一种通用模式下星载SAR距离向模糊度的计算方法

摘要

本发明提出一种通用模式下星载SAR距离向模糊度的计算方法，属于信号处理领域，包括读入星载SAR系统的相关参数、获取斜视状态下距离向参数、进行距离向天线宽度展宽、获取模糊区数目、获取模糊区能量、求取第j个位置的距离向模糊度和绘制距离向模糊度随距离向位置的变化曲线。本发明获取距离向天线方向图和卫星平台与目标点的斜距时，采用地球球体模型，和实际情况更加逼近，结果更加准确和可靠。本发明在获取距离向模糊度时，充分考虑了大扫描角情况下的空间几何特性，结果具有更高的可靠性。对于系统设计中对扫描角的不同设计，本发明可得到不同的距离向模糊度的变化曲线，通过分析这些不同的变化曲线，可以对不同的扫描角进行比较和优化。

主权项

1.一种通用星载SAR模式下的距离向模糊度计算方法，其特征在于：包括以下几个步骤：步骤一：读入星载SAR系统的相关参数，包括轨道高度H，天线距离向尺寸L_r，雷达工作波长λ，平均地球半径R_e，光速c，脉冲重复频率PRF，天线中心视角θ_m，起始扫描角终止扫描角中间扫描角距离向测绘带宽度SW_r，距离向选取位置数目Fr；步骤二：获取斜视状态下距离向参数；；（1）建立坐标系，；坐标原点为地球球心；Z轴方向为由地球球心指向卫星；Y轴方向为以地球球心为起点，方向与卫星速度方向平行；X轴方向为以地球球心为起点，垂直于卫星航迹方向，使该坐标系构成右手直角坐标系；（2）、获取斜视状态下波束中心视角θ_m′；；其中θ_m为天线中心视角，为中间扫描角；（3）、获取斜视下测绘带中心点斜距R_m；$\frac{R_e+H}{\sin {{\beta }_m}^{\prime }}=\frac{R_e}{\sin {{\theta }_m}^{\prime }}---\left(2a\right)$γ_m′＝β_m′-θ_m′     (2b)$R_m=\sqrt{{(R_e+H)}^2+{R_e}^2-2R_e·(R_e+H)·\cos {{\gamma }_m}^{\prime }}---\left(2c\right)$其中，β_m′和γ_m′为观测带中心点的入射角和地心角，H为轨道高度，R_e为平均地球半径，θ_m′为斜视状态下波束中心视角；（4）、获取测绘带中心点B的坐标(x,y,z)；z＝R_e+H-R_m·cosθ_m′    (3b)$x=\sqrt{{R_e}^2-y^2-z^2}---\left(3c\right)$其中，R_m为斜视下测绘带中心点斜距，为中间扫描角，H为轨道高度，R_e为平均地球半径，θ_m′为斜视状态下波束中心视角，x、y和z分别为测绘带中心点B的X轴、Y轴和Z轴坐标；（5）、获取测绘带中心点B点所在距离向的小圆半径r和距离向离轴角α_B；$r=\sqrt{{R_e}^2-y^2}---\left(4a\right)$$\sin {\gamma }_B=\frac{x}{r}---\left(4b\right)$$\frac{\sqrt{r^2+{(R_e+H)}^2-2r·(R_e+H)·\cos {\gamma }_B}}{\sin {\gamma }_B}=\frac{r}{\sin {\alpha }_B}---\left(4c\right)$其中，γ_B为测绘带中心点B点所在小圆的圆心角，R_e为平均地球半径，(x,y,z)为测绘带中心点B的坐标，H为轨道高度，y为测绘带中心点B的Y轴坐标；步骤三：进行距离向天线宽度展宽；（1）、获取距离向3dB波束宽度θ_3dB；${\theta }_{3\mathrm{dB}}=\frac{0.886\lambda }{L_r}---\left(5\right)$其中λ为雷达工作波长，L_r为天线距离向尺寸；（2）、获取斜视下，距离向波束宽度α_r；${\gamma }_1=\frac{\mathrm{SW}\_r}{2r}---\left(6a\right)$$R_{\max }=\sqrt{r^2+{(R_e+H)}^2-2r·(R_e+H)·\cos ({\gamma }_B+{\gamma }_1)+y^2}---\left(6b\right)$$\sin {\alpha }_{\max }=\frac{r·\sin ({\gamma }_B+{\gamma }_1)}{\sqrt{r^2+{(R_e+H)}^2-2r·(R_e+H)·\cos ({\gamma }_B+{\gamma }_1)}}---\left(6c\right)$$R_{\min }=\sqrt{r^2+{(R_e+H)}^2-2r·(R_e+H)·\cos ({\gamma }_B-{\gamma }_1)+y^2}---\left(6d\right)$$\sin {\alpha }_{\min }=\frac{r·\sin ({\gamma }_B+{\gamma }_1)}{\sqrt{r^2+{(R_e+H)}^2-2r·(R_e+H)·\cos ({\gamma }_B-{\gamma }_1)}}---\left(6e\right)$α_r＝α_max-α_min     (6f)其中，γ₁为半测绘带宽度在小圆内对应的圆心角，R_max和R_min分别为测绘带与卫星平台的最大斜距和最小斜距，α_max和α_min分别为测绘带在小圆平面内对应的距离向最大离轴角和最小离轴角，SW_r为距离向测绘带宽度，r为测绘带中心点B点所在距离向的小圆半径，R_e为平均地球半径，H为轨道高度，γ_B为测绘带中心点B点所在小圆的圆心角，y为测绘带中心点B的Y轴坐标；（3）、比较距离向波束宽度α_r和距离向3dB波束宽度θ_3dB的大小，判断是否需要展宽距离向天线宽度L_r，若距离向波束宽度α_r大于距离向3dB波束宽度θ_3dB，则进行展宽，展宽后的距离向天线宽度记为L_t：$L_t=\frac{0.886\lambda }{{\alpha }_r+0.001}---\left(7\right)$若距离向波束宽度α_r小于距离向3dB波束宽度θ_3dB，则不进行展宽，L_t=L_r；步骤四：获取模糊区数目Nr；$R_{a\max }=\sqrt{{(R_e+H)}^2-{R_e}^2}---\left(8a\right)$$R_{a\min }=\sqrt{y^2+{(R_e+H-r)}^2}---\left(8b\right)$$S_{\min }=-[\frac{2(R_{\min }-R_{a\min })}{c}·\mathrm{PRE}]---\left(8c\right)$$S_{\max }=-[\frac{2(R_{\max }-R_{a\max })}{c}·\mathrm{PRE}]---\left(8d\right)$Nr＝S_max-S_min        (8e)其中，R_a max和R_a min分别为模糊区最远斜距和最近斜距，S_max和S_min分别为模糊区最大序号和最小序号，[x]表示取不大于x的最大整数，R_e为平均地球半径，H为轨道高度，r为测绘带中心点B点所在距离向的小圆半径，c为光速，PRF为脉冲重复频率，y为测绘带中心点B的Y轴坐标；步骤五：获取模糊区能量Ea；（1）、在测绘带距离向上均匀选取Fr个位置；Fr为距离向选取位置数目；（2）、求取测绘带距离向上第j个位置与卫星平台的斜距R_j；$\mathrm{\Delta \gamma }=\frac{\mathrm{SW}\_r}{r·\mathrm{Fr}}---\left(9b\right)$$R_j=\sqrt{{(\sin ({\gamma }_B-{\gamma }_1)+j·\mathrm{\Delta \gamma })}^2·r^2+y^2+{((\cos ({\gamma }_B-{\gamma }_1)+j·\mathrm{\Delta \gamma })·r-(R_e+H))}^2}---\left(9d\right)$其中，Δγ为圆心角歩距，SW_r为距离向测绘带宽度，r为测绘带中心点B点所在距离向的小圆半径，Fr为距离向选取位置数目，r为测绘带中心点B点所在距离向的小圆半径，c，R_e为平均地球半径，H为轨道高度，γ₁为半测绘带宽度在小圆内对应的圆心角，γ_B为测绘带中心点B点所在小圆的圆心角，y为测绘带中心点B的Y轴坐标；（3）、求取第S_i模糊区里第j个位置与卫星平台的斜距和离轴角α_ij；$R_{a_{\mathrm{ij}}}=R_j+\frac{S_i·c}{2·\mathrm{PRE}}---\left(10a\right)$$\cos {\gamma }_{\mathrm{ij}}=\frac{r^2+{(R_e+H)}^2+y^2-{R_{\mathrm{aij}}}^2}{2r·(R_e+H)}---\left(10b\right)$$\frac{r}{\sin {\alpha }_{\mathrm{ij}}}=\sqrt{\frac{r^2+{(R_e+H)}^2+y^2-{R_{\mathrm{aij}}}^2}{\sin {\gamma }_{\mathrm{ij}}}}---\left(10c\right)$其中，γ_ij为所对应的圆心角，S_i为模糊区序号，PRF为脉冲重复频率，c为光速，R_j为测绘带距离向上第j个位置与卫星平台的斜距，r为测绘带中心点B点所在距离向的小圆半径，R_e为平均地球半径，H为轨道高度，y为测绘带中心点B的Y轴坐标；（4）、求取第S_i模糊区里第j个位置的距离向天线方向图Wr_ij；${\mathrm{Wr}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\sin }^2(\pi ·L_t·(\sin {\alpha }_{\mathrm{ij}}-\sin {\alpha }_B)/\lambda )}{{(\pi ·L_t·(\sin {\alpha }_{\mathrm{ij}}-\sin {\alpha }_B)/\lambda )}^2}---\left(11\right)$其中α_ij为离轴角，λ为雷达工作波长，L_t为展宽后的距离向天线宽度，α_B为距离向离轴角；（5）、求取第S_i模糊区里第j个位置返回的能量E_ij；$\cos (\pi -{{\beta }_{\mathrm{ij}}}^{\prime })=\frac{{R_{a_{\mathrm{ij}}}}^2+{R_e}^2-{(R_e+H)}^2}{2R_e·R_{a_{\mathrm{ij}}}}---\left(12a\right)$$E_{\mathrm{ij}}=\frac{{{\mathrm{Wr}}_{\mathrm{ij}}}^2·{\sigma }_0}{\sin {{\beta }_{\mathrm{ij}}}^{\prime }·{R_{\mathrm{aij}}}^3}---\left(12b\right)$其中，β_ij′为入射角序列，σ₀表示地面后向散射系数，R_e为平均地球半径，H为轨道高度，表示第S_i模糊区里第j个位置与卫星平台的斜距；（6）、重复步骤（2）到（5），计算出所有位置返回的能量；（7）、求取第j个位置返回的总能量E_allj和模糊区能量Ea_j；$E_{\mathrm{allj}}=\underset{i}{\Sigma }{E}_{\mathrm{ij}}---\left(13a\right)$${\mathrm{Ea}}_j=E_{\mathrm{allj}}-E_{\left(\right|S_{\min }|+1)j}---\left(13b\right)$其中s_min为模糊区最小序号，E_ij为第S_i模糊区里第j个位置返回的能量，为i＝|s_min|+1时第S_i模糊区里第j个位置返回的能量；步骤六：求取第j个位置的距离向模糊度RASR_j;${\mathrm{RASR}}_j=10·\log 10\left(\frac{E{a}_j}{E_{\left(\right|S_{\min }|+1)j}}\right)---\left(14\right)$其中Ea_j为模糊区能量，s_min为模糊区最小序号；步骤七：绘制距离向模糊度随距离向位置的变化曲线。