GEOSAR长合成孔径时间弯曲轨迹成像试验

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1、２０１５年８月中国空间科学技术１７第４期ChineseSpaceScienceandTechnologyGEOSAR长合成孔径时间弯曲轨迹成像试验１，２１２２２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）摘要地球同步轨道合成孔径雷达（GEOSAR）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GEOSAR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

2、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。关键词地球同步轨道；合成孔径雷达；长合成孔径时间；弯曲轨迹；成像试验；卫星DOI：１０畅３７８０／j畅issn畅１０００‐７５８X畅２０１５畅０４畅００３１引言地球同步轨道合成孔径雷达（GeosynchronousOrbitSyntheticApertureRadar，GEOSAR）具有不同于LEOSAR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、

3、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GEOSAR重要的研究内容，具有重要意义。近年来文献主要是对GEOSAR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［１‐３］［４］［５］［６］别提出了采用改进的CS算法，改进的NLCS算法，改进RD算法，子孔径处理方法，时［７］域卷积算法等多种成像方法来解决GEOSAR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GEOS

4、AR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GEOSAR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畅１星下点轨迹设i０为地球同步轨道倾角；L０为升交点的地心经度；t为飞行时间；vs为卫星在地心坐标系中２πt的速度；T为

5、同步轨道运行周期；为t时刻卫星与升交点的角距（从升交点开始测量）矰。考虑T收稿日期：２０１５‐０４‐０１。收修改稿日期：２０１５‐０６‐０５１８中国空间科学技术２０１５年８月到地球自转影响，沿轨道运行的卫星于某一圈运行中的星下点轨迹的纬度Le与经度e分λ别为：Le＝arcsin（sini０sin）矰（１）e＝Lλ０＋arctan（cosi０tan）－矰et＋ω０（t）φπ２π，－≤＜０矰２ππ式中e为地球自ω转角速度；０（t）＝πφ，≤＜π和－矰π≤＜－矰２２π０，０≤＜矰２。根据式（１）同步轨道SAR卫星星下点轨迹如

6、图１所示。图１GEOSAR星下点轨迹Fig畅１Sub‐satellitetrackforGEOSAR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畅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Rbθ＝τ（２）Vg式中R为雷达波束中心斜距；b为天线波束宽度；Vg为θ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

7、，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＝tend－tstart。τ因此，计算合成孔径时间的关键转化为求解tstart与tend。假设卫星在A时刻位置矢量为Rststart，在B时刻位置矢量为R图２合成孔径时间示意stend，地面目标点的位置矢量为Fig畅２SchematicdiagramofRgt，可以计算起始照射时间与终止照射时间：thesyntheticaperturetime２０１５年８月中国空间科学技术１９Rststart－Rgt

8、·Rststartbθacos＝Rststart－RgtRststart２（３）Rstend－Rgt·Rstendbθacos＝－Rstend－RgtRstend２３弯曲轨迹分析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