基于地球同步轨道合成孔径雷达的双基地探测系统：概念及潜力

低空小目标容易被地物杂波和噪声淹没,影响雷达的探测性能,对国土防空具有较大威胁。星载双基地雷达因其覆盖范围广、相参积累时间长、不受地形遮挡影响等优点,在低空小目标探测方面具有独特优势。本文提出了一种基于地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)的双基地雷达探测系统;在GEO SAR卫星照射、地面(或飞艇)接收的系统配置下,研究了接收机作用距离与双基地角和接收天线面积的关系;并就长时间相参积累、多路径干扰抑制、时间同步与相位同步以及波束扫描与波束管理等关键技术进行了讨论,给出了初步的解决方案。

地球同步轨道合成孔径雷达特性分析

常规的低轨合成孔径雷达具有重访周期长,覆盖范围小等缺点,一个有效的解决办法是将低轨合成孔径雷达轨道提高到地球同步轨道上。然而,由于受地球自转的影响比较大,地球同步轨道合成孔径雷达有着其本身的特殊性。对地球同步轨道上合成孔径雷达的星下点轨迹、波束所能覆盖的范围以及多普勒频率进行了分析,并且相应地做了一些仿真。

地球同步轨道合成孔径雷达干涉测量模型

针对现有文献采用地球同步轨道合成孔径雷达(GEOSAR)测量地形高度和地貌形变时误差较大的问题,提出了一种新的GEOSAR干涉测量模型。在考虑地球曲面、斜距、基线、平台高度、干涉相位和数字高程模型(DEM)等因素的情况下,推导了干涉GEOSAR的绝对测高精度、相对测高精度与形变测量精度的数学模型,建立了一种既适用于高轨干涉SAR系统,也适用于低轨干涉SAR系统的干涉测量模型。根据该模型计算了GEOSAR测高误差和形变测量误差,并与实验仿真结果进行了比较,验证了该模型的有效性。研究结果表明,所提GEOSAR干涉测量模型与Bruno所提模型相比,适用范围更广,且误差精度提高至米量级。

地球同步轨道合成孔径雷达干涉成像系统研究

本文研究了地球同步轨道合成孔径雷达干涉测量的原理,通过程序模拟了地球同步轨道合成孔径雷达干涉成像系统,给出了地球同步轨道合成孔径雷达的干涉图、展开图.

GEO SAR长合成孔径时间弯曲轨迹成像试验

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)具有重访周期短,观测范围广等优点,在军事及民用领域具有重要的应用价值。针对GEO SAR长合成孔径时间弯曲轨迹复杂成像特性,首次提出一种地面演示验证方法,对长合成孔径时间弯曲轨迹下成像可行性进行验证。给出长合成孔径时间弯曲轨迹定量分析过程,提出具体试验方案,最后角反射器成像品质评估结果表明可实现长合成孔径时间弯曲轨迹下目标点成像。

镜面投影法确定地球同步卫星精密轨道

针对地球同步卫星(GEO)轨道面变化缓慢且能知道较准确近似值的特点,提出了镜面投影法。它以轨道面作对称面(镜面),将原观测站投影生成虚拟观测站;利用原站星距构成虚拟观测值。原观测值与虚拟观测值联合用于轨道参数估计,可以大大地增强观测几何结构,改善法方程状态,提高参数估值的精度。仿真计算的结果表明,新方法的效果明显。

地球同步轨道圆迹SAR研究

该文介绍了地球同步轨道圆迹合成孔径雷达(Geosynchronous Circular SAR,Geo-CSAR)的概念,通过设计同步轨道的轨道参数,可以形成近圆的卫星相对地球轨迹,使SAR载荷的凝视成像模式成为可能,实现对地的大面积定点连续观测以及真3维信息获取;研究分析了Geo-CSAR的成像能力,指出其在瞬时覆盖度、连续观测范围及3维精确定位方面,具有现有低轨星载SAR无法比拟的优势,是实现全球不间断覆盖的有效途径之一,在军事侦察、灾害监测方面具有重要的应用前景。

地球同步轨道SAR曲线轨迹模型和成像算法研究

由于地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)轨道高度高,地球自转对其影响较为严重,其相对地球的运动变得更为复杂,低轨SAR中的直线轨迹模型已不能精确逼近其真实成像几何,基于该模型推导的成像算法也不再适用。针对这一问题,本文首先根据GEO SAR平台的运动特点,使用高阶逼近模型建立了适用于GEO SAR长合成孔径时间的斜距方程,并结合级数反演法,推导出该斜距方程下的二维频谱高阶近似表达式。在此基础上提出了一种二维频域成像算法并分析了其运算量。该算法所有操作都由快速傅里叶变换和相位点乘完成,具有较高的效率。点目标仿真结果表明本文斜距方程精度较高,该算法能实现GEO SAR全孔径高精度成像。

频率源误差对地球同步轨道SAR成像性能影响分析

频率源相位误差作为合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)系统的一种时间去相干因素,对不同SAR系统的成像性能影响不同。对于低轨单基SAR系统,频率源相位误差通常可以忽略。而地球同步轨道(geosynchronous earth orbit,GEO)SAR系统具有更长的脉冲时延和合成孔径时间,此时频率源相位误差对成像性能的影响将不能被忽略。本文分析了频率源相位误差对GEO SAR系统成像性能的影响,并据此给出了GEO SAR系统对频率源相位特性的要求。

大气层效应对地球同步轨道SAR系统性能影响研究

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)合成孔径时间长、观测范围大,易受到大气层效应时空变化的影响,使成像的聚焦质量和差分干涉处理精度严重下降。该文针对常规对流层和背景电离层等大气层缓变的干扰部分,建立了高精度时频混合GEO SAR信号模型,分析了不同大气层参数的时间变化率对成像质量和差分干涉处理精度的影响。针对大气层干扰中对流层湍流和电离层闪烁等随机扰动造成的影响,基于幂律功率谱模型,建立了大气扰动参数和成像质量的定量化分析模型,获得了大气层随机干扰的强度与成像评估指标间的关系。最后,通过仿真验证了模型的有效性,并分析了长孔径时间内缓变和随机扰动的大气层误差对成像和差分干涉处理质量的影响,仿真结果表明:L波段GEO SAR成像和差分干涉处理受时空变电离层干扰的影响十分严重,必须予以补偿;对流层干扰对其影响较小,仅当积累时间达到数百秒时才需要考虑它对成像性能的恶化。

地球同步轨道星载SAR观测特性分析

地球同步轨道星载合成孔径雷达(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar,GEOSAR)具有超高的卫星轨道和超长的合成孔径时间,相比于目前的低轨星载SAR,GEOSAR在信号特性与成像信号处理方面变化显著。GEOSAR体制和理论方法的研究都要以GEOSAR自身的特性分析为基础。文中根据GEOSAR的星地几何关系对星下点轨迹、卫星速度与波束扫描速度、合成孔径时间、多普勒特性等观测特性进行了深入分析,然后在此基础上与典型低轨SAR进行比较,得出了相应结论。

基于Chirp_z变换与方位变标地球同步轨道SAR成像算法

针对地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)成像距离向处理复杂,方位向空变性强问题,该文提出一种基于Chirp_z变换与方位变标的成像算法。首先在回波模型中考虑"停-走-停"假设带来的相位误差,然后给出目标点的斜距表达式,并利用泰勒级数对斜距进行了高阶展开,通过级数反演法得到信号频谱表达式,利用高效的Chirp_z变换校正距离走动,简化距离向处理,利用改进的变标因子校正方位向信号一次,二次,三次展开项系数线性时变性,并在方位频域内补偿变标操作引入的相位误差。仿真结果表明该算法能够实现地球同步轨道SAR聚集成像。

地球同步轨道双基SAR成像方法

地球同步轨道发射、低地球轨道接收体制的天基雷达系统具有观测范围广、抗摧毁和抗干扰能力强、组网灵活等优点。分析发现,该系统中回波的包络不仅与地表场景的斜距有关,还与其方位位置有关,传统的单基SAR成像方法不再适用。本文分析了回波包络的历程,给出了适用于该系统的SAR成像方法。该方法根据多普勒参数以及目标像的几何形变量随接收卫星与发射卫星几何位置关系的变化特征对数据沿方位以及距离向进行分块,并重新构造距离徙动校正和方位匹配函数对回波信号聚焦,最后进行几何形变校正。仿真数据的成像结果证明了方法的可行性。

地球同步轨道圆迹SAR三维分辨特性分析

针对地球同步轨道圆迹SAR(GEOsynchronous Circular SAR,GEOCSAR)具有平台轨道高、斜椭圆形空间轨迹和椭球面成像区域等特点,需建立新的理论分析模型对其分辨特性进行评估。该文从建立观测目标与SAR平台的空间几何关系出发,推导出目标点与场景中心对应的斜距差与圆迹方位角的函数关系,进而给出3维点扩展函数表达式,并得出分辨函数受sinc函数和贝塞尔函数共同影响的结论。然后重点分析了3维分辨特性随地理位置、信号带宽、圆迹半径和孔径大小的变化规律,最后通过信号仿真实验进一步对理论建模进行了验证。

地球同步轨道SAR定轨精度要求分析

针对地球同步轨道合成孔径雷达(geosynchronous synthetic aperture radar,GEOSAR)的技术特点和应用需求,进行定轨精度要求分析。首先建立GEOSAR定轨误差模型,定性分析定轨误差对斜距及多普勒频率的影响。然后针对全误差公式难以解析求解的问题,提出了一种基于蒙特卡罗法分析定轨精度的方法,并给出GEOSAR典型应用模式下的定轨精度分析流程。最后针对中等倾角GEOSAR给出定量的定轨精度要求。仿真表明,GEOSAR成像聚焦所需的径向位置精度为米级,切向速度精度为10-3 m/s量级,目标定位所需的切向位置精度为10m量级,径向速度精度为10-3 m/s量级,差分干涉所需的径向位置精度为毫米量级,并且下视角越小,约束越高。

地球同步轨道SAR方位模糊度研究

与低轨合成孔径雷达(SAR)相比较,地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)具有重访周期短,观测范围广等优点,在军用及民用领域具有广泛应用。针对地球同步轨道合成孔径雷达多普勒中心频率时变及类滑动聚束工作模式造成常规方位模糊度计算不精确的问题,提出了一种新的方位模糊度计算方法。该方法基于精确的星地几何模型,考虑了地球自转、速度时变、多普勒中心频率时变以及类滑动聚束工作过程中天线指向变化对方位模糊度影响,通过对不模糊区域天线方位角及模糊区域天线方位角的精确求解得到了对应的天线增益值,进而得到方位模糊度的精确值。基于空间坐标系转换及矢量表示法推导了GEOSAR方位模糊度的表达式。最后结合地球同步轨道SAR轨道参数进行了仿真,验证了该方法的有效性。

基于四维电子密度的地球同步轨道SAR电离层时变影响校正方法

电离层在地球同步轨道SAR长合成孔径时间内具有明显的时变特性,这使得传统的基于电离层总电子含量(TEC)固定值的校正方法不再适用。为此,该文提出基于4维电子密度的地球同步轨道SAR成像补偿方法。通过基于电离层实测数据的半物理仿真,对校正方法进行实验验证,结果表明该方法可以有效地校正电离层时变特性对地球同步轨道SAR成像质量的影响。

地球同步轨道SAR对频率源稳定度的指标分析

地球同步轨道SAR大的回波延时和长的合成孔径时间使得频率源稳定度对SAR成像指标的影响不能像低轨星载SAR一样可忽略,成为制约地球同步轨道SAR系统实现的关键问题之一。本文首先给出频率源相噪模型,在此基础上采用数值积分的方法分析载波相噪对地球同步轨道SAR成像指标积分旁瓣比的影响。信号仿真分析结果表明:典型频率源仅能够满足5 m方位分辨率L波段地球同步轨道SAR系统的要求,但当工作频段提高、系统合成孔径时间增加时,积分旁瓣比将恶化,需要稳定度更高的频率源。

地球同步轨道SAR两维奇异值分解成像方法

针对地球同步轨道合成孔径雷达(geosynchronous synthetic aperture radar,GEO SAR)长合成时间和大观测场景严重的二维空变将影响二维聚焦深度的问题,该文提出了一种GEO SAR两维奇异值分解成像方法。该方法首先对距离空变信号进行奇异值分解得到距离多普勒的耦合特性,通过距离频率插值和重采样完成距离空变校正;接着,对方位空变信号进行奇异值分解将方位空变与多普勒分离,通过级联的两步奇异值分解和方位非线性变标操作完成方位空变校正,实现整个场景的聚焦。最后,仿真结果验证了该方法的有效性。

地球同步轨道SAR天线约束分析与数字波束形成设计

针对地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)的对地观测需求,同时考虑到发射等其他因素的影响,基于GEO SAR天线的面积以及功率约束分析,在一定的系统参数下,设计了一种将数字波束形成(DBF)技术与反射面技术结合起来的天线。该天线在俯仰向采用DBF可以降低系统对于脉宽的限制,从而降低峰值发射功率;在方位向采用DBF可以减小系统实际工作的脉冲重复频率(PRF),增大测绘带宽。该设计方法为未来GEO SAR天线的发展提供了理论参考。