一种多平台多模式SAR回波的统一仿真实现方法

摘要

本发明提供一种多平台多模式SAR回波的统一仿真实现方法，该方法为不同搭载平台和照射模式下的SAR回波仿真提供一种模块化编程统一仿真实现方法；该方法通过分析和提取不同平台和模式下SAR回波仿真的特点，按照功能将SAR回波仿真流程划分为功能程序段并将其进行模块化编程，形成具有不同作用的功能模块。最后基于系统性的思想，通过一个应用程序统一各功能模块的输入输出接口，构建统一的多平台多模式SAR回波仿真系统。该方法集成了SAR的四种典型平台上的三种模式的回波仿真，弥补了以前对不同平台和模式下SAR进行单独仿真的不足，同时增加了仿真程序的可靠性和可移植性。

主权项

1.一种多平台多模式SAR回波的统一仿真实现方法，其特征在于：该方法实施步骤如下：步骤1：选择SAR的搭载平台和工作模式，同时通过给参数flag_platform和flag_mode赋予不同的参数值来区别选定的平台和模式；步骤2：通过判断参数flag_platform和flag_mode的值，确定选中的平台和模式，调取对应的参数文件，输入相应参数后保存参数文件；步骤3：通过参数读取函数读取参数文件，并将参数值分别赋予相应变量；步骤4：通过判断flag_platform参数值，确定SAR的搭载平台，选择地球模型和坐标系框架；当flag_platform的值为1或2时，表示为弹载和机载平台，此时选择大地平面模型，坐标系框架适用大地坐标系；当flag_platform＝3时，表示为临近空间平台，此时选用地球椭球模型，坐标系框架选用不转动地心坐标系和轨迹平面坐标系；当flag_platform＝4时，表示为星载平台，此时选择地球椭球模型，坐标系框架选用转动地心坐标系、不转动地心坐标系和轨道坐标系；步骤5：通过判断flag_mode参数值，判断SAR的工作模式，选择波束控制规律：当flag_mode＝1时，SAR工作在条带式下；当flag_mode＝2时，SAR工作在聚束式下；当flag_mode＝3时，SAR工作在扫描式下；步骤6：根据确定的地球模型和坐标系框架以及波束控制规律，确定雷达与目标的空间位置关系，建立雷达与目标的空间几何关系图；步骤7：根据空间几何关系图，计算地球坐标系下中心时刻的天线相位中心位置；假定中心时刻为t₀，此刻天线相位中心的位置矢量为可以表示为为雷达飞行速度矢量；步骤8：计算在地球坐标系下中心时刻的瞄准点的位置(P_aim)；假定天线相位中心相对于卫星星体坐标系E_e的位置为(x_e，y_e，z_e)，首先计算不转动地心坐标系中t₀时刻的位置(x_os，y_os，z_os)，然后，建立天线坐标系中任一点(x_a，y_a，z_a)在转动的地心坐标系中的坐标；由于天线坐标系的Y轴与天线瞄准线重合，所以坐标系中瞄准点的坐标为(0，y，0)，将(0，y，0)引入地球模型的表达式(参看(7)、(8)式)，即可求得y的值；设y＝r，从而得到瞄准点的坐标P_aim(0，r，0)；瞄准点在转动的地心坐标系中的坐标为$\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{go}}\\ y_{\mathrm{go}}\\ z_{\mathrm{go}}\end{array}\right)=A_{\mathrm{go}}{A}_{\mathrm{ov}}{A}_{\mathrm{vr}}{A}_{\mathrm{re}}{A}_{\mathrm{ea}}\left(\begin{array}{c}0\\ r\\ 0\end{array}\right)+A_{\mathrm{go}}\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{os}}\\ y_{\mathrm{os}}\\ z_{\mathrm{os}}\end{array}\right)+A_{\mathrm{go}}{A}_{\mathrm{ov}}{A}_{\mathrm{vr}}{A}_{\mathrm{re}}\left(\begin{array}{c}{x}_e\\ y_e\\ z_e\end{array}\right);$其中对于星载平台和邻近空间平台还需要计算瞄准点的经纬度，其中瞄准点经度Λ为瞄准点纬度Φ为而对于机载和弹载平台则只需要地球平面坐标系下的坐标E_o；在球瞄准点过程中，需要转换坐标系，以星载平台为例：假设天线坐标系下的坐标为E_a，天线坐标系与卫星星体坐标系的转换矩阵为A_ea、卫星星体坐标系与卫星平台坐标系的转换矩阵为A_re、卫星平台坐标系与轨道平面坐标系的转换矩阵为A_vr，轨道平面坐标系与不转动地心坐标系的转换矩阵是A_ov，不转动地心坐标系与转动地心坐标系的转换矩阵是A_go，则地球坐标系下的坐标为E_g＝A_go A_ov A_vr A_re A_ea E_a；若是临近空间平台下，则不需考虑转动地心坐标系，其转换表达式为E_o＝A_ov A_vr A_re A_ea E_a；其中A_go，A_ov，A_vr，A_re，A_ea分别参见公式(10)，(12)，(15)，(17)和(19)；若是在机载或弹载平台下，只需考虑天线坐标系到轨道坐标系再到大地坐标系之间平面直角坐标系的转换，即平移变换、比例变换和旋转变换；步骤9：设置场景目标在地球坐标系中的位置；首先选择场景模式，场景模式可以选择点阵目标、面目标和三维目标，其中三维目标包括圆锥目标、半球目标和四棱锥目标，通过给参数flag_target赋予不同的参数值来区别；选定了场景后调取对应的参数文件，输入相应参数后保存参数文件；然后调用场景仿真模块生成场景数据，将场景中心设置于瞄准点处(P_aim)，假定场景的正东方向与雷达运动方向的夹角为α，其中该夹角α逆时针为正，则将场景坐标以z轴为中心顺时针转动α角，并记录下每个目标点的坐标，可表示为i＝0，1，2，...n，其中n为目标点总数，此坐标为地球坐标系下坐标；步骤10：计算每一个脉冲发射时刻雷达天线相位中心与地面目标的相对位置矢量；首先计算任一时刻(t)天线相位中心在地球坐标系中的位置假定t₀时刻天线相位中心的位置矢量为雷达运动距离矢量其中为雷达运动速度矢量，则t时刻可以表示为此时，地心坐标系中雷达天线与地面目标之间的相对位置矢量可以表示为其中i＝0，1，2，...n，t为每一脉冲时刻的时间；以星载平台为例，假设地球表面上的点S_t在转动的地心坐标系中的坐标为(x_gt，y_gt，z_gt)，则地球表面上的点S_t在天线坐标系中的坐标(x_at，y_at，z_at)可以由下式求出：$\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{at}}\\ y_{\mathrm{at}}\\ z_{\mathrm{at}}\end{array}\right)=A_{\mathrm{ae}}{A}_{\mathrm{er}}{A}_{\mathrm{rv}}{A}_{\mathrm{vo}}{A}_{\mathrm{og}}\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{gt}}\\ y_{\mathrm{gt}}\\ z_{\mathrm{gt}}\end{array}\right)-A_{\mathrm{ae}}{A}_{\mathrm{er}}{A}_{\mathrm{rv}}{A}_{\mathrm{vo}}\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{os}}\\ y_{\mathrm{os}}\\ z_{\mathrm{os}}\end{array}\right)-A_{\mathrm{ae}}\left(\begin{array}{c}{x}_e\\ y_e\\ z_e\end{array}\right);$在此过程中引入姿态误差和轨迹误差，其过程参照误差子块；其中姿态误差通过在偏航角θ_y、俯仰角θ_p和横滚角θ_r加入姿态误差Δθ_y、Δθ_p和Δθ_r引入，即θ_y′＝θ_y+Δθ_y，θ_p′＝θ_p+Δθ_p，θ_r′＝θ_r+Δθ_r；注入轨迹误差的方法同姿态误差，即注入轨迹后的误差表示为x_s′＝x_s+Δx_s，y_s′＝y_s+Δy_s，z_s′＝z_s+Δz_s，其中(x_s，y_s，z_s)为原轨迹坐标，(Δx_s，Δy_s，Δz_s)为轨迹误差；步骤11：计算天线相位中心与目标之间的视线距离R_t和视线夹角θ；视线距离和视线夹角分别为$R_t={(x_{\mathrm{at}}^2+y_{\mathrm{at}}^2+z_{\mathrm{at}}^2)}^{1/2}$和$\theta ={\sin }^{-1}{\left[\frac{x_{\mathrm{at}}^2+z_{\mathrm{at}}^2}{x_{\mathrm{at}}^2+y_{\mathrm{at}}^2+z_{\mathrm{at}}^2}\right]}^{1/2}$计算，其中方位向视线夹角可表示为${\theta }_a=\arctan \left(\frac{x_{\mathrm{at}}}{y_{\mathrm{at}}}\right),$距离向视线夹角为${\theta }_r=\arctan \left(\frac{z_{\mathrm{at}}}{y_{\mathrm{at}}}\right);$步骤12：生成回波；在得到了视线距离和视线夹角、天线方向图W_a(θ)、散射系数的条件下，即可通过下面的公式求得回波数据；$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{s}_0\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sigma (x^{\prime },y^{\prime })·W({\theta }_a,{\theta }_r)·\mathrm{rect}\left(\frac{t-\frac{2R(t,x^{\prime },y^{\prime })}{c}}{T_p}\right).$$\exp \left[\mathrm{j\pi b}{(t-\frac{2R(t,x^{\prime },y^{\prime })}{c})}^2\right]·\exp [-j\frac{4\pi }{\lambda }R(t,x^{\prime },y^{\prime })];$其中W(θ_a，θ_r)＝W_a(θ_a)·W_r(θ_r)，$W_a\left({\theta }_a\right)=\sin \left(\frac{{\theta }_a}{2\frac{\lambda }{D}}\right),$$W_r\left({\theta }_r\right)=\sin \left(\frac{{\theta }_r}{2\frac{\lambda }{D}}\right),$D为天线尺寸。