一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法技术

本发明专利技术公开了一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法。使用本发明专利技术能够计算任意星载SAR的高度分辨率，且计算简单，计算量小。本发明专利技术根据星载SAR的特点，利用模糊函数表征分辨率，并将沿高度分辨方向两相邻目标的多普勒相位历史差值带入模糊函数的定义式中，得到了适用于星载合成孔径雷达的高度分辨率计算公式。计算得到的高度分辨率可以用以表征星载SAR在高度向分辨目标的能力，并可以应用于星载SAR系统指标设计(如轨道选择、合成孔径时间的设计等)以及三维成像结果的正确性验证。

【技术实现步骤摘要】
一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法
本专利技术涉及合成孔径雷达(SAR)
，具体涉及一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法。
技术介绍
合成孔径雷达(SAR)是一种全天时、全天候的高分辨率的微波遥感成像雷达。在环境监测、海洋观测、资源勘探、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上合成孔径雷达具有独特的优势，可发挥其他遥感手段难以发挥的作用。星载合成孔径雷达是指以卫星为载体的合成孔径雷达。高度分辨率是指分辨具有相同距离与多普勒中心频率、不同高度的相邻目标的能力。星载SAR具有弯曲的运行轨迹，能够形成高度向的合成孔径，因而能够获得高度分辨率。目前，圆轨迹SAR的高度分辨率能够通过公式表示。其中，全孔径圆轨迹SAR的高度分辨率具有解析表达式，而部分孔径圆轨迹SAR的高度分辨率仅具有级数展开的表达式。然而，上述表达式仅仅适用于圆轨迹SAR，而不能够广泛应用于具有曲线轨迹的星载SAR。因此，需要提出一种星载SAR高度分辨率计算方法解决上述问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法，能够计算任意星载SAR的高度分辨率，且计算简单，计算量小。本专利技术的星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法，包括如下步骤：步骤1，将两个高度向相邻目标的多普勒相位历史之差带入SAR的模糊函数中，获得高度向分辨率ρz的表达式为：ρz≈0.886·4λR/(ATZ·Ta2)其中，R为孔径中心时刻的目标斜距矢量R的值；λ为发射信号的波长；A为卫星的加速度；上标T表示转置；Z表示沿高度向的单位矢量；Ta为合成孔径时间；步骤2，将卫星加速度A、SAR合成孔径时间Ta带入步骤1公式，计算获得高度向分辨率ρz。进一步地，获取卫星沿高度向的加速度ATZ的方法如下：步骤1，根据卫星轨道参数计算卫星速度矢量V与加速度矢量A：V＝[Rs1,Rs(ωs-ωp),Rsωt]T其中，ωr,ωt,ωp分别为地球角速度矢量ωe在参考坐标系三个坐标轴r轴、t轴，p轴方向的分量值，其中，参考坐标系原点位于地球质心，r轴由地球指向卫星，p轴垂直于卫星轨道面，t轴垂直于r轴与p轴，并沿速度方向，r轴、t轴与p轴构成右手直角坐标系；Rs为卫星轨道半径，Rs1为轨道半径对时间的一阶导数；μ是地球引力常数；ωs为卫星轨道角速度；其中，a为轨道半长轴，i为轨道倾角，e为轨道偏心率，ω为近地点幅角，u为纬度幅角；步骤2，计算沿高度向的卫星加速度ATZ：ATZ＝Z·A，其中，有益效果：根据本专利技术方法可以计算任意星载SAR的高度向分辨率，且计算简单。计算得到的高度分辨率可以用以表征星载SAR在高度向分辨目标的能力，并可以应用于星载SAR系统指标设计(如轨道选择、合成孔径时间的设计等)以及三维成像结果的正确性验证。附图说明图1为星载SAR几何关系示意。图2为本专利技术流程图。图3为成像结果3dB主瓣。其中，图3(a)为合成孔径时间15分钟，图3(b)为合成孔径时间30分钟，图3(c)为合成孔径时间45分钟，图3(d)为合成孔径时间60分钟。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法，根据星载SAR的特点，以及高度分辨率的定义，计算星载SAR高度分辨率。SAR的分辨特性通常可以利用模糊函数进行表征，模糊函数定义为在合成孔径时间内对分辨方向上不同目标回波信号共轭乘积的积分。对于高度分辨方向，上述共轭乘积的积分即对于目标多普勒相位历史差值的积分。因而本方法首先推导了高度分辨率的分辨方向，然后推导了沿高度分辨方向两相邻目标的多普勒相位历史差值，最后将上述差值带入模糊函数的定义式，得到了适用于星载合成孔径雷达的高度分辨率计算公式。具体包括如下步骤：步骤一，求取高度向相邻目标的多普勒相位历史差星载SAR的几何照射关系如图1所示。其中，S为卫星位置，O为地球中心。孔径中心时刻斜距矢量R由卫星指向目标。坐标系原点位于卫星位置，X轴沿斜距方向，Z轴垂直卫星速度矢量V与斜距矢量R所在平面，Y轴方向根据右手定则确定。在上述坐标系内，目标位置可采用斜距矢量R表示。高度向相邻的两目标具有相同距离与多普勒中心频率、不同高度，因而满足其中矢量以列矩阵的形式表示，上标T表示矩阵转置，矢量ΔR为两目标的位置差。根据，ΔR垂直卫星速度V与斜距R所在平面，可以表示为ΔR＝R1-R2＝z·Z(2)其中，z为相邻高度目标的距离差，Z表示沿Z轴的单位矢量。斜距矢量为R的目标的斜距历史r(u；R)可以表示为r(u；R)≈R-VTXu+[-ATR+VTV-(VTX)2]u2/(2R)(3)其中，u为方位向时间，R为矢量R的值，A为卫星的加速度矢量，X表示沿X轴的单位矢量。则具有斜距矢量R1与R2的两个高度向相邻目标的多普勒相位历史之差可以表示为φ＝(4π/λ)[r(u；R1)-r(u；R2)]≈-[2πzATZ/(λR)]u2＝-ku2(4)其中，k为相位因子，λ为发射信号的波长。步骤二、求取SAR的模糊函数星载SAR接收到的Chirp信号经过距离向脉冲压缩后，在距离向频域可以表示为S(fτ，u；R)＝Wr(fτ)ωa(u)exp[-j4π(f0+fτ)r(u；R)/c](5)其中f0为载频，fτ为距离向频率，c为光速，Wr(·)为距离向频谱包络函数，ωa(·)为方位向天线加权函数。SAR的模糊函数可以表示为其中Ta为合成孔径时间，S*为S的复共轭。利用泰勒展开，上述表述式可以写为忽略的高阶项，上式的绝对值可以表示为上述表达式中，辛格函数sinc的3dB宽度值即为高度向分辨率ρz，可以表示为ρz≈0.886·4λR/(ATZ·Ta2)(9)若定义变量Lz＝ATZ·Ta2/8(10)则式(9)可以进一步表示为ρz≈0.886·λR/(2Lz)(11)即Lz为卫星在合成孔径时间内沿高度向加速运动的距离，也即是高度向合成孔径。由式(9)可知，高度向分辨率ρz可以由沿高度方向的卫星加速度分量ATZ计算获得，而沿高度向的加速度可以通过下列步骤获得：步骤1，计算卫星速度矢量与加速度矢量根据轨道半长轴a、轨道倾角i、轨道偏心率e、近地点幅角ω、纬度幅角u计算卫星加速度矢量。参考坐标系原点位于地球质心，r轴由地球指向卫星，p轴垂直于卫星轨道面，t轴垂直于r轴与p轴，并沿速度方向。r轴、t轴与p轴构成右手直角坐标系。在上述坐标系中，地球自转角速度矢量可以表示为ωe＝ωe[sinusini,cosusini,cosi]＝[ωr,ωt,ωp]T(12)其中，ωe为地球自转角速度，ωr,ωt,ωp分别为地球角速度矢量在三个坐标轴方向的分量值。卫星速度矢量可以表示为V＝[Rs1,Rs(ωs-ωp),Rsωt]T(13)其中，Rs为卫星轨道半径，Rs1为轨道半径对时间的一阶导数，ωs为卫星轨道角速度，可以表示为其中，μ是地球引力常数，数值为398600.5km3/s2。卫星的加速度矢量可以表示为步骤2，计算沿高度向的卫星加速度高度向相邻目标具有相同距离与多普勒中心频率，故而高度向垂直于斜距方向与速度方向。斜距矢量可以表示为其中，R为斜距大小，γ下视角，为方位角。则高度方向的单位矢量可以表示为沿高度向的卫星加速度可以表示为ATZ＝Z·A(18)下面给出一个具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将两个高度向相邻目标的多普勒相位历史之差带入SAR的模糊函数中，获得高度向分辨率ρz的表达式为：ρz≈0.886·4λR/(ATZ·Ta2)其中，R为孔径中心时刻的目标斜距矢量R的值；λ为发射信号的波长；A为卫星的加速度；上标T表示转置；Z表示沿高度向的单位矢量；Ta为合成孔径时间；步骤2，将卫星加速度A、SAR合成孔径时间Ta带入步骤1公式，计算获得高度向分辨率ρz。

【技术特征摘要】
1.一种星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将两个高度向相邻目标的多普勒相位历史之差带入SAR的模糊函数中，获得高度向分辨率ρz的表达式为：ρz≈0.886·4λR/(ATZ·Ta2)其中，R为孔径中心时刻的目标斜距矢量R的值；λ为发射信号的波长；A为卫星的加速度；上标T表示转置；Z表示沿高度向的单位矢量；Ta为合成孔径时间；步骤2，将卫星加速度A、SAR合成孔径时间Ta带入步骤1公式，计算获得高度向分辨率ρz。2.一种如权利要求1所述的星载合成孔径雷达高度分辨率计算方法，其特征在于，获取卫星沿高度向的加速度ATZ的方法如下：步骤1，根据卫星轨道参数计算卫星速度矢量V与加速度矢量A：V＝[Rs1,Rs(ωs-ωp),Rsωt]T

【专利技术属性】
技术研发人员：丁泽刚，曾涛，尹伟，龙腾，杨双景，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11