高分辨率大斜视星载SAR天线波束二维扫描控制方法及系统

本发明涉及合成孔径雷达卫星总体设计领域，具体地，涉及一种高分辨率大斜视星载sar天线波束二维扫描控制方法及系统。

背景技术：

1、星载合成孔径雷达(sar，synthet ic aperture radar)利用电磁波的穿透性和不受暗夜条件限制的特点，可实现全天时、全天候对地观测。方位向采用合成孔径技术实现高分辨率成像，即为了实现目标沿航迹向的聚焦，每个像素均需积累一定的合成孔径角度。角度积累越大，分辨率越高。对于机载sar成像或低轨低分辨率成像的星载sar，一般有两个近似，即sar飞行轨迹的直线近似和地面目标区域的平面近似。由于上述两种条件下的合成孔径时间或角度都很小，这种近似可以接受，且天线波束按照成像坐标系进行方位向和俯仰向两维扫描，恰恰与地面成像带的方位向(平行于航迹)和正侧视距离向一致，波束两维控制规律可简化。例如，刘澹提出了一种微带阵列天线及二维波束控制方法，符合以上思想，但不适合星载高分辨率大斜视成像。但是对于高分辨率星载sar和大斜视成像星载sar，以上两种近似不再成立，天线的方位向、俯仰向与成像带的方位向、距离向关系复杂，二者坐标系相对关系因轨道弯曲和地形弯曲而发生了旋转，经典扫描控制规律不在适用。孙光才，刘力媛，邓玉辉等提出了一种对大幅宽区域快速成像的sar二维波束扫描方法，解决了scansar、topsar模式的多子带拼接，但拼接精度要求不高，且该方法仅适用于低分辨率模式的sar成像。徐伟，李昊洋提出了一种星载雷达二维波束扫描控制方法及装置，虽然给出了两维角度计算的显性公式，但对于在球面几何条件下的大幅宽目标区域不再适用。高分辨率大斜视星载sar天线波束二维扫描控制缺少合适的方法。

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大斜视星载sar天线波束二维扫描控制方法及系统。

2、根据本发明提供的一种高分辨率大斜视星载sar天线波束二维扫描控制方法，包括：

3、计算下视角θl的理论斜视角变化范围(β1～βm)；

4、建立斜视成像的星载sar球面几何关系图，采用迭代求解方式获取距离向扫描控制规律(θl1～θlm)的数值解，从而获得距离向扫描度控制规律向量(θl1，θl2，…，θlm)；

5、在轨波束扫描控制时，将距离向扫描度控制规律向量(θl1，θl2，…，θlm)与方位向控制规律向量(β1，β2，…，βm)联合实施。

6、优选地，所述计算下视角θl的理论斜视角变化范围(β1～βm)，包括：

7、设计满足分辨率的波束方位向扫描角度；

8、将波束方位向扫描角度均匀数值化，形成方位向扫描控制规律向量(β1，β2，…，βm)。

9、优选地，

10、针对聚束sar，分辨率和波束方位向扫描角度关系：

11、

12、其中，vg表示波束地速，vs表示卫星飞行速度，λ表示波长，βsyn表示波束方位向扫描角度范围。

13、优选地，所述建立斜视成像的星载sar球面几何关系图，采用迭代求解方式获取距离向扫描控制规律(θl1～θlm)的数值解，包括：

14、建立大斜视成像的球面几何和星地几何关系，定义c为卫星位置，轨道高度为h，地球半径为re，cp为星下点，bp、cp所在的球面圆为星下点轨迹，m、n所在的球面圆为波束扫描至视角θl对应的地面轨迹，q、n所在的球面圆为在cq延长线上并与面cmcp垂直的球冠截面，m为正侧视视角θl对应的地面目标点位置，q为正侧视视角θl1对应的地面目标点位置，n为斜视角β对应的地面目标点位置，和垂直于ocpbp；

15、根据星载sar成像坐标系下波束两维扫描的正交关系，将方位向扫描控制规律向量(β1，β2，…，βm)作为输入变量，求解不同方位扫描角度下的距离向扫描角度θlm。

16、优选地，所述建立斜视成像的星载sar球面几何关系图，采用迭代求解方式获取距离向扫描控制规律(θl1～θlm)的数值解，包括：

17、使初值弧并由此迭代减小，每次循环后的减小

18、设定迭代收敛门限ε，收敛的条件公式为

19、对于视角θl和θl1，根据星地几何关系以及三角函数公式，可求得两者对应的斜距：

20、rs＝resin(θinc-θl)/sin(θl)

21、rs1＝resin(θinc1-θl1)/sin(θl1)

22、其中，θinc和θinc1分别为θl和θl1对应的入射角；

23、在三角形oo1c及以o1为圆心的球冠截面中，计算球冠圆截面的半径：

24、re1＝(re+h)cos(θl1)-rs1

25、在三角形no1c，利用三角函数和球面几何关系可求出n点对应的斜视斜距rsq以及球面弧长

26、rsq＝re1sin(∠no1c)/sin(βm)

27、

28、其中，∠no1c＝asin[(re1+rs1)/re1sin(βm)]-βm；asin()是一个整体，表示反正弦函数；

29、在三角形cno和大球面中，根据球面几何和三角函数关系，获得球面弧长

30、

31、其中，acos()是一个整体，表示反余弦函数；

32、在球面三角形qncp中，令∠a＝∠ncpq，可求得∠ncpbp；

33、

34、其中∠a＝∠ncpq＝acos((cos(a)-cos(b)cos(c))/(sin(b)sin(c)))；

35、在球面三角形nbpcp中，则根据球面三角公式可求出

36、

37、进行多轮迭代，直至满足收敛条件，此时的θl1为所求θlm。

38、优选地，所述将距离向扫描度控制规律向量(θl1，θl2，…，θlm)与方位向控制规律向量(β1，β2，…，βm)联合实施，包括：

39、推导目标点的方位斜视视角θlsqm及其斜视距离入射角θincsqm：

40、

41、θincsqm＝asin((re+h)/resin(θlsqm))

42、其中，re表示地球半径，rsq表示点n与点c之间连线的长度，表示在球面以点n和点cp为端点的弧长，h表示轨道高度。

43、根据本发明提供的一种高分辨率大斜视星载sar天线波束二维扫描控制系统，包括：

44、斜视角计算模块，用于计算下视角θl的理论斜视角变化范围(β1～βm)；

45、距离向扫描度控制规律向量模块，用于建立斜视成像的星载sar球面几何关系图，采用迭代求解方式获取距离向扫描控制规律(θl1～θlm)的数值解，从而获得距离向扫描度控制规律向量(θl1，θl2，…，θlm)；

46、联合实施模块，用于在轨波束扫描控制时，将距离向扫描度控制规律向量(θl1，θl2，…，θlm)与方位向控制规律向量(β1，β2，…，βm)联合实施。

47、优选地，所述计算下视角θl的理论斜视角变化范围(β1～βm)，包括：

48、设计满足分辨率的波束方位向扫描角度；

49、将波束方位向扫描角度均匀数值化，形成方位向扫描控制规律向量(β1，β2，…，βm)；针对聚束sar，分辨率和波束方位向扫描角度关系：

50、

51、其中，vg表示波束地速，vs表示卫星飞行速度，λ表示波长，βsyn表示波束方位向扫描角度范围。

52、优选地，所述建立斜视成像的星载sar球面几何关系图，采用迭代求解方式获取距离向扫描控制规律(θl1～θlm)的数值解，包括：

53、建立大斜视成像的球面几何和星地几何关系，定义c为卫星位置，轨道高度为h，地球半径为re，cp为星下点，bp、cp所在的球面圆为星下点轨迹，m、n所在的球面圆为波束扫描至视角θl对应的地面轨迹，q、n所在的球面圆为在cq延长线上并与面cmcp垂直的球冠截面，m为正侧视视角θl对应的地面目标点位置，q为正侧视视角θl1对应的地面目标点位置，n为斜视角β对应的地面目标点位置，和垂直于ocpbp；

54、根据星载sar成像坐标系下波束两维扫描的正交关系，将方位向扫描控制规律向量(β1，β2，…，βm)作为输入变量，求解不同方位扫描角度下的距离向扫描角度θlm；

55、所述建立斜视成像的星载sar球面几何关系图，采用迭代求解方式获取距离向扫描控制规律(θl1～θlm)的数值解，包括：

56、使初值弧并由此迭代减小，每次循环后的减小

57、设定迭代收敛门限ε，收敛的条件公式为

58、对于视角θl和θl1，根据星地几何关系以及三角函数公式，可求得两者对应的斜距：

59、rs＝resin(θinc-θl)/sin(θl)

60、rs1＝resin(θinc1-θl1)/sin(θl1)

61、其中，θinc和θinc1分别为θl和θl1对应的入射角；

62、在三角形oo1c及以o1为圆心的球冠截面中，计算球冠圆截面的半径：

63、re1＝(re+h)cos(θl1)-rs1

64、在三角形no1c，利用三角函数和球面几何关系可求出n点对应的斜视斜距rsq以及球面弧长

65、rsq＝re1sin(∠no1c)/sin(βm)

66、

67、其中，∠no1c＝asin[(re1+rs1)/re1sin(βm)]-βm；asin()是一个整体，表示反正弦函数；

68、在三角形cno和大球面中，根据球面几何和三角函数关系，获得球面弧长

69、

70、其中，acos()是一个整体，表示反余弦函数；

71、在球面三角形qncp中，令∠a＝∠ncpq，可求得∠ncpbp；

72、

73、其中∠a＝∠ncpq＝acos((cos(a)-cos(b)cos(c))/(sin(b)sin(c)))；

74、在球面三角形nbpcp中，则根据球面三角公式可求出

75、

76、进行多轮迭代，直至满足收敛条件，此时的θl1为所求θlm。

77、优选地，所述将距离向扫描度控制规律向量(θl1，θl2，…，θlm)与方位向控制规律向量(β1，β2，…，βm)联合实施，包括：

78、推导目标点的方位斜视视角θlsqm及其斜视距离入射角θincsqm：

79、

80、θincsqm＝asin((re+h)/resin(θlsqm))

81、其中，re表示地球半径，rsq表示点n与点c之间连线的长度，表示在球面以点n和点cp为端点的弧长，h表示轨道高度。

82、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

83、本发明通过星地几何、球面几何的数学建模和公式推导，结合基于二分法的数值迭代，实现了星载sar大斜视成像天线波束二维扫描精确控制处理，有效解决了星载sar大斜视成像天线波束扫描的二维耦合严重、分离困难等问题，从而有效克服了传统一维扫描近似模型精度差的问题。