合成孔径雷达宽测绘带对地观测步进扫描模式的实现方法

摘要

本发明一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测步进扫描模式的实现方法，涉及合成孔径雷达技术，在每个子带内，天线在方位向沿着轨迹方向，从后向前步进扫描并接收回波，通过控制天线方位向扫描速度来改变分辨率；子带扫描结束后，在距离向，通过切换波束指向使得天线照射不同的子带，以实现宽测绘带。本发明方法明显改善了常规扫描(ScanSAR)模式的扇贝效应，整个场景内的方位分辨率、模糊比和噪声等效系数都比较均匀。在天线的扫描能力较强时，该模式可以获得优于ScanSAR模式的分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达技术领域，是一种合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)高分辨率宽测绘带对地观测步进扫描(Terrain Observation by Progressive Scans：TOPS)模式的实现方法，简称为TOPSAR模式。主要目的是保留扫描(ScanSAR)模式优点的同时，克服ScanSAR模式的缺点。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)具有全天候、全天时成像特点，在国民经济和国防领域有着广泛的应用。作为一种成像雷达，提高测绘带宽是SAR的追求目标。ScanSAR模式在牺牲分辨率的前提下能够提高测绘带幅宽，实现大范围的观测。ScanSAR利用周期性地转换距离向天线波束，使其指向几个子带，获得宽的测绘带覆盖；同时宽的距离向覆盖，将使低轨卫星缩短重访时间。ScanSAR的这些优点使其具有了广泛的应用，但在很多情况下，ScanSAR的缺点阻碍了它的应用。ScanSAR主要有两方面缺点，第一是幅度图像存在扇贝效应，使得ScanSAR定标十分困难；第二是分辨率、模糊比和等效噪声散射系数不均匀，随方位变化。虽然通过增加多视数，上述问题较容易解决，但是几何分辨率将减少同样的倍数。

TOPSAR模式是一种新的高分辨率宽测绘带成像模式，与ScanSAR相同，具有测绘带宽、重访率低的特点，但同时弥补了ScanSAR模式的固有缺点。它消除了扇贝效应，在整个子测绘带上得到均匀的噪声等效系数和分辨率；它具有更强的模糊抑制能力，在整个子测绘带上得到均匀的模糊度；由于子带较长，它的边沿效应损失更小。这些特点使得TOPSAR在不降低分辨率甚至提高分辨率的情况下，获得更佳的图像质量。这些特点使得TOPSAR具有了更广泛的应用，在高分辨率宽测绘带应用中成为优选方案。

目前国际上已经实现了星载TOPSAR模式，如德国的TerraSAR-X得到了同一地区的TOPSAR图像和ScanSAR图像，充分体现了TOPSAR的优势；未来的Sentinel-1也将TOPSAR模式作为主要工作模式。目前在我国，没有具备TOPSAR功能的SAR卫星。在2009年，电子所对该模式进行了首次机载校飞，获得了大量的数据，实现了TOPSAR功能，得到了良好的图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，以克服ScanSAR模式应用的不足，该设计方法已经在机载SAR中得到应用。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其在每个子带内，天线在方位向沿着轨迹方向，从后向前扫描并接收回波，通过控制天线方位向扫描速度来改变分辨率；子带扫描结束后，在距离向，通过切换波束指向使得天线照射不同的子带，以实现宽测绘带。

所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其具体步骤如下：

a)输入指标：测绘带总幅宽和系统分辨率；

b)根据输入指标要求和实际天线尺寸，确定波束不扫描时每个子带的能够达到的方位分辨率和幅宽；

c)根据子带方位分辨率、幅宽和测绘带总幅宽，确定子带数目，然后根据天线扫描能力，优化系统分辨率；

d)通过初步计算确定波束的扫描时间、扫描角度；

e)根据天线的扫描能力和步进特性，进一步精确计算上述参数，以满足天线实际扫描能力需求；

f)进行参数核算，如果不满足指标要求，根据步骤a)～e)重新计算各参数，直到满足指标要求；然后根据计算得到的方位向扫描角范围，在SAR平台上以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，扫描到正的方位向扫描角结束；

g)一个子带扫描结束后，调节天线距离向波束指向到下一个子带，根据设计参数，仍然以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，扫描到正的方位向扫描角结束；

h)子带逐个扫描结束后，重新回到第一个子带，循环执行。

所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其所述e)步中，天线的扫描特性，需要根据天线的步进特性和扫描能力，进一步精确计算各个参数，包括步骤如下：

①根据天线步进角度，把天线扫描角度的初步计算值向上归到天线能够达到的扫描角度，作为天线实际扫描角度；

②计算天线实际扫描角度和初步计算的天线扫描角度之差；

③根据天线实际扫描角度，计算实际扫描时每次步进驻留脉冲数；

④计算每个子带实际驻留时间；

⑤计算实际扫描周期；

⑥计算每个子带天线有效扫描轨迹；

⑦计算平台在一个扫描周期内运动轨迹；

⑧计算每个子带实际驻留时间和每个子带初步计算的驻留时间之差，并将时间差累加。

所述的合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，其所述f)步中，进行参数核算，如果每个子带都能满足天线有效扫描轨迹大于或者等于平台在一个扫描周期运动轨迹，在参数精确计算中得到的参数就是最终实际飞行参数，能够满足分辨率要求，可以用于实现TOPSAR模式；如果不能满足，会导致沿着方位向轨迹出现分辨率降低的区域，具体解决方法如下：

①重新计算时间余量；

②把时间余量带入计算公式中，经过初步计算得到新的参数，然后重复步骤e)和f)。

本发明的有益效果是，明显改善了ScanSAR模式的扇贝效应，整个场景内的方位分辨率、模糊比和噪声等效系数都比较均匀。在天线的扫描能力较强时，可以获得优于ScanSAR模式的分辨率。

附图说明

图1是本发明合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法流程图。

图2是本发明的TOPSAR模式分辨率计算流程图；

图3是本发明的TOPSAR模式参数初步计算流程图；

图4是本发明的TOPSAR模式参数精确计算流程图；

图5是本发明的TOPSAR模式参数核算流程图。

具体实施方式

本发明的一种合成孔径雷达宽测绘带对地观测TOPS模式的实现方法，在每个子带内，天线在方位向沿着轨迹方向，从后向前扫描并接收回波，通过控制天线方位向扫描速度来改变分辨率；子带扫描结束后，在距离向，通过切换波束指向使得天线照射不同的子带，以实现宽测绘带。

具体操作见附图1，包括：根据基本输入参数(包括：地球半径、平台高度、平台速度、时间余量、子带波束中心地心角)和要求的测绘带总幅宽、系统分辨率以及实际天线尺寸，确定天线不扫描时每个子带的方位分辨率和幅宽，进而确定子带数目。在满足方位分辨率限制条件后，根据实际天线扫描能力，可以优化系统分辨率，即天线扫描能力强，分辨率可以提高，反之，则分辨率必须降低。

确定了分辨率后，通过参数初步计算，确定每个子带的驻留时间、扫描角度。初步计算结果没有考虑实际天线扫描量化问题，而是直接根据公式计算得到，是对天线扫描能力的一种理想化设计。需要根据天线的扫描能力和天线的步进特性，进一步精确计算各个参数。精确计算后，要进行参数核算，如果不满足指标要求，需要重新计算。如果满足指标要求，根据计算得到的方位向扫描角范围，在SAR平台上以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，逐步扫描到正的方位向扫描角结束。一个子带扫描结束后，调节天线距离向波束指向，使波束照射下一个子带，根据设计参数，仍然以一定的步长间隔逐步调节方位向波束中心指向，使其从负的方位向扫描角开始，到正的方位向扫描角结束。子带逐个扫描结束后，重新回到子带1。

本发明的一种TOPSAR模式的实现方法，是合成孔径雷达(SAR)成像实现方法，应用于SAR成像领域，其主要目的是：克服传统宽测绘带ScanSAR模式固有的缺陷，提高SAR图像质量和应用价值。

不再应用ScanSAR模式计算公式来计算方位分辨率，而是根据TOPSAR模式的几何关系，折衷考虑方位分辨率、天线方位扫描角度、天线子带扫描时间之间的约束关系，取得优于ScanSAR模式的分辨率。TOPSAR模式距离向波束中心指向控制实现方式和ScanSAR模式相同，方位向波束中心指向控制实现方式和SAR聚束模式相反。具体包括以下步骤：

(1)分辨率确定

根据要求的总的测绘带幅宽、系统分辨率指标、实际天线尺寸以及基本参数(包括：地球半径、平台高度、平台速度、时间余量、子带波束中心地心角)，确定每个子带不扫描时的方位分辨率和幅宽。子带方位分辨率为：

ρ_a＝k₁·k₀·Da/2

式中，ρ_a是子带方位分辨率，Da是天线方位向尺寸，k₀是方位向天线波束宽度的展宽系数，不展宽时，k₀＝0.886，k₁是各种误差造成的展宽系数，包括：方位向成像处理加权展宽系数，多普勒调频率误差造成的展宽因子，方位向场强分布特性带来的幅度加权展宽系数，以及传播误差、量化误差、差值误差等各种误差造成的展宽系数。

根据子带幅宽和总的幅宽，确定子带数目。然后根据子带方位分辨率、子带数目，结合天线扫描能力优化系统方位分辨率。流程图如图2所示。TOPSAR模式方位分辨率和子带的方位分辨率满足如下关系：

ρ_Tops＞N·ρ_strip

其中，ρ_Tops是方位分辨率，N是子带数目，ρ_strip是每个子带不扫描时的方位分辨率。由上式可见，TOPSAR模式的方位分辨率只要大于N倍的子带不扫描时的方位分辨率即可；而ScanSAR模式方位分辨率必须大于或者等于N+1倍的子带方位分辨率，因此TOPSAR模式方位分辨率相对ScanSAR模式方位分辨率有所提高。TOPSAR模式距离分辨率确定方法同ScanSAR模式相同。

(2)参数初步计算

确定了方位分辨率以后，下面计算其它参数，流程图见图3。初步计算时不考虑实际天线扫描量化问题，直接根据公式计算得到，是理想化的计算结果。首先以公式

$>R_c^{\left(n\right)}=\sqrt{{(R_e+H)}^2+{R_e}^2-2·R_e·(R_e+H)·\cos \left({\beta }^{\left(n\right)}\right)}$>

计算每个子带的中心斜距。式中，是第n个子带中心斜距，n＝1，2，…，N，N是总的子带数，R_e是地球半径，H是平台高度，β⁽ⁿ⁾是第n个子带波束中心地心角。

然后以公式

$>k_{\omega }^{\left(n\right)}=({\rho }_{\mathrm{Tops}}/{\rho }_{\mathrm{strip}}-1)·\frac{V_s}{R_c^{\left(n\right)}}$>

计算天线扫描角速度。式中，是子带天线扫描角速度，V_s是平台与地面的相对速度。

以公式

$>{\theta }_0^{\left(n\right)}=k_0·\lambda /\mathrm{Da}$>

计算子带方位向波束宽度。式中，是方位向波束宽度，λ是波长。

以公式组

$>\left(\right|k_{\omega }^{\left(n\right)}|T_B^{\left(n\right)}-{\theta }_0^{\left(n\right)})R_c^{\left(n\right)}+V_s{T}_B^{\left(n\right)}=V_s{T}_R$>

$>T_R=T_B^{\left(1\right)}+T_B^{\left(2\right)}···+T_B^{\left(n\right)}+T_G$>

计算子带的驻留时间其中是子带波束宽度，是子带驻留时间，T_R是扫描周期，T_G是时间余量。初步计算时，T_G＝T_G0，T_G0是子带之间转换的时间余量。该组公式中共有N+1个方程。

以公式

$>{\theta }^{\left(n\right)}=\frac{k_{\omega }^{\left(n\right)}·T_B^{\left(n\right)}}{2}$>

计算每个子带的方位扫描角度。式中，θ⁽ⁿ⁾是子带的方位扫描角度。

以公式

L_airborne＝V_s·T_R

计算一个周期内平台运动轨迹长度。式中，L_airborne是一个周期内平台运动轨迹长度。

上面给出了初步计算结果，是天线理想化的设计结果，没有考虑实际天线控制情况。

(3)参数精确计算

对于相控阵天线，采用步进扫描方式，不能做到波束连续扫描，不能扫描到任意角度，因此需要对上述计算结果进行优化处理，处理流程图见图4。

假定天线步进角度为dθ，采用下面公式计算实际天线扫描角度：

$>{\theta }_{\mathrm{real}}^{\left(n\right)}=\mathrm{ceil}({\theta }^{\left(n\right)}/\mathrm{d\theta })·\mathrm{d\theta }$>

式中，ceil(·)表示向上取整数，是实际天线扫描角度。

以公式

$>\Delta {\theta }^{\left(n\right)}={\theta }_{\mathrm{real}}^{\left(n\right)}-{\theta }^{\left(n\right)}$>

计算天线实际扫描角度和理想的天线扫描角度之差，式中，Δθ⁽ⁿ⁾是天线实际扫描角度和理想的天线扫描角度之差。

以公式

$>N_{\mathrm{pulse}}^{\left(n\right)}=\mathrm{ceil}(\frac{T_B^{\left(n\right)}·{\mathrm{PRF}}^{\left(n\right)}}{2·{\theta }_{\mathrm{real}}^{\left(n\right)}}·\mathrm{d\theta })$>

计算实际扫描时每次步进驻留脉冲数，式中，是实际扫描时每次步进驻留脉冲数，PRF⁽ⁿ⁾是脉冲重复频率。

以公式

$>T_{B\_\mathrm{real}}^{\left(n\right)}=\frac{N_{\mathrm{pulse}}^{\left(n\right)}·2·{\theta }_{\mathrm{real}}^{\left(n\right)}}{{\mathrm{PRF}}^{\left(n\right)}·\mathrm{d\theta }}$>

计算每个子带实际驻留时间，式中，子带实际驻留时间。

以公式

$>T_{R\_\mathrm{real}}=T_{B\_\mathrm{real}}^{\left(1\right)}+T_{B\_\mathrm{real}}^{\left(2\right)}···+T_{B\_\mathrm{real}}^{\left(n\right)}+T_{G0}$>

计算实际扫描周期，式中，T_{R_real}是实际扫描周期。

以公式

$>L_{\mathrm{scan}}^{\left(n\right)}=(2·{\theta }_{\mathrm{real}}^{\left(n\right)}-{\theta }_0^{\left(n\right)})·R_c^{\left(n\right)}+V_s·T_{B\_\mathrm{real}}^{\left(n\right)}$>

计算子带有效扫描轨迹，式中，是子带有效扫描轨迹。

以公式

L_{R_airborne}＝V_s·T_{R_real}

计算平台在一个扫描周期内运动轨迹，式中，L_{R_airborne}为一个扫描周期内平台运动轨迹。

通过上述步骤得到适用于实际飞行的参数，但是是否能够满足系统分辨率要求，仍然需要进行参数核算。

(4)参数核算

如果每个子带都能满足天线有效扫描轨迹大于或者等于平台在一个扫描周期运动轨迹，即满足：

$>L_{\mathrm{scan}}^{\left(n\right)}\ge L_{R\_\mathrm{airborne}}$>

在(3)中得到的参数就是最终实际飞行参数，可以用于实现TopSAR模式。如果不能满足天线有效扫描轨迹大于或者等于平台在一个扫描周期中运动轨迹，会导致沿着方位向轨迹出现分辨率降低的区域。解决这一问题的办法就是适当增加时间余量，然后按照(2)和(3)中描述的方法重新计算参数，流程图见图5。增加的时间余量如下：

以公式

$>\Delta T^{\left(n\right)}=T_{B\_\mathrm{real}}^{\left(n\right)}-T_B^{\left(n\right)}$>

计算每个扫描子带需要补充的时间，式中，ΔT⁽ⁿ⁾是扫描子带需要补充的时间。

以公式

$>T_G=T_{G0}+\underset{n}{\Sigma }\Delta T^{\left(n\right)}$>

计算新的时间余量。

根据新的时间余量，重复(2)和(3)的计算步骤，得到新的参数。如果新参数满足了子带天线有效扫描轨迹大于或者等于平台在一个扫描周期运动轨迹，则计算结果就是最终值，否则按照(4)中描述重新计算时间余量，然后再重复(2)和(3)的计算步骤，直至满足每个子带天线有效扫描轨迹大于或者等于平台在一个扫描周期运动轨迹。上述过程一般需要重复2～3次即可满足。