[发明专利]高分辨率SAR卫星辐射性能分析方法

摘要

本发明涉及一种高分辨率SAR卫星辐射性能分析方法，该方法通过精确计算各种星载SAR工作模式辐射性能指标，对高分辨率SAR卫星的系统设计结果进行检验和复核，特别是针对基于变重频模式的高分辨率SAR卫星，属于SAR卫星总体设计技术领域。本发明从单脉冲雷达方程出发，通过沿成像时间逐点计算回波信号能量，充分反映了SAR卫星天线增益、地物后向散射系数、斜距和雷达散射面积随时间的变化情况，得到准确的成像回波信号能量，进而得到准确的高分辨率SAR卫星辐射性能指标。

主权项

1.高分辨率SAR卫星辐射性能分析方法，其特征在于该方法的步骤包括：(1)布置SAR卫星的辐射性能分析采样点在成像场景内沿二维方向均匀布置性能分析采样点，采样点沿方位向和距离向两维平均分布在整个成像场景内；(2)计算采样点多普勒频率根据步骤(1)中得到的性能分析采样点位置，以及瞬时时刻的SAR卫星位置和速度，计算瞬时时刻性能分析采样点回波信号的多普勒频率fds；(3)计算瞬时时刻成像场景回波多普勒频率范围根据步骤(2)得到瞬时时刻所有性能分析采样点回波信号的多普勒频率，然后确定瞬时时刻成像场景覆盖范围内所有采样点回波信号的多普勒频率变化范围；(4)确定方位向处理带宽范围根据步骤(3)计算得到的瞬时时刻成像场景覆盖范围内所有采样点回波信号的多普勒频率变化范围，和已知的地面处理系统方位向处理带宽，确定瞬时时刻有用采样点回波信号的带宽范围f；(5)判断采样点是否在处理带宽范围内判断采样点回波信号的多普勒频率是否在步骤(4)得到的瞬时时刻有用采样点回波信号的带宽范围f内，并将结果记录下来；(6)判断是否方位向所有时间点都判断完成采用步骤(2)‑步骤(5)的方法，判断除之前所涉及的瞬时时刻的其他时间点的采样点回波信号的多普勒频率范围是否在相应的瞬时时刻有用采样点回波信号的带宽范围内，并将结果记录下来；(7)统计性能分析采样点成像时间和多普勒调频率根据步骤(5)和步骤(6)记录的结果，统计性能分析采样点的有效成像时间，根据统计得到的性能分析采样点的有效成像时间以及有效成像时间中心时刻的卫星位置、速度和加速度，计算性能分析采样点的多普勒调频率；计算公式如式(3)所示：其中为地心惯性坐标系下卫星的加速度矢量，为地心惯性坐标系下采样点的加速度矢量；为瞬时时刻地球惯性系下卫星位置矢量，为瞬时时刻地球惯性系下卫星速度矢量，为瞬时时刻地球惯性系下采样点位置矢量，为瞬时时刻地球惯性系下采样点速度矢量，R_st为瞬时时刻卫星到采样点的距离，λ为雷达载波波长；(8)计算方位向分辨率评估值根据步骤(7)得到的采样点的成像时间和多普勒调频率，得到方位向分辨率ρa；(9)判断是否在处理带宽范围内根据步骤(5)的判断结果，如果采样点不在处理带宽范围内，不对该时刻的采样点进行处理；如果采样点在处理带宽范围内，继续向下执行步骤(10)；(10)将采样点位置坐标变换到天线球面坐标系根据瞬时时刻的轨道模型、地球模型、卫星姿态、天线安装位置和角度、天线电扫描角，将采样点位置坐标变换到天线球面坐标系下；(11)拟合得到采样点对应的天线增益根据步骤(10)计算得到的采样点在天线球面坐标系下的坐标，计算采样点在SAR卫星天线方位向主剖面上的离轴角θa和采样点在SAR卫星天线距离向主剖面上的离轴角θr，计算方法如式(8)所示：其中，为采样点球面坐标系中的仰角，θ为采样点球面坐标系中的方位角；根据得到的采样点在SAR卫星天线距离向和方位向主剖面离轴角，确定采样点在方位向主剖面上的天线增益Ga和距离向主剖面上的天线增益Gr，最终，计算得到采样点的三维天线方向图增益G，计算方法如式(9)所示：G＝GaGr   (9)(12)计算SAR卫星到采样点斜距根据步骤(1)得到的采样点坐标和瞬时时刻卫星的位置坐标，计算得到瞬时时刻SAR卫星到采样点的斜距Ri；(13)计算采样点波束入射角根据步骤(12)计算得到的瞬时时刻SAR卫星到采样点的斜距Ri，利用瞬时时刻星地几何关系，计算采样点波束入射角θi；(14)计算采样点距离向分辨率评估值根据步骤(13)计算得到的采样点波束入射角和已知的发射信号带宽，计算采样点距离向分辨率评估值ρr；(15)计算采样点地物后向散射系数根据步骤(13)计算得到的采样点波束入射角和选定的待成像地物种类，计算采样点地物后向散射系数σ0，计算方法如式(12)所示：其中P1、P2、P3、P4、P5、P6为与地物种类相关的模型参数；(16)计算采样点回波信号强度根据步骤(11)计算得到的采样点天线增益G、步骤(12)计算得到的采样点到SAR卫星的斜距Ri、步骤(8)计算得到的采样点方位向分辨率评估值、步骤(14)计算得到的采样点距离向分辨率评估值以及步骤(15)计算得到的采样点地物后向散射系数σ0，计算瞬时时刻采样点回波信号强度Is；(17)方位向逐点累加采样点能量采用步骤(9)‑步骤(16)的方法，计算除之前所涉及的瞬时时刻的其他时间点的采样点的回波信号强度；(18)判断是否所有成像时间点都计算完成将步骤(16)和步骤(17)得到的采样点的回波信号的强度进行累加，得到采样点的总回波强度Is_all；(19)计算信噪比根据步骤(18)计算得到的采样点总回波强度Is_all，计算SAR卫星信噪比SNR，计算方法如式(16)所示：其中K为波尔兹曼常数，等于1.38054×10‑23J/K，T0为噪声温度，Fn为接收机噪声系数，B为噪声带宽；(20)计算噪声等效后向散射系数根据步骤(19)计算得到的信噪比SNR和步骤(15)计算得到的成像中心时刻波束入射方向对应的地物后向散射系数，计算得到噪声等效后向散射系数NESZ，计算方法如式(17)所示：其中σ0_m为成像中心时刻波束入射方向对应的地物后向散射系数；(21)计算辐射分辨率根据步骤(19)计算得到的信噪比和已知的等效视数，计算得到SAR卫星辐射分辨率，计算方法如式(18)所示：其中ENL为等效视数；(22)判断是否所有性能分析采样点都计算完成采用步骤(2)‑步骤(21)的方法计算步骤(1)中除前述的采样点之外的其他采样点的辐射性能指标，得到高分辨率SAR卫星整个成像场景的辐射性能指标；(23)利用计算得到的辐射性能指标，对高分辨率SAR卫星的系统设计结果进行检验和复核利用步骤(19)、步骤(20)、步骤(21)计算得到的信噪比、噪声等效后向散射系数和辐射分辨率等辐射性能指标，对高分辨率SAR卫星的系统设计结果进行检验和复核，进一步优化系统设计方案。