一种基于单反射面天线的GEO SAR卫星成像方法

技术领域

本发明提出一种基于单反射面天线的地球同步轨道合成孔径雷达(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar，简称GEO SAR)卫星成像方法，属于高轨微波成像卫星总体设计领域，尤其涉及具有距离向扫描能力的基于单反射面天线的GEO SAR卫星波束设计方法。

背景技术

1978年，K.Tomiyasu与美国国家航空航天局(National Aeronautics and SpaceAdministration,简称NASA)合作(项目编号NAS-2-9580)，首次提出了GEO SAR 的概念，并对GEO SAR进行了初始的参数分析。

相比于低轨合成孔径雷达(Low Earth OrbitSynthetic Aperture Radar，简称LEO SAR)而言，GEO SAR的最大优点是成像范围大、重访时间短：例如GEO SAR的重访时间最长为一天，而LEO SAR的重访时间一般为3～10天甚至更长。但是，GEO SAR的合成孔径时间与所需的发射功率和天线尺寸等都比LEO SAR 大很多，在当时的技术条件下难以实现。因此在随后的一段时间内，关于GEO SAR的研究工作呈现停滞状态。

进入二十一世纪后，随着技术的飞速发展，关于GEO SAR的研究工作再次进入活跃期。在NASA的支持下，美国的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,简称JPL)对GEO SAR进行了大量的研究，在地球同步轨道系统关键技术与应用方面取得了重要的研究成果。

2001年，美国JPL提出了一套GEO SAR卫星方案。GEO SAR由于其高度所带来的天线面积非常大，利用现有的技术将使得有源相控阵天线重量非常高，这对发射平台来说，是一个巨大的负荷，因此必须减小天线重量。在天线面积保持不变的情况下，只能通过减小天线质量密度来实现。美国JPL提出的解决减小天线质量密度的方法是采用薄膜材料作为天线材料，并于2003年给出了 30m×30m L波段薄膜相控阵大天线的概念设计。

该卫星设计采用口径为30m的平板式相控阵天线，相控阵基板为柔性的可折叠材料，在运载发射时可收拢。卫星采用一个可展开的桁架结构，12个可展开杆件在入轨后展开为一个平面，中间设一个撑杆并用拉索与以上的12个横杆相连。整个结构就像一个中心杆穿一个平面圆盘。为了能够在任何的光照条件下满足载荷极其巨大的发射功率，卫星采用了一种圆锥加圆锥底面的太阳电池片排布方案，以保证在任何轨道倾角、任何光照条件下卫星都可满足载荷的功率需求。

目前针对相控阵馈源单发射面天线的GEO SAR进行波束设计，均需要进行姿态调整，因此目前亟需一种无需进行姿态调整进行馈源设计以覆盖所有入射角范围的方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于单反射面天线的GEO SAR卫星成像方法，能够不进行姿态调整，针对相控阵馈源单发射面天线的GEO SAR进行波束设计，仅通过距离向电扫描覆盖所有入射角范围。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

S1、根据天线最小不模糊面积和分辨率的要求，选择天线口径，根据天线口径，选取天线焦距。

S2、根据入射角要求，推算下视角范围，得到天线所需达到的扫描范围；

SAR下视角和入射角的对应关系为

S3、设置天线馈源，以形成天线所需达到的扫描范围，进行卫星成像。

进一步地，S1中，根据天线最小不模糊面积和分辨率的要求，选择天线口径具体为：天线最小不模糊面积的为A

其中天线俯仰向尺寸的约束为

天线方位向尺寸的要求为

即

其中，l

分辨率为ρ

其中，v

进一步地，GEO SAR卫星的轨道高度为36000km，地球半径为6731km，入射角θ在[15°，55°]范围内，对应的下视角范围为[2.3°，7.4°]；下视角范围即为天线所需达到的扫描范围。

进一步地，S3中，设置天线馈源具体为：根据[2.3°，7.4°]的下视角范围，得天线所需达到的扫描范围为5.1°；其中单波束的宽度为[0.5°，1.5°]，两波束间10％的重合区域，则形成4-12个波束，其中四个馈源单元形成一个波束，则设置12-28个馈源单元。

有益效果：

本发明根据天线最小不模糊面积和分辨率的要求，选择天线口径，根据天线口径，选取天线焦距；根据入射角要求，推算下视角范围，得到天线所需达到的扫描范围；根据扫描范围需求，设计天线馈源形式。其中相控阵天线具有灵活的波束扫描能力，但其轻量化工作尚处于攻关阶段，不具备工程可实现性，而反射面天线重量轻，具有较好的工程可实现性，且GEO SAR卫星由于轨道高度高，距离向5°左右的电扫描角度即可满足工作需求，所以本发明提出一种基于单反射面天线的GEO SAR波束工作方法，基于相控阵馈源单发射面天线的 GEO SAR波束设计方法，可以不进行姿态调整，仅通过距离向电扫描覆盖所有入射角范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于单反射面天线的GEO SAR卫星成像方法流程图；

图2为天线距离向发射波束切面示意图；

图3为天线馈源阵列排布示意图；

图4为基于单反射面天线的GEO SAR卫星示意图。

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。

本发明提供了一种基于单反射面天线的GEO SAR卫星成像方法，其流程如图1所示，具体包含以下步骤：

S1、根据天线最小不模糊面积和分辨率的要求，选择天线口径，根据天线口径，选取天线焦距。

天线面积选择主要受天线最小不模糊面积和分辨率等因素的制约。

首先是天线最小不模糊面积的要求。天线俯仰向尺寸的约束为

其次是分辨率要求，天线口径与SAR分辨率的关系为

在实际工程实现中应考虑以上因素的约束，同时留有一定的余量，得到SAR 天线的面积和尺寸。

S2、根据入射角要求，推算下视角范围，得到天线所需达到的扫描范围

SAR下视角和入射角的对应关系为

S3、设置天线馈源，以形成天线所需达到的扫描范围，进行卫星成像。

根据2.3°-7.4°的下视角范围，可得天线馈源需要的电扫描范围为5.1°。若单波束的宽度为0.5°-1.5°，考虑到两波束间10％的重合区域(如图2)，则需要形成4-12个波束。如图3所示，若四个馈源单元形成一个波束，则需要12-28 个馈源单元，以形成所需的波束扫描范围。基于单反射面天线的GEO SAR卫星示意图如图4所示。

本发明提供的基于相控阵馈源单发射面天线的GEO SAR波束设计方法，可以不进行姿态调整，仅通过距离向电扫描覆盖所有入射角范围。

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。