星载合成孔径雷达高分辨率快速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，涉及星载合成孔径雷达高分辨率快速成像方法及系统。

背景技术：

1、星载合成孔径雷达(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，特别是在面向快速运动目标成像观测方面，不仅要求更高的分辨率，也要求能够实现快速成像。然而，面向快速运动目标成像，当前合成孔径雷达成像体制在高分辨率(需要长合成孔径时间)和目标有限的波束驻留时间之间存在不可调和的矛盾。经调研，目前尚未鲜见相关针对星载sar高分辨率快速成像的方法介绍。

2、本发明在深入探究各遥感成像探测手段和方法的基础上，基于天基合成孔径雷达和多普勒效应快速形成机理，提供了星载合成孔径雷达高分辨率快速成像方法和系统，有效解决了高分辨率主动微波成像需要长合成孔径时间的突出瓶颈问题，实现了高分辨率观测下快速成像，同等高分辨率成像观测情况下所需的合成孔径时长极大缩短，同时也没有对雷达系统的规模和性能提出更高的新要求，有利于工程可实现。本发明既是对sar成像观测理论和体制的发展，也为拓展sar卫星的新应用提供了新能力。

3、经调研，国内已公开的针对有关星载合成孔径雷达高分辨率快速成像方法及系统的专利和论文列举如下：

4、专利文献cn101650435b(申请号：200910059549.7)公开了一种基于子孔径逼近线阵三维成像合成孔径雷达快速成像方法，该发明是针对实际线阵三维成像合成孔径雷达回波中只包含三维空间中稀疏的散射点的回波信号的特点，采用子孔径逼近技术，针对三维空间中某些稀疏目标进行成像处理，从而很好的解决了三维成像合成孔径雷达成像方法运算量大的问题。该发明的优点在于利用较小的运算量实现了线阵三维成像合成孔径雷达。该发明主要是针对成像处理，属于信号处理，没有实际解决合成孔径雷达高分辨率成像所需的快速回波生成问题。

5、专利文献cn103728617a(申请号：201410014375.3)公开了一种双基地合成孔径雷达时域快速成像方法，该发明具体采用后向投影积分函数中的格林函数的低阶近似，完成了子孔径全视图成像，通过迭代进行孔径合成和视图划分，在每次迭代阶段，利用上层阶段的子孔径图像综合为合成孔径图像，最终完成全孔径成像，从而实现了双基地sar的精确聚焦，其点是采用从信号空间到图像空间分块迭代投影的方法在时域成像，过借助格林函数的低阶近似特性完成了子图粗聚焦，通过迭代逐渐提高聚焦精度。该发明主要是针对成像处理，属于信号处理，没有实际解决合成孔径雷达高分辨率成像所需的快速回波生成问题。

6、专利文献cn108957449a(申请号：201810571368.1)公开了一种基于mimo阵列合成孔径的三维快速成像方法及装置，该发明包括以下步骤：s1、向目标发送宽带信号，并接收所述宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；s2、将所述原始回波信号变换到mimo阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，确定原始空间谱；s3、将所述原始空间谱依据空间频率域坐标关系在波数域插值，确定最终空间谱；以及s4、根据所述最终空间谱确定目标的成像函数。该发明还涉及一种基于mimo阵列合成孔径的三维快速成像装置。该发明主要是针对mimo体制下的三维成像方法及系统，没有给出如何解决合成孔径雷达高分辨率成像所需的快速回波生成问题的具体方法。

7、专利文献cn107561536a(申请号：201711059394.8)公开了一种压缩感知逆合成孔径雷达偏离栅格的快速成像方法，该发明通过联合估计偏离栅格误差和稀疏系数对压缩感知逆合成孔径雷达进行偏离栅格成像，并采用一阶泰勒近似将目标函数转化为两个最小方差问题。该发明有效地解决了压缩感知逆合成孔径雷达成像中的偏离栅格问题，能够快速地得到高质量的压缩感知逆合成孔径雷达图像。该发明主要是针对逆合成孔径雷达成像。

8、地基mimo雷达快速成像算法研究(论文，信号处理，2019年第35卷第6期)，论文提出了一种适用于大景深、宽视角场景的地基mimo雷达的快速二维成像算法。首先，根据mimo雷达的阵列构型建立回波信号模型；其次，基于该模型补偿天线阵列近场空变性的相位中心近似(phase center approximation，pca)误差并进行数据重排，通过keystone变换校正距离徙动；然后，利用方位分块dechirp处理实现方位向聚焦，实现mimo雷达二维成像；最后利用mimo雷达外场实验数据完成了算法验证。该论文属于地基mimo雷达体制下的成像处理。

9、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，基于分布式多普勒效应同步异构快速形成机理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快速成像对地观测，为高分宽幅、运动目标探测提供了实现基础，而目前已公开的论文和专利中，尚未查见sar卫星高分辨率快速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星载合成孔径雷达高分辨率快速成像方法及系统。

2、根据本发明提供的一种星载合成孔径雷达高分辨率快速成像方法，包括：

3、步骤s1：基于分布式多普勒效应同步异构快速形成机理，在同一轨道面构建连续间隔飞行的sar卫星星座；

4、步骤s2：采用单发多收工作体制和聚束成像工作模式，通过定义中轴线，建立卫星星座与目标区域的几何关系模型；

5、步骤s3：对各卫星获取的回波信号进行拼接融合形成宽带信号，然后进行成像处理，获取高分辨率成像结果。

6、优选地，所述步骤s1采用：

7、步骤s1.1：选择多颗具有快速波束扫描能力和产生宽带信号能力的sar卫星；

8、步骤s1.2：多颗sar卫星以一定的间距依次相邻设置运行在同一轨道面上，每次成像时间内相邻卫星飞行航迹存在一定的重叠。

9、优选地，所述步骤s2采用：

10、步骤s2.1：采用分布式单发多收工作体制，选择一颗卫星发射信号，所有卫星同步接收回波信号；

11、步骤s2.2：采用聚束成像模式，在一次成像时间内，各卫星波束同步对同一区域进行连续观测；

12、步骤s2.3：以单次成像多星合成航迹的中心为中轴点，以中轴点与目标区域中心点连线为中轴线，建立星地观测几何模型；

13、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。

14、优选地，所述步骤s3采用：

15、步骤s3.1：对各卫星独立接收的回波信号进行拼接融合，形成宽多普勒效应的回波信号；

16、步骤s3.2：对拼接融合后的回波信号进行成像处理，获取高分辨率成像结果。

17、根据本发明提供的一种星载合成孔径雷达高分辨率快速成像系统，包括：

18、模块m1：基于分布式多普勒效应同步异构快速形成机理，在同一轨道面构建连续间隔飞行的sar卫星星座；

19、模块m2：采用单发多收工作体制和聚束成像工作模式，通过定义中轴线，建立卫星星座与目标区域的几何关系模型；

20、模块m3：对各卫星获取的回波信号进行拼接融合形成宽带信号，然后进行成像处理，获取高分辨率成像结果。

21、优选地，所述模块m1采用：

22、模块m1.1：选择多颗具有快速波束扫描能力和产生宽带信号能力的sar卫星；

23、模块m1.2：多颗sar卫星以一定的间距依次相邻设置运行在同一轨道面上，每次成像时间内相邻卫星飞行航迹存在一定的重叠。

24、优选地，所述模块m2采用：

25、模块m2.1：采用分布式单发多收工作体制，选择一颗卫星发射信号，所有卫星同步接收回波信号；

26、模块m2.2：采用聚束成像模式，在一次成像时间内，各卫星波束同步对同一区域进行连续观测；

27、模块m2.3：以单次成像多星合成航迹的中心为中轴点，以中轴点与目标区域中心点连线为中轴线，建立星地观测几何模型；

28、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。

29、优选地，所述模块m3采用：

30、模块m3.1：对各卫星独立接收的回波信号进行拼接融合，形成宽多普勒效应的回波信号；

31、模块m3.2：对拼接融合后的回波信号进行成像处理，获取高分辨率成像结果。

32、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

33、1、本发明的星载合成孔径雷达高分辨率快速成像方法基于分布式多普勒效应同步异构快速形成机理，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；

34、2、本发明的星载合成孔径雷达高分辨率快速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sar卫星应用场景的拓展提供了必要的实现基础，具有极强的应用价值；

35、3、本发明的星载合成孔径雷达高分辨率快速成像方法sar卫星，采用分布式组网架构，对单星的规模和要求可以有效降低，可以有效控制星载sar系统的复杂度和成本。