高分辨率超大幅宽SAR卫星成像方法及系统与流程

本发明涉及sar卫星遥感观测，具体地，涉及一种高分辨率超大幅宽sar卫星成像方法及系统。

背景技术：

1、星载有源相控阵体制合成孔径雷达(sar)是一种全天候全天时的对地观测手段，随着星载有源相控阵体制sar技术的不断发展，二维大扫描和宽带信号正成为sar卫星获取高分辨率的必备条件。一是可以通过发射宽带信号实现距离向高分辨率成像；二是基于方位向扫描，采用聚束模式或滑动聚束模式实现方位向高分辨率成像。随着对地观测应用需求的不断发展，不仅要求更高的分辨率，同时也要求更大的观测幅宽。为实现高分辨率宽观测带，常规方式是采用多通道体制，但多通道体制由于通道间幅相不一致性误差的存在，会产生虚假目标，而且多通道体制增加了星载sar系统设计和研制的难度，系统规模大、成本高。虽然采用多通道体制可以实现高分辨率宽覆盖，但为实现高分辨率下超大幅宽，不仅要求更多的通道数，而且也要求更大的方位向扫描能力，对星载sar系统提出了更高的要求，系统复杂程度更大，实现难度大。

2、针对高分辨率超大幅宽对地微波成像和目标识别，在不增加星载sar系统复杂度的情况下，如何实现快速多普勒带宽积累是解决高分辨率超大幅宽成像的关键问题，为此，高分辨率超大幅宽sar卫星成像是在目标高分辨率成像基础上进一步实现广域覆盖的基础性工作。同时随着我国sar卫星技术的不断发展和应用需求的不断深化，为实现高分辨率超大幅宽有效广域观测和成像识别，以同一轨道面分布式相邻观测的理念，创新提出并利用多普勒宽带效应拼接重构的方法，结合卫星组网和相控阵天线二维灵活大扫描能力以快速实现大多普勒带宽的获取和广域覆盖，为超大幅宽广域高分辨率成像提供基础条件。

3、经调研，国内已公开的针对有关高分辨率超大幅宽sar卫星成像的专利和论文列举如下：

4、专利文献cn104237884b(申请号：201410390082.5)公开了一种应用于星载高分辨率宽幅sar的正交编码波形确定方法,首先根据用户需求和星载高分辨率宽幅sar的约束条件确定预设输入参数；其次确定所述星载高分辨率宽幅sar的发射波形的多普勒容限fd；再次利用多普勒容限fd、距离向分辨率和脉冲宽度t确定正交编码波形的线性调频信号带宽bl、二相码带宽bp及码长n；然后根据方位向分辨率和星载条带sar波位设计公式确定编码组数m和系统脉冲重复频率prf；最后根据上述条件设计正交编码波形。本发明主要是面向星载sar发射信号波形设计和系统波位设计。

5、专利文献cn103728618a(申请号：201410020544.4)公开了一种高分辨率、宽测绘带的星载sar体制实现方法，包括：在星载合成孔径雷达的方位向采用多发多收、n个子孔径发射n个不同载频的线性调频信号的滑动聚束模式，使得多个子孔径接收到的子带回波被分离，对分离出的子带回波进行方位向预处理,消除波束扫描和天线多通道结构造成的频谱混叠；对方位预处理后的信号进行距离向子带合成，获得带宽为单个线性调频信号带宽n倍的子带合成信号，得到距离向的高分辨率；对子带合成信号利用距离向徙动算法(rma)完成残余聚焦，获得最终高分辨率雷达图像。本发明是采用多发多收体制，系统复杂程度高，可以实现高分辨率宽测绘带成像，但实现超大幅宽的能力有限。

6、专利文献cn103207385a(申请号：201310126480.1)公开了一种基于gpu的高分辨率宽测绘带机载sar实时成像处理系统，该系统将主服务器和从服务器设置在飞机上，通过主服务器实时的获取数据并分配给主服务器和从服务器，各服务器均利用优化的omega-k算法进行实时成像处理；本发明整个处理流程提高了数据处理效率，能够满足机上环境的高分辨率宽测绘带实时成像处理要求。本发明是面向成像处理系统设计。

7、高分辨率宽幅星载sar海洋监视与信息反演(论文，科技导报，2017年第20期)，论文讨论了星载sar系统在海洋监视中的应用，论述了用于海洋监视的星载sar系统关键技术，总结了未来海洋监视星载sar的发展方向。高分宽幅星载sar系统不仅能够获得海洋的环境参数(如洋流、内波、风场、海浪等)，还能够获得海面上各种目标(如舰船、溢油、海冰等)的信息，为国民经济建设和国防建设提供信息来源。该论文属于综述性论文。

8、多通道高分辨率宽测绘带sar系统杂波抑制技术研究(论文，电子与信息学报，2016年第3期)，对于多通道高分辨率宽测绘带合成孔径雷达(hrws sar)，为了实现高分辨宽覆盖测绘能力，每个子孔径的回波信号均存在多普勒模糊。针对这一问题，该论文提出了一种新的杂波抑制方法，并给出了对应的双门限cfar检测方案。首先，借鉴数字波束形成(dbf)解多普勒模糊的思想，提出将自适应dbf技术应用于杂波抑制。然后，分析其存在的问题，并给出改进方案。改进方案可以降低杂波抑制所需要的自由度(dofs)，解决运算量与估计精度之间的矛盾问题。该论文是针对单星多通道体制sar系统信号处理。

9、高分辨率宽观测带星载sar技术研究(论文，雷达科学与技术，2013年第2期)，该论文在讨论多种用于实现宽观测带sar的系统技术的基础上，提出了一种基于方位向多波束和距离向波束扫描方法的高分辨率宽观测带星载sar系统设计方法，并结合一个设计实例,详细分析系统性能和设计时应注意的若干问题。该论文采用方位向多波束和距离向扫描的方法实现高分辨率宽观测带，可以归属于单星多通道体制。

10、基于dbf技术的高分辨率宽测绘带星载sar系统研究(论文，航天器工程，2013年第4期)，该论文针对星载合成孔径雷达(sar)系统高分辨率与宽测绘带两个核心成像指标之间的矛盾，分类研究了若干适用于不同应用需求的基于数字波束形成(dbf)技术的典型高分辨率宽测绘带(hrws)星载sar系统，包括超高分辨率、中等分辨率和超宽测绘带。总结出智能化多孔径天线技术、方位向多通道预处理技术、距离向实时dbf技术和多通道sar数据压缩技术等，作为未来hrws星载sar发展的关键技术。该论文可归类为单星多通道体制方面的研究。

11、随着sar卫星方位向扫描能力的提升以及卫星组网控制技术的成熟，采用同一轨道面不同角度的快速观测，可以在较小的星载sar系统代价下实现高分辨率超大幅宽对地观测，为精细识别和全局广域融合提供了实现基础，而目前已公开的论文和专利中，尚未查见sar卫星高分辨率超大幅宽成像的具体实现方法和系统。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高分辨率超大幅宽sar卫星成像方法及系统。

2、根据本发明提供的一种高分辨率超大幅宽sar卫星成像方法，包括：

3、步骤s1：选择多颗具有二维扫描能力和宽带信号的sar卫星；

4、步骤s2：多颗sar卫星以一定的间距依次相邻运行于同一个轨道面，且每次成像时刻内相邻卫星飞行航迹存在重叠；

5、步骤s3：以单次成像联合航迹中心为中轴点，以中轴点与目标区域中心点连线为中轴线，建立星地几何模型；

6、步骤s4：设置单星发射多星同步独立接收信号的工作方式，各卫星采用聚束模式以不同的角度同时对同一区域进行观测；

7、步骤s5：根据星地观测几何关系和设置的单次成像时长求解各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度；

8、步骤s6：基于多星合成的连续航迹获取增强的大多普勒带宽，计算理论方位向分辨率；

9、步骤s7：以待观测区域中心为核心点，根据广域覆盖需求，按照单次成像观测幅宽值在地面以核心点为中心均匀分布设置多个成像区域中心点；

10、步骤s8：在最大扫描能力范围内，根据理论方位向分辨率需求，基于各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度以及理论方位向分辨率迭代求解可观测的最多成像区域，并设置每次成像时长、每次成像各卫星起始和结束方位向扫描角度；

11、步骤s9：定义一次成像为一次观测任务，通过一次开机多次成像的方式，基于快速波束切换实现连续不同区域的观测，对成像结果进行拼接，获取广域覆盖下高分辨率微波图像。

12、优选地，所述星地观测几何模型是以中轴线和飞行航迹为参考建立中心斜距平面，定义中轴线对应的方位向扫描角为中轴线角度。

13、优选地，所述步骤s5采用：

14、步骤s5.1：以单次成像观测区域中心为原点，沿航迹飞行方向为x轴；

15、步骤s5.2：根据星地观测几何关系和卫星观测中心下视角、轨道高度、中轴线角度，计算中轴线长度和卫星速度；

16、步骤s5.3：根据开机时长和卫星速度，计算各卫星的飞行航迹长度；

17、步骤s5.4：根据中轴线长度、中轴线角度、卫星间距、飞行航迹长度、方位向观测幅宽计算各卫星相对于观测区域的起始和结束方位向扫描角度。

18、优选地，所述步骤s6采用：

19、步骤s6.1：在x轴上，以方位向观测幅宽为范围设置任意目标的位置；

20、步骤s6.2：计算在开机观测时刻内各卫星合成的起始航迹位置和结束航迹位置；

21、步骤s6.3：根据合成的起始航迹位置、结束航迹位置以及筛选出的运动目标起始位置、结束位置、速度值、速度方向计算各目标积累合成的多普勒带宽；

22、步骤s6.4：根据计算得到的目标积累合成的多普勒带宽及卫星与目标相对运动速度，计算得到理论方位向分辨率。

23、优选地，所述步骤s7采用：

24、步骤s7.1：以待观测区域中心为核心点，以核心点对应的单次成像飞行航迹中心为核心观测点，以核心观测点对应的星下点为原点，飞行航迹的地面投影为y轴，核心观测点与星下点连线为z轴，x轴参照右手准则设定；

25、步骤s7.2：根据广域覆盖需求，按照单次成像观测幅宽在xy面以核心点为中心均匀布设多个成像区域中心点；

26、步骤s7.3：相邻成像区域间存在一定的重叠以保证图像无缝拼接。

27、优选地，所述步骤s8采用：

28、步骤s8.1：根据设置的多个成像区域，形成观测顺序；

29、步骤s8.2：以核心点与核心观测点的连线为核心中轴线，核心中轴线的方位向角度为核心中轴线角度；

30、步骤s8.3：根据方位向分辨率需求迭代设置核心点成像区域的成像时长，并根据各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度和理论方位向分辨率计算核心点成像区域各卫星起始和结束方位向扫描角度；

31、步骤s8.4：以核心点成像区域成像时间为参考起点，依次对其他成像区域迭代设置成像时长；

32、步骤s8.5：根据方位向分辨率需求和各成像区域迭代设置的成像时长，根据各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度和理论方位向分辨率分别计算各成像区域对应的各卫星起始和结束方位向扫描角度；

33、步骤s8.6：以扫描能力范围为判断门限，筛选出可观测的成像区域。

34、优选地，所述步骤s9采用：

35、步骤s9.1：根据筛选出的可观测成像区域，依次排列形成成像时刻序列；

36、步骤s9.2：按照成像时刻序列设置一次开机连续多次成像工作方式；

37、步骤s9.3：根据各成像区域对应的起始和结束方位向扫描角以及成像时长设置波束扫描角度范围、波束停留时长；

38、步骤s9.4：对各成像区域的图像进行拼接实现广域覆盖。

39、根据本发明提供的一种高分辨率超大幅宽sar卫星成像系统，包括：

40、模块m1：选择多颗具有二维扫描能力和宽带信号的sar卫星；

41、模块m2：多颗sar卫星以一定的间距依次相邻运行于同一个轨道面，且每次成像时刻内相邻卫星飞行航迹存在重叠；

42、模块m3：以单次成像联合航迹中心为中轴点，以中轴点与目标区域中心点连线为中轴线，建立星地几何模型；

43、模块m4：设置单星发射多星同步独立接收信号的工作方式，各卫星采用聚束模式以不同的角度同时对同一区域进行观测；

44、模块m5：根据星地观测几何关系和设置的单次成像时长求解各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度；

45、模块m6：基于多星合成的连续航迹获取增强的大多普勒带宽，计算理论方位向分辨率；

46、模块m7：以待观测区域中心为核心点，根据广域覆盖需求，按照单次成像观测幅宽值在地面以核心点为中心均匀分布设置多个成像区域中心点；

47、模块m8：在最大扫描能力范围内，根据理论方位向分辨率需求，基于各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度以及理论方位向分辨率迭代求解可观测的最多成像区域，并设置每次成像时长、每次成像各卫星起始和结束方位向扫描角度；

48、模块m9：定义一次成像为一次观测任务，通过一次开机多次成像的方式，基于快速波束切换实现连续不同区域的观测，对成像结果进行拼接，获取广域覆盖下高分辨率微波图像。

49、优选地，所述星地观测几何模型是以中轴线和飞行航迹为参考建立中心斜距平面，定义中轴线对应的方位向扫描角为中轴线角度；

50、所述模块m5采用：

51、模块m5.1：以单次成像观测区域中心为原点，沿航迹飞行方向为x轴；

52、模块m5.2：根据星地观测几何关系和卫星观测中心下视角、轨道高度、中轴线角度，计算中轴线长度和卫星速度；

53、模块m5.3：根据开机时长和卫星速度，计算各卫星的飞行航迹长度；

54、模块m5.4：根据中轴线长度、中轴线角度、卫星间距、飞行航迹长度、方位向观测幅宽计算各卫星相对于观测区域的起始和结束方位向扫描角度；

55、所述模块m6采用：

56、模块m6.1：在x轴上，以方位向观测幅宽为范围设置任意目标的位置；

57、模块m6.2：计算在开机观测时刻内各卫星合成的起始航迹位置和结束航迹位置；

58、模块m6.3：根据合成的起始航迹位置、结束航迹位置以及筛选出的运动目标起始位置、结束位置、速度值、速度方向计算各目标积累合成的多普勒带宽；

59、模块m6.4：根据计算得到的目标积累合成的多普勒带宽及卫星与目标相对运动速度，计算得到理论方位向分辨率。

60、优选地，所述模块m7采用：

61、模块m7.1：以待观测区域中心为核心点，以核心点对应的单次成像飞行航迹中心为核心观测点，以核心观测点对应的星下点为原点，飞行航迹的地面投影为y轴，核心观测点与星下点连线为z轴，x轴参照右手准则设定；

62、模块m7.2：根据广域覆盖需求，按照单次成像观测幅宽在xy面以核心点为中心均匀布设多个成像区域中心点；

63、模块m7.3：相邻成像区域间存在一定的重叠以保证图像无缝拼接；

64、所述模块m8采用：

65、模块m8.1：根据设置的多个成像区域，形成观测顺序；

66、模块m8.2：以核心点与核心观测点的连线为核心中轴线，核心中轴线的方位向角度为核心中轴线角度；

67、模块m8.3：根据方位向分辨率需求迭代设置核心点成像区域的成像时长，并根据各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度和理论方位向分辨率计算核心点成像区域各卫星起始和结束方位向扫描角度；

68、模块m8.4：以核心点成像区域成像时间为参考起点，依次对其他成像区域迭代设置成像时长；

69、模块m8.5：根据方位向分辨率需求和各成像区域迭代设置的成像时长，根据各卫星单次成像起始和结束方位向扫描角度和理论方位向分辨率分别计算各成像区域对应的各卫星起始和结束方位向扫描角度；

70、模块m8.6：以扫描能力范围为判断门限，筛选出可观测的成像区域；

71、所述模块m9采用：

72、模块m9.1：根据筛选出的可观测成像区域，依次排列形成成像时刻序列；

73、模块m9.2：按照成像时刻序列设置一次开机连续多次成像工作方式；

74、模块m9.3：根据各成像区域对应的起始和结束方位向扫描角以及成像时长设置波束扫描角度范围、波束停留时长；

75、模块m9.4：对各成像区域的图像进行拼接实现广域覆盖。

76、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

77、1、本发明的高分辨率超大幅宽sar卫星成像方法基于有源相控阵体制sar卫星，单星规模可以有效降低，可以有效控制星载sar系统的复杂度和成本；

78、2、本发明的高分辨率超大幅宽sar卫星成像方法采用同一轨道面组网运行的方式，按照一定的间距连续相邻设置多颗sar卫星，组网运行的各卫星以聚束模式从不同角度对同一目标区域进行观测，并要求每颗卫星成像期间的飞行航迹存在重叠以保证相对于目标的多普勒效应连续可拼接，通过对不同卫星获取的不同多普勒效应进行拼接重构，大大提升了多普勒带宽，同时相比于单星，在同等分辨率和幅宽情况下所需的单次成像时长更短；

79、3、本发明的高分辨率超大幅宽sar卫星成像方法利用多星以聚束模式和不同角度同时照射目标区域获取宽多普勒效应，在同等多普勒带宽积累条件下，相比于单星的照射时间成倍缩短，为超大幅宽的实现提供了必要的时间基础；

80、4、本发明的高分辨率超大幅宽sar卫星成像基于二维大扫描能力采用马赛克模式实现广域覆盖，既保证了单次观测的快速性，也兼顾了广域观测，大大提升了观测效能；

81、5、本发明的高分辨率超大幅宽sar卫星成像方法实现了高分辨率广域对地观测，为全局高价值目标的精准识别提供了有力支撑，并实现了工程可实现和代价优的双重优势，解决了当前迫切需要解决的棘手难题，具有极强的应用价值。