本發(fā)明涉及一種航天系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種高分辨率微波成像衛(wèi)星星地一體化仿真方法。

背景技術(shù)：

合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星以其特有的全天時、全天候?qū)Φ赜^測的特點，得到了各科技強國的重視和大力發(fā)展，SAR圖像在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)上均具有廣闊的應(yīng)用前景。高分辨率SAR衛(wèi)星一直是發(fā)展的重點和難點，也雷達衛(wèi)星發(fā)展的主要方向。

星載SAR圖像質(zhì)量指標的實現(xiàn)涉及衛(wèi)星平臺、載荷、空間傳輸、地面處理、地面定標、地理信息庫等多種星地復(fù)雜要素，因此也稱為星地一體化指標。星地一體化指標主要包括分辨率、成像帶寬、峰值旁瓣比、積分旁瓣比、定位精度、輻射精度等。對于高分辨率星載SAR系統(tǒng)，星地一體化指標涉及的影響因素更多，對各因素的指標要求更高，有些需要進行在軌標定。因此，星地一體化指標的實現(xiàn)需要衛(wèi)星系統(tǒng)和地面系統(tǒng)緊密合作，共同開展研究和攻關(guān)。對于一套已經(jīng)設(shè)計好的星地一體化指標，為驗證其合理性和可實現(xiàn)性，需要在現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計狀態(tài)的基礎(chǔ)上開展星地一體化仿真驗證和評估工作。這里需要強調(diào)的是，星地一體化指標的仿真驗證與星地一體化指標的設(shè)計是個相反的過程，切勿混淆邏輯。星地一體化仿真內(nèi)容主要包括影響因素梳理建模分析、雷達目標回波仿真和成像處理。關(guān)于星地一體化指標的設(shè)計，北航的于澤等人給出了詳細的設(shè)計過程；關(guān)于回波仿真，張仕山，靳學(xué)明提出一種新的時頻混合算法，中科院電子所岳海峽在學(xué)位論文中詳述回波模擬的理論及模擬源硬件的實現(xiàn)方案；關(guān)于成像處理，德國的Alberto Moreira，Josef Mittermayer和Rolf Scheiber提出了經(jīng)典的ECS算法，北航的王鵬波等人提出了針對滑動聚束和TOPSAR模式提出了高效的三步成像算法。但是以上研究大多是局限于星地一體化仿真中的某一部分的理論研究和應(yīng)用，缺少星地一體化指標仿真評估的整個流程設(shè)計和流程中各模塊的詳細實現(xiàn)方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高分辨率微波成像衛(wèi)星星地一體化仿真方法，其從高分辨率微波成像衛(wèi)星的星地一體化指標可實現(xiàn)角度詳細梳理了星地全鏈路誤差因素，并從影響因素指標的工程實現(xiàn)可行性方面對在軌標定需求進行了分析；對關(guān)鍵影響因素進行了誤差影響分析和建模；然后基于影響因素誤差模型及其與星地一體化指標的聯(lián)系提出了一套雷達目標回波仿真方法；之后構(gòu)建回波數(shù)據(jù)成像處理框架和流程；最后給出對成像處理結(jié)果的評估方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種高分辨率微波成像衛(wèi)星星地一體化仿真方法，其特征在于，其包括以下步驟：

步驟一，星地全鏈路誤差梳理；

步驟二，誤差影響分析與建模；

步驟三，雷達目標回波仿真；

步驟四，成像處理；

步驟五，成像結(jié)果評估。

優(yōu)選地，所述步驟一中具體包括以下步驟：

步驟一十一，考慮的星地一體化指標包括方位向成像性能指標，距離向成像性能指標，定位精度和輻射精度；

步驟一十二，影響星地一體化指標的衛(wèi)星平臺和載荷誤差因素梳理，包括平臺時鐘、姿態(tài)數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)、SAR系統(tǒng)參數(shù)和SAR天線參數(shù)；

步驟一十三，影響星地一體化指標的空間誤差因素梳理，包括電離層的群延遲、衰減、色散和閃爍以及大氣層的延遲、衰減；

步驟一十四，影響星地一體化指標的地面因素梳理，包括目標場景的動態(tài)范圍、信雜比、高程精度，地面接收系統(tǒng)的誤碼率，成像處理系統(tǒng)參數(shù)估計誤差、處理算法誤差、方向圖數(shù)據(jù)庫誤差、地球數(shù)字高程模型庫誤差，地面定標系統(tǒng)的幾何標定誤差、輻射標定誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差。

優(yōu)選地，所述步驟二中具體包括以下步驟：

步驟二十一，將影響因素進行分類，具體包括影響距離向成像性能的SAR系統(tǒng)幅相誤差和SAR天線色散誤差、電離層色散、成像處理誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差，影響方位向成像性能的姿態(tài)誤差、軌道誤差、電離層和大氣延遲誤差、DEM誤差、參數(shù)估計誤差、幾何標定誤差、成像處理誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差，影響定位精度的時鐘誤差、軌道誤差、幾何標定誤、DEM誤差和處理算法誤差，影響輻射精度的SAR系統(tǒng)內(nèi)定標誤差、方向圖數(shù)據(jù)庫誤差、參數(shù)估計誤差、處理算法誤差、輻射標定誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差、目標場景的動態(tài)范圍、信雜比；

步驟二十二，誤差對于距離向成像性能的影響原理均歸結(jié)為引起線性調(diào)頻信號畸變的幅度和相位誤差模型；幅度誤差模型如下式所示，其中H(ω)為幅度誤差在頻域的表示，a₀為常數(shù)項，m為簡諧畸變次數(shù)，a_m為誤差系數(shù)，c_m為余弦周期尺度；

相位誤差模型如下式所示，相位誤差在頻域的表示，b₀為線性相位項系數(shù)，n為簡諧畸變次數(shù)，b_n為誤差系數(shù)，c_n為余弦周期尺度；

步驟二十三，誤差對于方位向成像性能的影響原理均歸結(jié)為引起SAR天線相位中心與地面目標間的斜距向量發(fā)生變化，這個斜距包括回波數(shù)據(jù)中體現(xiàn)的即成事實的斜距以及計算多普勒參考函數(shù)所用的測量斜距，星地斜距變量如下式所示，其中R_sat(t)為衛(wèi)星位置矢量，R_t(t)為目標位置矢量，c為光速，Δτ為幾何標定后殘余的SAR通道時延誤差以及大氣、電離層延時誤差，軌道誤差主要影響R_sat(t)，高程誤差主要影響R_t(t)；

|R(t)|＝|R_sat(t)-R_t(t)|+cΔτ/2

步驟二十四，誤差對定位精度的影響主要分測軌誤差、斜距誤差、高程誤差和時鐘誤差四種因素分析，對于時鐘誤差，主要引入回波數(shù)據(jù)時標誤差Δt，造成圖像沿飛行方向的定位誤差Δx＝V_e·Δt，其中V_e為等效速度；

步驟二十五，誤差對輻射精度的影響歸結(jié)為方向圖誤差影響、空間損耗、成像處理誤差、內(nèi)定標和輻射定標誤差；其中方向圖誤差具體包括姿態(tài)誤差、SAR天線波束指向誤差、方向圖形狀差的影響，空間損耗包括大氣和電離層衰減；方位向方向圖誤差模型如下式所示，其中A、ω₀和分別為方位向波束抖動的幅度、角頻率和初始相位，D_a為天線方位向尺寸，V_e為星地等效速度，φ為等效斜視角，λ為波長，R為斜距；

距離向方向圖誤差模型如下式所示，其中θ_rm、ω₀和分別為距離向波束抖動的幅度、角頻率和初始相位，D_r為天線距離向尺寸，θ_r0為滾動向波束離軸角。

優(yōu)選地，所述步驟三中具體包括以下步驟：

步驟三十一，首先確定輸入?yún)?shù)，各參數(shù)的誤差模型根據(jù)步驟二確定；

步驟三十二，建立SAR成像的星地幾何關(guān)系模型和脈沖信號模型，綜合各影響因素，計算原始回波信號、多普勒參數(shù)和雷達系統(tǒng)參數(shù)，回波仿真數(shù)據(jù)獲取流程通過全數(shù)字仿真試驗，也通過半物理仿真試驗；

步驟三十三，將回波仿真結(jié)果進行打包，形成數(shù)據(jù)輸出文件。

優(yōu)選地，所述步驟四中具體包括以下步驟：

步驟四十一，對原始回波數(shù)據(jù)文件解包，提取雷達工作參數(shù)、時間碼、軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)和SAR原始回波數(shù)據(jù)，對SAR原始回波數(shù)據(jù)進行解BAQ、通道不平衡校正預(yù)處理，對雷達工作參數(shù)進行解碼和格式轉(zhuǎn)換，對時間碼、軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)進行插值、時間對準工作，對導(dǎo)航原始觀測量進行事后處理來提高衛(wèi)星測軌精度；

步驟四十二，利用星歷參數(shù)、在軌幾何定標數(shù)據(jù)、在軌波束指向標定結(jié)果和DEM數(shù)據(jù)進行多普勒參數(shù)計算，并基于原始回波數(shù)據(jù)進行高精度多普勒參數(shù)估計；

步驟四十三：利用多普勒參數(shù)和雷達工作參數(shù)對原始回波數(shù)據(jù)進行成像處理，獲得原始復(fù)圖像；

步驟四十四，利用定標常數(shù)、在軌方向圖測試數(shù)據(jù)、地面方向圖測試數(shù)據(jù)和在軌幾何標定數(shù)據(jù)對原始復(fù)圖像進行輻射校正和幾何校正，獲得SAR圖像二級產(chǎn)品。

優(yōu)選地，所述步驟五中成像結(jié)果評估分為點目標評估和場景目標評估，對于點目標主要評估指標包括分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比、峰值功率、峰值相位、定位精度、輻射精度，對于場景目標主要評估指標包括圖像均值、方差、動態(tài)范圍、等效視數(shù)、輻射分辨率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明從高分辨率微波成像衛(wèi)星的星地一體化指標可實現(xiàn)角度詳細梳理了星地全鏈路誤差因素，并從影響因素指標的工程實現(xiàn)可行性方面對在軌標定需求進行了分析；對關(guān)鍵影響因素進行了誤差影響分析和建模；然后基于影響因素誤差模型及其與星地一體化指標的聯(lián)系提出了一套雷達目標回波仿真方法；之后構(gòu)建回波數(shù)據(jù)成像處理框架和流程；最后給出對成像處理結(jié)果的評估方法。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一種高分辨率微波成像衛(wèi)星星地一體化仿真方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明中步驟三的實現(xiàn)流程圖。

圖3為本發(fā)明中步驟四的實現(xiàn)流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明高分辨率微波成像衛(wèi)星星地一體化仿真方法包括以下步驟：

步驟一，星地全鏈路誤差梳理；

步驟二，誤差影響分析與建模；

步驟三，雷達目標回波仿真；

步驟四，成像處理；

步驟五，成像結(jié)果評估。

步驟一中具體包括以下步驟：

步驟一十一，考慮的星地一體化指標包括方位向成像性能指標(含方位向分辨率、方位向峰值旁瓣比、方位向積分旁瓣比)，距離向成像性能指標(含距離向分辨率、距離向峰值旁瓣比、距離向積分旁瓣比)，定位精度和輻射精度；

步驟一十二，影響星地一體化指標的衛(wèi)星平臺和載荷誤差因素梳理，包括平臺時鐘、姿態(tài)數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)、SAR系統(tǒng)參數(shù)和SAR天線參數(shù)；

步驟一十三，影響星地一體化指標的空間誤差因素梳理，包括電離層的群延遲、衰減、色散和閃爍以及大氣層的延遲、衰減；

步驟一十四，影響星地一體化指標的地面因素梳理，包括目標場景的動態(tài)范圍、信雜比、高程精度，地面接收系統(tǒng)的誤碼率，成像處理系統(tǒng)參數(shù)估計誤差、處理算法誤差、方向圖數(shù)據(jù)庫誤差、地球數(shù)字高程模型庫誤差，地面定標系統(tǒng)的幾何標定誤差、輻射標定誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差。

步驟二中具體包括以下步驟：

步驟二十一，將影響因素進行分類，具體包括影響距離向成像性能的SAR系統(tǒng)幅相誤差和SAR天線色散誤差、電離層色散、成像處理誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差，影響方位向成像性能的姿態(tài)誤差、軌道誤差、電離層和大氣延遲誤差、DEM誤差、參數(shù)估計誤差、幾何標定誤差、成像處理誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差，影響定位精度的時鐘誤差、軌道誤差、幾何標定誤、DEM誤差和處理算法誤差，影響輻射精度的SAR系統(tǒng)內(nèi)定標誤差、方向圖數(shù)據(jù)庫誤差、參數(shù)估計誤差、處理算法誤差、輻射標定誤差、方向圖測試誤差和波束指向標定誤差、目標場景的動態(tài)范圍、信雜比；

步驟二十二，誤差對于距離向成像性能的影響原理均可歸結(jié)為引起線性調(diào)頻信號畸變的幅度和相位誤差模型；幅度誤差模型如下式(1)：

其中H(ω)為幅度誤差在頻域的表示，a₀為常數(shù)項，m為簡諧畸變次數(shù)，a_m為誤差系數(shù)，c_m為余弦周期尺度；

相位誤差模型如下式(2)：

其中相位誤差在頻域的表示，b₀為線性相位項系數(shù)，n為簡諧畸變次數(shù)，b_n為誤差系數(shù)，c_n為余弦周期尺度；

步驟二十三，誤差對于方位向成像性能的影響原理均可歸結(jié)為引起SAR天線相位中心與地面目標間的斜距向量發(fā)生變化，這個斜距包括回波數(shù)據(jù)中體現(xiàn)的即成事實的斜距以及計算多普勒參考函數(shù)所用的測量斜距，星地斜距變量如下式(3)：

|R(t)|＝|R_sat(t)-R_t(t)|+cΔτ/2 (3)

其中R_sat(t)為衛(wèi)星位置矢量，R_t(t)為目標位置矢量，c為光速，Δτ為幾何標定后殘余的SAR通道時延誤差以及大氣、電離層延時誤差，軌道誤差主要影響R_sat(t)，高程誤差主要影響R_t(t)；

步驟二十四，誤差對定位精度的影響主要分測軌誤差、斜距誤差、高程誤差和時鐘誤差四種因素分析，對于時鐘誤差，造成圖像沿飛行方向的定位誤差，如下式(4)：

Δx＝V_e·Δt (4)

其中Δx為定位誤差，V_e為等效速度，回波數(shù)據(jù)時標誤差Δt；

步驟二十五，誤差對輻射精度的影響可歸結(jié)為方向圖誤差影響、空間損耗、成像處理誤差、內(nèi)定標和輻射定標誤差；其中方向圖誤差具體包括姿態(tài)誤差、SAR天線波束指向誤差、方向圖形狀差的影響，空間損耗包括大氣和電離層衰減；方位向方向圖誤差模型如下式(5)和(6)：

其中W_a0為方位向方向圖誤差，A、ω₀和分別為方位向波束抖動的幅度、角頻率和初始相位，D_a為天線方位向尺寸，V_e為星地等效速度，φ為等效斜視角，λ為波長，R為斜距；

距離向方向圖誤差模型如下式(7)和(8)：

其中W_r0為距離向方向圖誤差，θ_rm、ω₀和分別為距離向波束抖動的幅度、角頻率和初始相位，D_r為天線距離向尺寸，θ_r0為滾動向波束離軸角。

如圖2所示，步驟三中具體包括以下步驟：

步驟三十一，首先確定輸入?yún)?shù)，各參數(shù)的誤差模型根據(jù)步驟二確定；

步驟三十二，建立SAR成像的星地幾何關(guān)系模型和脈沖信號模型，綜合各影響因素，計算原始回波信號、多普勒參數(shù)和雷達系統(tǒng)參數(shù)，回波仿真數(shù)據(jù)獲取流程通過全數(shù)字仿真試驗，也通過半物理仿真試驗；

步驟三十三，將回波仿真結(jié)果進行打包，形成數(shù)據(jù)輸出文件。

如圖3所示，步驟四中具體包括以下步驟：

步驟四十一，對原始回波數(shù)據(jù)文件解包，提取雷達工作參數(shù)、時間碼、軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)和SAR原始回波數(shù)據(jù)，對SAR原始回波數(shù)據(jù)進行解BAQ、通道不平衡校正等預(yù)處理，對雷達工作參數(shù)進行解碼和格式轉(zhuǎn)換，對時間碼、軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)進行插值、時間對準等工作，對導(dǎo)航原始觀測量進行事后處理來提高衛(wèi)星測軌精度；

步驟四十二，利用星歷參數(shù)、在軌幾何定標數(shù)據(jù)、在軌波束指向標定結(jié)果和DEM數(shù)據(jù)進行多普勒參數(shù)計算，并基于原始回波數(shù)據(jù)進行高精度多普勒參數(shù)估計；

步驟四十三：利用多普勒參數(shù)和雷達工作參數(shù)對原始回波數(shù)據(jù)進行成像處理，獲得原始復(fù)圖像；

步驟四十四，利用定標常數(shù)、在軌方向圖測試數(shù)據(jù)、地面方向圖測試數(shù)據(jù)和在軌幾何標定數(shù)據(jù)對原始復(fù)圖像進行輻射校正和幾何校正，獲得SAR圖像二級產(chǎn)品。

步驟五中具體包括以下步驟：

成像結(jié)果評估，分為點目標評估和場景目標評估。對于點目標主要評估指標包括分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比、峰值功率、峰值相位、定位精度、輻射精度；對于場景目標主要評估指標包括圖像均值、方差、動態(tài)范圍、等效視數(shù)、輻射分辨率。

本實施例以星載X波段相控陣合成孔徑雷達(SAR)為例，參考TerraSAR衛(wèi)星參數(shù)取值，并做一定的改動，軌道高度取值約580km，SAR天線尺寸約4m(A)×2.4m(R)，入射角選擇55°，工作模式選擇聚束模式，信號帶寬取500MHz。

步驟一，進行全鏈路主要誤差因素梳理，各誤差取值如表1所示。

表1星地全鏈路誤差因素

步驟二，與距離向成像性能相關(guān)的幅度誤差，誤差模型假設(shè)為半周期余弦形狀，誤差幅度取值參考表1中第5項，a₀取0，m取1，a₁取2，c₁取1/(1500Mhz)；距離向相位誤差，誤差模型假設(shè)為半周期余弦形狀，誤差幅度取值參考表1中第5項，b₀取0，n取1，b₁取10°，c₁取1/(1500Mhz)，處理誤差參考表1中第10項。

與方位向成像性能相關(guān)的誤差取值參照表1中第3、4、8、9、10、11項取值。

與定位精度相關(guān)的誤差取值參照表1中第1、3、4、8、9、10、11項取值。

與輻射精度相關(guān)的誤差取值參考表1，方位向方向圖取形狀誤差0.2dB，指向誤差按照固定值0.02°；距離向方向圖誤差取固定指向誤差0.04°，空間損耗取0.35dB；成像處理誤差取0.5dB、內(nèi)定標誤差取0.57dB，輻射定標誤差取0.5dB。

步驟三，根據(jù)表1中誤差取值和步驟二中的誤差規(guī)律，并按照圖2所示的回波仿真框架，進行聚束模式的回波仿真。

步驟四，利用聚束模式的三步成像算法對回波數(shù)據(jù)進行成像處理，處理加權(quán)選擇-26dB的簡化泰勒權(quán)。

步驟五，這里以分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比、定位精度和輻射精度為例，對成像結(jié)果進行評估，評估結(jié)果表2所示。

表2成像結(jié)果評估

綜上所述，本發(fā)明從高分辨率微波成像衛(wèi)星的星地一體化指標可實現(xiàn)角度詳細梳理了星地全鏈路誤差因素，并從影響因素指標的工程實現(xiàn)可行性方面對在軌標定需求進行了分析；對關(guān)鍵影響因素進行了誤差影響分析和建模；然后基于影響因素誤差模型及其與星地一體化指標的聯(lián)系提出了一套雷達目標回波仿真方法；之后構(gòu)建回波數(shù)據(jù)成像處理框架和流程；最后給出對成像處理結(jié)果的評估方法。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。