一种变参数聚束SAR的回波仿真方法

摘要

本发明公开了一种变参数聚束SAR的回波仿真方法，包括步骤一、输入雷达系统基本参数、SAR的空间几何参数，定义仿真所用的坐标系。步骤二、获取仿真过程中的雷达系统参数与SAR空间几何参数。步骤三、获取规划的航迹坐标矩阵与实际的航迹矩阵，计算规划航迹上各采样点对场景中心的入射角、各采样点相对于合成孔径中心时刻在步骤一设定的坐标系中XOY平面内的偏角。步骤四、确定变参数体制下的雷达平台参数的变化规律。步骤五、逐脉冲确定沿航迹采样位置的变参数聚束SAR的滑动接收窗的开启时刻与结束时刻，逐脉冲确定SAR接收机对场景内各散射点回波的起始距离门与结束距离门。步骤六、逐散射点、逐脉冲生成仿真回波数据。

主权项

一种变参数聚束SAR的回波仿真方法，包括以下几个步骤：步骤一、输入雷达系统基本参数、SAR的空间几何参数，定义仿真所用的坐标系；输入雷达系统基本参数：雷达发射的线性调频信号的参考载频fc0，参考脉冲宽度Tp0，接收机A/D采样的过采样因子γ，线性调频信号简称LFM；输入SAR的空间几何参数：仿真过程SAR平台沿直线的飞行速率为V，飞行高度为H；仿真中定义视线方向的极坐标系El如下：坐标原点：场景中心；X轴：在以场景中心形成的地球切面内，与Y轴、Z轴构成右手坐标系；Y轴：在以场景中心形成的地球切面内，沿合成孔径中心时刻斜距在该平面内的投影指向SAR传感器；Z轴：过场景中心点，垂直于以场景中心形成的地球切面并背离地心方向；设SAR飞行方向与Y轴夹角为φ，设定场景散射点在El坐标系中坐标矩阵为Ps，场景中心点坐标为(0，0，0)，合成孔径中心时刻t0时SAR平台在El坐标系中坐标为（0，yp0，zp0）；其中zp0=H，距离场景中心最远的散射点距离场景中心点的距离为D，设要求的SAR图像方位向分辨率为ρa，距离向地距分辨率为ρr；步骤二、获取仿真过程中的雷达系统参数与SAR空间几何参数；根据步骤一中输入参数，由式(1)计算t0时刻的场景中心的入射角β0，由式(2)计算LFM信号的参考带宽B0，由式(3)计算参考调频率Kr0，由式(4)计算参考采样频率Fs0，由式(5)计算合成孔径时间内地面的积累转角Δθ，由式(6)计算方位向采样点数Na，由式(7)计算距离向采样点数Nr，c表示光速； β 0 = arcsin y p 0 2 y p 0 2 + H 2 - - - ( 1 ) B 0 = c 2 ρ r sin β 0 - - - ( 2 ) K r 0 = B 0 T p 0 - - - ( 3 ) F s 0 = 6 γD K r 0 c - - - ( 4 ) Δθ = 2 tan c 4 f c 0 ρ a sin β 0 - - - ( 5 ) N a = 2 as , as = nextpow 2 ( 3 D ρ a ) - - - ( 6 ) N r = 2 rs , rs = nextpow 2 ( T p 0 F s 0 + 12 D F s 0 sin β 0 c ) - - - ( 7 ) 式（6）和式（7）中的函数nextpow2(·)是定义为返回值等于大于自变量的最小的2的整数次幂对应的整数的函数；步骤三、获取规划的航迹坐标矩阵与实际的航迹矩阵，计算规划航迹上各采样点对场景中心的入射角、各采样点相对于合成孔径中心时刻在步骤一设定坐标系中XOY平面内的偏角；依据变参数原则，由式(8)计算第i个采样点的SAR航迹坐标在El坐标系XOY平面内与Y轴应呈现的偏角Δεi，即方位偏角如下： Δ ϵ i = arctan 2 tan Δθ 2 N a i , i = - N a 2 , . . . N a 2 - - - ( 8 ) 设在El坐标系中，沿规划航迹第i个采样点的坐标为（xpi，ypi，zpi），沿实际航迹第i个采样点的坐标为（xpei，ypei，zpei），依据方位偏角序列Δεi，按照式（9）计算得到xpi、ypi和zpi的取值序列： x pi = sin φ tan Δ ϵ i sin ( φ + Δ ϵ i ) y p 0 y pi = sin φ cot Δ ϵ i sin ( φ + Δ ϵ i ) y p 0 z pi = H - - - ( 9 ) 按照式（10）计算得到xpei、ypei和zpei的取值序列： x pei = x pi + Δ x pi y pei = y pi + Δ y pi z pei = z pi + Δ z pi - - - ( 10 ) 其中Δxpi、Δypi、Δzpi为实际航迹相对规划航迹在El坐标系中分别沿X轴、Y轴和Z轴方向产生的扰动，设规划航迹坐标矩阵为P0，实际航迹坐标矩阵为Pr，则P0与Pr分别按式（11）和式（12）所示构成： P 0 = x p ( - N a / 2 ) y p ( - N a / 2 ) z p ( - N a / 2 ) . . . . . . . . . x pi y pi z pi . . . . . . . . . x p ( N a / 2 ) y p ( N a / 2 ) z p ( N a / 2 ) - - - ( 11 ) P r = x pe ( - N a / 2 ) y pe ( - N a / 2 ) z pe ( - N a / 2 ) . . . . . . . . . x pei y pei z pei . . . . . . . . . x pe ( N a / 2 ) y pe ( N a / 2 ) z pe ( N a / 2 ) - - - ( 12 ) 设Rri与Rei分别为规划航迹与实际航迹中第i个采样点与场景中心的斜距，其值可分别由式（13）和式（14）计算得到： R ri = x pi 2 + y pi 2 + z pi 2 - - - ( 13 ) R ei = x pei 2 + y pei 2 + z pei 2 - - - ( 14 ) 由式(15)计算规划航迹上各点对场景中心的入射角βi； β i = arccos H R ri - - - ( 15 ) 步骤四、确定变参数体制下的雷达平台参数的变化规律；设在合成孔径时间内恒定数值参数为参考参数，分别为：参考载频fc0、参考调频率Kr0、参考脉冲宽度Tp0和参考采样频率Fs0，设随雷达采样位置变化的参数为雷达平台时变调整参数，分别为：时变载频fci，时变调频率Kri，时变脉冲宽度Tpi和时变采样频率Fsi，下标i表示第i个方位向采样位置；恒定数值的参考参数为雷达平台的时变调整参数提供变化的基准；由式(16)或式(17)沿航迹逐采样点计算时变雷达参数fci，Kri，Tpi和Fsi； f ci = f c 0 sin β 0 sin β i cos Δ ϵ i K ri = K r 0 sin β 0 sin β i cos Δ ϵ i T pi = T p 0 F si = F s 0 , ( i = - N a 2 , . . . , N a 2 ) - - - ( 16 ) f ci = f c 0 sin β 0 sin β i cos Δ ϵ i T pi = T p 0 sin β 0 sin β i cos Δ ϵ i F si = F s 0 sin β i cos Δϵ i sin β 0 K ri = K r 0 , ( i = - N a 2 , . . . , N a 2 ) - - - ( 17 ) 步骤五、逐脉冲确定沿航迹采样位置的变参数聚束SAR的滑动接收窗的开启时刻与结束时刻，逐脉冲确定SAR接收机对场景内各散射点回波的起始距离门与结束距离门；设滑动接收窗中，第i个脉冲的发射时刻为ti，第i个脉冲的接收窗的开启时刻toi与结束时刻tei应按照规划航迹进行控制；以雷达与场景中心的斜距作为接收窗的滑动量，由式(18)计算得到第i个脉冲的接收窗开启时刻toi，由式(19)计算得到第i个脉冲的接收窗结束时刻tei； t oi = t i + 2 R ri c - N r 2 F s 0 - - - ( 18 ) t ei = t i + 2 R ri c - N r 2 F s 0 - - - ( 19 ) 在滑窗接收体制下，设沿实际航迹第i个采样位置与第k个散射点间距离为Reki；由式(20)计算得到在第i个沿航迹采样位置接收的第k个散射点回波的起始距离门序号为goki，由式(21)计算得到在第i个沿航迹采样位置接收的第k个散射点回波的结束距离门序号为geki； g oki = floor ( c 2 F s ( R eki - R ri - c T p 4 ) + N r 2 ) - - - ( 20 ) g eki = ceil ( c 2 F s ( R eki - R ri - c T p 4 ) + N r 2 ) - - - ( 21 ) 其中函数floor(·)表示向低位取整，函数ceil(·)表示向高位取整；步骤六、逐脉冲、逐散射点生成仿真回波数据；发射机发射的信号St由式(22)表示： S t ( τ , t i ) = rect ( τ T pi ) exp { j 2 π ( f ci t + 1 2 K ri τ 2 ) } - - - ( 22 ) 其中：t表示时间，τ＝t－ti表示以ti为起点的时间，称为快时间；函数rect(·)定义式由式(23)表示 rect ( x ) = 1 | x | ≤ 0.5 0 | x | > 0.5 - - - ( 23 ) 经第k个点目标反射，第i个沿实际航迹采样位置的接收信号Sr由式(24)表示 S r ( τ , t i ) = rect ( g oki + g eki 2 ) rect ( t - t 0 T syn ) exp { j 2 π [ f ci ( t - 2 R eki c ) + 1 2 K ri ( τ - 2 R eki c ) 2 ] } - - - ( 24 ) 其中：Tsyn表示合成孔径时间；重复步骤四到步骤六，直至完成对所有沿航迹采样位置、所有场景散射点的回波信号生成操作后，得到场景的回波仿真信号。