星载-机载混合双站SAR回波信号的仿真

星载-机载混合双站SAR回波信号的仿真
杨永红;凌霖
【摘要】对于星载-机载双站合成孔径雷达(SA-BiSAR)系统,回波模拟的关键是计算出卫星、飞机和目标这三者之间的距离.在考虑地球自转的情况下,提出了用坐标变换的方法,解决了近地空间与外太空之间距离的计算问题,实现了任意几何模型下更为精确的SA-BiSAR回波模拟.同时,利用此方法也可获得直达波信号.点目标的仿真展示了SAR回波信号的特征,该方法得到了验证.
【期刊名称】《舰船电子对抗》
【年(卷),期】2010(033)006
【总页数】3页(P54-56)
【关键词】双站合成孔径雷达;回波模拟;成像算法
【作者】杨永红;凌霖
【作者单位】江苏科技大学,镇江,212003;江苏科技大学,镇江,212003
【正文语种】中文
【中图分类】TN958
0 引言
与单站SAR相比,双站SAR可以获取目标的丰富信息,提高系统的抗摧毁、抗隐身性能等优点。

双站SAR的载体可以是飞机、卫星以及固定的高塔。

星载-机载混合BiSAR（SA-BiSAR）是由卫星作为发射平台、飞机作为接收平台所组成的。

在没有实测数据的情况下,为了对SA-BiSAR系统进行深入的研究,利用仿真工具来
建立回波信号是一个必要且可行的途径。

回波信号模拟是SAR的一个专门的研究
方向。

Franceschetti研究了分布式场景在频域内SAR原始信号的仿真问题,在原
始信号中包含了SAR载体的轨迹偏差,同时给出了限制条件,该方法得到了验证。

本文在考虑地球自转的情况下,提出了用坐标变换的方法,解决了近地空间与外太空之
间距离的计算问题,并以点目标的仿真为例验证了该方法的可行性。

1 几何模型
对于SA-BiSAR的几何模型,假设地球为一个均匀的球体,即地表高度为零；卫星的
轨迹用轨道坐标系来描述；地球上的目标具有一定的速度,这来自于地球自转的影响。

同时,飞机在近地空间中飞行,也将受到地球自转的影响。

回波模拟的关键是计
算出卫星、飞机和目标这三者之间的距离（卫星-飞机、飞机-目标、卫星-目标）。

通常采用地心赤道坐标系或者轨道面极坐标系来描述卫星的运动。

图1为卫星的
轨道面极坐标系和赤道地心坐标系。

地心赤道坐标系的定义为:地心为坐标原点o；oxy在赤道面内,x轴指向春分点；z轴垂直于赤道面,且指向北极；y轴与x、z轴
构成右手坐标系。

由6个轨道参数来描述,即轨道升交点赤经Ω；近地点幅角ω；轨道倾角i；轨道半通经P；轨道偏心率e；卫星过近地点时刻τ。

图1 卫星的轨道面极坐标系和赤道地心坐标系
对任意给定的近地点时刻τ,卫星的近地点幅角为α,则有:
式中:M为平近点角；可用迭代法由M求解偏近点角E；真近地点角 f可由偏近点角E求解。

最终,卫星纬度幅角可由式（4）来计算。

为了便于研究问题,坐标系之间通常需要
转换。

从轨道坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为:
同理,从惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵为A-1。

将卫星、飞机和目标这三者的坐标统一转换到地心赤道坐标系下,这样便于计算直
达波距离,具体方法如下:
（1）由卫星轨道参数计算出轨道面下的极坐标（极径和极角）。

通过转换矩阵A,将其转换为地心赤道坐标系。

（2）由卫星天线参数和卫星初始时刻,确定场景中的中心点的坐标（经度和纬度）。

在地球引力的作用下,目标的速度可由纬度计算出来,将其转换为地心赤道坐标系。

（3）由SA-BiSAR的几何模型,确定飞机的初始位置（球坐标）和轨迹；在地球引力的作用下,飞机的最终轨迹是飞行方向和纬度方向上2个速度的矢量和；将其转
换为地心赤道坐标系。

因此,在地心赤道坐标系下,就可以计算出三者之间的距离（卫星-飞机、飞机-目标、卫星-目标）。

在地球引力的作用下,赤道上目标的速度约为460 m/s左右。

这样,
地球自转的影响必须要考虑在内。

现在给出一个仿真实例,假设SA-BiSAR的几何模型为:卫星天线正侧视,飞机天线也为正侧视,目标位于赤道内。

常数为:地球半径6 378.14 km；地球自转速度7.272
2×10-5rad/s；地球引力常数398 600.5 km3/s2。

几何参数如表1所示。

表1 几何参数SA-BiSAR 参数目标初始位置（纬度0°、经度4.37°）飞机高度5 km、速度100 m/s、初始位置（纬度0°、经度4.22°）卫星长轴半径 7 139 km、偏心率0.001 165、倾斜角90°、近地点幅角0°、升交点0°
图2为卫星与飞机之间的距离；图3目标与飞机之间的距离；图4卫星与目标之
间的距离。

图2 卫星与飞机之间的距离
从图2、3、4可以看出,地球自转对卫星与目标之间距离和卫星与飞机之间的距离（直达波）是有很大影响的,而对目标与飞机之间距离的影响是可以忽略的。

从另
外一个角度来看,这也验证了使用该方法求解直达波距离的可行性。

图3 目标与飞机之间的距离
图4 卫星与目标之间的距离
为了简化问题,仅以一个点目标为例来研究SA-BiSAR的回波模拟。

利用表1中的几何参数以及表2中的信号参数,用本文提出的坐标变换的方法来模拟回波数据,如图5所示。

表2 信号参数参数值波长 0.05 m脉宽10 μ s带宽 30 M Hz脉冲重复频率 2 200 Hz采样频率 60 M Hz合成孔径时间 0.5 s
从图5可以看出,在距离向和方位向上都呈现出了Fresnel曲线,而且在距离向上存在着明显的距离走动。

这些特征正是SAR回波的体现,表明了该方法的正确性。

2 结论
图5 点目标的回波信号
在考虑地球自转的情况下,本文提出了用坐标变换的方法,解决了近地空间与外太空之间距离的计算问题,实现了任意几何模型下更为精确的SABiSAR回波模拟；此外,利用此方法也可获得直达波信号,直达波信号可为BiSAR系统提供时间同步和频率同步等信息；并以点目标的仿真为例验证了该方法的可行性。

对于面目标和分布式目标的仿真,还有待于进一步的研究。

参考文献
[1] Walterscheid A R Brenner,J H G Ender.Results on bistatic synthetic aperture radar[J].IEEE Electronics Letters,2004,40（19）:1224-1225.
[2] Gebhardt U,Loffeld O,Nies H,et al.Bistatic airborne/spacebornehybrid experiment:basicconsiderations[A].SPIE International Symposium on Remote Sensing 2005[C].Brugge:SPIE Press,2005:479-488.
[3] Zhang Zhenhua,Xing Mengdao,Ding Jinshan,et al.Focusing parallel
bistatic SAR data using the analytic transfer function in the wavenumber domain[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2007,45（11）:3633-3645.
[4] Franceschetti G,Iodice A,Perna S,et al.Efficient simulation of airborne SAR raw data of extended scenes[J].GeoscienceRemoteSensing,2006,44（10）:2851-2860.
[5] Franceschetti G,Iodice A,Perna S,et al.SAR sensor trajectory deviations:fourier domain formulation and extended scene simulation of raw signal[J].Geoscience Remote Sensing,2006,44（9）:2323-2334.。