基于分辨性能的GEOSAR凝视成像轨道优化设计

利用地球同步轨道合成孔径雷达(SAR)卫星对地覆盖范围广、轨道周期短等特点,结合波束控制技术可以实现对热点地区的长时间持续观测,即地球同步轨道SAR(GEOSAR)凝视成像。对于GEOSAR凝视成像系统而言,由于轨道高度大大提高,地球自转效应和地表曲率的影响更加显著,在对目标的持续观测过程中,分辨性能变化较大,甚至存在无法二维分辨的观测位置。为了保证卫星资源的利用率,需要通过轨道参数的优化设计,获得更长的二维高分辨观测时间。通过引入俯仰角,对传统成像几何模型加以改进,并推导了适用于GEOSAR的二维分辨率表达式。利用该表达式,分析不同观测位置的二维分辨效果,计算不同轨道参数设计对应的有效观测时...     

卫星姿态导引对Geo-SAR 观测特性影响的分析

卫星姿态导引技术被广泛应用于现有的低轨星载SAR 系统之中,目的在于减轻接收数据中距离/方位向耦合。该文深入分析了卫星姿态导引对地球同步轨道合成孔径雷达(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar, Geo-SAR)的多普勒参数、测绘带宽以及距离徙动的影响,对比了Geo-SAR 的3 种姿态导引方式的效果。通过仿真验证了Geo-SAR 进行姿态导引的必要性,表明了基于椭圆轨道的2 维导引方法对于Geo-SAR 是最有效的。      

基于椭圆轨道的Geo-SAR精确多普勒参数解析计算方法

该文综合考虑了轨道偏心率、地球扁率和地球自转三方面的因素,推导得出高精度星载SAR多普勒中心频率和多普勒调频率解析式。鉴于2维姿态导引对于Geo-SAR的必要性,进一步分析了姿态导引后和零姿态导引两种情况下的多普勒参数,为Geo-SAR的多普勒参数计算提供了实用且有效的方法。该文得到的多普勒参数解析计算式适用于任意轨道高度和任意姿态的星载SAR,且具备很高的精度。基于该结论,研究了运行于椭圆轨道的Geo-SAR多普勒中心和多普勒调频率特性。     

面向顺飞双站小卫星条带SAR的电扫多普勒中心导引方法

多普勒导引是保证星载条带SAR正常工作的重要手段。传统星载双站SAR通过分别对主、辅星进行偏航控制实现多普勒导引,该方法对天线安装、波束宽度、基线长度等因素有较高的依赖性。高频段小卫星条带SAR波束较窄,对主、辅星分别进行多普勒导引会引入较大的增益损失;且对于天线指向星下点的小卫星,调整偏航角不再改变信号的多普勒中心,传统方法失效。为解决上述问题,本文提出了一种面向顺飞双站小卫星条带SAR的电扫多普勒中心导引方法。该方法采用电扫描的方式对主、辅星波束指向进行联合调整,并通过多普勒方程的联立保证调整后多普勒中心为零,因此实现了在不降低回波增益的条件下抑制多普勒中心的变化,从而大幅放宽了顺飞双站小卫星SAR受天线安装指向、雷达波段、基线长度的限制。本文使用Ka波段双站小卫星的参数进行了仿真实验,实验结果符合预期,验证了本文方法的有效性。      

卫星姿态对星载SAR多普勒参数的影响

通过对SAR卫星运动的分析,推导出椭圆轨道星载SAR考虑姿态角（横滚、俯仰、偏航）的多普勒性质的表达式.讨论了卫星姿态角对多普勒性质的影响.并就卫星姿态对星载SAR多普勒参数的影响进行了仿真试验,理论和仿真结果表明卫星姿态对星载SAR多普勒参数有较大的影响.     

基于波数域子孔径的机载三维SAR偏航角运动误差补偿

机载3维SAR可实现3维成像, 但运动误差会影响成像质量, 其中姿态角误差改变阵元间相对位置, 影响复杂, 目前还没有基于测量数据的补偿方法。该文建立了机载3维SAR成像模型, 分析了姿态角误差对成像的影响, 其中偏航角误差的补偿最为复杂。由回波相位可得航迹向和跨航向波数, 根据这两个波数计算的距离误差与目标位置无关, 消除了误差的空变性。提出在航迹向和跨航向2维波数域分块计算距离误差, 在空域补偿的波数域子孔径补偿方法。仿真结果证明该方法可有效补偿偏航角运动误差的影响。      

高轨SAR多普勒中心补偿的二维姿态控制方法

该文提出一种高轨SAR多普勒中心补偿的2维姿态控制方法,在保证波束照射到地球表面的前提下,调整波束中心指向将多普勒中心补偿为零。首先分析了无偏航控制、1维偏航控制情况下的多普勒中心,说明了2维姿态控制的必要性;然后根据零多普勒面与地球表面的交线,在卫星轨道坐标系下,得到了在任意轨道位置将多普勒中心补偿为零的波束中心指向的解析表达式。仿真实验验证了该方法的有效性。     

地球同步轨道星载SAR观测特性分析

地球同步轨道星载合成孔径雷达(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar,GEOSAR)具有超高的卫星轨道和超长的合成孔径时间,相比于目前的低轨星载SAR,GEOSAR在信号特性与成像信号处理方面变化显著.GEOSAR体制和理论方法的研究都要以GEOSAR自身的特性分析为基础.文中根据GEOSAR的星地几何关系对星下点轨迹、卫星速度与波束扫描速度、合成孔径时间、多普勒特性等观测特性进行了深入分析,然后在此基础上与典型低轨SAR进行比较,得出了相应结论.     

基于非均匀同区域线性CCD成像的卫星姿态调整与非线性定标方法

提出了对非均匀场景同一区域成像的卫星姿态调整及基于直方图匹配的线阵CCD非线性相对辐射定标方法.当在轨卫星需要执行相对辐射定标任务时,首先计算初始偏流角并调整卫星偏航角进入在轨定标成像模式;然后在定标成像过程中控制卫星偏航角,使得线阵CCD阵列的所有像元能够依次对同一区域成像;最后基于直方图匹配方法建立高精度非线性相对辐射定标模型.仿真实验给出了不同姿态对应的定标成像情况下的偏航角调整大小与调整周期,并分析了引起偏流角误差的因素及其对偏流角的不确定性.该方法既不需要地面均匀定标场等,也不需要统计分析大量在轨图像数据;且每一轨都可以执行定标任务,避免了卫星不同轨数据之间的不稳定性所带来的定标源自身不可靠问题.     

飞行目标3维姿态测量的新方法

针对传统光测方法通常用于测量目标的点运动轨迹,而难以获得目标的3维姿态参数的情况,提出用数字图像处理手段,对目标图像建立特征点,结合特定的算法,得出目标的俯仰角、偏航角、滚动角、漂移量等3维参数,从而获取更多的目标姿态参数的新方法。     

天基雷达地面回波多普勒频率分析

根据天基雷达和地面回波点的几何关系分析了地球自转对天基雷达地面回波多普勒频率的影响.研究表明:在卫星高度一定时,偏航幅度和偏航角只与卫星的轨道倾角和星下点纬度有关;偏航角在近似±3.78°区间里变化,偏航幅度接近于1;星下点纬度为零时,偏航角和偏航幅度随着轨道倾角的增大而单调递增,并且在赤道上空35 754 km时,多普勒频率为零,卫星与地球同步运行;地球自转使地面回波无模糊的角度-多普勒迹发生了弯曲.该研究结果为天基雷达杂波抑制和动目标检测提供了依据.     

联合多方位角调频率估计的星载SAR三维成像方法

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)通过波束的方位向扫描可以实现单次航过的多方位观测。在多方位角观测过程中,卫星弯曲轨道可等效为长3维曲线阵列,从而具备了3维成像能力。由于多方位角观测在高度维采样的稀疏性,无法直接通过3维FFT实现无模糊成像,且目标在不同方位角SAR图像的投影与高程间的传递相对复杂。针对该问题,该文提出了联合多方位角调频率估计的星载SAR3维成像方法。该方法首先给出了不同观测方位角下多普勒调频率误差与目标高程误差间的关系,利用视错位法(Map Drift, MD)估计多普勒调频率误差。然后,联合多方位角高程估计结果提升高程估计精度。最后,利用高程估计结果恢复目标3维几何信息,从而实现3维成像。仿真实验验证了该方法的高程估计精度可达米级。      

椭圆轨道全零多普勒导引律研究

星载合成孔径雷达(SAR)数据处理中,多普勒特性对于方位向性能以及成像精度都有直接的影响。基于轨道动力学理论,在椭圆轨道情况下,该文导出了同时考虑偏航控制和俯仰控制的多普勒中心频率解析表达式,分别分析了偏航控制和俯仰控制对多普勒中心的影响,提出一种基于椭圆轨道的全零多普勒方法,并用TerraSAR-X轨道参数进行了数值仿真,仿真结果表明,使用该方法后,多普勒中心频率被减小到不超过5 Hz,比传统的偏航导引方法缩小了约一百倍,比基于瞬时圆轨道的全零多普勒方法缩小了5倍,表明了该方法的有效性。     

一种改进的GEO SAR回波仿真方法

地球同步轨道合成孔径雷达（Geosynchronous Earth Orbit SAR，GEO SAR）是近几年来SAR领域的研究热点。GEO SAR轨道高度达到35786km，作用距离远、覆盖范围大，使得传统低轨星载SAR的回波仿真方法不再适用，例如双程斜距计算方法、姿态导引方法、地面目标布设方法等都需要改进。回波仿真是SAR成像处理的一个重要环节，在吸收现有研究成果的基础上，提出了一种改进的GEO SAR回波仿真方法，考虑了不同的轨道构型，在椭球地球表面布设点阵目标，更符合实际情况。通过回波仿真和成像验证了所提方法的有效性。     

星载合成孔径雷达系统偏航控制的精确计算

该文详细推导了星载合成孔径雷达系统中偏航控制角的精确计算公式;由于推导过程中卫星轨道采用了标准的椭圆轨道模型和地球的椭球体模型,从而解决了传统的近似计算方法所带来的残余偏差较大的问题。所得结果普遍适用于不同轨道和雷达参数的星载合成孔径雷达系统。文中同时给出了一种快速的近似计算方法,最后给出了采用TerraSAR-X系统参数时的仿真计算结果。利用该文提出的计算方法,采用偏航控制的多普勒中心校正误差可以达到0.01Hz量级,从而实现了偏航控制的精确计算。     

星载SAR脉冲重复频率和幅宽冗余设计的仿真与研究

介绍了星载SAR(合成孔径雷达)PRF(脉冲重复频率)的设计方法,分析了影响PRF的因素,针对轨道高度突变、PRF如何变化而满足对同一波位连续成像的情况下给出了仿真。讨论了在观测幅宽冗余设计的前提下,当卫星轨道高度或姿态发生变化时,星载SAR波位设计可能受到的影响程度,通过仿真表明,观测幅宽冗余设计一定时,要求卫星的高度和视角突变不能超过一定的范围。     

GEOSAR舰船目标三维转动对检测信噪比影响分析

回波信号信噪比(SNR)是决定地球同步轨道合成孔径雷达(GEOSAR)舰船目标检测性能的关键指标。该文针对GEOSAR卫星与舰船目标超远作用距离导致的单脉冲回波低信噪比问题,具体分析了方位脉冲相干积累对舰船目标检测信噪比的提升,以及信噪比提升受舰船目标3维转动的影响,并通过实测数据处理和仿真实验得出了相关结论。     

星载SAR成像对卫星姿态控制精度的要求

详细地论述了椭圆轨道条件下星载SAR目标的多普勒特性,推导了卫星姿态变化下多普勒参数的表达式,证明了卫星姿态变化对星载SAR成像的影响.理论分析与仿真结果表明卫星轨道近似与姿态变化对星载SAR成像有较大影响,应根据不同的成像精度提出不同的卫星控制精度.     

敏捷卫星对目标访问信息的计算方法

任务分解是任务规划的前提,其核心是计算卫星对目标的访问信息,即计算卫星访问目标时的姿态角、实际地面分辨率和太阳高度角。首先计算目标点在地心空间直角坐标系中的坐标,经过多次坐标转换,得到目标点在卫星轨道坐标系中的坐标,从而可以计算出相应时刻卫星对该目标的二维指向角度。在此基础上,根据卫星成像原理,分别计算光学卫星和雷达卫星的实际地面分辨率。最后,通过计算太阳赤纬和太阳时角,得到太阳高度角。     

多站ISAR空间目标姿态估计方法

该文提出一种基于多站逆合成孔径雷达(ISAR)序列成像的空间目标姿态估计方法。方法提取各帧ISAR图像中目标的典型线性结构,结合目标轨道信息实现关键部件姿态估计。该文建立了较为稳健的空间目标ISAR几何结构分析流程,采用Radon变换对太阳能翼、平板天线等线性结构进行提取和关联,继而估计典型线性结构在距离-多普勒成像平面的姿态角变化,同时利用卫星轨道信息获得ISAR距离-多普勒投影矩阵进行线性结构的3维姿态解算,最终实现典型部件姿态的优化求解估计。仿真实验验证了所提算法可有效实现空间目标典型部件的姿态估计,同时利用多站ISAR观测数据可有效提升算法的估计精度。