[发明专利]一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的高分辨率成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球同步轨道(GEO)合成孔径雷达(SAR)卫星的高分辨率成像方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

星载合成孔径雷达具备全天时、全天候的工作能力，是目前备受关注的对地观测系统。遥感应用中，重复观测周期是非常重要的技术指标。地形动态监测、地表现象理解等领域都要求持续观测或频繁的重访。实验表明，对于土壤湿度检测，具有1天重访时间的观测系统能获取55％有效信息，而35天重访时间的系统仅能获取20％的有效信息。然而，现有的SAR卫星都运行在低轨，重复周期较长，难以满足高频重访的用户需求。解决此问题的一种有效途径就是将卫星轨道升高至地球同步轨道，它的重访周期短，仅为1天，并且观测范围大，具有很好的应用前景。

1978年Kiyo Tomiyasu首先在《Synthetic Aperture Radar in GeosynchronousOrbit》一文中提出了GEO SAR的概念，并初步设计了系统参数。2000年以后，GEO SAR成为国内外研究的热点问题。S.N.Madsen等提出了四种工作模式和相应的技术指标，指出天线技术是GEO SAR发展的关键。Wendy Edelstein等分析了不同轨道高度对瞬时视场范围的影响和对天线尺寸的要求，并在考虑高轨卫星系统复杂性的基础上绘制了技术路线图。S.E.Hobbs等研究了L波段GEO SAR的成像技术，重点分析了在超长积累时间中对流层和电离层扰动以及地球潮汐对雷达成像的影响。Davide Bruno等指出GEO SAR具有良好的覆盖和重访性能，在干涉处理等方面能够获得比LEO系统更好的效果，有助于理解地表运动现象。在国内，北京航空航天大学于泽等从成像处理的角度出发研究了GEO SAR的一些总体特性，包括方位分辨率、距离徙动量等等，其中方位分辨率通过理论和仿真分析证明可达到3米以下。

GEO SAR的成像技术一直是一个难点。现今，合成孔径雷达的载荷一般是飞机和低轨道卫星，其合成孔径时间是秒量级，在孔径时间内雷达与地面目标的相对运动轨迹近似为直线，回波信号的多普勒历程近似为二次多项式，传统的SAR成像算法均可适用。而GEO SAR具有超高的轨道高度(约36000公里)，其合成孔径时间达到千秒量级，在孔径时间内它的星地相对运动轨迹已经无法再用直线近似，其回波信号的多普勒历程需要用高阶多项式进行描述。同时波束地面移动速度受地球自转影响较大，这都使得广域场景目标的多普勒特性具有强空变特征，给成像处理带来很大难度。传统的SAR成像方法(RD、CS、ωk算法)都是基于直线运动展开推导的，并且它们的方位压缩处理都是在方位频域进行，对多普勒历程沿方位向快变的情况，无法实现方位参考信号的频繁更新，不能实现对方位向不同点目标的不同距离徙动曲线的压缩处理，从而造成目标散焦，因此不适用于GEO SAR。到目前为止，只有北航于泽等人提出过GEO SAR成像方法，但该方法只能用于子孔径数据处理，且只能实现单点目标成像，方位分辨率仅达到15米，存在一定的局限性。至今，国内外还未有学者提出用于GEO SAR全孔径数据处理的高分辨率成像方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的高分辨率成像方法，该方法能够处理地球同步轨道(GEO)合成孔径雷达(SAR)卫星全孔径回波数据，实现广域场景内多点目标的高分辨率成像，方位分辨率可达到2米以下。

一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的高分辨率成像方法，包括以下几个步骤：

步骤一：子孔径划分；

全孔径回波数据是一个二维数组，大小为X×Y，一维是方位向，有X个采样点，另一维是距离向，有Y个采样点，表示雷达获取了X个方位时刻的一维脉冲回波数据，每个时刻的一维脉冲回波数据有Y个采样点，Y为2的整数次幂；

对全孔径回波数据在方位向进行分块，将其分成N等份，即子孔径划分，得到N块回波子孔径数据A₁、A₂、…、A_N，每块数据大小为(X/N)×Y；

步骤二：子孔径数据距离向压缩；

对每块回波子孔径数据A₁、A₂、…、A_N进行距离向匹配滤波，即距离向压缩，得到距离向压缩后的子孔径数据B₁、B₂、…、B_N；

步骤三：子孔径数据距离向插值；