[发明专利]高分辨率星载SAR成像质量提升方法

摘要

本发明提供了一种高分辨率星载SAR成像质量提升方法，其包括以下步骤：步骤一，基于高分辨率SAR图像应用的成像质量提升需求分析及成像质量指标梳理；步骤二，最优化成像质量指标分解和分配；步骤三，提出提升成像质量的措施；步骤四，基于全链路仿真的成像质量提升效果评估。本发明所提出的方法流程清晰、易于实现，对于星载SAR总体设计具有指导意义，具有开创性，适用于其它类型的SAR卫星的成像质量提升研究。

主权项

1.一种高分辨率星载SAR成像质量提升方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤一，基于高分辨率SAR图像应用的成像质量提升需求分析及成像质量指标梳理；步骤二，最优化成像质量指标分解和分配；步骤三，提出提升成像质量的措施；步骤四，基于全链路仿真的成像质量提升效果评估；所述步骤一中具体包括以下步骤：步骤一十一，基于已有SAR卫星能力不足的现状，考虑SAR图像应用中典型目标地高精度识别和确认需求、高精度测绘需求、精确灾情评估需求；同时，针对当前SAR图像使用中的原理性问题提出成像质量指标提升要求，这些原理性问题包括海陆交界区域的SAR图像模糊度问题、图像信噪比不足、点目标旁瓣问题、定位精度不高问题、SCANSAR图像扇贝问题；步骤一十二，根据需求分析结果梳理成像质量指标体系，并给出量化的提升要求；成像质量指标至少考虑分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度、方位模糊度、距离模糊度、定位精度和辐射精度；所述步骤二具体包括以下步骤：步骤二十一，建立成像质量指标公式及其与影响因素的关系模型；方位向地面分辨率其中V_g为成像区位置的地速，B_p为单个目标的多普勒处理带宽，k₁为方位向方向图加权展宽系数，k₂为成像处理加权展宽系数，k₃为多普勒参数误差引起的展宽系数，k₄为成像算法引起的展宽系数；距离向地面分辨率其中c为光速，η为入射角，B_r为信号带宽，k₁为成像处理加权展宽系数，k₂为SAR系统幅相误差和色散引起的展宽系数，k₃为成像算法引起的展宽系数；峰值旁瓣比PSLR＝PSLR₀‑Δ_PSLR1‑Δ_PSLR2，其中Δ_PSLR1为SAR系统幅相误差和色散引起的旁瓣比下降，Δ_PSLR2为成像处理误差引入的旁瓣比下降，PSLR₀为特定处理加权下的理论峰值旁瓣比，P_smax为点目标冲激响应的最高旁瓣峰值功率，P_m为点目标冲激响应的主瓣最高峰值功率；积分旁瓣比ISLR＝ISLR₀‑Δ_ISLR1‑Δ_ISLR2，其中Δ_ISLR1为SAR系统幅相误差和色散引起的旁瓣比下降，Δ_ISLR2为成像处理误差引入的旁瓣比下降，ISLR₀为特定处理加权下的理论积分旁瓣比，h(r)为点目标冲激响应函数，积分域(a，b)以内为主瓣区域，主瓣以外为旁瓣区域；系统灵敏度成像区域内最差NEσ⁰＝max(NEσ⁰(σ_a,θ_r))，其中，T_e为系统效噪声温度，k为波尔兹曼常数，L(σ_a)为系统损耗，V_st为相对地速，σ_a为方位向目标点位置，R(θ_r)为目标到雷达距离，λ为载波中心频率波长，为发射峰值功率，t_p为发射脉冲时宽，G²(θ_r)为目标在方向图中相应指向角的增益，ρ_r为距离向分辨率，f_p为发射脉冲重复频率，θ_r为成像区域内的下视角取值；方位模糊度其中i为方位向成像带内目标点序号，K为目标点数量，i＝1，2……K，σ_i为方位向目标点位置，N为量化的波束扫描角位置数，f_n(σ_i)为σ_i目标点的第n个扫描角位置对应的多普勒频率值，n＝1，2，3……N，Δf_dc为多普勒中心频率误差，为第n个扫描角位置的多普勒能量谱，f_p为脉冲重复频率，m为模糊区序号；距离向模糊度RASR＝max(RASR(τ_i))，其中式中n为模糊区序号，理论最大值为地球相切时的模糊区序号，为距离向收发双程等效天线方向图，τ_i为目标i的回波时延，f_p为脉冲重复频率，θ_i为入射角，σ⁰为场景内目标后向散射系数，R(τ_i)为观测带内目标i的斜距，R(τ_i+n/f_p)为观测带内目标i的模糊目标的斜距；目标定位精度其中ΔX₁为卫星航迹向位置误差引起的方位向定位误差，ΔX₂为卫星速度误差引起的方位向定位误差，ΔX₃为回波数据时标误差引起的方位向定位误差，ΔR₁为卫星垂直于航迹的位置误差引入的定位误差，ΔR₂为卫星径向位置误差引入的定位误差，ΔR₃为斜距测量误差引入的定位误差，ΔR₄为目标高程误差引入的定位误差；辐射精度其中ΔG(φ)为方向图误差，ΔK₀为定标常数误差，ΔCal_in为SAR系统内定标误差，ΔQ为量化误差，ΔN为噪声电平对辐射精度的影响，ΔAASR、ΔRASR和ΔISLR为方位模糊度、距离模糊度和积分旁瓣比误差对辐射精度的影响，ΔL_s为电磁波在传播中的损耗变化，ΔG_img成像处理引入的误差；步骤二十二，建立成像质量指标分解关系图，分解的影响因素包括卫星轨道测量精度、姿态测量精度、卫星供电能力、星上时钟精度、星上数据下传速率及误码率、SAR系统信号带宽、SAR系统幅相误差、SAR天线色散误差、SAR系统噪声系数、系统损耗、SAR天线尺寸、SAR天线辐射功率、SAR天线效率、SAR天线方向图精度、成像处理误差、在轨标定误差、大气和电离层影响、地面数字高程模型；步骤二十三，根据分解关系图对每个成像质量指标进行影响因素的量化分解和分配，从而获得每个成像质量指标实现所需要的卫星系统、空间传输和地面系统的各影响因素指标的提升要求；各影响因素的指标取值的当前实现水平用向量Factor0表示，而实现所需成像质量指标需要的取值用向量FactorMin表示，经关键技术攻关后各影响因素实现的指标用向量FactorPromote表示，各影响因素最优取值用向量FactorOptimum表示；步骤二十四，关于成像质量指标的分配或各影响因素的取值方式以实现成像质量指标的系统性价比最高为准则；性能用如下式表示，其中S表示提升后的性能，i表示成像质量指标编号，N表示成像质量指标数量，wi表示第i个指标的权重，PromTimesi表示第i个指标的提升倍率；代价用各影响因素提升带来的代价总和表示，如下式所示，其中Cost表示总代价，j表示影响因素编号，M表示影响因素数量，uj表示第j个指标的权重，cost_of_factj表示第j个影响因素实现的代价；由此，性价比表示为S/Cost；步骤二十五，为实现成像质量指标提升，各影响因素取值必须优于向量FactorMin表示的数值；各因素中有些现有水平满足，取向量Factor0中相应因素的值；有些因素需要进行关键技术攻关才达到指标，取向量FactorPromote中相应因素的值；将各影响因素的组合进行遍历，以性价比S/Cost最优为准则，获得最优影响因素组合向量FactorOptimum；所述步骤四中基于全链路仿真的成像质量提升效果评估，其方法在于利用星载SAR产品及雷达目标回波模拟器搭建全链路半物理仿真系统，以FactorAchieve为输入，进行成像质量指标的半物理仿真试验，对录取的回波数据进行成像处理和指标评估，从而获得对成像质量提升效果的有效评价，如果没有星载SAR产品和雷达目标回波模拟器，也采用全数字仿真对成像质量提升效果进行评价；所述步骤三中提出提升成像质量的措施，其关键在于以向量FactorOptimum中各影响因素取值为输入，提出提升成像质量的措施，并落实在卫星平台各分系统、SAR载荷分系统、地面处理系统、地面定标系统、地面数字高程模型库中，进而支撑星地各系统方案设计和产品研制，各影响因素最终实现指标为向量FactorAchieve。