[发明专利]一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统

摘要

本发明公开了一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统，宽幅SAR系统是由Q个子测绘带拼接而成的，对应于每一个子测绘带上会有一个空时采样矩阵；第一方面对任意一个空时采样矩阵进行计算其最大互相关系数，再对最大互相关系数求系数均值；第二方面，根据一维高斯分布对空时采样矩阵进行调整，得到最优空时采样矩阵组；第三方面，将最优空时采样矩阵组赋给子测绘带；第四方面，为了避免星载SAR系统中发射脉冲遮挡，通过添加斜视角使每个子带工作在斜视状态，保证每个子测绘带的回波时延相同，以实现每个子测绘带的回波被完整接收，最终得到能够保证分辨率的情况下增大观测带宽度的宽幅SAR系统。本发明通过用低于奈奎斯特采样频次的采样率，改善了传统SAR系统不能同时实现高分辨率和宽测绘带的问题。

主权项

1.一种基于空时采样方法的宽幅星载SAR系统，其特征在于采样处理包括有下列六个步骤：第一步：建立星载SAR空间几何关系，并构建在每个采样时刻各个场景点对应的斜距矩阵R；SAR系统与场景之间的距离由星载空间几何关系确定，在不同采样时刻，对于不同场景点，得到的斜距矩阵R；第二步：依据斜距矩阵构建在奈奎斯特采样频率下SAR方位向上的观测矩阵；在不同采样时刻，对于不同场景点，得到的观测矩阵D；第三步：将观测矩阵D中的元素按行向量随机划分为一组行数为L的Q个空时采样矩阵；将观测矩阵D写成行向量的形式，然后将所述D中的行向量随机地分配给Q个空时采样矩阵O；Q个空时采样矩阵的行数为其中表示下取整函数，N表示在满足奈奎斯特率采样定理下的方位向采样点总个数；宽幅SAR系统是由Q个子测绘带拼接而成的，对应于每一个子测绘带上会有一个空时采样矩阵，即Q个子测绘带上对应的空时采样矩阵分别记为O¹,O²,…,O^q,…,O^Q，其中，O¹表示第一个子测绘带上的第一个空时采样矩阵，O²表示第二个子测绘带上的第二个空时采样矩阵，O^q表示第q个子测绘带上的第q个空时采样矩阵，上角标q表示子测绘带的标识号，也称为任意一个子测绘带上的空时采样矩阵，O^Q表示第Q个子测绘带上的第Q个空时采样矩阵，也称为最后一个子测绘带上的空时采样矩阵，上角标Q表示子测绘带的总个数；所述第一个空时采样矩阵O¹表征为L表示空时采样矩阵中的行数，也是在降采样后的方位向采样点数；M表示同一个距离门上的场景点数；l是一个变量，取值范围1至L，表示为方位向第l个点；m是一个变量，取值范围1至M，表示为距离向第m个点；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第1个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第1个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第2个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第2个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；表示第一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第L个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第M个场景点的元素；同理，所述第二个空时采样矩阵O²表征为其中，表示第二个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；同理，所述任意一个空时采样矩阵O^q表征为其中，表示任意一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；同理，所述最后一个空时采样矩阵O^Q表征为其中，表示最后一个子测绘带上的沿方位向上采集到的第l个随机方位时刻从D_修正矩阵中抽取到的第m个场景点的元素；第四步：计算每个空时采样矩阵的最大互相关系数和每组矩阵的矩阵系数均值，通过调整第三步中的随机性使这个均值达到最小，并保存相对应的一组空时采样矩阵；步骤401，将各个空时采样矩阵表示为由列向量组成的形式；执行步骤402；第一个空时采样矩阵O¹表示为由列向量组成的形式，记为第一个列向－空时采样矩阵步骤402，设置列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系记为执行步骤403；u^q表示列向－空时采样矩阵的最大互相关系数，表示任意一个空时采样矩阵中的第i列向量，表示任意一个空时采样矩阵中的第j列向量，下角标i表示任意一个空时采样矩阵中的第一个任意列序号，下角标j表示任意一个空时采样矩阵中的第二个任意列序号，且i≠j；步骤403，计算各个列向－空时采样矩阵的最大互相关系数；执行步骤404；利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到第一个列向－空时采样矩阵的第一个最大互相关系数u¹，即利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到第二个列向－空时采样矩阵的第二个最大互相关系数u²，即利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到任意一个列向－空时采样矩阵的任意一个最大互相关系数u^q，即利用步骤402的列向－空时采样矩阵的最大互相关系数关系计算得到最后一个列向－空时采样矩阵的最后一个最大互相关系数u^Q，即步骤404，计算最大互相关系数均值执行步骤405；步骤405，利用一维高斯分布重复调整步骤三中的各个空时采样矩阵O¹,O²,…,O^q,…,O^Q；直至输出的最大互相关系数均值为最小；执行步骤406；步骤4051，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O¹,O²,…,O^q,…,O^Q进行第一次调整，得到第一次调整后的第一组空时采样矩阵，简称为第一组调整矩阵所述和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第一次调整的最大互相关系数均值执行步骤4052；表示第一组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示第一组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示第一组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示第一组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；步骤4052，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O¹,O²,…,O^q,…,O^Q进行第二次调整，得到第二次调整后的第二组空时采样矩阵，简称为第二组调整矩阵所述和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第二次调整的最大互相关系数均值执行步骤4053；表示第二组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示第二组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；表示第二组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵；表示第二组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；步骤4053，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O¹,O²,…,O^q,…,O^Q进行第l次调整，得到第l次调整后的第l组空时采样矩阵，简称为第l组调整矩阵所述和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第l次调整的最大互相关系数均值执行步骤4054；表示第l组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示第l组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示第l组调整矩阵中的第l个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示第l组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；步骤4054，采用一维高斯分布对空时采样矩阵O¹,O²,…,O^q,…,O^Q进行第L次调整，得到第L次调整后的第L组空时采样矩阵，简称为第L组调整矩阵所述和对所述顺次执行步骤401至步骤404，得到第L次调整的最大互相关系数均值执行步骤406；表示最后一组调整矩阵中的第一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示最后一组调整矩阵中的第二个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示最后一组调整矩阵中的第q个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；表示最后一组调整矩阵中的最后一个空时采样矩阵；表示属于的第一个列向量；表示属于的第二个列向量；表示属于的第m个列向量；表示属于的最后一个列向量；步骤406，从u_均值、和中选取出最小的系数均值，记为u_min；然后将所述u_min对应的一组空时采样矩阵组MVO¹,MVO²,…,MVO^q,…,MVO^Q输出给步骤五；第五步：将最优空时采样矩阵组中的Q个空时采样矩阵对应于Q个子测绘带，最终得到宽幅SAR系统；采用MVO¹,MVO²,…,MVO^q,…,MVO^Q对应于观测矩阵D中行的每个序号为：所述MVO¹对应的修正后的行序号为其中：L表示空时采样矩阵中的行数，也是在降采样后的方位向采样点数；l是一个变量，取值范围1至L，表示为方位向第l个点；表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；表示距离向天线指向第一个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；所述MVO²对应的修正后的行序号为其中：表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；表示距离向天线指向第二个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；所述MVO^q对应的修正后的行序号为其中：表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；表示距离向天线指向第q个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；所述MVO^Q对应的修正后的行序号为其中：表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第一个采样脉冲；表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第二个采样脉冲；表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第l个采样脉冲；表示距离向天线指向第Q个子测绘带进行观测时的第L个采样脉冲；第六步：为了避免星载SAR系统中发射脉冲遮挡，除了最高视角的子测绘带外，通过添加斜视角使每个子带工作在斜视状态，保证每个子测绘带的回波时延相同，以实现每个子测绘带的回波被完整接收，最终得到宽幅SAR系统；为了避免不同子测绘带回波的重叠，采用添加斜视角使得所有子测绘带回波的时延相同，除了具有最大观测入射角的子测绘带处于正侧视状态，每个子测绘带的斜视角为θ^q＝arccos(Rm^q/Rm^Q),0≤θ^q≤π/2；θ^q表示在任意一子测绘带上添加的斜视角，上角标q表示子测绘带，Rm^q表示任意一子测绘带波束中心的斜距，Rm^Q表示最后一子测绘带波束中心的斜距；当子测绘带离星下点越近，则斜视角越大。