GEO SAR长合成孔径时间弯曲轨迹成像试验

李财品 何明一朱雅琳李光廷刘波

(1 西北工业大学电子信息学院，西安 710129)(2中国空间技术研究院西安分院，西安 710100)



GEO SAR长合成孔径时间弯曲轨迹成像试验

李财品1,2何明一1朱雅琳2李光廷2刘波2

(1 西北工业大学电子信息学院，西安 710129)(2中国空间技术研究院西安分院，西安 710100)

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。

地球同步轨道；合成孔径雷达;长合成孔径时间；弯曲轨迹；成像试验；卫星

1 引言

地球同步轨道合成孔径雷达(Geosynchronous Orbit Synthetic Aperture Radar,GEO SAR)具有不同于LEO SAR的许多特殊性，如曲线运动轨迹和长合成孔径时间、长回波延迟、卫星速度慢且变化范围大、大的成像时空尺度下大气传输过程的影响大等，这些都使得地球同步轨道SAR的成像机理与经典的低轨SAR有明显差别。如何在地面进行成像机理演示验证是GEO SAR重要的研究内容，具有重要意义。

近年来文献主要是对GEO SAR的成像处理算法及系统设计技术进行研究。例如文献[1-7]分别提出了采用改进的CS算法[1-3]，改进的NLCS算法[4]，改进RD算法[5]，子孔径处理方法[6]，时域卷积算法[7]等多种成像方法来解决GEO SAR长合成孔径时间弯曲轨迹下大距离与方位空变性及信号二维紧耦合的成像难题；而文献[8-9]对GEO SAR系统设计进行了研究，给出一种低轨道倾角系统方案设计，对系统发射功率，长合成孔径时间电离层影响进行了分析。上述的研究主要是基于理论建模及仿真，没有就地面如何进行验证及试验方案进行研究。

本文在对GEO SAR轨道特性分析基础上，提出了一种长合成孔径时间弯曲轨迹地面验证方案，首次对长合成孔径时间弯曲轨迹下成像可行性进行验证。给出了弯曲轨迹长合成孔径时间的分析过程，提出了试验的实施方案。

2 地球同步轨道特性

2.1 星下点轨迹

根据式(1)同步轨道SAR卫星星下点轨迹如图1所示。

图1 GEO SAR星下点轨迹Fig.1 Sub-satellite track for GEO SAR

从卫星星下点轨迹可以看出卫星飞行轨道为弯曲轨迹，因此目标点斜距不能采用简单的二次多项式来描述。

2.2 合成孔径时间

常规低轨SAR卫星合成孔径时间的求解通常把卫星的运动轨迹看成直线航迹，其表达式可近似表示为

图2 合成孔径时间示意 Fig.2 Schematic diagram of the synthetic aperture time

式中R为雷达波束中心斜距；θb为天线波束宽度；Vg为地面波束足迹速度(地速)。而对于GEOSAR，直线航迹近似存在很大误差，这种方法已不再适用，必须通过其定义精确求解GEOSAR合成孔径时间。

如图2所示，假设雷达从A时刻(记为tstart)起开始照射到地面目标点，从B时刻(记为tend)起开始离开目标点，则合成孔径时间为τ=tend-tstart。

3 弯曲轨迹分析

图3 卫星与目标点坐标位置 Fig.3 Coordinates of satellite and target

弯曲轨迹分析可以有两种角度：一种是通过卫星弯曲轨道与拟合后直线轨道距离差进行分析，另外一种是通过目标高阶次项展开斜距模型与常规直线轨迹二阶项斜距模型之间的距离差进行分析，这两种方式是等效的。对于第一种方式，一般用地球惯性坐标系描述卫星的位置状态[10]，如图3中OXYZ为地球惯性坐标系。

该坐标系的原点位于地心，OX轴在赤道面内指向春分点，OZ轴沿地球自转指向北极点，OY轴在赤道平面内垂直于OX轴，OX，OY，OZ三个坐标轴满足右手坐标系法则。OX′Y′Z′为天线坐标系，OX′轴指向轨道在该点的切线方向，OY′轴与天线波束中心指向相同，OZ′轴与OX′、OY′构成右手螺旋坐标系。假设卫星在轨道平面坐标系下坐标为

则在地球惯性坐标系为

式中Ω为升交点赤经；w为近地点幅角；i为轨道倾角。

考虑地球自转后卫星位置(在地心固定坐标系下)可以描述为

式中Hg为地球惯性坐标系与地心固定坐标系X轴的夹角。Hg也称为格林尼治时间角，由地球自转引起。设t0时刻地球惯性坐标系与地心固定坐标系重合，则ta时刻Hg=ωe(ta-t0)。其中，ωe=7.292 115×10-5rad/s，为地球自转的角速度。

第二种方式：GEOSAR卫星长合成孔径时间弯曲轨迹造成了地面目标点的斜距历程不能简单利用常规低轨SAR卫星二次项模型来表示，需要采用更高阶次更高精度的模型。根据文献[11]，将GEOSAR目标点斜距历程进行高阶泰勒级数展开并表示成标量形式，根据仿真分析四阶展开能够满足精度要求，则：

式中Rc表示为波束中心时刻斜距;Vc，Ac，Bc，Cc分别表示为波束中心时刻斜距一阶、二阶、三阶和四阶导数。

4 试验方案

滑轨试验弯曲轨迹模拟的方案是将天线导轨安装于沿水平运动的滑轨车上，天线在导轨上按照规定的运动参数做往复运动，通过滑轨车的水平运动和天线在天线导轨上的运动等效合成所需的曲线运动轨迹。

天线导轨运动示意如图4所示。运动路程①：天线先从导轨底部的A点开始运动，起始速度为最大速度，运动方式为匀减速，运动至导轨顶部B点时速度为0。运动路程②：天线从B点开始运动，起始速度为0，运动方式为匀加速，运动至导轨底部的A点时速度为最大速度。运动路程①和运动路程②连续进行。

滑轨试验长合成孔径时间模拟的方案利用宽波束天线照射场景形成长合成孔径，并控制滑轨车的运动速度使其慢速运动从而形成要求的合成孔径时间。

整体的试验与场景间相对关系示意如图5所示。

图4 天线导轨运动示意Fig.4 Schematic diagram ofantenna motion at track

图5 试验场与试验场景相对关系Fig.5 Relative relationship between experiment field and scene

5 仿真及试验结果

选取以下参数作为仿真分析的输入：轨道半长轴为42 164 km，轨道倾角为16°，轨道偏心率为0.05，升交点赤经为106°，近地点幅角为90°，雷达工作频段为L波段。

根据以上参数可仿真得到GEO SAR合成孔径时间如图6所示。

图6 合成孔径时间的变化Fig.6 Change of synthetic aperture time

从图6可以看出，在不同轨道位置处合成孔径时间不相同。全孔径合成孔径时间达千秒量级，部分孔径分辨率达到20 m需要的平均合成孔径时间为500 s左右。根据上述仿真分析结果，对试验方案进行设计，为了得到500 s合成孔径时间，要求方位向波束宽度8°，滑轨车速度约为3 m/s。

对试验数据的采集及处理，采用改进的成像算法进行了图像处理，成像结果如图7～图9所示。

图7 滑轨试验成像结果Fig.7 Imaging results of track experiment

图8 角反射器成像结果Fig.8 Imaging results of corner reflector

图9 角反射器成像评估Fig.9 Imaging evaluations of corner reflector

从场景及角反射器成像结果可以看出，该试验能够实现弯曲轨迹长合成孔径条件下的成像聚焦，图像场景层次清楚，目标清晰，纹理明显。通过对角反射器的评估得到距离向峰值旁瓣比达-12.8 dB，方位向峰值旁瓣比达到-18.9 dB，接近理论设计值。

6 结束语

地球同步轨道SAR卫星存在复杂的轨道特性，目前国际上还没有在轨飞行的地球同步轨道SAR卫星。针对其长合成孔径时间弯曲轨迹常规机载校飞难以模拟验证的特点，提出了一种地面滑轨验证方法，对弯曲轨迹下方位向成像空变性及长合成孔径时间下成像可行性进行验证。给出了弯曲轨迹长合成孔径时间的分析过程，提出了具体试验方法，最后得到的试验结果表明能够实现长合成孔径时间弯曲轨迹下目标成像。

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李财品 1984年生，2010年获中国空间技术研究院通信与信息系统专业硕士学位，现为西北工业大学信号与信息处理专业博士研究生。研究方向为微波遥感技术。

(编辑:王晓宇)

Imaging Experiment with Long Integrated Time and Curved Trajectory for Geosynchronous Obit SAR

LI Caipin1,2HE Mingyi1ZHU Yalin2LI Guangting2LIU Bo2

(1 School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129) (2 China Academy of Space Technology (Xi′an), Xi′an 710100)

Geosynchronous orbit SAR (GEO SAR) has wide applications in military and civilian areas because of the advantages of wider swath and shorter revisiting period. Aiming at the complex imaging characteristics of long synthetic aperture time and curved trajectory in GEO SAR, a ground experiment method was proposed to verify the imaging feasibility. The quantitative analysis curved trajectory with long synthetic aperture time was given, and the experiment plan was put forward. The experiment results show that it can achieve long synthetic aperture time bending trajectory imaging.

Geosynchronous orbit;Synthetic aperture radar; Long integrated time; Curved trajectory; Imaging experiment;Satellite

2015-04-01。收修改稿日期：2015-06-05

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.04.003