对流层对地球同步轨道SAR成像的影响研究

地球同步轨道SAR(GEO SAR)具有超长孔径时间和大覆盖范围的特性,使得传统低轨SAR成像中采用的对流层冻结模型假设失效。因此,需要考虑时变条件下的对流层效应对GEO SAR成像的影响。本文根据对流层中电磁波的传播规律,利用射线描迹法,分析了GEO SAR中相位误差的特点;并通过建立时变对流层影响下的GEO SAR回波信号模型,研究了对流层引起的GEO SAR图像偏移及图像散焦现象,并分析总结了相关影响的边界条件。最后,基于仿真数据,分析了对流层效应对GEO SAR成像的影响。

地球同步轨道SAR凝视成像变脉冲重复频率技术

实现对特定区域凝视观测成像是地球同步轨道SAR(GEO SAR)非常重要的应用。针对地球同步轨道SAR凝视观测回波大距离徙动造成信号接收窗口难以选择的问题,提出了一种地球同步轨道SAR凝视成像变脉冲重复频率(PRF)设计方法。给出了变PRF设计的准则,详细推导了周期性变PRF过程中脉冲丢失的位置,分析对成像质量的影响,采用后向投影算法对方位非均匀采样信号进行成像聚焦。最后仿真验证变PRF设计的有效性。

扁率摄动对地球同步轨道SAR成像聚焦的影响分析

针对地球同步轨道星载合成孔径雷达(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar,GEOSAR)长合成孔径成像受地球扁率摄动影响的问题,推导了卫星不同轨道根数受摄动所导致的雷达回波多普勒调频率和2次相位公式,通过分析扁率摄动对成像的影响,得到结论:地球扁率摄动使雷达回波产生附加的2次相位调制,相位调制的主导成分是卫星轨道长半轴受摄分量,相位调制幅度与成像所采用的轨道弧段有关,2次相位调制总量经过分钟量级的长合成孔径累积几乎在卫星运动全周期超过45°的容限。雷达成像聚焦不能简单忽略扁率摄动的影响,必须采取相应的补偿措施,否则会造成图像散焦。

一种基于地球同步轨道SAR的电离层电子密度反演方法

基于星载合成孔径雷达(SAR)的电离层层析是一种新兴技术,可有效反演三维空间中电离层电子密度。当前基于星载SAR的电离层层析方法都是基于低轨星载SAR数据,但受到重访时间和覆盖范围的限制无法实现大范围空间实时三维电子密度反演。文中提出了一种全新的基于地球同步轨道SAR(GE0 SAR)数据的电离层层析方法。首先,获得受到时变大气层影响的GEO SAR回波数据。其次,提出一种基于距离向子带划分和方位向划分子孔径的电离层电子量(TEC)反演方法,基于TEC反演结果,提出了一种全新的基于GEO SAR的电离层电子密度反演方法,可实时反演大空间范围电离层电子密度。最后,基于实测数据验证了所提方法的正确性。

时变大气层效应对地球同步轨道SAR成像影响的分析与补偿

大气层效应会导致穿过其中的星载合成孔径雷达(SAR)信号产生相位误差,并进而可能造成星载SAR成像结果出现散焦现象。大气层效应包括背景电离层效应、电离层多重散射效应以及对流层效应,由于地球同步轨道SAR(GEO SAR)合成孔径时间可达几百秒量级,因此在其成像积累时间内大气层效应会随时间变化,因此必须考虑时变大气层效应对GEO SAR成像的影响,同时亟需研究时变大气层效应对GEO SAR成像影响的补偿方法。本文详细分析了时变大气层效应对SAR信号的影响机理,建立了时变大气层效应影响下的高精度GEO SAR回波信号模型,分析了时变大气层效应对GEO SAR成像的影响,并基于方位向子孔径划分,通过提取时变大气层相位误差,对大气层效应造成的GEO SAR图像散焦现象进行了补偿。

地球同步轨道SAR“凝视”成像波束指向控制分析

针对地球同步轨道星载合成孔径雷达(geosynchronous synthetic aperture radar,GEOSAR)"凝视"成像,分析其天线波束指向控制需求,定义天线波束二维指向角,提出天线波束二维步进式指向控制及同步与非同步控制方法,是一种有效地实现GEOSAR天线波束控制的方法。应用成对回波理论分析天线波束二维指向控制对回波信号的影响,波束指向被控造成回波方位向信号的幅度调制,引起成对回波,定量分析波束指向控制步长与成对回波幅度和位置之间的关系,提出成对回波性能指标,为GEOSAR"凝视"天线波束指向控制步长的合理设计提供了依据。最后通过计算机仿真验证了理论分析的正确性。

地球同步轨道星载合成孔径雷达概念研究

从不断增长的对地实时观测和对突发事件快速反应的急迫需求出发,提出了采用地球同步轨道合成孔径雷达的概念研究。通过对地球同步轨道卫星运动轨迹的分析,验证了可以通过控制轨道倾角、偏心率和轨道高度误差以获得同步轨道卫星与地面之间的相对运动,构成了雷达运行在同步轨道实现合成孔径成像的基础。并研究和分析了同步轨道SAR卫星的观测性能,指出了对于要求重复观测周期短、实时应用强的情况,尤其是对于大面积定点区域的连续观测来说,采用同步轨道SAR是一条理想的技术途径。

同步轨道微波遥感技术

微波遥感技术具有全天候、全天时的观测能力,已发展成为观测大气和地球表面的重要遥感手段,应用广泛。相比太阳同步(低)轨道,同步轨道微波遥感探测具有高实时性和大覆盖的特点,已成为微波遥感技术领域研究和发展的热点,在实时高分辨率侦查监测、中短期气象/海洋预报以及重大自然灾害监测等方面具有明显优势。文章分别对同步轨道微波辐射计技术、同步轨道降雨雷达技术和同步轨道SAR技术的需求和国内外发展现状进行了介绍,对所涉及到的关键技术及相应的解决途径进行了研究分析,并针对性地提出了下一步发展建议。

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长,并结合二维联合搜索的方法完成轨道参数优化。仿真结果说明该轨道参数优化流程可以为GEOSAR凝视成像系统提供有效的轨道参数设计方案。

SAR成像模式发展综述

由于传统的SAR成像模式不能完全满足人们对一些成像指标的需求。文中提出了3种新兴的SAR成像模式,包括滑动聚束SAR、顶端成像SAR、地球同步轨道SAR(GEO SAR),并对这些模式下的算法进行了深入的研究与分析,从而较大程度上改善了SAR成像的各项性能指标。

时空变背景电离层对GEO TomoSAR成像影响分析

地球同步轨道合成孔径雷达层析成像(GEOTomoSAR)是一种将地球同步轨道SAR(GEOSAR)与三维层析成像相结合的技术,它能够克服低轨SAR层析成像中重访时间长、时间去相干严重等缺点,实现对地面场景及时、精确地三维重建。但是由于GEOSAR轨道高,信号能够穿过整个电离层,使得GEOSAR信号时延长,引入严重的相位误差,进而影响GEOTomoSAR三维成像的精度。本文主要从背景电离层对雷达信号传播的影响机理出发,建立了时空变背景电离层影响下的GEOTomoSAR信号模型,进而分析了对三维成像的影响。经过分析,时空变背景电离层对GEOTomoSAR系统的影响主要包括成像目标的相对位置偏移以及高度向成像散焦。最后,通过计算机仿真验证了理论分析的正确性。

分布式GEO SAR模糊度分析

地球同步轨道合成孔径雷达(GEOSAR)具有短重访、广覆盖等优势。分布式GEOSAR由多个GEOSAR同时收发形成多个相位中心,具有可降低合成孔径时间、提高信噪比等优点。模糊度是雷达系统设计中的重要指标,传统SAR的模糊度计算通常在距离时域、方位频域进行。然而在分布式GEOSAR中,通常无需进行全孔径成像即可获得满足要求的分辨率,因而点目标的方位向信号带宽低于场景瞬时多普勒带宽,使得基于方位频域的模糊度计算方法失效。此外,双基地配置以及地球球形表面也给地面模糊区位置的计算带来困难。本文首先给出考虑地球球形表面的双基地GEOSAR模糊区位置的近似计算方法,然后给出分布式GEOSAR模糊度的计算步骤。仿真对比分析了传统频域方法与本文所提方法,并详细分析了单基地GEOSAR、双基地GEOSAR和多基地GEOSAR的模糊度特点。

GEO SAR天线波束指向定标中的误差分析

GEO SAR因其超宽测绘带和超长的合成孔径时间,导致低轨SAR波束指向定标方法不再适用,进而采取基于多脉冲分时比幅的波束指向定标方法。本文针对该指向定标方法,结合GEO SAR星地几何关系,对卫星姿态变化、三维系统性误差以及波束指向定标方法中接收机信噪比和通道增益稳定性引入的指向误差进行了详细的推导和仿真分析。仿真结果表明,0.003°的姿态测量误差会引入0.003°的距离向指向误差和0.0033°的方位向指向误差;三维系统性误差是导致天线波束指向变化的主要误差源;当SNR≥35 dB、通道增益稳定性优于1 dB时,GEO SAR波束指向定标方法引入的指向误差小于0.001°。

大气折射率时间变化对地球同步轨道圆迹SAR聚焦性能的影响

根据地球同步轨道圆迹SAR(GEOCSAR)的特点,大气折射率时间变化将会对GEOCSAR方位向聚焦成像产生重要影响。本文考虑L波段GEOCSAR的特点,因此对流层和电离层效应均不可忽略。文中建立了对流层和电离层折射率时间变化引起的相位误差模型,分析和推导了折射率时间变化对GEOCSAR方位向聚焦性能的影响,计算了引起L波段GEOCSAR聚焦性能退化的最小对流层折射率和电离层电子含量随机时间变化量,并通过仿真进行了验证。

电波传播对L波段地球同步轨道圆迹SAR重轨干涉性能的影响

不同于常规星载SAR,L波段地球同步轨道圆迹SAR(GEOCSAR)轨道高度高、合成孔径时间长、观测面积大,对流层折射率和电离层电子含量的时空变化将严重影响GEOCSAR重轨干涉性能。基于大气介质时空变化及GEOCSAR干涉信号的特点,从对流层和电离层相位延迟误差、电离层水平变化引起的图像方位向偏移、对流层折射率周日变化和电离层时空随机起伏引起的方位向聚焦性能下降、以及法拉第旋转效应几个方面分析了对流层和电离层对GEOCSAR重轨干涉相干系数、干涉相位的影响,并进行了仿真实验验证。分析以及实验结果表明,对流层和电离层均会对GEOCSAR干涉性能造成不可忽略的影响,其中电离层的周日时间变化和电离层起伏会导致图像散焦,进而严重降低干涉相干性。

全球首颗!高轨“减灾卫士”身怀绝技

8月13日,由航天科技集团五院抓总研制的陆地探测四号01星在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭成功发射。这是我国也是世界上第一颗高轨合成孔径雷达(SAR)卫星,也是全球首颗地球同步轨道SAR卫星。经过4次变轨后,陆地探测四号01星在8月下旬顺利进入工作轨道,合成孔径雷达天线成功展开,卫星完成了入轨初期飞控试验主要工作,工况正常,状态良好。未来,这颗卫星将在防灾减灾工作中发挥重要作用。