[发明专利]一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法和系统

权利要求书

1.一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：获取卫星轨道高度和星下点矢径；

首先获取t时刻卫星的平均近心角M，然后获取真近心角θ和极半径r，最后得到星下点对应的地心矢径长度R_e和卫星轨道高度H，确定星地几何关系；

步骤二：确定波位参数的选择范围；

波位参数的选择范围包括星载SAR最大视角α^max、星载SAR最小视角α^min、星载SAR最大脉冲重复频率f_prf^max、星载SAR最小脉冲重复频率f_prf^min；其中星载SAR最大视角、星载SAR最小视角通过用户确定；

星载SAR最大脉冲重复频率、星载SAR最小脉冲重复频率通过方位向处理器带宽确定，星载SAR最小脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1.1倍，星载SAR最大脉冲重复频率为方位向处理器带宽的1.5倍；

步骤三：确定波位的空间限制条件；

波位的空间限制条件即为斑马图，斑马图由星下点回波和发射脉冲遮挡的限制条件确定；

星下点回波的限制条件为：

2Rnc>2Hc+ifprf+2τpi=0,±1,±2,......2Rfc<2Hc+i+1fprf-τpi=0,±1,±2,......---(9)]]>

其中：i表示星下点回波的序号，H表示卫星轨道高度，c表示光速，f_prf表示脉冲重复频率，τ_p表示发射信号的脉冲宽度，由用户确定，R_n为近距斜距；R_f为远距斜距；式(9)保证了观测带回波不与星下点的回波混叠；

发射脉冲遮挡的限制条件为：

2Rnc>jfprf+τp+τRPj=0,±1,±2,......2Rfc<j+1fprf-τRP-τpj=0,±1,±2,......---(10)]]>

其中，j表示发射脉冲的序号，τ_RP表示接收机保护窗时间，一般取脉冲宽度的一半；式(10)保证了观测带回波不进入发射脉冲保护窗；

斑马图的横轴为脉冲重复频率，范围通过步骤二确定，星载SAR脉冲重复频率的采样间隔为1Hz，按照采样间隔确定脉冲重复频率的数组[f_prf^min＝f₁，f₂，…，f_K＝f_prf^max]；斑马图的纵轴为天线视角α，是四簇随重频变化的曲线，记作[α_nⁱ(f)，α_fⁱ(f)，α_n^j(f)，α_f^j(f)]，视角对应的远、近斜距由式(9)和式(10)取等号求得，斜距R到视角α的转换关系如下：

α＝arccos[(R²+(R_e+H)²-R_e²)/(2·R·(R_e+H))]            (11)

选择合适的i、j的方法是，对于每个f_k(k＝1，…，K)：

1)保证远端视角α_f能够达到最大视角，近端视角α_n能够达到最小视角；

2)斜距R满足H<R<H2+2·H·Re;]]>

同时还应将视角限制在步骤二所确定的范围内，即：

α>αmax→α=αmaxα<αmin→α=αmin---(12)]]>

步骤四：设计波位参数集；

波位参数包括近距点视角α_n、远距点视角α_f、脉冲重复频率f_prf、回波延迟时间DWP、回波数据窗宽度τ_w；

近距点视角、远距点视角的设计方法是：设定一个中心视角α₀，其对应的中心波位的地距R_g0为：

R_g0＝R_e·{arcsin[sinα₀·(R_e+H)/R_e]-α₀}           (13)

相应的中心波位的近距点、远距点的地距分别为：

Rgn0=Rg0-W/2Rgf0=Rg0+W/2---(14)]]>

得到中心波位的近距点地距和远距点地距后，按照重叠率向上、向下扩展近距、远距地距直到超出步骤二确定的视角可选范围，得到中心波位向下扩展的个数l_down和中心波位向上扩展的个数l_up：

ldown=int[Rgn0-RgminW·(1-γ)]]]>lup=int[Rgmax-Rgf0W·(1-γ)]---(15)]]>

式中，R_g^min、R_g^max表示最大视角α^max、最小视角α^min所对应的最大、最小地距，由式(13)得到，int[·]表示取整操作；则近距点、远距点地距为

Rgni=Rgn0+l·W·(1-γ)Rgfi=Rgn0+l·W·(1-γ)l=-ldown,...,0,...,lup---(16)]]>

地距到斜距的转化关系为：

R=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos(R/Re)---(17)]]>

结合式(17)、式(11)得到地距对应的近距视角和远距视角，且视角可选个数为M＝l_down+l_up+1；

脉冲重复频率的设计方法是：选定一个重频选择间隔Δf_prf，根据步骤二确定的脉冲重复频率选择范围，得到脉冲重复频率序列[f_prf^min，f_prf^min+Δf_prf，…，f_prf^max]，脉冲重复频率的可选个数为N＝int[(f_prf^max-f_prf^min)/Δf_prf]+1；为了方便在斑马图上显示，相邻视角的波位不发生重叠，在生成波位时，对式(16)中l为偶数时，脉冲重复频率加上int[Δf_prf/2]；

综上，生成波位参数共M×N个，若某个波位的近距点视角为α_n、远距点视角为α_f，则近距斜距和远距斜距分别为：

Rn=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos{arcsin[sinαn·(Re+H)/Re]-αn}]]>

(18)

Rf=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos{arcsin[sinαf·(Re+H)/Re]-αf}]]>

回波延迟时间DWP、回波数据窗宽度τ_w为：

DWP＝2R_n/c              (19)

τ_w＝2(R_f-R_n)/c+τ_p    (20)

步骤五：基于斑马图的波位参数一次筛选；

对步骤四生成的每个波位[α_n，α_f，f_prf，DWP，τ_w]进行判断，具体的判断方法为：

1)根据式(18)计算α_n、α_f对应的远近斜距R_f、R_n；

2)计算最大、最小视角对应的斜距R^max、R^min，从而确定检索的起止i、j值

imin=int[2(Rmin-Hc-τp)·fprf]imax=int[2(Rmax-Hc+τp2)·fprf]+1---(21)]]>

jmin=int[(2Rminc-1.5·τp)·fprf]jmax=int[(2Rmaxc+1.5·τp)·fprf]+1---(22)]]>

3)从i_min到i_max依次验证R_n、R_f是否满足式(9)，从j_min到j_max依次验证R_n、R_f是否满足式(10)，若都满足则保留波位，否则删除；

全部判断完成后，综合保留的波位得到经斑马图筛选的波位参数集；

步骤六：基于SAR性能指标的波位参数二次筛选；

对步骤五输出的每个波位参数进行基于SAR性能指标的二次筛选，具体为：

a)方位模糊度的计算方法是：

AASR=Σm=-∞m≠0∞∫-B2B2Ga2(f-fde+mfprf)df∫-B2B2Ga2(f-fde)df---(23)]]>

式中，B为方位向多普勒带宽，等于步骤二中的处理器带宽B_p，f为多普勒频率，f_de为等效多普勒中心频率估计偏差，m为方位模糊区序号；G_a(f)为天线方位向双程增益函数，表示为

Ga(f)=sin2[π2·DaV·f][π2·DaV·f]2---(24)]]>

式中，V是星地等效速度，D_a是方位向天线尺寸；

b)距离模糊度的计算方法是：

RASR=Σn≠0∫SWP+nfprfDWP+τw+nfprfG2(τ)σ0(τ)/[R3(τ)sin(θi(τ))]dτ∫DWPDWP+τwG2(τ)σ0(τ)/[R3(τ)sin(θi(τ))dτ---(25)]]>

式中，DWP表示回波延迟时间，τ_w为回波数据窗宽度，n为模糊区序号，τ为回波延迟时间，R(τ)＝τ·c/2为斜距，σ⁰(τ)为地面目标后向散射系数；θ_i(τ)表示入射角，由下式得出：

θ_i(τ)＝π-arccos[(R(τ)²+R_e²-(R_e+H)²)/(2·R(τ)·R_e)]       (26)

G(τ)为距离向天线双程增益函数，表示为：

G(τ)=sin2[πDrλ·sin(α(τ)-αn+αf2)][πDrλ·sin(α(τ)-αn+αf2)]2---(27)]]>

式中，λ为工作波长，D_r是距离向天线尺寸，α(τ)为R(τ)对应的视角，由式(11)得出；

c)等效噪声系数的计算方法为：

NEσ0=(4π)2·Rm4·k·T0·F·LPpeak·τp·fprf·(kg·G)2·λ2·kr·ka·Ts·ρr·ρa---(28)]]>

其中，P_peak为雷达峰值发射功率，τ_p为发射信号的脉冲宽度，k_g为天线效率，G为天线功率增益，λ为雷达系统波长，k_r为小于1的距离压缩增益系数，k_a为小于1的方位压缩增益系数，T_s为合成孔径时间，ρ_r为距离向地距分辨率，ρ_a为方位向分辨率，R_m为中心视角对应的斜距，k为玻耳兹曼常数，T₀为系统工作温度，F为系统噪声系数，L为损耗因子；以上各个变量中，P_peak、τ_p、k_g、λ、ρ_r、ρ_a、T₀、F、L为初始系统参数；

天线增益G由下式所得：

G=4πDrDaλ2---(29)]]>

合成孔径时间由方位向分辨率得到：

Ts=0.886·Vgρa·λR2V2---(30)]]>

中心斜距R_m是：

Rm=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos{arcsin[sinαn+αf2·(Re+H)/Re]-αn+αf2}---(31)]]>

d)数据率的计算方法为：

S_r＝2·N_b·f_s·T_e·F_prf            (32)

其中，N_b表示量化位数，T_e为回波信号的时间宽度；

对步骤五输出的每个波位参数，使用步骤a)至d)的方法，计算得到各自的方位模糊度AASR_k、距离模糊度RASR_k、等效噪声系数NEσ⁰_k、回波数据率S_rk，并与用户提出的性能指标要求比较，当全部的指标均小于用户要求时，保留波位，否则，删除，输出的波位参数集记作BP⁰；

若BP⁰共包括L个波位，将波位按照视角从低到高、重频从小到大的顺序标记序号为1，2，…，L；

步骤七：大视角波位参数修正；

定义两个用于观测带宽修正的参数：修正率η(修正后的观测带宽与原观测带宽的比值)、最小观测带宽W_min；

对波位参数集，其中BP^k表示第k步迭代中由步骤六输出的未经修正的波位参数集，BP_k表示第k步迭代中经修正得到的波位参数集；因此，步骤六得到的BP⁰即为迭代起始的波位参数集；

首先确定一个高低波位分界视角α_H；对BP⁰进行检索，当某波位远距视角大于α_H，且近距视角小于α_H时，停止检索，并记录该波位的序号m，对BP⁰的判断将从第m个波位开始；修正是一个迭代过程，起始迭代数k＝0，具体过程如下：

1)判断当前波位参数集是否需要进行修正；

对BP^k进行判断，若k＝0，则从BP⁰的第m个波位开始判断，若k不等于0，则从BP^k的第一个波位开始判断，当第l个波位出现下列两种情况之一时：

A.该波位的远距视角小于下一个波位的近端视角时，即出现了波位不重叠的情况；

B.该波位是BP^k的最后一个波位，其远端地距与斑马图最大地距相差大于W(1-γ)；

停止判断，并记录该波位的中心视角α_m^l＝(α_n^l+α_f^l)/2，即为需要修正的起始视角，删除第1个之后的波位，保留的波位参数集记作BP_k；

若两种情况均不出现，说明不需要修正，结束迭代，将当前的波位参数集也记为BP_k；

2)修正观测带宽，并确保其不小于最小观测带宽要求，即：

W＝W·η≥W_min    (33)

若修正后的观测带宽不小于最小观测带宽，增加迭代数：k＝k+1。否则，结束迭代，转到步骤5)；

3)重新确定波位选择范围及中心视角；

最大视角仍选用步骤二的最大视角；最小视角的选取需要保证波位间的重叠度，取α_m^l；中心视角取为以α_m^l为近距视角、以修正后的W为观测带宽的中心视角，具体方法是：

计算α_m^l对应的地距

R_gn^l＝R_e·{arcsin[sinα_m^l·(R_e+H)/R_e]-α_m^l}             (34)

则中心视角对应的斜距为

R0=Re2+(Re+H)2-2·Re·(Re+H)cos((Rgnl+W/2)/Re)---(35)]]>

中心视角得到

α₀＝arccos[(R₀²+(R_e+H)²-R_e²)/(2·R₀·(R_e+H))]          (36)

4)使用新的最大、最小视角、中心视角和修正后的观测带宽重复步骤四到步骤六，输出的波位参数集记作BP^k，转到1)；

5)当完成迭代后，将全部波位参数集合并即为最终输出的优化波位参数集；即：BP＝∪BP_k。