一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法，包括如下步骤：计算目标运行轨迹和过顶时间、设置成像中心时刻、计算方位角、仰角、成像启停时刻和目标斜距、设置冗余斜距和初始发射脉宽、选择PRF、判断Dc是否超过上限、计算回波窗长度和Dr、判断Dr是否超过存传能力、计算回波起始时间、调整波束指向、计算天线增益和回波信号强度、设置MGC、进行成像。本发明专利技术充分考虑待成像空间目标运动特性和雷达系统限制，结合STK软件，解决了传统空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计中目标运动参数、雷达波束指向和系统参数计算精度不足的问题。通过机械扫描和电扫描相结合的方式，实现了空间目标逆合成孔径雷达成像所需的波束指向，降低了实现成本和复杂度。

An imaging parameter design method for space target inverse synthetic aperture radar

The invention discloses a design method of space target inverse synthetic aperture radar imaging parameters, which comprises the following steps: calculating the target trajectory and over time, setting time, calculate the azimuth imaging center, elevation, imaging start and stop times and target slant range, redundancy inclined distance and initial emission width, PRF, Dc whether exceeds the upper limit, calculate the echo window length and Dr, Dr is more than save came and computing echo starting time, adjust the beam direction, antenna gain calculation and echo signal intensity, MGC, imaging. The invention fully considers the motion characteristics of the imaging target and the limitation of the radar system. Combined with the STK software, it solves the problem of the accuracy of target motion parameters, radar beam pointing and system parameters in the design of the traditional space target inverse synthetic aperture radar imaging parameters. Through the combination of mechanical scanning and electrical scanning, the beam direction of space target inverse synthetic aperture radar imaging is realized, and the cost and complexity are reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法
本专利技术涉及一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法，通过地基逆合成孔径雷达对空间目标进行高分辨率成像时的雷达系统参数设计，属于雷达系统设计
，所述的空间目标包括卫星、空间站、飞船和火箭末端等。
技术介绍
自从1957年10月4日，前苏联成功发射首颗人造地球卫星以来，世界航天技术蓬勃发展，将人类的活动范围扩展到外层空间，极大地扩展了人类的视野，催生了如卫星导航、通讯和广播等一系列深刻改变人类生活方式的航天应用。随着航天技术的发展，人类向太空中发射了大量的航天器，截止2014年，全球已经成功发射了近7000个航天器。如此众多的航天器在给人类生活提供便利的同时，也给后续的航天器发射和人类信息安全带来潜在的威胁。此外，太空中密布的空间碎片、报废的航天器残骸和弹道武器也给人类的安全带来巨大风险。因此，非常有必要对空间目标进行检测、成像、识别和编目。逆合成孔径雷达(ISAR)是一种能够对非合作运动目标进行成像的高分辨率微波遥感系统，它利用运动目标相对于静止雷达所产生的逆合成孔径获得方位向高分辨率，利用宽带信号获得距离向高分辨率。ISAR具有全天时、全天候、作用距离远和成像分辨率高等优点，适合对空间目标进行观测，可以用来进行卫星动态监视，空间碎片检测、空间编目、导弹预警等，对于空间态势感知，保障航天飞行安全具有重要意义。南京理工大学曹向东在题为《空间目标成像的ISAR技术研究》的硕士学位论文中，对空间目标逆合成孔径雷达成像系统设计和信号处理进行了介绍和研究，但该文并未针对空间目标特点，给出精确的目标轨道参数计算和雷达系统参数设计方法。电子科技大学范录宏在题为《逆合成孔径雷达成像与干扰技术研究》的博士学位中，对空间卫星目标ISAR成像原理、回波信号模拟和卫星运动模型进行了分析，但该文给出的运动模型不能满足高精度成像需求，并且没有给出相应的指向参数计算和系统设计方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法，通过充分考虑待成像空间目标运动特性和雷达系统限制，结合STK软件虚拟技术，给出了一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法，解决了传统空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计中待成像空间目标运动参数、雷达波束指向和系统参数计算精度不足的问题。通过机械扫描和雷达天线电扫描相结合的方式，实现了空间目标逆合成孔径雷达成像所需的波束指向，降低了实现成本和复杂度。本专利技术的技术解决方案是：一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法，包括如下步骤：第一步：根据已知的空间目标轨道参数，计算空间目标运行轨迹；在卫星仿真工具包软件中建立虚拟待成像空间目标，将最新的轨道数据导入STK软件，更新目标轨道信息；第二步：为第一步建立的虚拟待成像空间目标设置一个虚拟传感器，根据ISAR天线最大扫描范围设置垂直半角θVHA，垂直半角θVHA的计算方法如式(1)所示：其中Re为地球半径，H为轨道高度，θr_max为ISAR天线最大扫描范围；根据ISAR雷达所处位置经纬度坐标，在STK软件中建立虚拟地面站，通过分析虚拟待成像空间目标上的虚拟传感器对虚拟地面站的覆盖情况，覆盖时间中心时刻为过顶时刻，即斜距最短的时刻；第三步：首先将第二步得到的过顶时刻设置为成像中心时刻，根据试验场周围实际环境，判断是否存在遮挡，若此时ISAR雷达到待成像目标的视线上存在遮挡，则依次在第二步得到的覆盖时间范围内寻找避开遮挡的成像时刻，将避开遮挡的成像时刻设置为成像中心时刻；第四步：根据第三步得到的成像中心时刻，通过STK软件的可见性分析工具，计算成像中心时刻虚拟地面站到虚拟待成像目标的方位角和仰角；第五步：在STK软件中，为虚拟地面站建立一个新的虚拟传感器，来模拟ISAR雷达系统，新的虚拟传感器的垂直半角为期望待成像目标穿过方向的天线波束宽度的一半，新的虚拟传感器的水平半角为天线另一维的波束宽度的一半；新的虚拟传感器的指向按第四步计算得到的方位角和仰角设置；通过分析虚拟地面站传感器对虚拟待成像目标的覆盖情况，得到待成像目标穿越雷达波束的进入时刻和离开时刻，作为本次成像的起始时刻和结束时刻；第六步：根据第五步计算得到的本次成像的起始时刻和结束时刻，通过STK软件的可见性分析工具，计算成像起始时刻和结束时刻ISAR雷达到待成像目标的最近斜距Rn和最远斜距Rf；第七步：在第六步计算得到的最远斜距Rf和最近斜距Rn两端对称增加保护冗余斜距Rr，用于后续步骤中的ISAR雷达回波窗长度设计和PRF选择；第八步：根据ISAR雷达的占空比和数据率的限制，设置ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp；第九步：根据第六步计算得到的待成像目标到ISAR雷达的最近斜距Rn和最远斜距Rf，第七步得到的保护冗余斜距Rr，第八步得到的ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp，计算ISAR雷达的发射脉冲干扰带区间，计算方法如式(2)所示：其中c为光速，N发射接收脉冲延迟数，PRT为ISAR雷达的发射脉冲间隔；根据式(2)，通过斑马图在雷达发射脉冲干扰带的间隙选择PRT，将得到的PRT取倒数得到ISAR雷达PRF；第十步：根据第八步设置的ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp和第九步得到的ISAR雷达PRF，计算ISAR雷达占空比Dc，计算方法如式(3)所示Dc＝Tp*PRF(3)然后判断占空比Dc是否超出ISAR雷达占空比上限，若超出，则返回第八步，否则，将ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp确定为实际发射脉冲宽度，将第九步得到的ISAR雷达PRF确定为实际PRF，并进行下一步；第十一步：根据第六步计算得到的待成像目标到ISAR雷达的最近斜距Rn和最远斜距Rf，第七步得到的保护冗余斜距Rr，第八步得到的发射脉冲宽度Tp，计算ISAR雷达回波窗长度Tw，计算方法如式(4)所示：第十二步：根据第十步选定的实际PRF和第十一步计算得到ISAR雷达回波窗长度，计算数据率Dr，计算方法如式(5)所示：Dr＝(2*fs*Qn*Tw*BAQ+An*Qn)*PRF(5)其中fs为距离向采样频率，Qn量化位数，BAQ为数据压缩率，An为辅助数据位数；第十三步，根据第十二步计算得到的数据率Dr和ISAR雷达系统数据存储和传输能力，判断数据率Dr是否超出ISAR雷达系统数据存储和传输能力，若超出，则返回第七步，否则，进行下一步；第十四步，根据第六步计算得到的待成像目标到ISAR雷达的最近斜距Rn、第七步得到的保护冗余斜距Rr和第九步选定的PRF，计算ISAR雷达回波起始时间Ts，计算方法如式(6)所示：第十五步，采用机械扫描和ISAR雷达天线电扫描相结合的方式，调整成像需要的波束指向；根据电扫描角寻找天线波位，使得ISAR雷达到待成像目标的视线最接近波束中心；第十六步，根据第十五步得到的天线波位，计算ISAR雷达到待成像目标的视线与波束中心的夹角，进而得到对应的天线增益G；第十七步，计算除手动增益控制增益值MGC外的接收机输入端回波信号强度Is，计算方法如式(7)所示：其中Pt为峰值发射功率，λ为载波波长，σ为目标估计雷达散射截面，Grc为除手动增益控制增益值MGC外的接收通道总增益，L传输链路损耗，R为ISAR雷达到目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：根据已知的空间目标轨道参数，计算空间目标运行轨迹；在卫星仿真工具包软件中建立虚拟待成像空间目标，将最新的轨道数据导入STK软件，更新目标轨道信息；第二步：为第一步建立的虚拟待成像空间目标设置一个虚拟传感器，根据ISAR天线最大扫描范围设置垂直半角θVHA，垂直半角θVHA的计算方法如式(1)所示：

【技术特征摘要】
1.一种空间目标逆合成孔径雷达成像参数设计方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：根据已知的空间目标轨道参数，计算空间目标运行轨迹；在卫星仿真工具包软件中建立虚拟待成像空间目标，将最新的轨道数据导入STK软件，更新目标轨道信息；第二步：为第一步建立的虚拟待成像空间目标设置一个虚拟传感器，根据ISAR天线最大扫描范围设置垂直半角θVHA，垂直半角θVHA的计算方法如式(1)所示：其中Re为地球半径，H为轨道高度，θr_max为ISAR天线最大扫描范围；根据ISAR雷达所处位置经纬度坐标，在STK软件中建立虚拟地面站，通过分析虚拟待成像空间目标上的虚拟传感器对虚拟地面站的覆盖情况，覆盖时间中心时刻为过顶时刻，即斜距最短的时刻；第三步：首先将第二步得到的过顶时刻设置为成像中心时刻，根据试验场周围实际环境，判断是否存在遮挡，若此时ISAR雷达到待成像目标的视线上存在遮挡，则依次在第二步得到的覆盖时间范围内寻找避开遮挡的成像时刻，将避开遮挡的成像时刻设置为成像中心时刻；第四步：根据第三步得到的成像中心时刻，通过STK软件的可见性分析工具，计算成像中心时刻虚拟地面站到虚拟待成像目标的方位角和仰角；第五步：在STK软件中，为虚拟地面站建立一个新的虚拟传感器，来模拟ISAR雷达系统，新的虚拟传感器的垂直半角为期望待成像目标穿过方向的天线波束宽度的一半，新的虚拟传感器的水平半角为天线另一维的波束宽度的一半；新的虚拟传感器的指向按第四步计算得到的方位角和仰角设置；通过分析虚拟地面站传感器对虚拟待成像目标的覆盖情况，得到待成像目标穿越雷达波束的进入时刻和离开时刻，作为本次成像的起始时刻和结束时刻；第六步：根据第五步计算得到的本次成像的起始时刻和结束时刻，通过STK软件的可见性分析工具，计算成像起始时刻和结束时刻ISAR雷达到待成像目标的最近斜距Rn和最远斜距Rf；第七步：在第六步计算得到的最远斜距Rf和最近斜距Rn两端对称增加保护冗余斜距Rr，用于后续步骤中的ISAR雷达回波窗长度设计和PRF选择；第八步：根据ISAR雷达的占空比和数据率的限制，设置ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp；第九步：根据第六步计算得到的待成像目标到ISAR雷达的最近斜距Rn和最远斜距Rf，第七步得到的保护冗余斜距Rr，第八步得到的ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp，计算ISAR雷达的发射脉冲干扰带区间，计算方法如式(2)所示：其中c为光速，N发射接收脉冲延迟数，PRT为ISAR雷达的发射脉冲间隔；根据式(2)，通过斑马图在雷达发射脉冲干扰带的间隙选择PRT，将得到的PRT取倒数得到ISAR雷达PRF；第十步：根据第八步设置的ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp和第九步得到的ISAR雷达PRF，计算ISAR雷达占空比Dc，计算方法如式(3)所示Dc＝Tp*PRF(3)然后判断占空比Dc是否超出ISAR雷达占空比上限，若超出，则返回第八步，否则，将ISAR雷达初始发射脉冲宽度Tp确定为实际发射脉冲宽度，将第九步得到的ISAR雷达PRF确定为实际PRF，并进行下一步；第十一步：根据第六步计算得到的待成像目标到ISAR雷达的最近斜距Rn和最远斜距Rf，第七步得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓磊，张庆君，赵良波，刘杰，齐亚琳，赵峭，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11