[发明专利]基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法

说明书

本发明提供基于DBF‑TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法，包括：步骤一、建立雷达在一个Burst数据块内获得的基带回波数据表示式；步骤二、建立加权系数ω_n(τ)表达式；步骤三、计算形成波束；步骤四、对步骤三的公式进行傅里叶变换；步骤五、计算频域加权系数；步骤六、计算加权后的信号频域表达式。

技术领域

本发明涉及星载SAR通信技术，特别涉及基于DBF-TOPS加权的星载Ka InSAR波束形成方法。

背景技术

Ka波段SAR具有波长短、穿透性弱、反射强的特点，因此获取的SAR图像纹理及目标细微特征更加清晰；但是其穿透性弱的特点对陆地地表测绘是不利因素。由于海面没有遮挡，且Ka波段反射性强，因此Ka波段InSAR在海面高度测量中优势明显。与传统高度计(如Skylab、Seasat-A、ERS-1/2、Jason-1、TOPEX等)所采用的Ku波段相比，Ka波段电离层衰减延迟低，基本上可以忽略。国外的Saral/AltiKa高度计首次采用Ka波段，但受限于其底视工作模式，观测幅宽非常窄，通常只有公里量级，而采用Ka InSAR系统，可以很好地解决测绘带宽有限的问题。此外，由于波长短，在同样的测高精度要求下，Ka波段干涉SAR与低频采用Ka波段的雷达高度计如段干涉SAR相比所需要的干涉测高基线更短，利于单星实现。因此，Ka波段InSAR已成为目前国际上海面高程测量的一个重要发展方向。

但是，传统的星载条带Ka InSAR幅宽为几十公里量级，如果要实现几百公里的测绘带宽，需要研究新体制Ka波段星载InSAR系统。标准的扫描(SCAN)模式通过周期性地转换天线俯仰波束的方式实现宽测绘带成像，但是具有分辨率低以及存在扇贝效应(scalloping)的缺点，而且由于目标在方位向不能被完整的天线方向图覆盖，如果进行干涉处理将引入额外的相位误差，无法实现高精度的干涉测高。而TOPS(TerrainObservation by Progressive Scans)工作模式采用了Burst工作体制，可以实现SCAN模式的分辨率和宽测绘带能力，TOPS的概念最早由Zan等提出，其与SCAN模式最大的区别是波束在方位向上做从后到前的均匀转动，天线指向的这种改变可以克服scalloping问题，目标在方位向能够遍历完整的天线方向图，避免天线方位图引入的干涉相位误差。目前TOPS模式已应用于欧洲空间局(ESA)新一代星载SAR系统Sentinel-1中的宽幅干涉模式中。

相同幅宽Ka波段相比于低频频段，SAR天线更窄、增益更小。为了解决这一矛盾，可以利用高程向多个子孔径同时接收，但这又带来星载SAR系统数据量超大的问题。近几年来，一种在接收端结合数字波束形成(DBF)的SAR工作体制——DBF-SAR，可以很好地解决这一问题。它能有效地突破最小天线面积限制，获得更低的模糊电平、更高的信噪比和更好的辐射分辨率，减轻了测绘带宽和空间分辨率之间的平衡，同时极大降低系统数据率，进而缓和SAR系统设计的限制。SCORE(Scan-on-Receive)算法是一种基于调整高度向波束模式的方法，即宽测绘带通过使用小的发射天线获得，而在接收端采用了多通道接收天线并利用DBF技术获得一个高增益笔状波束。其显著优点是减小了星上数据下传量，避免了高分辨率和宽测绘带成像带来的大数据量和多通道获取引入的冗余信息，从而降低了对数据下传率的要求。

美国在研的SWOT(Surface Water Ocean Topography)计划，由于接收天线只有单个孔径，因此，其单侧观测刈幅只有60公里。本专利采用基于DBF TOPS的InSAR系统，TOPS扫描拼接子测绘带，DBF-SCORE提高接收天线增益，在获得同等测高精度的前提下可以将测绘带宽提高三倍。

但是，在进行数字波束合成的过程中，由于高程向各子通道均工作在TOPS模式，即在每一组Burst内，距离向各个子接收通道对应的波束指向由后向前变化，使得回波视角不断变化，因此在进行DBF加权时需要考虑波束指向变化对DBF加权合成的影响，现有的基于条带模式的DBF加权算法不再适用。

发明内容