一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)的技术领 域，具体涉及一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法。

背景技术

星载场景匹配SAR是星载SAR的一种特有的工作模式。相对于传统星载 SAR，星载场景匹配SAR通过连续调整俯仰波束指向，直接生成沿目标地形的 测绘带，而不是传统的沿卫星轨道生成测绘带，这使得其在对某些“斜向场景” 如地震带、海岸线成像时具有独特的优势。若采用传统模式对“斜向场景”成像， 只能使用多成像带观测策略，这会导致数据获取时间长，无效数据多等问题； 若采用场景匹配模式对“斜向场景”成像，将直接生成与“斜向场景”相匹配的成像 带，较好的解决了这一问题。

在成像过程中，星载场景匹配SAR的波束俯仰向指向连续变化，导致其斜 距历程时变剧烈，给波位设计带来了一定的困难。同时，星载场景匹配SAR要 求成像带与场景相“匹配”，其几何构型中的参量多、自由度高，这意味着即使对 于相同的卫星轨迹和观测场景，依旧有许多不同角度的观测方案。基于以上两 点，需要建立几何模型并进行优化设计，找到一个最优的数据获取构型以减小 斜距变化便于后续进行系统波位设计，并且给出观测场景与卫星轨道的解析关 系，做到依据观测场景的改变而直接、快速的调整数据获取构型。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方 法，能够弥补现有技术的不足，解决星载场景匹配SAR模式中数据获取构型不 定，设计准则不明确的问题。

实现本发明的技术方案如下：

一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一、设定星载SAR系统参数和观测场景参数，建立星载场景匹配SAR 几何模型；

步骤二、基于星载场景匹配SAR几何模型特征，得到卫星在数据获取期间 中心斜距变化量的解析表达式；

步骤三、在满足成像带长、宽均覆盖场景的情况下，采用凸优化的方法得 到中心斜距变化量最小时，波束指向与卫星轨道位置的解析关系；

步骤四、根据卫星的轨道位置信息和观测场景位置信息得到波束指向。

进一步地，对于卫星轨道直线假设，在L已知的情况下，通过式(8)得到场景 匹配模式下的α，即为最优波束倾角；

其中，H为轨道高度，W

进一步地，若地球曲率不可忽略，在L已知的情况下，通过式(9)得到景匹 配模式下的α，即为最优波束倾角；

其中，Re为地球半径，H为轨道高度，W

有益效果：

本发明首次以解析形式给出了最小斜距变化量约束下的星载场景匹配SAR 最优构型设计方法，可在轨道和场景一定时，确定最优波束指向。

附图说明

图1是本发明所述星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法的流程图。

图2是本发明所述的星载场景匹配SAR几何模型示意图。

图3是实施例中观测场景示意图，其中，(a)为未确定成像带的观测场景 示意图，(b)为确定成像带的观测场景示意图。

图4是实施例中固定卫星轨道下中心斜距变化量随波束斜角的关系。

图5是实施例中场景匹配模式下的波束指向变化历程，其中，(a)为斜视 角变化历程，(b)为下视角变化历程。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法，流程图 如图1所示，其具体过程如下：

步骤一，设定星载SAR系统参数和观测场景参数，建立星载场景匹配SAR 几何模型。

星载场景匹配SAR几何模型如图2所示，其中卫星速度大小为V，轨道高 度H，观测带长度为W

步骤二，基于场景匹配SAR几何模型特征，得到卫星在数据获取期间中心 斜距变化量ΔR的解析表达式。

将观测场景的长、宽用雷达参数表示，其中

步骤三，在满足成像带长、宽均覆盖场景的情况下，采用凸优化的方法得到 中心斜距变化量最小时，波束指向与卫星轨道位置的解析关系。

要实现场景匹配SAR模式成像，首先需要波束完整的扫过场景，即成像带 的长、宽需要满足如下关系：

其中W

另一方面，需要使数据获取期间中心斜距变化量最小，即式(1)中的ΔR最小， 可以发现这是一个凸优化问题，考虑式(1)、(2)可以得到其KT条件如式(3)所示， 其中

由(3)中第一行等式可以得到式(4-1)、(4-2)：

对(4-1)进行化简，其表达式如式(5-1)。可以看到该式的前两项均大于零，因 此第三项中的λ

同样的，假设(4-2)中λ

因为距离向波束宽度

结合(5)、(7)两式可发现其中存在矛盾，因此假设λ

基于以上分析可知，对于最小化中心斜距变化量准则来说，其最优解仅存在 于在成像带长、宽等于场景长、宽时。式(3)的凸优化问题被简化为一个条件极 值问题。

为了便于描述卫星轨道的位置，用图1中的L将式(3)中β

上式为在直线模型下的解析关系，若考虑地球曲率的影响，则上式变为式(9)：

步骤四、根据卫星的轨道位置信息和观测场景位置信息得到具体的波束指向。

根据卫星实际运行轨道计算得出波足中心在场景上的轨迹到卫星轨道在地 面上的投影的最近距离为L，依据式(9)解出最优波束斜角，再根据观测时的几 何关系即可得到成像期间波束的下视角变化曲线与斜视角变化曲线。

为验证星载场景匹配SAR数据获取构型优化设计方法在解决斜距时变剧烈 问题的优势，表1为场景匹配SAR部分仿真参数，现以中国台湾南部沿海为 例进行仿真验证，观测场景示意图如图3(a)。

首先确定待观测场景的卫星轨道位置并根据待观测场景设置成像带位置、尺 寸，成像带示意图如图3(b)，表2为设置好的成像带参数。

表1场景匹配SAR卫星参数列表

表2成像带参数列表

根据表1、表2中卫星轨道与成像带位置信息即可求得L，并将其带入式(9) 中得到基于中心斜距最小变化准则下的最优波束斜角为α

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。