一种天线方位多通道间基线和相位中心的配置方法

1.本发明涉及星载高分辨率宽幅合成孔径雷达技术，特别是指一种天线方位多通道间基线和相位中心的配置方法。


背景技术：

2.星载sar是一种非常重要的微波遥感手段，在军民领域均具有非常广泛的应用价值。高分辨率宽幅sar是其发展的重要方向，目前技术途径主要有两种，一种方案是侧重于方位连续宽幅普查成像的多波束成像体制，另一种是侧重于方位有限区域详查的两维大扫描mosaic成像体制，前者具有非常重要的优势，可在方位向上形成连续成像具有更优的应用潜力。采用方位向多通道技术是多波束成像体制的主要实现方式，然而当前并没有形成系统的针对多通道的星载sar系统设计方法和实现思路，而且现有的信号处理方法无法实现脉冲重复频率（prf，pulse repetition frequency）选择的宽适应性，这大大限制的天线方位多通道技术在星载sar系统中的大规模应用，因此研究针对高分辨率宽幅星载sar系统的天线多通道间基线与相位中心配置方法具有非常重要的意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种天线方位多通道间基线和相位中心的配置方法，形成多通道天线体制下的星载sar系统设计方法。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种天线方位多通道间基线和相位中心的配置方法，用于，星载sar系统，该方法包括：根据需要实现的分辨率和幅宽指标，进行天线长度和基线长度的设计；基于设计的天线长度和基线长度，进行雷达工作参数的适配性优化；根据不同模式雷达工作参数和天线长度与基线长度间的约束关系，构建宽适应性多通道信号处理方法，提升系统模糊性能与系统灵敏度性能。
5.有益效果：本发明在实现信号重建的同时最小化噪声能量与模糊能量，提升系统灵敏度，降低模糊度，通过使用本发明的方法，能使得星载合成孔径雷达的品质因数[幅宽(km)/分辨率(m)]达到50以上。
附图说明
[0006]
图1为各项指标与参数间的约束对应关系；图2为系统参数优化方法；图3为 nesz；图4为 方位模糊比aasr；图 5为距离模糊比rasr；图 6为地距分辨率；
图7为系统灵敏度 nesz；图 8为方位模糊比aasr；图9为距离模糊比 rasr；图 10为地距分辨率；图11为方位模糊度改善结果；图12为φ
bd
改善结果；图13 为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0007]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0008]
本发明为天线方位多通道间基线和相位中心的配置方法，如图13所示，包括以下步骤：步骤101：根据需要实现的分辨率和幅宽指标，进行天线长度和基线长度的设计；星载sar系统的分辨率与幅宽指标对prf的要求构成一对矛盾关系，分辨率越高所需的prf越高，而较高的prf又会使得观测幅宽较小，因此如果同时实现高分辨率宽幅成像，至少应该使得其中一项指标对prf的限制放宽。因此，本发明采用将长天线沿方位向分块形成多个子通道的方式，实现空间采样等效时间采样，降低分辨率对系统prf的要求，进而同时实现宽幅成像，所述多通道是指多个子通道；分辨率与子通道长度密切相关，成像幅宽与天线总长密切相关，因此必须针对需求分辨率与幅宽指标进行天线长度和子通道基线长度的优化设计。
[0009]
具体地，根据星载sar成像原理，系统方位分辨率，其中vg为雷达波束照射地面波足的地速，bd为多普勒频率带宽，雷达波束宽度与多普勒频率宽度正相关，因此为了得到需求方位分辨率，必须根据需求多普勒带宽计算出准确的雷达波束宽度。当雷达天线沿方位向分块形成多个子通道工作时，其接收方向图即为子通道天线对应的波束宽度，因此可先根据需求双程波束宽度设计子通道对应的基线长度da，使得子通道的波束宽度与需求波束宽度相当，然后用同样的波束宽度设计发射方向图，即可实现需求的方位分辨率对应的波束宽度。成像幅宽受限于雷达收发信号时序以及星下点回波时序，宽幅越宽，对应的可选prf越低，当系统prf不高于需求幅宽对应的最高可选prf
max
即可：wg为幅宽，θ
inc
为入射角，c为电磁波传输速度，t
p
为发射脉冲宽度，这个prf
max
是一个理论计算结果，实际工程应用中还需要根据实际情况降低prf
max
的值。为了实现空间采样等效时间采样，需要基于prf设计天线总长，当prf=2*vs/la时，天线多通道采样位置与时间
等间隔采样位置基本完全对应，因此可选择接近的天线长度，并使其同时满足n=la/da。vs表示雷达速度，n为方位通道数，la为雷达天线总长。
[0010]
步骤102：基于设计的天线长度和基线长度，进行雷达工作参数的适配性优化；此步骤中，建立方位多通道条件下天线长度与系统prf间的约束关系，根据子通道基线长度和多普勒带宽需求形成对收发方向图的波束宽度约束，优化雷达工作参数满足分辨率幅宽指标，同时保证系统灵敏度和模糊度性能指标。
[0011]
影响雷达成像性能的指标主要有系统灵敏度和模糊度，其中模糊度包括方位模糊度和距离模糊度。其中方位模糊度主要受多普勒带宽、双程天线方向图和prf的影响，当采用多通道体制时，等效prf变为系统工作prf的n倍，在进行均匀化重建时，方位模糊度还受到重建处理的影响；雷达系统灵敏度也会受到均匀化重建过程的影响，可用表征，其中fa表示多普勒频率，bd为多普勒带宽，pi(
·
)为第i个通道的重建加权滤波器，e表示期望，rect表示矩形函数，方位通道数目、天线长度和多普勒带宽均会对该结果产生影响；雷达距离模糊受prf的影响较大，prf越高，距离模糊越差。因此，在选择雷达工作参数时，必须综合考虑上述所有因素。在步骤101中，我们已经得到初步的天线长度和子通道基线长度，必须在此基础上进一步对雷达系统各项参数进行调整优化，实现各项系统性能指标满足要求的雷达工作参数。各项指标与参数间的约束关系如图1所示：在步骤101中确定的da会使得方位过采样偏低，系统方位模糊不足，为了使系统的各项性能指标达标，下面给出系统参数优化方法的具体步骤：步骤（1）首先基于分辨率幅宽需求，形成初始的基线长度d
a0
和初始的方向通道数n0；步骤（2）基于基线长度和方向通道数，计算得到天线长度la，根据得到的天线长度la，计算系统需求的脉冲重复频率prf；步骤（3）评估在该prf下实际斑马图中的可用幅宽wg，如果不达标则增加通道数并重复执行步骤（2）过程，如果达标，执行步骤（4）；步骤（4）进一步评估方位模糊度aasr指标，如果方位模糊不达标，减小da并返回重复上述步骤（2）过程，如果达标，进一步执行步骤（5）；步骤（5）评估系统灵敏度nesz，若nesz不达标则增加通道数目并重复执行步骤（2）过程，如果nesz达标则进一步执行步骤（6）；步骤（6）评估距离模糊指标rasa，如果不达标则增加da或通道数目n并返回重复上述过程，如果达标则设计完成。
[0012]
步骤103：根据不同模式雷达工作参数和天线长度与基线长度间的约束关系，构建宽适应性多通道信号处理方法，提升系统模糊性能与系统灵敏度性能。
[0013]
实际星载系统在轨工作时，雷达速度不是保持不变的，卫星高度也会随着轨道位置与时间发生变化，这些都会对系统参数的选择构成影响，为了实现需求的分辨率与幅宽指标，系统prf需要具备较宽的选择范围。然而，系统灵敏度与模糊度会受到系统prf的影响，当prf的选择出现严重非均匀采样时会严重恶化系统灵敏度与模糊性能，这大大限制了
系统prf的选择范围。因此，本发明提出针对不同的工作模式的抑制方位模糊的同时保证系统灵敏度的方位多通道回波信号均匀化重建方法，克服prf选择限制，大幅提升prf选择的宽适应性。
[0014]
雷达在轨运行期间，prf必须根据雷达实时飞行速度和飞行高度进行改变，当天线长度确定后，目前现有的处理方法对prf的适应性非常有限，当处于强非均匀采样时，处理方式失效。因此必须研究宽适应性处理方法使得同一系统在不同prf的条件下均满足系统性能，并且在不同工作模式下均具有宽适用性。当系统工作模式为条带和扫描模式时，波束的多普勒中心在一次成像中为定值，当系统工作在topsar模式和聚束模式时，方位向不同区域对应的多普勒中心为变化值，在进行均匀化重建处理时，必须考虑上述因素。
[0015]
其中ai表示方位向导向矢量，u(
·
)表征方位方向图加权值，f
dc
表示多普勒中心频率，ri为协方差矩阵，f
η
表示方位频率，h上标表示共轭转置；表征噪声能量，i为单位矩阵，可得到均匀化重建滤波器加权矢量：该方法可同时抑制模糊能量与噪声能量，可获得高性能均匀化重建结果。
[0016]
下面结合具体实施例对本发明再作进一步详细的描述。
[0017]
实施例一下面给出具体系统设计具体实施例，雷达系统参数列入表中：表1系统参数
基于上述设计实例，可在本系统上分别实现1m/100km和10m/1000km成像模式，1m/100km采用条带模式，10m/1000km采用扫描模式。接收方向图方位不展宽，根据双程方向图宽度需求设计发射方向图波束宽度，使其能够实现方位分辨率所需的多普勒带宽。合理设计prf并分别给出两种模式的性能结果。
[0018]
1）1m/100km模式表2 性能汇总表系统灵敏度如图3所示。
[0019]
方位模糊比如图4所示。
[0020]
距离模糊比如图5所示。
[0021]
地距分辨率随入射角的变化如图6所示。
[0022]
2）10m/1000km模式表3 性能汇总表
系统灵敏度如图7所示。
[0023]
方位模糊比如图8所示。
[0024]
距离模糊比如图9所示。
[0025]
地距分辨率随入射角的变化如图10所示。
[0026]
3）性能改善情况采用优化后的改进重建方法的系统性能改善结果如下，大大扩展了prf的可选范围，如图10-12所示。
[0027]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。