，m為方位模糊區序號；G_a(f)為天線方位向雙程增益函數，表示為

Ga(f)=sin2[π2·DaV·f][π2·DaV·f]2---(24)]]>

式中，V是星地等效速度，D_a是方位向天線尺寸；

b)距離模糊度的計算方法是：

RASR=Σn≠0∫SWP+nfprfDWP+τw+nfprfG2(τ)σ0(τ)/[R3(τ)sin(θi(τ))]dτ∫DWPDWP+τwG2(τ)σ0(τ)/[R3(τ)sin(θi(τ))dτ---(25)]]>

式中，DWP表示回波延遲時間，τ_w為回波數據窗寬度，n為模糊區序號，τ為回波延遲時間，R(τ)＝τ·c/2為斜距，σ⁰(τ)為地面目標后向散射系數；θ_i(τ)表示入射角，由下式得出：

θ_i(τ)＝π-arccos[(R(τ)²+R_e²-(R_e+H)²)/(2·R(τ)·R_e)]???????(26)

G(τ)為距離向天線雙程增益函數，表示為：

G(τ)=sin2[πDrλ·sin(α(τ)-αn+αf2)][πDrλ·sin(α(τ)-αn+αf2)]2---(27)]]>

式中，λ為工作波長，D_r是距離向天線尺寸，α(τ)為R(τ)對應的視角，由式(11)得出；

c)等效噪聲系數的計算方法為：

NEσ0=(4π)2·Rm4·k·T0·F·LPpeak·τp·fprf·(kg·G)2·λ2·kr·ka·Ts·ρr·ρa---(28)]]>

其中，P_peak為雷達峰值發射功率，τ_p為發射信號的脈沖寬度，k_g為天線效率，G為天線功率增益，λ為雷達系統波長，k_r為小于1的距離壓縮增益系數，k_a為小于1的方位壓縮增益系數，T_s為合成孔徑時間，ρ_r為距離向地距分辨率，ρ_a為方位向分辨率，R_m為中心視角對應的斜距，k為玻耳茲曼常數，T₀為系統工作溫度，F為系統噪聲系數，L為損耗因子；以上各個變量中，P_peak、τ_p、k_g、λ、ρ_r、ρ_a、T₀、F、L為初始系統參數；

天線增益G由下式所得：

G=4πDrDaλ2---(29)]]>

合成孔徑時間由方位向分辨率得到：

Ts=0.886·Vgρa·λR2V2---(30)]]>

中心斜距R_m是：

Rm=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos{arcsin[sinαn+αf2·(Re+H)/Re]-αn+αf2}---(31)]]>

d)數據率的計算方法為：

S_r＝2·N_b·f_s·T_e·F_prf????????????(32)

其中，N_b表示量化位數，T_e為回波信號的時間寬度；

對步驟五輸出的每個波位參數，使用步驟a)至d)的方法，計算得到各自的方位模糊度AASR_k、距離模糊度RASR_k、等效噪聲系數NEσ⁰_k、回波數據率S_rk，并與用戶提出的性能指標要求比較，當全部的指標均小于用戶要求時，保留波位，否則，刪除，輸出的波位參數集記作BP⁰；

若BP⁰共包括L個波位，將波位按照視角從低到高、重頻從小到大的順序標記序號為1，2，…，L；

步驟七：大視角波位參數修正；

定義兩個用于觀測帶寬修正的參數：修正率η(修正后的觀測帶寬與原觀測帶寬的比值)、最小觀測帶寬W_min；

對波位參數集，其中BP^k表示第k步迭代中由步驟六輸出的未經修正的波位參數集，BP_k表示第k步迭代中經修正得到的波位參數集；因此，步驟六得到的BP⁰即為迭代起始的波位參數集；

首先確定一個高低波位分界視角α_H；對BP⁰進行檢索，當某波位遠距視角大于α_H，且近距視角小于α_H時，停止檢索，并記錄該波位的序號m，對BP⁰的判斷將從第m個波位開始；修正是一個迭代過程，起始迭代數k＝0，具體過程如下：

1)判斷當前波位參數集是否需要進行修正；

對BP^k進行判斷，若k＝0，則從BP⁰的第m個波位開始判斷，若k不等于0，則從BP^k的第一個波位開始判斷，當第l個波位出現下列兩種情況之一時：

A.該波位的遠距視角小于下一個波位的近端視角時，即出現了波位不重疊的情況；

B.該波位是BP^k的最后一個波位，其遠端地距與斑馬圖最大地距相差大于W(1-γ)；

停止判斷，并記錄該波位的中心視角α_m^l＝(α_n^l+α_f^l)/2，即為需要修正的起始視角，刪除第1個之后的波位，保留的波位參數集記作BP_k；

若兩種情況均不出現，說明不需要修正，結束迭代，將當前的波位參數集也記為BP_k；

2)修正觀測帶寬，并確保其不小于最小觀測帶寬要求，即：

W＝W·η≥W_min????(33)

若修正后的觀測帶寬不小于最小觀測帶寬，增加迭代數：k＝k+1。否則，結束迭代，轉到步驟5)；

3)重新確定波位選擇范圍及中心視角；

最大視角仍選用步驟二的最大視角；最小視角的選取需要保證波位間的重疊度，取α_m^l；中心視角取為以α_m^l為近距視角、以修正后的W為觀測帶寬的中心視角，具體方法是：

計算α_m^l對應的地距

R_gn^l＝R_e·{arcsin[sinα_m^l·(R_e+H)/R_e]-α_m^l}?????????????(34)

則中心視角對應的斜距為

R0=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos((Rgnl+W/2)/Re)---(35)]]>

中心視角得到

α₀＝arccos[(R₀²+(R_e+H)²-R_e²)/(2·R₀·(R_e+H))]??????????(36)

4)使用新的最大、最小視角、中心視角和修正后的觀測帶寬重復步驟四到步驟六，輸出的波位參數集記作BP^k，轉到1)；

5)當完成迭代后，將全部波位參數集合并即為最終輸出的優化波位參數集；即：BP＝∪BP_k。