[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成孔径雷达(SAR)卫星的自适应波位设计方法和系统，属于雷达系统设计技术领域。

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。波位，是波束位置的简称，是指雷达的波束指向，波位参数包含了波束指向和脉冲重复频率。星载SAR按照波位参数对地观测，获取回波数据然后成像。因此，波位参数的选择直接决定了星载SAR的工作状态，并密切影响到SAR图像的质量和系统性能。另外，选择合适的波位参数可以有效的缩短重访周期，从而提高星载SAR的对地观测效率。综上，波位设计是星载SAR系统设计的重要工作之一。

1991年，由John Wiley & Sons，Inc.出版，John C.Curlander和Robert N.Mcdonough著作的《Synthetic Aperture Radar：Systems and Signal Processing》一书中指出，脉冲重复频率的选择是由方位模糊信号比以及发射干扰和星下点干扰共同决定的，发射脉冲必须与数据接收交替进行，并且必须是星下点回波不出现在数据窗内。1999年，由哈尔滨工业大学出版社出版，刘永坦等著作的《雷达成像技术》中提出了选择测绘带和脉冲重复频率的几项原则，包括尽可能选择近似等长度的测绘带和相邻测绘带之间要有足够的交叠等。综合这些设计原则，即经典的波位设计方法：基于星地空间几个模型，在视角-脉冲重复频率平面上，避开星下点回波和发射脉冲遮挡，确定每个波位的观测位置和脉冲重复频率，每个波位要满足方位模糊度、距离模糊度、等效噪声系数和回波数据率等指标，相邻波位之间要有一定的重叠。

传统的波位设计方法，需要设计人员在设计平面(即视角-脉冲重复频率平面)上手动依次选择波位，这种设计方法存在如下两个弊端：第一，卫星运行周期中轨道高度不断变化，会引起星地几何关系的变化，手动设计的参数需发生改变；第二，随着星载SAR分辨率的不断提高，新的工作模式增加了波位设计的难度，例如德宇航为TerraSAR的聚束模式设计了上百个波位，传统的手动设计方法将产生巨大的工作量。因此，需要一种自动的波位设计方法以解决上述弊端。2006年5月，《系统工程与电子技术》第28卷第5期，刊登了北京航空航天大学于泽等人的《星载相控阵合成孔径雷达波位设计方法》，文中提出了一种波位设计的自适应算法，该算法首先确定“视角-重频平面”符合要求的菱形区域，然后从起始视角开始在菱形区域中设计第一个波位，并从该波位依次生成下一个波位直至满足覆盖要求。然而该方法也存在一些不足，包括：首先，由于脉冲可选区域的不规则性，由当前波位设计下一个波位时往往需要不断地调整重叠率等参数，计算复杂度高，导致设计算法的效率偏低；其次，该算法设计完成的波位参数集虽能满足覆盖要求，但是不够丰富，不能满足高分辨率星载SAR的新工作模式对波位设计的要求；另外，该算法没有考虑到大视角下波位设计难度，由于大视角情况下波位的性能指标特别是方位模糊度和等效噪声系数很难满足要求，需要适当的对波位参数进行修正。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法和系统，能够根据卫星运行周期中不同的轨道高度自动的完成波位设计，生成的波位参数集满足性能指标要求。

一种合成孔径雷达卫星的自适应波位设计方法，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；

根据开普勒方程，基于卫星轨道参数和地球椭球模型，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；