星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法技术

本发明专利技术公开了一种星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法，包括：一、建立坐标系，对方位分辨率和距离幅宽进行参数化建模；二、输入目标点序列、卫星轨道、观测起始时刻，在波足循迹算法流程中加入对方位分辨率的实时控制，求解可行波足轨迹；三、建立代价函数，并根据步骤二所述波足轨迹的目标点偏差、方位分辨率、距离幅宽、斜距变化量计算适应度；四、基于粒子群算法，在卫星轨道和目标点序列确定的情况下，以代价函数最小为准则，得到星载SAR非沿迹弯曲成像模式的最优波足轨迹；本发明专利技术能够解决星载SAR非沿迹弯曲成像模式中构型自由度高、设计难度大的问题，实现非沿迹弯曲场景的高效率高质量观测。曲场景的高效率高质量观测。曲场景的高效率高质量观测。

【技术实现步骤摘要】
星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法


[0001]本专利技术属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)的
，具体涉及一种星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法。

技术介绍

[0002]多目标信息获取能力是星载SAR侦察能力的重要指标。传统星载SAR成像模式的成像带沿卫星轨道方向，走向单一；但诸多热点JS区域，如边境线、海岸线、铁路、公路等，地理走向多变且非沿卫星轨道方向，单一的、沿卫星轨道方向的传统模式成像带多目标成像能力有限，极大限制了星载SAR多目标成像能力。简而言之，星载SAR卫星轨道方向单一，而目标的地理分布多样复杂，用单一的卫星轨道尽可能多地获取多目标信息是重点需求。
[0003]为提升星载SAR对地侦察的多目标成像能力，星载SAR非沿迹成像新模式应运而生，其通过控制波束进行“目标定制化”的连续二维扫描，生成沿目标地理分布、而非机械地沿卫星轨道方向的成像带，将传统SAR卫星成像模式中波束的“沿迹连续一维扫描”提升为“非沿迹连续二维扫描”，通过新增加一维观测自由度，多目标成像能力的大幅提高。特别地，星载SAR非沿迹成像模式的成像带可为直线形状，亦可为曲线形状，具体由目标区域地理走向决定。
[0004]SAR卫星在数据获取期间的几何构型决定了距离幅宽、方位分辨率等成像性能指标。常规成像模式中成像带方向由轨道参数决定，仅需要在固定轨道上对卫星波束指向进行设计即可。然而，SAR卫星非沿迹曲线模式生成与场景地理走向相匹配的曲线成像带，几何构型与常规成像模式相比增加了一维成像带地理走向的设计自由度，导致设计几何构型时需同时考虑卫星轨道与成像带形状对成像指标的影响；同时，SAR卫星非沿迹曲线模式成像带非规则延展的特点对波束指向的控制精度、变化范围、变化速率具有更精确的要求，需几何构型中进行考虑以满足卫星平台的波束机动约束。为此，需深入剖析SAR卫星非沿迹曲线模式星地几何关系，研究卫星波束指向与地面成像带形状对成像性能指标的影响，开展星地几何构型联合优化方法研究。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法，能够解决星载SAR非沿迹弯曲成像模式中构型自由度高、设计难度大的问题，实现非沿迹弯曲场景的高效率高质量观测。
[0006]实现本专利技术的技术方案如下：
[0007]星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、建立坐标系，对方位分辨率和距离幅宽进行参数化建模；
[0009]步骤二、输入目标点序列、卫星轨道、观测起始时刻，在波足循迹算法流程中加入对方位分辨率的实时控制，求解可行波足轨迹；
[0010]步骤三、建立代价函数，并根据步骤二所述波足轨迹的目标点偏差、方位分辨率、
距离幅宽、斜距变化量计算适应度；
[0011]步骤四、基于粒子群(PSO)算法，在卫星轨道和目标点序列确定的情况下，以代价函数最小为准则，得到星载SAR非沿迹弯曲成像模式的最优波足轨迹。
[0012]进一步地，所述方位分辨率ρ
a
的表达式为：
[0013][0014][0015][0016]其中，V
Sat.f
为地固系下卫星速度，B
a
为积累的多普勒带宽，R
E
为地球半径，H为轨道高度，||
·
||2为二范数算子；R(t)
″
为斜距历程的二阶导，λ为波长，V
foot.f
为地固系下波足速度，l
res
为地面上的半功率投影椭圆中沿波足方向的截距；ω表示地惯系下地面波足速度V
foot
与k
a
的夹角，l
r
和l
a
表示投影椭圆沿k
r
和k
a
两轴的长度，θ
e
为k
r
和k
a
的夹角，k
r
和k
a
分别为地惯系下天线波束的距离、方位向剖面与地球切平面的交线。
[0017]进一步地，距离幅宽W
r
即是半功率投影椭圆中沿波足正交方向的截距，其表达式为：
[0018][0019]其中，ω表示地惯系下地面波足速度V
foot
与k
a
的夹角，l
r
和l
a
表示投影椭圆沿k
r
和k
a
两轴的长度，θ
e
为k
r
和k
a
的夹角，k
r
和k
a
分别为地惯系下天线波束的距离、方位向剖面与地球切平面的交线。
[0020]进一步地，步骤二具体包括以下步骤：
[0021]步骤2.1、输入待观测目标点序列、卫星轨道、观测起始时刻t0，将首个观测目标点设置为波足起点P
foot.f(1)
，第二个目标设置为当前循迹目标点P
T
(1)；
[0022]步骤2.2、设第i步循迹时，地固系下波足位置为P
foot.f(i)
、波足速度为V
foot.f(i)
，波足P
foot.f(i)
到当前循迹目标点P
T
(j)的方向向量为v
ij
，在V
foot.f(i)
和v
ij
的夹角中均匀的设置n个方向向量v
i
′
j
(n)，称为波足可选方向，其中V
ij
′
(n)为可选方向速度矢量，计算每个可选方向下的位置P
′
ij
(n)、速度V
′
ij
(n)、加速度a
′
ij
(n)，
[0023]步骤2.3、计算各个可选方向的方位分辨率ρ
a
(n)，然后采用式(12)对波足可选方向的速度进行更新并跳到步骤2.2，直到计算得到的方位分辨率与期望分辨率ρ
a0
间的残差足够小；
[0024][0025]步骤2.4、基于偏航角ψ、俯仰角θ、横滚角及其高阶微分的解析表达，计算各个可
行方向的机动能力，根据式(13)所示准则选出可行方向序号n
i
，其中F(
·
)为姿态角范围约束、G(
·
)为姿态角速度约束、H(
·
)为姿态角加速度约束，ζ为权重因子；式(14)中a、b为常数且a＜＜1，b＜0.5，L
foot
为波足与前一个循迹目标的距离，L
T
为两循迹目标间的距离；随后，将n
i
所对位置、速度作为第i+1步的波足位置P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立坐标系，对方位分辨率和距离幅宽进行参数化建模；步骤二、输入目标点序列、卫星轨道、观测起始时刻，在波足循迹算法流程中加入对方位分辨率的实时控制，求解可行波足轨迹；步骤三、建立代价函数，并根据步骤二所述波足轨迹的目标点偏差、方位分辨率、距离幅宽、斜距变化量计算适应度；步骤四、基于粒子群算法，在卫星轨道和目标点序列确定的情况下，以代价函数最小为准则，得到星载SAR非沿迹弯曲成像模式的最优波足轨迹。2.如权利要求1所述的星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法，其特征在于，所述方位分辨率ρ
a
的表达式为：的表达式为：的表达式为：其中，V
Sat.f
为地固系下卫星速度，B
a
为积累的多普勒带宽，R
E
为地球半径，H为轨道高度，||
·
||2为二范数算子；R(t)
″
为斜距历程的二阶导，λ为波长，V
foot.f
为地固系下波足速度，l
res
为地面上的半功率投影椭圆中沿波足方向的截距；ω表示地惯系下地面波足速度V
foot
与k
a
的夹角，l
r
和l
a
表示投影椭圆沿k
r
和k
a
两轴的长度，θ
e
为k
r
和k
a
的夹角，k
r
和k
a
分别为地惯系下天线波束的距离、方位向剖面与地球切平面的交线。3.如权利要求1或2所述的星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法，其特征在于，距离幅宽W
r
即是半功率投影椭圆中沿波足正交方向的截距，其表达式为：其中，ω表示地惯系下地面波足速度V
foot
与k
a
的夹角，l
r
和l
a
表示投影椭圆沿k
r
和k
a
两轴的长度，θ
e
为k
r
和k
a
的夹角，k
r
和k
a
分别为地惯系下天线波束的距离、方位向剖面与地球切平面的交线。4.如权利要求1所述的星载SAR非沿迹多目标成像星地构型联合设计与优化方法，其特征在于，步骤二具体包括以下步骤：步骤2.1、输入待观测目标点序列、卫星轨道、观测起始时刻t0，将首个观测目标点设置为波足起点P
foot.f(1)
，第二个目标设置为当前循迹目标点P
T
(1)；步骤2.2、设第i步循迹时，地固系下波足位置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，丁泽刚，陈轲，曾涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：