应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理验证方法

应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理验证方法
倪崇;张庆君;刘杰;朱宇;田卫明
【摘要】为了验证地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)的成像机理,采用倾斜地球同步轨道(IGSO)北斗导航卫星作为照射源,通过地面接收北斗导航卫星信号和地面反射的回波信号,实现对GEO SAR成像机理的等效性验证.北斗导航卫星具有与GEO SAR卫星相似的轨道,地面接收的信号可以等效成单程传播的GEO SAR回波信号;成像处理采用与GEO SAR相同的合成孔径时间,在合成孔径时间内地面反射的北斗导航卫星信号具有与单程传播的GEO SAR回波信号相似的距离徙动特性和多普勒特性,可实现长合成孔径时间条件下GEO SAR成像机理的验证.通过双基地试验实现了应用北斗导航卫星信号的GEO SAR成像机理的等效性验证.
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2016(025)005
【总页数】6页(P19-24)
【关键词】地球同步轨道合成孔径雷达;导航信号;成像机理;成像等效性
【作者】倪崇;张庆君;刘杰;朱宇;田卫明
【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京理工大学信息与电子学院,北京 100081
【正文语种】中文
【中图分类】V474.2
地球同步轨道合成孔径雷达（GEO SAR）能够将GEO的轨位优势与SAR穿透能
力强、不受气象条件和黑夜影响的优势结合起来，实现对关注区域全天候、高时间分辨率、大范围的观测，对及时有效实施应急响应提供有力支持。

GEO SAR运行在高轨道，与低轨SAR（LEO SAR）相比，具有卫星速度慢、合成孔径时间长的
特点。

GEO SAR的回波特性与LEO SAR有显著区别，长合成孔径时间使得目标
回波的距离徙动量大、空变性剧烈、成像处理难度大。

美国［1］、欧洲［2］和
中国［3］都从理论上论证了GEO SAR成像机理的可行性，但由于机载校飞等LEO常规试验验证手段很难直接应用在GEO SAR上，因此GEO SAR的试验验证成为一大难题。

倾斜地球同步轨道（IGSO）北斗导航卫星与GEO SAR具有相似
的轨道特性，本文应用北斗导航卫星信号对GEO SAR成像机理进行验证。

利用北斗导航卫星作为照射源、在地面配置接收机，组成星地双基地SAR系统，
接收机接收的场景回波信号可等效为单程传播的GEO SAR回波信号，通过研究此模式下的回波信号特性和成像算法，可实现对GEO SAR成像机理的等效地面成像验证。

2.1 等效性分析
应用北斗导航卫星发射、地面接收的双基地试验，与GEO SAR成像的相似性如下。

（1）轨道：GEO SAR和北斗导航卫星都运行在GEO，且具有一定的倾角，两者轨道类型一致。

（2）传输路径：GEO SAR和北斗导航卫星轨道类型一致，因此合成孔径时间内
电波在空间的传输是一致的，地球自转、轨道弯曲［3］等因素对成像的影响也是一致的。

（3）距离向：导航信号（伪随机序列）的带宽是20.46MHz，采用相关处理可以得到较高的距离向分辨率，这与GEO SAR的距离向脉冲压缩本质相同。

（4）方位向：北斗导航卫星发射、地面接收的双基地试验，是连续波雷达体制，
可以把1ms连续波信号（伪随机序列的周期为1ms）划为一个处理单元，将连续波雷达体制等效为1000Hz脉冲重复频率（PRF）的脉冲SAR体制，形成百秒至
千秒量级的积累时间，实现方位向的高分辨率，这与GEO SAR的方位向高分辨率成像道理相同。

因此，应用北斗导航卫星发射、地面接收的双基地试验，可以验证GEO SAR成像机理，其与GEO SAR成像等效性分析见表1。

为了得到效果良好的图像，要对试验可达到的分辨率和信噪比进行分析，以完成对试验的合理设计。

2.2 分辨率分析
空间分辨率分析包括距离向分辨率和方位向分辨率的分析［4］。

2.2.1 距离向分辨率
双基地SAR几何关系示意如图1所示。

双基地SAR距离向分辨率ρgr与双基地角β存在以下关系。

式中：c为光速；B为信号带宽（20.46MHz）。

绘制距离向分辨率随双基地角的变化，如图2所示。

可见，随着双基地角的增大，距离向分辨率逐渐恶化，因此试验中尽量选取低双基地角的几何配置。

2.2.2 方位向分辨率
方位向分辨率ρa的计算公式为
式中：λ为发射信号波长；θ为天线扫描范围；Rt为发射距离；V为卫星速度；Ts 为积累时间。

取典型的积累时间，绘制中地球轨道（MEO）和IGSO的方位向分辨率与积累时
间的关系，如图3所示。

可见，随着积累时间的增加，方位向分辨率逐渐改善，
且改善的速度先快后慢。

在其他因素一定的条件下，方位向分辨率越高，图像质量越好，因此应尽量取长的积累时间。

2.3 信噪比分析
北斗导航卫星并非传统的SAR卫星，其发射信号的功率比较小，因此，在利用北
斗导航卫星作为发射源对场景进行成像之前，应对接收信号的信噪比进行分析，包括直达波的信噪比分析和回波噪声等效后向散射系数的分析。

2.3.1 直达波信噪比脉冲压缩后的雷达信噪比SNR计算公式［5］为
式中：Pt为雷达发射功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；K为波尔兹曼常数；T0为系统绝对温度；Bn为系统等效噪声带宽；Fn为系统噪声系数；L
为系统损耗；PRT为脉冲重复周期；B为信号带宽。

由于卫星的轨道高度一定，因此卫星到接收天线的距离随仰角而变化。

绘制不同仰角下信噪比的变化曲线，如图4所示。

可见，信噪比在18～19dB，满足对电文提取、徙动曲线估计等处理步骤的需要。

另外，图4中显示仰角越高，信噪比越大，这是因为卫星高度一定时，仰角越大，卫星到接收机的距离越短。

2.3.2 回波噪声等效后向散射系数
回波噪声等效后向散射系数NE描述了当信噪比为0dB时，系统热噪声与场景反
射雷达波能力的对应关系，它可以衡量在一定距离上雷达能够观测到的最小散射系数的目标。

其计算公式［5］为
式中：Rr为接收距离；Ar为接收天线面积。

将实际系统参数代入式（4）进行计算，可得图5。

可见，若限制NE为典型值－20dB时，能够看到最远距离为881m（MEO）和1208m（IGSO）。

3.1 试验配置
试验配置如图6所示，北斗导航卫星发射具有一定带宽的信号，实现距离向分辨，同时卫星相对于成像区域运动，形成有效转角，实现方位向分辨［6］。

回波天线指向场景，接收回波信号。

直达波指向卫星，接收卫星的直达波信号。

直达波和回波通道共用一个本振，保证通道间的相参性。

根据双基地几何关系校正距离徙动和
实现方位向聚焦，从而得到成像结果［7］。

3.2 处理流程
利用北斗导航卫星作为照射源，与地面接收构成双基地体制，首先要解决的问题是收发之间的频率、时间同步［8－10］。

频率不同步是因为收发本振不同，一阶同步误差造成图像移位，二阶同步误差造成图像散焦。

时间不同步则来自于收发设备时间系统的不一致，这使得接收端无法获取发射端发射信号的时间，相当于回波数据的起始采样距离未知；此外，接收端无法获取卫星位置历史，使得方位向处理无法进行。

综上，同步问题须要解决：①频率误差的估计；②起始采样时间的确定；
③卫星位置历史的确定。

由于直达波和回波通道之间的相参性，两通道具有相同的频率同步误差，因此，利用直达波信号，提取出频率同步误差并补偿到回波通道中，即可完成频率同步处理。

对于时间同步，同样可利用直达波信号，提取出徙动曲线，并对回波信号按照所提取的徙动曲线进行距离徙动校正，再对直达波信号中的导航电文进行时间和卫星位置历史解算，即可完成时间同步。

与单基地SAR不同，双基地SAR的目标回波信号体现为双基地距离和的形式，这使得距离向和方位向信号的二维空变性更强［10－11］。

北斗导航卫星作为照射源，由于要达到较高的方位向分辨率，所需的积累时间较大，卫星轨迹为明显的曲线，若利用直线斜距对其进行近似，以开发快速成像算法［12］，将需要复杂的
补偿因子。

因此，考虑使用最精确的后向投影（Back Projection，BP）算法对数据进行处理，由于已经解决了同步问题，并且得到了卫星位置历史，因此直接使用BP算法就可以得到回波的聚焦图像。

处理算法的输入为直达波数据、回波数据及接收天线位置，输出为聚焦后的图像，其数据处理流程见图7。

3.3 试验结果
如图8所示，转发器（等效于角反射器）由天线A、B和放大器构成。

其中：天线A指向卫星，用于接收卫星的直达波信号，放大器对该天线接收到的直达波信号进行放大，并传输至天线B；天线B指向回波天线，用于将放大后的直达波信号发射至回波天线中，从而构成场景中的一个强点目标。

对回波数据进行成像，得到的结果如图9所示。

评估成像结果的分辨率指标，并与理论值对比，列于表2中。

可见，距离向和方位向分辨率都较接近理论值，证明了本文试验方案的正确性，同时也验证了GEO SAR成像的可行性。

通过开展应用北斗导航卫星的双基地试验，对GEO SAR的成像机理进行验证，可获得主要结论如下。

（1）GEO SAR通过长时间积累可获得多普勒带宽，能够实现方位向高分辨；（2）长合成孔径时间条件下，GEO SAR沿弯曲轨迹运动进行成像具有可行性；（3）应用北斗导航卫星信号，能验证GEO SAR的二维分辨特性。

本文的研究结果可为后续GEO SAR的深入研究和实施提供参考。

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