[發明專利]基于DBF-TOPS加權的星載Ka InSAR波束形成方法

有效

• 申請號: 201710904477.6
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107607950B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 王輝
• 申請（專利權）人: 王輝
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 余岢

本發明提供基于DBF?TOPS加權的星載Ka InSAR波束形成方法，包括：步驟一、建立雷達在一個Burst數據塊內獲得的基帶回波數據表示式；步驟二、建立加權系數ω_n(τ)表達式；步驟三、計算形成波束；步驟四、對步驟三的公式進行傅里葉變換；步驟五、計算頻域加權系數；步驟六、計算加權后的信號頻域表達式。

技術領域

本發明涉及星載SAR通信技術，特別涉及基于DBF-TOPS加權的星載Ka InSAR波束形成方法。

背景技術

Ka波段SAR具有波長短、穿透性弱、反射強的特點，因此獲取的SAR圖像紋理及目標細微特征更加清晰；但是其穿透性弱的特點對陸地地表測繪是不利因素。由于海面沒有遮擋，且Ka波段反射性強，因此Ka波段InSAR在海面高度測量中優勢明顯。與傳統高度計(如Skylab、Seasat-A、ERS-1/2、Jason-1、TOPEX等)所采用的Ku波段相比，Ka波段電離層衰減延遲低，基本上可以忽略。國外的Saral/AltiKa高度計首次采用Ka波段，但受限于其底視工作模式，觀測幅寬非常窄，通常只有公里量級，而采用Ka InSAR系統，可以很好地解決測繪帶寬有限的問題。此外，由于波長短，在同樣的測高精度要求下，Ka波段干涉SAR與低頻采用Ka波段的雷達高度計如段干涉SAR相比所需要的干涉測高基線更短，利于單星實現。因此，Ka波段InSAR已成為目前國際上海面高程測量的一個重要發展方向。

但是，傳統的星載條帶Ka InSAR幅寬為幾十公里量級，如果要實現幾百公里的測繪帶寬，需要研究新體制Ka波段星載InSAR系統。標準的掃描(SCAN)模式通過周期性地轉換天線俯仰波束的方式實現寬測繪帶成像，但是具有分辨率低以及存在扇貝效應(scalloping)的缺點，而且由于目標在方位向不能被完整的天線方向圖覆蓋，如果進行干涉處理將引入額外的相位誤差，無法實現高精度的干涉測高。而TOPS(TerrainObservation by Progressive Scans)工作模式采用了Burst工作體制，可以實現SCAN模式的分辨率和寬測繪帶能力，TOPS的概念最早由Zan等提出，其與SCAN模式最大的區別是波束在方位向上做從后到前的均勻轉動，天線指向的這種改變可以克服scalloping問題，目標在方位向能夠遍歷完整的天線方向圖，避免天線方位圖引入的干涉相位誤差。目前TOPS模式已應用于歐洲空間局(ESA)新一代星載SAR系統Sentinel-1中的寬幅干涉模式中。

相同幅寬Ka波段相比于低頻頻段，SAR天線更窄、增益更小。為了解決這一矛盾，可以利用高程向多個子孔徑同時接收，但這又帶來星載SAR系統數據量超大的問題。近幾年來，一種在接收端結合數字波束形成(DBF)的SAR工作體制——DBF-SAR，可以很好地解決這一問題。它能有效地突破最小天線面積限制，獲得更低的模糊電平、更高的信噪比和更好的輻射分辨率，減輕了測繪帶寬和空間分辨率之間的平衡，同時極大降低系統數據率，進而緩和SAR系統設計的限制。SCORE(Scan-on-Receive)算法是一種基于調整高度向波束模式的方法，即寬測繪帶通過使用小的發射天線獲得，而在接收端采用了多通道接收天線并利用DBF技術獲得一個高增益筆狀波束。其顯著優點是減小了星上數據下傳量，避免了高分辨率和寬測繪帶成像帶來的大數據量和多通道獲取引入的冗余信息，從而降低了對數據下傳率的要求。

美國在研的SWOT(Surface Water Ocean Topography)計劃，由于接收天線只有單個孔徑，因此，其單側觀測刈幅只有60公里。本專利采用基于DBF TOPS的InSAR系統，TOPS掃描拼接子測繪帶，DBF-SCORE提高接收天線增益，在獲得同等測高精度的前提下可以將測繪帶寬提高三倍。

但是，在進行數字波束合成的過程中，由于高程向各子通道均工作在TOPS模式，即在每一組Burst內，距離向各個子接收通道對應的波束指向由后向前變化，使得回波視角不斷變化，因此在進行DBF加權時需要考慮波束指向變化對DBF加權合成的影響，現有的基于條帶模式的DBF加權算法不再適用。

發明內容