机载双基地SAR的波束追赶空间同步方法

摘要

本发明公开了一种机载双基地SAR的波束追赶空间同步方法，具体通过追赶雷达发射天线波束的方式，精确的计算出接收站天线波束对准发射站天线波束所覆盖区域时的天线波束方位角或天线波束俯仰角，或同时计算出天线波束方位角和天线波束俯仰角，进而可以使得接收站的天线波束可以精确的对准发射站的天线波束中心，实现了机载双基地SAR收发天线波束的精确对准，完成了双基SAR的空间同步。本发明的方法解决了现有方法中天线指向控制参数存在较大误差的问题，保证试验过程中收发天线波束有足够的重合面积，为双基SAR的成像起到了保障作用。

说明书

技术领域

本发明属于雷达系统中的空间同步技术领域，特别涉及到机载双基地合成孔径雷达 （Synthetic Aperture Radar，SAR）波束追赶空间同步方法。

背景技术

双基地SAR是一种收、发分置的新体制的合成孔径雷达，具有不同的空间几何坐标关 系，抗干扰性能、隐蔽性、抗截获能力强等特点。双基地SAR包括卫星发射、卫星接收的 星载双基地SAR，卫星发射、飞机接收的星机双基地SAR，飞机发射、飞机接收的机载双 基地SAR等体制。

由于收发分置，机载双基地SAR具有新的空间几何结构，因此带来了机载双基地SAR 的空间同步问题。空间同步要求发射站和接收站的天线波束对同一个目标区有重合的照射 区，从而保证成像区回波有足够的信噪比，是合成孔径雷达成像的保障。机载双基地SAR， 由于收发载机都处于运动之中，空间位置不断变化，空间同步的难度较大。

针对空间同步的问题，文献《双基地前视SAR同步技术研究》（电子科技大学硕士论 文，孙佳鑫，2011）中提出的方法是利用GPS接收机对平台定位，惯性系统对平台的测姿， 通过多坐标系转化，导出了机载双基地SAR天线指向控制参数，从而实现空间同步。然而， 由于GPS接收机对平台的定位和惯性系统对平台的测姿都存在一定误差，因此会导致解算 出的天线指向控制参数存在一定偏差，进而导致收发天线的重合面积不足，影响成像效果。

发明内容

为了解决机载双基地SAR的收发天线波束对准不够精确的问题，本发明在现有方法的 基础上提出了一种用于机载双基地SAR接收站的波束追赶空间同步方法，其实现的前提是 收发天线波束都已经指向了目标区区域，即收发站天线波束完成了初步对准，然而对准精 度不够，需要通过本发明提供的方法调整接收站的天线波束指向，使收发天线波束精确的 对准。

为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义：

圆概率误差：圆概率误差是衡量导弹命中精度的一个尺度，又称圆公算偏差。其定义 是以目标为圆心划一个圆圈。如果武器命中此圆圈的机率最少有一半，则此圆圈的半径就 是圆概率误差。

本发明的技术方案为：一种机载双基地SAR的波束追赶空间同步方法，具体包括如下 步骤：

S11、参数初始化：

所述参数包括：雷达发射线性调频信号，雷达发射脉冲的带宽B，雷达发射脉冲的脉 冲宽度t_r，雷达发射脉冲的调频斜率k_r＝B/t_r，接收站天线波束初步对准发射站天线波束 时的天线波束的方位角为β₀，方位扫描范围-Φ+β₀~+Φ+β₀，Φ为第一边界角，回波矩 阵的距离向维数N，回波矩阵的方位向维数M；

S12、录取方位扫描后的雷达回波：

当双基地SAR收发天线波束指向了目标区区域后，发射站开始发射雷达发射脉冲，接 收站开始控制天线进行方位匀速扫描，扫描范围为-Φ+β₀~+Φ+β₀，完成一次扫描即可 录取到方位扫描范围内的雷达回波，得到雷达方位回波矩阵Huibo1_N×M；

S13、雷达方位回波矩阵距离向脉冲压缩：

对回波矩阵的每一列做匹配滤波，即回波矩阵每一列和匹配滤波矩阵相卷积，即求得 距离向脉冲压缩后矩阵H1；

S14、计算方位能量中心：

根据步骤S13得到了雷达方位回波矩阵距离向脉冲压缩后的矩阵H1，对H1的每一列 做幅度加权，得到幅度加权向量A1，

其中，（i=0、1、2.....M-1，j=0、1、2.....N-1），进而得到向量A1的峰值 所在位置X，X即为雷达回波方位向的能量中心；

S15、调整天线方位角，对准方位能量中心：

方位向能量中心X与天线波束方位角改变量Δβ成线性关系，则由此 可得天线波束对准方位能量中心时的天线波束方位角β＝β₀+Δβ，天线伺服器根据β完成 天线指向的方位调整，追赶雷达发射天线波束，使接收站天线波束对准发射站天线波束的 方位能量中心。

为了解决上述问题，本发明还提出了一种机载双基地SAR的波束追赶空间同步方法， 具体包括如下步骤：

S21、参数初始化：

所述参数包括：雷达发射线性调频信号，雷达发射脉冲的带宽B，雷达发射脉冲的脉 冲宽度t_r，雷达发射脉冲的调频斜率k_r＝B/t_r，接收站天线波束初步对准发射站天线波束 时的天线波束的俯仰角为θ₀，俯仰扫描方位为-Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀，Ψ为第二边界角，回波 矩阵的距离向维数N，回波矩阵的方位向维数M；

S22、录取俯仰扫描后的雷达回波：

当双基地SAR收发天线波束指向了目标区区域后，发射站开始发射雷达发射脉冲，接 收站控制天线进行俯仰匀速扫描，扫描范围为-Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀，完成一次扫描即可录取 到俯仰扫描范围内的雷达回波，生成雷达俯仰回波矩阵Huibo2_N×M；

S23、雷达俯仰回波矩阵距离向脉冲压缩：

对俯仰回波矩阵的每一列做匹配滤波，即回波矩阵每一列和匹配滤波矩阵相卷积，得 距离向脉冲压缩后矩阵H2；

S24、计算俯仰能量中心：

对距离向脉冲压缩后矩阵H2的每一列做幅度加权，得到幅度加权向量A2，其中， $A2\left(i\right)=\underset{j=0}{\overset{j=N-1}{\Sigma }}\left|H2(i,j)\right|,$（i=0、1、2.....M-1，j=0、1、2.....N-1）；

进而得到向量A2的峰值所在位置Y，Y即为雷达回波俯仰向的能量中心；

S25、调整天线俯仰角，对准俯仰能量中心：

俯仰向能量中心Y与天线波束俯仰角改变量Δθ成线性关系，则由此可 得天线波束对准俯仰能量中心时的天线波束俯仰角θ＝θ₀+Δθ，天线伺服器根据θ完成天 线指向的俯仰调整，追赶雷达发射天线波束，使接收站天线波束对准发射站天线波束的俯 仰能量中心。

为了解决上述问题，本发明还提出了一种机载双基地SAR的波束追赶空间同步方法， 具体包括如下步骤：

S31、参数初始化：

所述参数包括：雷达发射线性调频信号，雷达发射脉冲的带宽B，雷达发射脉冲的脉 冲宽度t_r，雷达发射脉冲的调频斜率k_r＝B/t_r，收发平台飞行高度H，天线波束宽度α， 接收站天线波束初步对准发射站天线波束时的天线波束的方位角为β₀、俯仰角为θ₀，方位 扫描范围-Φ+β₀~+Φ+β₀，俯仰扫描方位为-Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀，回波矩阵的距离向维数 N，回波矩阵的方位向维数M，其中，Φ为第一边界角，Ψ为第二边界角；

S32、录取方位扫描后的雷达回波和俯仰扫描后的雷达回波：

当双基地SAR收发天线波束通过现有方法都指向了目标区区域后，发射站开始发射雷 达发射脉冲，接收站开始控制天线进行方位匀速扫描，扫描范围为-Φ+β₀~+Φ+β₀，完 成一次扫描即可录取到方位扫描范围内的雷达回波，得到雷达方位回波矩阵Huibo1_N×M；

接收站控制天线进行俯仰匀速扫描，扫描范围为-Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀，完成一次扫描即 可录取到俯仰扫描范围内的雷达回波，生成雷达俯仰回波矩阵Huibo2_N×M；

S33、雷达方位回波矩阵和俯仰回波矩阵距离向脉冲压缩：

对方位回波矩阵和俯仰回波矩阵的每一列做匹配滤波，即回波矩阵每一列和匹配滤波 矩阵相卷积，得到距离向脉冲压缩后方位回波矩阵H1和俯仰回波矩阵H2；

S34、计算方位向能量中心和俯仰向能量中心：

分别对脉冲压缩后方位回波矩阵H1和俯仰回波矩阵H2的每一列做幅度加权，得到幅 度加权向量A1和A2，

其中，（i=0、1、2.....M-1，j=0、1、2.....N-1），进而即得向量A1的峰值 所在位置X，X即为雷达回波方位向的能量中心；

（i＝0、1、2.....M-1，j=0、1、2.....N-1），进而即得向量A2的峰值所在位 置Y，Y即为雷达回波俯仰向的能量中心；

S35、调整天线指向角，对准方位向能量中心和俯仰向能量中心：

方位向能量中心X与天线波束方位角改变量Δβ成线性关系，则由此 可得天线波束对准方位向能量中心时的天线波束方位角β＝β₀+Δβ；

俯仰向能量中心Y与天线波束俯仰角改变量Δθ成线性关系，则由此可 得天线波束对准俯仰能量中心时的天线波束俯仰角θ＝θ₀+Δθ；

天线伺服器根据天线波束方位角β和天线波束俯仰角θ完成天线指向的调整，追赶雷达 发射天线波束，使接收站天线波束对准发射站天线波束的能量中心。

上述步骤中，匹配滤波矩阵具体为：

${\mathrm{Refer}}_{N\times 1}=\mathrm{rect}\left(\frac{t}{t_r}\right)·\exp \{-j{\mathrm{\pi k}}_r{t}^2\},,$$t=[-\frac{N}{2},\frac{N}{2}-1]·\frac{1}{f_s},$且$-\frac{t_r}{2}<t<\frac{t_r}{2},$其中，rect表 示矩形函数，exp表示以自然对数e为底的指数函数，f_s为接收站回波采样频率。

本发明的有益效果：本发明通过追赶雷达发射天线波束的方式，精确的计算出接收站 天线波束对准发射站天线波束所覆盖区域时的天线波束方位角或天线波束俯仰角，或同时 计算出天线波束方位角和天线波束俯仰角，进而可以使得接收站的天线波束可以精确的对 准发射站的天线波束中心，实现了机载双基地SAR收发天线波束的精确对准，完成了双基 SAR的空间同步。本发明的方法解决了现有方法中天线指向控制参数存在较大误差的问题， 保证试验过程中收发天线波束有足够的重合面积，为双基SAR的成像起到了保障作用。

附图说明

图1本发明方法的流程示意图。

图2为本发明实施例采用的机载双基地SAR的系统结构图。

图3为本发明实施例采用的机载双基地SAR的系统参数表。

图4为本发明实施例中的雷达回波矩阵示意图。

图5为本发明实施例中的距离向幅度加权向量示意图。

图6为本发明实施例中的天线指向的圆概率误差仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明主要采用仿真实验的方式进行验证，仿真验证平台为Matlab2010。下面结合附 图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

从发明的内容描述来看，本发明的方法主要通过追赶雷达发射天线波束的方式，精确 的计算出接收站天线波束对准发射站天线波束所覆盖区域时的天线波束方位角或天线波束 俯仰角，或同时计算出天线波束方位角和天线波束俯仰角，进而可以使得接收站的天线波 束可以精确的对准发射站的天线波束中心，实现了机载双基地SAR收发天线波束的精确对 准，完成了双基SAR的空间同步，双基地SAR系统结构如图2所示。

可以看出同时计算天线波束方位角和天线波束俯仰角实现精确的对准发射站的天线波 束中心是一个最优的实施方式，下面主要以该最优方式来描述本发明方法的具体实现，本 领域的技术人员可以根据此实现形式完成利用天线波束方位角或天线波束俯仰角实现精确 的对准发射站的天线波束中心，对此不再进行详细说明。

本发明的波束追赶空间同步方法的流程示意图如图1所示，具体过程如下：

步骤1、参数初始化：

初始化的参数均为已知，且初始化的参数如下，如附图3所示：雷达发射脉冲的带宽 B=80MHz，雷达发射脉冲的脉冲宽度t_r＝5us，雷达发射脉冲的调频斜率 k_r＝B/t_r＝16MHz/us，收发平台飞行高度H＝6000m，天线波束宽度α=3°，接收天线波束 初步对准发射站天线波束时的天线波束方位角为β₀=1°、俯仰角为θ₀=46°，方位扫描范围 -Φ+β₀~+Φ+β₀=-9°~+11°，俯仰扫描范围-Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀=+36°~+56°，回波矩 阵的距离向维数N=2273，回波矩阵的方位向维数M=4096。

在具体应用中第一边界角Φ和第二边界角Ψ可以根据实际情况获得。

仿真使用的背景噪声为高斯白噪声，信噪比为0dB。

需要说明的是，这里假定天线波束方位宽度和俯仰宽度相同，这里的收发平台飞行高 度和天线波束宽度只是用于评价本发明方法的计算精度。

步骤2、录取方位扫描后的雷达回波矩阵和俯仰扫描后的雷达回波矩阵：

当双基地SAR收发天线波束通过现有方法都指向了目标区区域后，发射站开始发射如 步骤1中所说的雷达信号脉冲，接收站开始控制天线进行方位扫描，扫描范围为 -Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀=-9°~+11°，完成一次扫描即可录取到方位扫描范围内的雷达回波，生 成雷达方位回波矩阵Huibo1_N×M，通过仿真生成雷达方位回波矩阵Huibo1_N×M，回波矩阵示 意图如图4所示。

接收站控制天线进行俯仰匀速扫描，扫描范围为-Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀=+36°~+56°，完 成一次扫描即可录取到俯仰扫描范围内的雷达回波Huibo2_N×M。通过仿真生成雷达俯仰回波 矩阵Huibo2_N×M。

步骤3、雷达方位回波矩阵和雷达俯仰回波矩阵距离向脉冲压缩：

对具体实施方式步骤2得到的回波矩阵的每一列做匹配滤波，即回波矩阵每一列和匹 配滤波矩阵相卷积，这里匹配滤波矩阵为：

${\mathrm{Refer}}_{N\times 1}=\mathrm{rect}\left(\frac{t}{t_r}\right)·\exp \{-\mathrm{j\pi }{k}_r{t}^2\},$$t=[-\frac{N}{2},\frac{N}{2}-1]·\frac{1}{f_s}$且匹配滤波又称 为“脉冲压缩”，可以求得距离向脉冲压缩后矩阵H1。

这里，rect表示矩形函数，这里可以定义为exp表示以自然 对数e为底的指数函数，接收站回波采样频率f_s＝2B＝160MHz。

本领域的技术人员应该意识到也可以采用其它形式的匹配滤波矩阵。

H1(i)＝ifft(fft(Huibo1_N×M(i))·conj(fft(Re fer_N×1))),（i＝0、1、2.....M-1)，其中i表示距离 压缩后矩阵的方位向第i列，fft表示快速傅里叶变换，ifft表示傅里叶反变换，conj表示取 共轭。

依此，可以得到距离向脉冲压缩后矩阵H2。

H2(i)＝ifft(fft(Huibo2_N×M(i))·conj(fft(Re fer_N×1))),（i＝0、1、2.....M-1)，

步骤4、计算方位向能量中心和俯仰能量中心：

根据步骤3得到了雷达方位回波矩阵距离向脉冲压缩后的矩阵H1，对H1的每一列做 幅度加权，得到幅度加权向量A1，如图5所示。

（i=0、1、2.....M-1，j=0、1、2.....N-1）。由此可得到向量A1的峰值所在 位置X=1881，X即为雷达回波方位向的能量中心。

同样的，根据步骤3得到了雷达俯仰回波矩阵距离向脉冲压缩后的矩阵H2，对H2的 每一列做幅度加权，得到幅度加权向量A2。

（i=0、1、2.....M-1，j=0、1、2.....N-1）。由此可得到向量A2的峰值所在 位置Y＝1834，Y即为雷达回波俯仰向的能量中心。

步骤5、调整天线指向角，对准方位能量中心和俯仰能量中心：

由于天线在方位向上匀速扫描，扫描范围为-Φ+β₀~+Φ+β₀=-9°~+11°，方位向 能量中心X的取值与天线波束方位角改变量Δβ成线性关系，则由此可得天线波束对准方位能量中心时的天线波束方位角β＝β₀+Δβ＝0.1855°。天线伺 服器根据β完成天线指向的方位调整，使接收站天线波束对准发射站天线波束的方位能量 中心。

由于天线在俯仰向上匀速扫描，扫描范围为-Ψ+θ₀~+Ψ+θ₀=+36°~+56°，俯仰向 能量中心Y的取值与天线波束俯仰角改变量Δθ成线性关系，则由此可得天线波束对准俯仰能量中心时的天线波束俯仰角θ=θ₀+Δθ=44.9561°。

天线伺服器根据天线波束方位角β和天线波束俯仰角θ完成天线指向的调整，追赶雷达 发射天线波束，使接收站天线波束对准发射站天线波束的能量中心。

经过上述步骤，接收站的天线波束可以精确的对准发射站的天线波束中心，实现了机 载双基地SAR收发天线波束的精确对准，完成了双基SAR的空间同步。

基于上述步骤，模拟实际情况进行了1000次蒙特卡洛仿真，即取不同指向误差影响条 件下的1000个实验单元，按照圆概率误差的思想提取第500个样本点（已按大小排列）的 值作为σ（-0.002°,0.002°）的天线调整误差区间内波束指向的有效值，以圆概率误差的分 析方法定量分析接收天线照射区域与发射天线照射区域的关系。

可以确定接收天线照射区域中心与发射天线照射区域中心的近似距离r为

$r=2·\sqrt{{(\beta -{\beta }_1+\sigma )}^2+{(\theta -{\theta }_1+\sigma )}^2}·H$

进而能确定使以发射天线波束中心为半径的圆以50%概率落入接收波束照射区域的最 大的半径值r₀。这里的β₁和θ₁为理论上接收站天线波束精确对准发射站波束的天线波束方 位角和俯仰角，具体取值为β₁=0°、θ₁=45°。

通过上述公式进而可以计算排序取出第500个点得发射机和接收机波束指向的圆概率 误差为：r₀=9.6417m。仿真结果如图6所示。

根据波束宽度和接收站载机平台到目标的直线距离，可以计算出波束覆盖区域的近似 直径d，

$d=2H/\tan \left(\theta \right)·\tan \left(\frac{\alpha }{2}\right)=222.19m$

可见r＜＜d，可以认为本发明提供的波束追赶空间同步方法的同步精度很高。