本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術(shù)：

洋流又稱海流，是海水因熱輻射、蒸發(fā)、降水、冷縮等形成密度不同的水團(tuán)，再加上風(fēng)應(yīng)力、地轉(zhuǎn)偏向力、引潮力等作用而形成的大規(guī)模相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)，它是海水的普遍運(yùn)動(dòng)形式之一。洋流對(duì)海洋中多種物理過程、化學(xué)過程、生物過程和地質(zhì)過程，以及海洋上空的氣候和天氣的形成及變化，都有影響和制約的作用。

目前洋流監(jiān)測手段包括：(1)利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)間接反演地，該方法僅適用于百公里尺度的大洋環(huán)流的測量，對(duì)于中國海大陸架淺海區(qū)域的海表流場不適用；(2)利用時(shí)間序列衛(wèi)星紅外(或可見光)圖像，用特征跟蹤或模式識(shí)別方法提取海表流場，該方法受限于晴空衛(wèi)星光學(xué)圖像以及較為明顯的圖像特征；(3)使用編隊(duì)衛(wèi)星進(jìn)行順軌干涉實(shí)現(xiàn)洋流的測量，德國TanDEM編隊(duì)SAR衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了洋流高分辨率直接測量。由于洋流測速精度要求高，目前尚無在軌運(yùn)行的單星實(shí)現(xiàn)洋流直接測量系統(tǒng)。

星載SAR沿航跡干涉技術(shù)從原理上講有三種方案：重復(fù)軌道干涉、單星雙天線干涉和分布式衛(wèi)星干涉。重復(fù)軌道干涉由于滿足干涉需要的基線條件難于保證，因而效率低，無法獲得連續(xù)穩(wěn)定的雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)產(chǎn)品；分布式衛(wèi)星干涉形成的基線穩(wěn)定，容易獲得較長的基線，可以獲得較高的干涉測量精度，但是需要多顆衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)，任務(wù)難度高，技術(shù)復(fù)雜；單基線雙天線干涉的基線由剛性結(jié)構(gòu)形成，飛行一次就可獲取有效干涉數(shù)據(jù)。對(duì)于低波段干涉SAR，雙天線系統(tǒng)固有的基線較短的特點(diǎn)，使得干涉測量精度受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有單星星載SAR干涉測量方式無法滿足洋流測速精度要求；為解決所述問題，本發(fā)明提供Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)及其工作方法。

本發(fā)明提供Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)，包括：搭載于衛(wèi)星的發(fā)射天線，和同一星上分別位于發(fā)射天線兩側(cè)的第一接收天線和第二接收天線，天線的工作波段為Ka波段，所述第一接收天線、第二接收天線質(zhì)心的連線平行于衛(wèi)星航跡，采用單軌一發(fā)雙收沿航跡干涉模式進(jìn)行星下洋流測速，所述沿航跡干涉SAR系統(tǒng)的工作視角為7～15°；所述發(fā)射天線依次向星下兩側(cè)區(qū)域發(fā)射脈沖信號(hào)，所述第一接收天線、第二接收天線同時(shí)接收脈沖信號(hào)回波；所述發(fā)射天線、第一接收天線、第二接收天線采用有源相控陣天線，第一接收天線、第二接收天線距離向有4個(gè)孔徑，各個(gè)孔徑配置單獨(dú)的天線接收網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明還提供所述Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)的工作方法，包括：

步驟一、發(fā)射天線向星下任意側(cè)發(fā)射Ka波段脈沖信號(hào)；發(fā)射天線兩側(cè)的第一接收天線和第二接收天線同時(shí)接收脈沖信號(hào)回波；所述第一接收天線、第二接收天線上的各個(gè)孔徑單獨(dú)接收脈沖信號(hào)回波；

步驟二、發(fā)射天線在同一距離指向向星下另外一側(cè)發(fā)射Ka波段脈沖信號(hào)；發(fā)射信號(hào)兩側(cè)的第一接收天線和第二接收天線同時(shí)接收脈沖信號(hào)回波。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：

采用Ka波段為工作波段，由于波長較短，相比其它波段，要獲取相同的干涉測量精度，系統(tǒng)所需的干涉基線長度僅為傳統(tǒng)低頻段干涉SAR系統(tǒng)的幾分之一。因此，在Ka波段只需在單顆衛(wèi)星上同時(shí)搭載兩部SAR天線就可實(shí)現(xiàn)干涉測量，兩部SAR天線之間通過可以收攏的天線支撐臂連接。相比分布式衛(wèi)星SAR，Ka波段單星干涉SAR系統(tǒng)大大節(jié)約了衛(wèi)星成本和任務(wù)開支。

距離向接收天線采用多個(gè)孔徑分別單獨(dú)接收脈沖信號(hào)回波，采用DBF-SCORE技術(shù)可以合成高增益的窄波束實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的接收，從而提高系統(tǒng)的接收增益，在保證系統(tǒng)信噪比的前提下降低系統(tǒng)的發(fā)射功率需求。解決了對(duì)于Ka波段的毫米波SAR系統(tǒng)在大氣傳播中的損耗要比其它低波段大氣損耗強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)的功率增益需求更大的問題。

綜上所述，Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)能夠以單星為載體，實(shí)現(xiàn)小尺度高精度的洋流速度測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)的工作示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)距離向采用DBF-SCORE接收回波的工作示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)工作視角范圍內(nèi)的地距分辨率仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下文中，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)作進(jìn)一步闡述。

由背景技術(shù)可知，傳統(tǒng)的衛(wèi)星高度計(jì)無法滿足洋流測速精度的要求，星載SAR沿航跡干涉技術(shù)測速或者需要多顆衛(wèi)星組網(wǎng)測量，系統(tǒng)復(fù)雜難度高，或者單星測量精度受限。申請(qǐng)人針對(duì)上述問題進(jìn)行分析，在本發(fā)明中提供一種可以滿足洋流測速精度要求的Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)及其工作方法。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)包括搭載于衛(wèi)星的發(fā)射天線，和同一星上，分別位于發(fā)射天線兩側(cè)的第一接收天線1和第二接收天線2，所述第一接收天線1和第二接收天線2的質(zhì)心的連線平行于衛(wèi)星航跡，采用單軌一發(fā)雙收沿航跡干涉模式測量洋流速度。所述第一接收天線1和第二接收天線2之間通過可以收攏的天線支撐臂連接，天線的工作波段為Ka波段。

本發(fā)明實(shí)施例提供的Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)的干涉相位的表達(dá)式為：

其中，B為干涉基線長度，v_r為目標(biāo)的徑向速度，λ為波長，V_p為衛(wèi)星移動(dòng)速度。由上式可以發(fā)現(xiàn)，隨著波長的減小，系統(tǒng)對(duì)干涉相位的敏感度越高。因此，選用Ka波段可以降低對(duì)基線長度的需求，使得單軌一發(fā)雙收干涉測量可以獲得較高的測量精度。在本實(shí)施例中，SAR天線工作頻率為35GHz，基線長度在10m以內(nèi)，百米網(wǎng)格可以達(dá)到優(yōu)于0.1m/s的測速精度。

正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，在Ka波段，海面的后向散射系數(shù)隨入射角的增大而迅速減小。為了在保證系統(tǒng)信噪比的同時(shí)降低系統(tǒng)代價(jià)，本方案采用小工作視角。傳統(tǒng)星載SAR系統(tǒng)工作視角一般在20°～50°范圍內(nèi)，本方案設(shè)計(jì)工作視角小于15°，比如7°～15°，申請(qǐng)人通過大量理論分析和仿真計(jì)算，該工作視角范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以滿足分辨率的要求，并且實(shí)現(xiàn)海面的后向散射系數(shù)最優(yōu)。

系統(tǒng)工作在小工作視角時(shí)，其可以獲得的地距分辨率較差，但是本系統(tǒng)用于洋流速度測量，對(duì)分辨率的要求與傳統(tǒng)SAR系統(tǒng)相比較低。根據(jù)洋流速度測量的應(yīng)用需求，網(wǎng)格分辨率為百米量級(jí)，通過系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，本方案所選取的工作視角可以滿足系統(tǒng)對(duì)分辨率的要求。圖3為本系統(tǒng)工作視角范圍內(nèi)的地距分辨率。

本方案采用較小的工作視角，導(dǎo)致系統(tǒng)覆蓋范圍受限。本方案采用相鄰脈沖依次照射星下點(diǎn)兩側(cè)的工作方式，同時(shí)覆蓋星下點(diǎn)兩側(cè)的測繪帶，從而保證了系統(tǒng)的覆蓋能力。

本實(shí)施例中，發(fā)射天線每隔PRT時(shí)間發(fā)射脈沖信號(hào)，發(fā)射天線首先發(fā)射波束照射星下點(diǎn)左側(cè)(或右側(cè))區(qū)域，兩幅沿航跡設(shè)置的接收天線接收星下點(diǎn)左側(cè)(或右側(cè))的回波信號(hào)；PRT時(shí)間之后發(fā)射天線發(fā)射波束照射星下點(diǎn)右側(cè)(或左側(cè))區(qū)域，兩幅沿航跡設(shè)置的接收天線接收星下點(diǎn)右側(cè)的回波信號(hào)；再隔PRT(pulse repetition time，脈沖重復(fù)時(shí)間)時(shí)間之后發(fā)射天線照射星下點(diǎn)左側(cè)(或左側(cè))區(qū)域區(qū)域，如此循環(huán)完成對(duì)星下點(diǎn)兩側(cè)區(qū)域的覆蓋(如圖1所示)

參考圖2，在接收端距離向使用DBF-SCORE技術(shù)，距離向DBF模型如圖2所示，星載SAR使用有源相控陣天線，接收天線距離向有N個(gè)孔徑，N為任意自然數(shù)，各個(gè)孔徑配置單獨(dú)的天線接收網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)有N個(gè)通道。本實(shí)施例中N＝4，研究發(fā)現(xiàn)N＝4可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與效果的最優(yōu)化配置。接收時(shí)各個(gè)孔徑單獨(dú)接收回波，通過DBF處理產(chǎn)生窄的高增益筆狀波束，最大利用天線的增益。DBF處理的具體操作方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再詳述。

系統(tǒng)采用距離向DBF-SCORE技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)接收增益，與單通道接收相比，N通道的DBF接收可以增加10log10(N)dB的接收增益。根據(jù)兩組接收天線采集的回波信號(hào)計(jì)算洋流速度的方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再詳述。

本發(fā)明還提供所述的Ka波段沿航跡干涉SAR系統(tǒng)的工作方法。

綜上，傳統(tǒng)的測量手段難以滿足對(duì)小尺度洋流的高精度測量，而多星組網(wǎng)編隊(duì)干涉的手段雖然可以滿足洋流測量需求，但是其任務(wù)難度高、技術(shù)復(fù)雜。Ka波段波長較短，相比其它波段，要獲取相同的干涉測量精度，系統(tǒng)所需的干涉基線長度僅為傳統(tǒng)低頻段SAR干涉系統(tǒng)的幾分之一。因此，在Ka波段只需在單顆衛(wèi)星上同時(shí)搭載兩部SAR天線就可實(shí)現(xiàn)高精度的干涉測量。

現(xiàn)有本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。