表1(Table 1)
星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)滑动聚束模式是一种高分辨率宽覆盖的空间对地遥感观测模式,同经典的条带模式与聚束模式相比,滑动聚束模式依照系统顶层设计,在成像过程中不断控制方位向波束指向,缓解了条带模式难以实现高分辨率以及聚束模式覆盖性能差的问题[1, 2, 3].与此同时,滑动聚束模式还可以通过控制方位向波束的扫描速率灵活调整分辨率与测绘带宽[4, 5],因此,目前国外先进SAR系统,如TerraSAR-X以及下一代TerraSAR-X[6, 7, 8]都广泛运用了这种成像模式.
天线方位向波束扫描能力是星载SAR滑动聚束模式有效工作的重要前提,天线最小波束跃度则是星载SAR滑动聚束模式成像质量的重要保障.星载SAR滑动聚束模式实际工作过程中,由于卫星硬件限制,方位向天线波束指向控制存在一定的误差且无法连续扫描[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].文献[11, 12]明确指出TerraSAR-X卫星TOPSAR模式采用波束跃度的方式实现方位向波束的扫描,阐明了波束跃度将导致方位向虚假目标的出现,并给出了TOPSAR天线波束跃度与虚假目标幅度之间的定量化表达式,但并未分析天线波束跃度同虚假目标位置的映射关系.文献[13]对星载SAR聚束模式天线波束跃度控制进行了建模分析,但滑动聚束模式天线方向图调制同聚束模式具有本质区别,因此聚束模式波束跃度模型无法适用于滑动聚束模式的分析.文献[14]对机载SAR滑动聚束模式天线波束跃度控制对主瓣展宽的影响进行了分析,但并未涉及虚假目标幅度的分析.因此,开展方位向天线波束跃度对星载SAR滑动聚束模式成像质量影响分析,定量化描述天线波束跃度与虚假目标的关系,对系统顶层优化设计具有重要意义.
本文深化研究了星载SAR滑动聚束模式方位向波束跃度控制规律,构建了星载SAR滑动聚束模式回波信号数学模型.在此基础上,通过数学推导,定量化描述了天线波束跃度同虚假目标幅度和位置的映射关系,并讨论了不同波段下虚假目标对分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比以及系统增益的影响.最后,通过计算机仿真验证了理论推导的正确性,为天线控制精度指标的合理设计提供了重要的理论依据.
1 波束跃度下的回波信号数学建模图 1给出了星载SAR滑动聚束模式空间几何关系,星载SAR滑动聚束模式下,波束以等效旋转点为旋转中心由前至后进行主动扫描,由此引入的瞬时波束旋转角Φφ如下式所示[4]:
 |
| 图 1 星载SAR滑动聚束模式空间几何关系Fig. 1 Geometry of spaceborne sliding spotlight SAR |
然而,星载SAR滑动聚束模式实际工作过程中,天线无法连续扫描,而是采用波束跃度的方式实现天线扫描控制[11, 12].则瞬时波束旋转角Φφ采用波束跃度控制后的离散化波束旋转角度Φφq可以表示为
 |
| 图 2 波束跃度对方位向等效天线方向图的影响Fig. 2 Impact of beam granularity on azimuth equivalent antenna |
由于波束旋转角度是方位时间的函数,如式(1)所示,因此为方便后续推导,将方位时间的离散化取代波束旋转角度的离散化,则式(3)可以改写为
g(t)相当于把周期函数
进行傅里叶级数展开,即
而
因此,Gaq(t)可展开为一阶泰勒级数:
因此,星载SAR滑动聚束模式波束跃度控制下的方位向回波信号数学表达式为
理想情况下,星载SAR滑动聚束模式点目标方位向回波信号si(t)通过匹配滤波器h(t)=ejπkrt2以后的输出为[15]
将式(8)代入式(11)可以得到soq(t)的解析表达式为
结合式(12)和式(13)可知天线波束跃度将使主瓣两侧出现无穷多对成对回波,sp(t,n)为主瓣两侧第n对成对回波,随着n增大,虚假目标远离主瓣且幅度变小,对成像质量的影响也可以忽略不计.
下面主要分析主回波两旁的第1成对回波(n=1)的虚假目标位置与幅值.
由式(13)可知,n=1时,sp(t,1)的峰值出现的位置t0以及sp(t,1)峰值与s0(t)的峰值的幅度比值Ep1由式(14)给出:
结合式(4),式(14)可改写为
由式(15)可以得到如下结论:
1) 不同于星载SAR聚束模式[11],滑动聚束模式方位向天线波束跃度控制引入的成对回波为双峰,而VkrRRSΔΦφYLV2λRRSkr,虚假目标sp(t,1)的峰值将出现在±VkrRRSΔΦφ附近,即虚假目标位置受信号波长λ影响较小.此外天线最小波束跃度ΔΦφ越高,成对回波离主瓣越远.RRS决定了滑动聚束模式的天线扫描速度与方位向分辨率,当RRS变小,天线扫描速度越快,方位向分辨率越高,成对回波位置离主瓣也越远.
2) 成对回波的幅度Ep1只与方位向天线长度D、天线最小波束跃度ΔΦφ以及信号波长λ相关.Ep1与D成正比,为降低天线最小波束跃度精度要求,需要缩短方位向天线长度.Ep1与λ成反比,较长的信号波长将降低天线波束控制精度要求,即最小波束跃度一定的条件下,C波段成对回波幅值要低于X波段的成对回波幅值.
第1对成对回波sp(t,1)对输出回波so(t)的影响十分复杂,sp(t,1)峰值位置t0的不同,其对分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比以及系统增益的影响也不同:
1) |t0|<
时,其中Ts为合成孔径时间,sp(t,1)峰值落在so(t)的主瓣内,使得主瓣展宽,分辨率下降,同时减小积分旁瓣比与系统增益,而对峰值旁瓣比影响较小.
2) |t0|=时,sp(t,1)峰值位置落在第一零点处,此时积分旁瓣比增大,系统增益减小,分辨率影响较小,而且当Ep1大于so(t)的峰值旁瓣时,峰值旁瓣比增大.
3) <|t0|≤
时,sp(t,1)峰值位置落在so(t)的副瓣内,此时积分旁瓣比增大,系统增益减小,分辨率影响较小,而且当sp(t,1)峰值位置与so(t)峰值旁瓣重合或sp(t,1)峰值幅度大于so(t)的峰值旁瓣时,峰值旁瓣比增大.
4) |t0|>时,sp(t,1)峰值位置落在第10个旁瓣之外,此时对积分旁瓣比、峰值旁瓣比以及分辨率的影响基本可以忽略,主要考虑虚假目标对成像质量的影响.为满足系统成像指标,需要控制虚假目标的幅度,即最小波束跃度需要足够小.
通过上述分析可知,为减小方位向天线波束跃度控制对成像质量的影响,需减小最小波束跃度,使虚假目标远离目标,减小对分辨率、积分旁瓣比以及峰值旁瓣比的影响,同时使得虚假目标幅值下降,减小对系统增益的影响.此外,选用更长的信号波长(如C波段),更加有助于减小虚假目标对成像质量的影响.
3 计算机仿真实验为了验证上述分析的正确性,开展了星载SAR滑动聚束模式点目标仿真实验,仿真参数如表 1所示.
| 仿真参数 | 数值 |
| 波长/m | 0.03(X波段),0.056(C波段) |
| 方位向天线长度/m | 6.0 |
| 卫星高度/km | 700 |
| 旋转点离地面距离/km | 130 |
| 中心视角/(°) | 35 |
| 脉冲重复频率/Hz | 4 000 |
| 信号带宽/MHz | 300 |
| 信号采样率/MHz | 400 |
| 方位向分辨率/m | 0.5 |
图 3给出了X波段不同最小波束跃度ΔΦφ下的脉冲压缩结果,为避免旁瓣幅度较高对虚假目标测量的影响,图 3采用了海明窗加权.实验结果表明,控制精度较高时,虚假目标离主瓣较远且峰值较小,将会淹没在副瓣中(如图 3中黑色虚线与绿色虚线所示);随着控制精度变差,脉冲压缩结果出现明显的双峰成对回波现象,其位置出现在主瓣两侧
附近,当控制精度0.015°时,虚假目标位置在±0.0309s附近,幅度为-50.43dB,控制精度0.020°时,虚假目标位置在±0.0226s,幅度为-47.71dB.
 |
| 图 3 X波段不同控制精度下的脉冲压缩结果Fig. 3 Pulse compression results for different beam control accuracy in X-band |
图 4给出了各波束跃度控制精度下的虚假目标具体位置与幅度的理论值和仿真值验证对比曲线,由图可知虚假目标位置与幅度的理论值和实际值能够很好吻合,上述结论都验证了本文分析推导的有效性.
 |
| 图 4 虚假目标位置和幅度与波束跃度关系Fig. 4 Relationship between the position and amplitude of ghost target and beam granularity |
由于虚假目标位置与幅度的理论值与仿真值误差较小,在系统顶层论证方位向天线波束跃度控制精度指标时可以直接采用式(15)结论.图 5给出了不同控制精度条件下C波段与X波段的虚假目标峰值位置与峰值幅度,由图 5可知,在其他条件相同的情况下,X波段的成对回波峰值幅度越大且成对回波位置离主瓣越近,对成像质量的影响也越大,即在相同的指标条件下,X波段系统实现需要更高的最小波束跃度精度.
 |
| 图 5 C/X波段峰值位置和峰值幅度与控制精度的关系Fig. 5 Relationship between the peak position and amplitude and beam control accuracy in C/X-band |
1) 本文通过星载SAR滑动聚束模式天线波束跃度控制回波信号建模,并结合成对回波理论,证实了天线波束跃度控制将导致回波信号的幅度调制,引起无穷多对成对回波的出现,从而影响成像质量.
2) 本文通过天线波束跃度控制数学模型的建立,定性与定量化分析了虚假目标位置与幅度同最小波束跃度之间的关系.在此基础上,对不同波段下,虚假目标对分辨率、积分旁瓣比、峰值旁瓣比以及系统增益的影响展开了讨论,并得出在相同的指标条件下,X波段相比于C波段系统实现需要更高的最小波束跃度精度.
3) 本文通过计算机仿真实验验证了理论推导的有效性,为合理设计天线最小波束跃度指标提供了可靠的理论基础.
| [1] | Lanari R,Zoffoli S,Sansosti E,et al.New approach for hybrid strip-map/spotlight SAR data focusing[J].IEE Proceedings:Radar,Sonar and Navigation,2001,148(6):363-372 |
| Click to display the text | |
| [2] | Franceschetti G,Raffaella G,Iodice A,et al.Efficient simulation of hybrid stripmap/spotlight SAR raw signals from extended scenes[J].IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing,2004,42(11):2385-2396 |
| Click to display the text | |
| [3] | 刘寒艳,宋红军,程增菊.条带模式、聚束模式和滑动聚束模式的比较[J].中国科学院研究生院学报,2011,28(3):410-417 Liu Hanyan,Song Hongjun,Cheng Zengju.Comparative study on stripmap mode,spotlight mode,and sliding spotlight mode [J].Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,2011,28(3):410-417(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (6) | Click to display the text | |
| [4] | 唐禹,王岩飞,张冰尘.滑动聚束SAR成像模式研究[J].电子与信息学报,2007,29(1):26-29 Tang Yu,Wang Yanfei,Zhang Bingchen.A study of sliding spotlight SAR imaging mode[J].Journal of Electronics & Infornation Technology,2007,29(1):26-29(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (23) | |
| [5] | Yang W,Chen J,Zeng H C.A novel three-step image formation scheme for unified focusing on spaceborne SAR data[J].Progress in Electromagnetics Research,2013,137:621-642 |
| Click to display the text | |
| [6] | Mittermayer J,Richard L,Elke B.Sliding spotlight SAR processing for TerraSAR-X using a new formulation of the extended chirp scaling algorithm[C]//Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS).Toulouse France:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2003,3:1462-1464 |
| Click to display the text | |
| [7] | Heer C,Shaefer C.TerraSAR-X next generation:technology aspects[C]//2011 3rd International Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar.Piscataway,NJ:IEEE Computer Society,2011:86-89 |
| Click to display the text | |
| [8] | 黄岩,李春升,陈杰,等.星载SAR天线指向稳定度对成像质量的影响[J].北京航空航天大学学报,2000,26(3):282-285 Huang Yan,Li Chunsheng,Chen Jie,et al.Effects of stability of antenna pointing on spaceborne SAR imaging quality[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2000,26(3):282-285(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (11) | |
| [9] | 吴越,李春升,王鹏波,等.天线波束指向控制对TOPSAR成像质量的影响[J].宇航学报,2012,33(4):487-491 Wu Yue,Li Chunsheng,Wang Pengbo,et al.Effects on antenna beam steering on TOPSAR imaging quality[J].Journal of Astronautics,2012,33(4):487-491(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (1) | |
| [10] | 陈杰,周荫清,李春升.合成孔径雷达卫星姿态指向稳定度与图像质量关系的研究[J].电子学报,2001,29(12):1785-1789 Chen Jie,Zhou Yinqing,Li Chunsheng.On the relationship between satellite attitude stability and spaceborne SAR imaging qualities[J].Acta Electronica Sinica,2001,29(12):1785-1789(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (19) | |
| [11] | Meta A,Mittermayer J,Prats P,et al.TOPS imaging with TerraSAR-X:mode design and performance analysis[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2010,48(2):759-769 |
| Click to display the text | |
| [12] | Meta A,Mittermayer J,Steinbrecher U,et al.Investigations on the TOPSAR acquisition mode with TerraSAR-X[C]//2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.Piscataway,NJ:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2007:152-155 |
| Click to display the text | |
| [13] | 王国栋,周荫清,李春升.星载聚束式SAR天线波束指向控制分析[J].北京航空航天大学学报,2003,29(6):484-488 Wang Guodong,Zhou Yinqing,Li Chunsheng.Analysis of spaceborne spotlight SAR antenna beam point steering[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2003,29(6):484-488(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (4) | |
| [14] | 蒋彦婷,周荫清,徐华平.机载混合模式SAR波束指向控制对图像质量的影响[J].电子与信息学报,2008,30(2):335-338 Jiang Yanting,Zhou Yinqing,Xu Huaping.Effect of air hybrid mode SAR beam point steering on the image quality[J].Journal of Eletronics & Information Technology,2008,30(2):335-338(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (5) | Click to display the text | |
| [15] | 陈杰,周荫清,李春升,等.卫星姿态指向抖动与SAR成像质量关系研究[J].北京航空航天大学学报,2001,27(5):518-521 Chen Jie,Zhou Yinqing,Li Chunsheng,et al.Relationship between satellite attitude jitter and SAR imaging quality[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2001,27(5):518-521(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (14) |
