一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法及装置

技术领域

本申请涉及星载合成孔径雷达总体技术领域，尤其涉及一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法及装置。

背景技术

双天线干涉合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)卫星能够实现全天时、全天候的陆地和海洋监视监测，其获取的高精度的数字高程模型(Digital ElevationModel，DEM)数据，是国家重要的地理空间基础信息。星载双天线干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)系统包括主、副天线，天线支撑臂，基线测量系统以及波束对准系统等，与重复通过InSAR模式相比，它不存在时间去相干，具有数据干涉型号，质量高等优点。可形成对境内DEM的业务化覆盖，广泛应用于国民经济与社会发展的多个行业，全面提高在国土测绘、资源勘探、地震及灾害监测方面的能力。

双天线通过可伸缩的铰接式支撑臂链接，采用单臂或双臂展开。为提升测绘精度，国内基于双臂展开提出了一种新的双天线干涉SAR卫星。该卫星采取水平飞行模式，发射前两幅天线折叠在星体两侧，入轨后向两侧各两侧伸展；工作期间天线通过电扫、转动机构来满足工作任务要求。卫星在轨工作状态如图2所示。

目前双天线干涉SAR卫星的系统工作状态所采用的传统收发模式，在计算某波位的距离模糊时存在两个天线互相干扰的问题，严重影响了双天线干涉SAR卫星的距离模糊。

发明内容

为解决上述问题，本申请实施例提供了一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法及装置。

本申请实施例提供了一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法，所述方法包括：

接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；

通过第一天线向所述目标区域发射测量信号；

通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；

通过第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；

根据所述第一回波信号和所述第二回波信号分别成像得到第一测绘图像和第二测绘图像；

根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。

上述方案中，所述方法还包括：

根据所述测绘指令确定所述测量信号的波束宽度。

上述方案中，所述方法还包括：

根据所述测绘指令确定所述测量信号的入射角范围。

上述方案中，所述根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像，包括：

将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。

上述方案中，所述第一天线和所述第二天线的发射功耗大于接收功耗。

本申请实施例提供一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像装置，所述装置包括：

主控模块，用于接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；

测量模块，用于通过第一天线向所述目标区域发射测量信号；

接收模块，用于通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；通过第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；

图像处理模块，用于根据所述第一回波信号和所述第二回波信号分别成像得到第一测绘图像和第二测绘图像；根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。

上述方案中，所述主控模块还用于：根据所述测绘指令确定所述测量信号的波束宽度。

上述方案中，所述主控模块还用于：根据所述测绘指令确定所述测量信号的入射角范围。

上述方案中，所述图像处理模块，具体用于：将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。

上述方案中，所述第一天线和所述第二天线的发射功耗大于接收功耗。

本申请提供的技术方案中，通过接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域；通过第一天线向所述目标区域发射测量信号；通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；通过第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；根据所述第一回波信号和所述第二回波信号分别成像得到第一测绘图像和第二测绘图像；根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像；通过一个单天线发射展宽波束的脉冲信号，双天线分别接收相邻测绘带的回波信号，对两幅图像进行拼接可实现高分辨率宽测绘带对地观测成像的目的，为双天线SAR系统拓宽了应用范畴，具有显著的实际应用意义，在有效利用现有双天线SAR系统的条件下，不需要增加任何硬件设施，易于实现。

附图说明

附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1为本申请实施例一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法流程示意图；

图2为本申请一些实施例中双天线干涉SAR卫星的在轨工作状态模拟示意图；

图3为双天线SAR系统的原理框图；

图4为两发两收方案示意图；

图5为两发两收方案的工作时序示意图；

图6为本申请实施例的宽发两窄收方案示意图；

图7为本申请实施例的宽发两窄收方案的工作时序示意图；

图8为本申请实施例实验的拼接波位示意图；

图9为本申请实施例实验的地距分辨率示意图；

图10为本申请实施例实验的宽发两窄收方案系统灵敏度结果示意图；

图11为本申请实施例实验的两发两收方案系统灵敏度结果示意图；

图12为本申请实施例实验的两种方案相应的方位模糊示意图；

图13为本申请实施例实验的两发两收方案对应的拼接波位的距离模糊示意图；

图14为本申请实施例实验的宽发两窄收方案对应的拼接波位的距离模糊示意图；

图15为本申请实施例提供一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像装置结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

在本申请实施例记载中，需要说明的是，除非另有说明和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例可以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

图1为本申请实施例一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法流程示意图，如图1所示，本申请实施例的基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法包括以下步骤：

步骤101，接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域。

测绘指令包括目标区域的坐标范围，通过对所述测绘指令的分析，获取所述目标区域的位置信息。

在一些实施例中，目标区域可以包括测绘带，测绘带可以包括两个以上子带，子带即子测绘带；对应地，相邻的第一区域和第二区域，第一区域可以包括测绘带的其中一个子测绘带，第二区域可以包括测绘带中与第一区域相邻的另一个子测绘带；在一些实施例中，相邻的第一区域和第二区域共同构成了目标区域。

在一些实施例中，上述方法还包括：根据测绘指令确定测量信号的波束宽度。

在一些实施例中，上述方法还包括：根据测绘指令确定测量信号的入射角范围。

步骤102，通过第一天线向所述目标区域发射测量信号。

步骤103，通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号。

步骤104，通过第二天线接收所述第二区域的第二回波信号。

步骤105，根据所述第一回波信号和所述第二回波信号分别成像得到第一测绘图像和第二测绘图像。

步骤106，根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。

具体地，在一些实施例中，所述根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像，包括：将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。

本申请实施例中，第一天线和第二天线的发射功耗大于接收功耗。具体地，在一些实施例中，第一天线和第二天线包括双天线SAR卫星的性能相近或相同的两个天线，在本申请实施例中，第一天线的发射功率大于接收功率，第二天线的发射功率大于接收功率，第一天线和第二天线的接收功率可以看作相同或近似相同。

本申请实施例中，通过第一天线向所述目标区域发射测量信号，使双天线SAR卫星在工作状态下能够只启用两个天线中的一个作为发射天线，大幅降低了SAR卫星的功耗，且降低了天线用于发射的衰减损耗，进而提高了双天线SAR卫星的使用寿命。

在一些实施例中，交替将双天线SAR卫星的两个天线作为第一天线；具体地，在每次测绘任务开始时，将上一次测绘任务中用作第二天线的天线作为本次测绘任务的第一天线。通过交替将双天线SAR卫星的两个天线作为第一天线，能够均衡双天线SAR卫星天线用于发射的衰减损耗，进一步提高了双天线SAR卫星的使用寿命。

双天线干涉SAR卫星的雷达载荷由天线、中央电子设备和远端电子设备以及支撑臂电缆组成。其主要功能是产生信号源、通过射频系统将信号转送至发射天线、再通过天线阵面将信号辐射至指定区域、两幅天线同时接收回波信号并对其放大、变频、解调后转换为数字信号并下传至地面处理系统，为后续的成像处理提供原始数据。为了确保有效载荷部分的正常稳定工作，还需内定标单元对发射和接收通道实时监测并进行必要的补偿。双天线SAR系统的原理框图如附图3所示。

中央电子设备：根据卫星指令，选择星载SAR的工作模式，控制各分机的工作，监测各分机是否正常工作，与卫星数管系统通讯联系，向卫星监控单元报告SAR的工作状态；产生基准频率信号和中频线性调频(linear frequency modulation，LFM)信号；进行数据采集。

远端电子设备：对中央电子设备送来的控制信息进行解析，实现模式切换和同步控制，监控其自身的工作状态；对中央电子设备送来的中频LFM信号进行倍频、上变频和功放，送至发射天线；对天线接收的信号进行放大和下变频后传回中央电子设备；实现内定标功能。

天线：同一个脉冲周期时间(Pulse Recurrent Time，PRT)内，天线完成雷达信号发射与回波信号接收，配合远端电子设备完成内定标功能。

支撑臂电缆：完成中频LFM信号上传；完成天线接收的回波信号经下变频后的中频信号下传；完成频率参考信号由上行支撑臂电缆传到远端；下传部分参考信号用于测量电缆对参考信号的影响；实现舱内控制信号到远端的传输，远端监测信息到舱内的传输；实现远端电子设备和天线所需大功率电源的传输。

SAR分系统的两个远端电子设备具有相同的功能和性能要求，可以实现多通道、多模式工作。为实现高分宽幅对地成像的目的，两幅天线同时工作的方案有两种：1)两发两收方案，如图4所示：双天线各发各收，分别对相邻的两个测绘带进行成像，然后做图像拼接；该方案的时序图如图5所示；2)本申请实施例的宽发两窄收方案，如图6所示：天线1发射宽波束的脉冲信号，天线1和天线2分别接收相邻测绘带的回波，通过图像拼接形成大幅宽的图像；该方案的时序图如图7所示。

双天线两发两收方案的系统工作状态与单天线完全相同。需要注意的是，计算两发两收模式某波位的距离模糊时，除了考虑常规待测天线自己的信号引入的模糊能量以外，还要考虑另一个天线发射的信号被待测天线接收引入的模糊能量。主要的模糊能量来源于另一天线发射的信号被待测天线在主瓣内接收(与待测天线的主瓣信号能量相近)引入的误差。这一项使得模糊能量与信号能量相近，距离模糊很差，因此该方案实际应用时不推荐。

双天线宽发两窄收方案的特点是，系统的一个天线发射宽波束(天线的发射波束宽度覆盖两个波位的最远端和最近端斜距)脉冲信号，两天线同时接收相邻测绘带的回波。脉冲重复频率与常规条带一致，对系统没有任何附加硬件要求。发射天线是常规功耗，接收天线功耗低。

该方案在有效利用现有双天线SAR系统的条件下，不需要增加任何硬件设施，易于实现。单天线发射展宽波束的脉冲信号，双天线分别接收相邻测绘带的回波信号，对两幅图像进行拼接可实现高分辨率宽测绘带对地观测成像的目的，为双天线SAR系统拓宽了应用范畴，具有显著的实际应用意义。

为便于说明本申请实施例的有益效果，在一些实施例中，对本申请的基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像方法系统设计及仿真验证进行了实验，并与传统两发两收的测绘带成像方法进行了对比，具体地：

双天线SAR系统为实现高分辨率、宽测绘带的高要求，采用方位向双通道技术设计2m30km条带模式。单子带可实现30km幅宽，对两幅图像进行拼接可实现2m分辨率距离向54km的成像范围。

拼接模式系统设计参数如表1所示。

表1

拼接波位的设计如图8所示，覆盖入射角20°～27°的范围。

相应入射角下的地距分辨率如图9所示，全入射角的距离分辨率为1.55～2.03m。

系统灵敏度的结果如图10所示，为了便于对比本申请技术方案的效果，这里给出了两发两收及宽发两窄收两个方案对应的系统灵敏度，如图11所示。两种方案都低于-21dB，两发两收方案的系统灵敏度相对宽发两窄收方案的系统灵敏度低2～3dB。这主要是由于宽发时发射天线的距离向波束图展宽较大，距离向波束展宽引入的天线增益下降较大，天线距离向扫描引入的增益下降也较大而引起的。两种方案相应的方位模糊均等于-22.58dB如图12所示。

两发两收方案对应的拼接波位的距离模糊如图13所示，宽发两窄收方案对应的拼接波位的距离模糊如图14所示，宽发两窄收方案的距离模糊优于-34.14dB，而两发两收方案由于相邻天线的信号干扰，距离模糊仅优于2.16dB。

以上结果可以看出，宽发两窄收的方案能够得到良好的图像性能。

图15为本申请实施例提供一种基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像装置结构示意图，如图15所示，本申请实施例的基于双天线SAR宽发两窄收的测绘带成像装置包括：

主控模块21，用于接收针对目标区域的测绘指令，其中，所述目标区域包括相邻的第一区域和第二区域。

测绘指令包括目标区域的坐标范围，通过对所述测绘指令的分析，获取所述目标区域的位置信息。

在一些实施例中，目标区域可以包括测绘带，测绘带可以包括两个以上子带，子带即子测绘带；对应地，相邻的第一区域和第二区域，第一区域可以包括测绘带的一个子测绘带，第二区域可以包括测绘带中与第一区域相邻的另一个子测绘带；在一些实施例中，相邻的第一区域和第二区域共同构成了目标区域。

在一些实施例中，所述主控模块21还用于：根据所述测绘指令确定所述测量信号的波束宽度。

在一些实施例中，所述主控模块21还用于：根据所述测绘指令确定所述测量信号的入射角范围。

测量模块22，用于通过第一天线向所述目标区域发射测量信号；

接收模块23，用于通过所述第一天线接收所述第一区域的第一回波信号；通过第二天线接收所述第二区域的第二回波信号；

图像处理模块24，用于根据所述第一回波信号和所述第二回波信号分别成像得到第一测绘图像和第二测绘图像；根据所述第一测绘图像和所述第二测绘图像确定所述目标区域的测绘图像。

在一些实施例中，所述图像处理模块24，具体用于：将所述第一测绘图像和所述第二测绘图像拼接得到所述目标区域的测绘图像。

所述第一天线和所述第二天线的发射功耗大于接收功耗。

本申请实施例中，第一天线和第二天线的发射功耗大于接收功耗。具体地，在一些实施例中，第一天线和第二天线包括双天线SAR卫星的性能相近或相同的两个天线，在本申请实施例中，第一天线的发射功率大于接收功率，第二天线的发射功率大于接收功率，第一天线和第二天线的接收功率可以看作相同或近似相同。

本申请实施例中，通过第一天线向所述目标区域发射测量信号，使双天线SAR卫星在工作状态下能够只启用两个天线中的一个作为发射天线，大幅降低了SAR卫星的功耗，且降低了天线用于发射的衰减损耗，进而提高了双天线SAR卫星的使用寿命。

在一些实施例中，交替将双天线SAR卫星的两个天线作为第一天线；具体地，在每次测绘任务开始时，将上一次测绘任务中用作第二天线的天线作为本次测绘任务的第一天线。通过交替将双天线SAR卫星的两个天线作为第一天线，能够均衡双天线SAR卫星天线用于发射的衰减损耗，进一步提高了双天线SAR卫星的使用寿命。

本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。