一种基于改进WLBF频谱的异构双基地前视SAR成像算法

异构平台组成的双基地前视合成孔径雷达（SAR）配置灵活,可实现多种构型下的前视成像,具有潜在的应用价值。然而特殊的几何构型使得其回波信号具有新的特性,给频谱模型的推导及成像算法的设计带来不便。针对这一问题,提出了一种基于改进WLBF （Weighted Loffeld's Bistatic Formula）频谱的双基地前视SAR成像算法。首先,引入时域去走动和切比雪夫降阶法,减小了传统频谱模型中相位历程的加权分割误差和二阶展开误差,在此基础上推导了回波信号的改进WLBF频谱表达式。然后,使用切比雪夫多项式将改进WLBF频谱展开并设计了双基地前视SAR成像算法。最后,对频谱模型和成像算法进行了仿真分析。结果表明所提改进WLBF频谱模型与传统频谱模型相比具有较高的精确度,设计的成像算法可满足异构双基地大前视系统的成像要求。     

基于Chebyshev正交分解的曲线运动轨迹SAR的Chirp Scaling算法

针对具有三维速度和加速度的曲线运动轨迹合成孔径雷达（SAR），传统的斜距模型无法精确描述其运动特性，曲线历程增加了距离走动现象和方位向时间的高次项，使二维耦合现象更为复杂。本文提出了一种考虑载体平台三维速度和加速度的Chirp Scaling算法以解决曲线运动轨迹SAR成像问题。首先根据运动方程建立斜距表达式，然后对其进行Chebyshev近似，并构造其等效双曲方程形式的斜距模型，推导了具有空变性的距离徙动函数，Chirp Scaling因子以及适用于曲线轨迹的Chirp Scaling成像算法。仿真结果证实了此扩展的等效斜距模型和Chirp Scaling算法在大合成孔径时间下的有效性，并给出了三维加速度的边界值。     

弹载大视场星惯组合深度融合导航技术

为了降低弹载星惯组合（Stellar-INS）飞行中段对调姿观星的要求，提高星惯组合姿态精度，提出了大视场（LFOV）星惯组合深度融合导航方法。小视场（NFOV）星敏感器输出星矢量为主，大视场星敏感器可同时输出姿态和星矢量信息，分别推导了基于星敏感器输出姿态和星矢量信息的观测方程，分析了星矢量和姿态观测方法之间的关联性。建立了包含星惯安装误差、陀螺误差以及初始平台误差角的星惯组合全误差项模型，基于线性卡尔曼滤波给出了深度融合导航方法。开展了数学仿真验证，分析了不同调姿观星路径约束下，大/小视场星惯组合性能差异。结果表明，大视场星惯组合深度融合导航方法不仅可以降低调姿观星约束要求，还可以实现组合姿态性能提升。     

一种稳健的利用分布式小卫星获取宽域、高分辨SAR图像的方法

 传统星载合成孔径雷达(SAR)受最小天线面积条件的限制，其横向分辨率与测绘带宽度相矛盾，采用编队飞行的分布式小卫星SAR体制，可解决这一矛盾，即能够同时获得大测绘带、高分辨率的地面场景的SAR图像。主要研究如何在误差环境下抑制由小天线引入的多普勒模糊的信号处理方法。该方法利用子空间投影技术对导向矢量进行精确估计，在小卫星存在基线及其他误差时仍然能够稳健地恢复高分辨的二维SAR图像。     

双基地聚束SAR运动误差分析

将三维坐标系引入运动误差分析,建立了对任意匀速直线航迹双基地聚束SAR运动误差统一、清晰的分析方法;在此三维坐标系下,推导出各种运动误差引起的相位误差的计算公式。推导基于一般的双基地聚束SAR回波模型,可适用于任意匀速直线航迹的双基地聚束SAR,并且将通常的单基地SAR的运动误差分析作为一种特例也涵盖在内。给出了位置误差、速度误差和加速度误差所造成的相位误差计算公式。从推导结果得出结论:位于不同平台的同一误差,引起的相位误差是不同的;在小场景假设下,双基地聚束SAR的运动误差是空不变的,与目标位置无关。计算机仿真验证了误差分析的正确性。     

一种横向机动弹道下SAR成像算法

针对横向机动弹道下SAR成像回波方位向和距离向严重耦合、弹载SAR平台实时性要求高的特点,提出了一种基于频谱分析的扩展SAR成像算法。首先,以初始距离相同的目标作为成像处理对象,建立了横向机动下弹载SAR成像模型,分析了回波相位和瞬时距离的泰勒展开;然后,采用包含水平面速度和偏航加速度参数的相位因子依次进行距离徙动校正、二次相位补偿和多普勒中心频率补偿,实现了SAR图像的精确聚焦。该算法处理流程简单、实时性高,适合横向机动弹道下的中等分辨率的大斜视成像,给出了算法流程,仿真验证了算法有效性。     

基于北斗卫星速度外推的GEO卫星速度解算方法

北斗二代导航系统是我国自主开发的区域卫星导航系统,该系统利用GEO卫星实现了区域卫星导航定位。针对GEO卫星的特点,现有的GEO卫星速度解算方法分为微分法与差分法两种,这两种方法各有优缺点。为了进一步提高GEO卫星速度计算的效率与精度,首先对两种计算GEO速度的计算方法进行了推导,从计算精度、计算量,计算时间和软件实现难易程度对两种方法进行了对比,同时提出了一种利用卫星加速度进行卫星速度外推的方法,仿真结果表明这种方法能够提高接收机的测速精度,且计算量较小,工程实现难度较低。     

失效卫星姿态接管的并行学习合作博弈控制

针对多颗微小卫星合作接管失效卫星姿态运动的问题,研究了考虑微小卫星控制约束的多星合作博弈策略学习与协同控制方法。首先,建立了微小卫星合作博弈模型,给出了能够处理微小卫星控制约束的多星合作博弈帕累托最优策略显式表达式。其次,针对微小卫星合作博弈策略学习需求,通过过去与当前时刻数据的并行使用,设计了基于并行学习的策略迭代方法,该方法放松了神经网络（NN）权值矢量学习对持续激励条件的要求。给出了为确保神经网络权值矢量估值收敛,所使用的过去时刻数据所需满足的条件,并通过Lyapunov方法分析了神经网络权值矢量估计误差的一致最终有界性。之后,采用并行学习策略迭代方法进行了微小卫星合作博弈帕累托最优策略数值解的逼近。所获得的合作博弈策略具有反馈控制形式,在进行神经网络权值矢量学习后,各微小卫星能够通过合作博弈策略的独立计算实现失效卫星姿态运动接管过程中的闭环协同控制。所设计方法避免了传统姿态控制方法所需进行的力矩分配,消除了微小卫星数量对其控制计算复杂度的影响。最后,通过数值仿真对所设计方法的有效性进行了验证。     

运动补偿用惯性器件误差对SAR成像分辨率的影响研究

 为提高合成孔径雷达（SAR）系统的性价比，必须根据SAR成像分辨率的要求和整体系统参数，设计相应精度的运动补偿用捷联惯导系统。在确定SAR运动补偿系统方案和安装方式的基础上，分析不同方向的加速度计和陀螺仪误差对天线相位中心位置测量误差的影响，并利用位置测量误差与SAR成像分辨率之间的关系，进一步明确了不同方向的加速度计和陀螺仪对SAR成像分辨率的影响。研究表明：基于SAR的工作原理和安装方式，x方向加速度计和y方向陀螺仪对SAR成像分辨率的影响明显比其他惯性器件严重；相同误差水平的惯性器件对SAR成像分辨率的影响随着合成孔径时间和工作波长的不同而不同，时间越长，波长越短，影响则越严重。SAR成像仿真证明了结论的正确性。研究结果对于研制高性价比SAR成像运动补偿系统有一定的理论指导意义。     

北斗GEO卫星南北控制对半长轴影响分析

在北斗GEO（Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道）卫星南北控制期间,陀螺漂移、姿态控制、轨道平面变化等因素都会对卫星轨道半长轴产生影响,进而影响卫星星下点经度漂移,而在实际工程中难以提前准确预估南北控制对半长轴的影响。根据GEO卫星南北控制特点,分析了各因素对半长轴影响的原因,通过影响因素剥离的方法建立了各因素对半长轴影响的模型,利用在轨GEO卫星历次南北控制的实际数据,验证了模型的准确性并给出了各个因素的影响量级。结果表明,该模型可使得南北控制对半长轴影响的预测精度达到1 km以内,可用于北斗GEO卫星南北控制时半长轴补偿控制。     

平移不变模式双基地SAR距离聚焦深度分析

根据平移不变模式双基地合成孔径雷达的空间几何关系模型,分析了平移不变模式双基地合成孔径雷达点目标的距离徙动特性,并进一步推导出了平移不变结构双基地合成孔径雷达的距离聚焦深度计算公式。该式表明平移不变结构双基地SAR距离聚焦深度与双基地角、方位分辨力、收发分机波束指向和目标到飞机最近距离之比有关。最后通过仿真,验证了理论分析的正确性。     

Performance of spaceborne bistatic synthetic aperture radar

This paper reports on a model developed for evaluating major system performance of a spaceborne bistatic synthetic aperture radar (SAR) for remote sensing applications. The procedure accounts for formation flying aspects. It is particularly aimed at comparison of monostatic and bistatic cases, and, as a test case, it is applied to study a novel configuration, based on a small satellite equipped with a receiving-only antenna orbiting in tandem with a large, noncooperative transmitting spacecraft, the Italian COSMO-SkyMed mission. Numerical results and plots show the effectiveness of the procedure as a mission design tool and put in evidence key issues and characteristics of the proposed spaceborne bistatic formation.     

适用于非合作发射源的合成孔径雷达无源成像方法

 合成孔径雷达(SAR)具有突出的高分辨率成像能力,在民用和军用领域体现出重要的应用价值。在复杂的作战环境中,提高SAR的电子对抗性能成为SAR技术发展考虑的重要方面。提出一种新的SAR无源成像方法,该成像方法将单部机载SAR接收机或多部机载SAR接收机在不同位置处接收到的回波信号相关,对相关后的信号采用滤波反投影方法进行成像,可重建场景的辐射率。该成像方法不需要已知发射源的波形和位置信息,适用于非合作发射源,具有良好的电子对抗性,并且适用于任意载机飞行轨迹、多基SAR等情形。仿真验证以双基情形为例,验证了该SAR无源成像方法的有效性,并分析了影响成像质量的各关键因素。     

A Raw Signal Simulator for Bistatic SAR

This article proposes a new efficient raw signal simulator for the bistatic synthetic aperture radar (SAR) based on 2D fast Fourier transform (FFT) to deal with cases of both ideal trajectory and trajectory deviation. It begins with analyzing the geometric configuration and the range history of the bistatic SAR in side-looking and squint modes of ideal trajectory as well as trajectory deviation. Then a detailed and mathematical study is conducted on the equivalence relation of bistatic-to-monostatic applications (BTMA) in the case of ideal trajectory and trajectory deviation. Also a set of formulas are derived for the equivalence relation between bistatic SAR and monostatic SAR on some reasonable assumptions. Therefore, the application of the simulation method based on the 2D FFT for the monostatic SAR can be extended to the case of bistatic SAR. Finally, the simulation results prove the validity of this method. By comparing the efficiency of the proposed method with that of the time domain method, it is shown that the former is a few orders of magnitude higher.     

Performance improvement for constellation SAR using signal processing techniques

A new concept of spaceborne synthetic aperture radar (SAR) implementation has recently been proposed - the constellation of small spaceborne SAR systems. In this implementation, several formation-flying small satellites cooperate to perform multiple space missions. We investigate the possibility to produce high-resolution wide-area SAR images and fine ground moving-target indicator (GMTI) performance with constellation of small spaceborne SAR systems. In particular, we focus on the problems introduced by this particular SAR system, such as Doppler ambiguities, high sparseness of the satellite array, and array element errors. A space-time adaptive processing (STAP) approach combined with conventional SAR imaging algorithms is proposed which can solve these problems to some extent. The main idea of the approach is to use a STAP-based method to properly overcome the aliasing effect caused by the lower pulse-repetition frequency (PRF) and thereby retrieve the unambiguous azimuth wide (full) spectrum signals from the received echoes. Following this operation, conventional SAR data processing tools can be applied to focus the SAR images fully. The proposed approach can simultaneously achieve both high-resolution SAR mapping of wide ground scenes and GMTI with high efficiency. To obtain array element errors, an array auto-calibration technique is proposed to estimate them based on the angular and Doppler ambiguity analysis of the clutter echo. The optimizing of satellite formations is also analyzed, and a platform velocity/PRF criterion for array configurations is presented. An approach is given to make it possible that almost any given sparse array configuration can satisfy the criterion by slightly adjusting the PRF. Simulated results are presented to verify the effectiveness of the proposed approaches.     

Depth of Field for SAR with Aircraft Acceleration

Processing synthetic array radar (SAR) data is difficult if the depth of field is small. Aircraft acceleration can severely reduce the depth of field and thereby increase the processing. The effects of aircraft acceleration on the depth of field for three types of SAR processing are analyzed: (1) conventional processing (range-Dopper processing), (2) variable pulse-repetition frequency (PRF) (PRF changes to compensate for aircraft acceleration), and (3) polar format. Polar format is a technique for processing high resolution SAR which has a much larger depth of field in the ground plane than conventional processing. On the other hand, aircraft acceleration will limit the vertical depth of field for polar format to about the same value as for conventional processing. In addition, for polar format, the only component of aircraft acceleration that limits the vertical depth of field is the component normal to the slant plane containing the velocity and range vectors. Vector notation is used to graphically show the effects of aircraft acceleration. In addition to better insight, the vector notation gives equations for SAR compensation that do not depend on a specific coordinate system.     

高信噪比、高分辨宽测绘带成像

针对传统高分辨和宽测绘带以及高信噪比和宽测绘带之间的矛盾,提出一种基于脉内扫描面阵合成孔径雷达(SAR)系统的二维空域联合处理算法实现高信噪比、高分辨宽测绘带成像。文中首先建立脉内扫描面阵SAR系统模型,该系统采用低脉冲重复频率(PRF)获得宽测绘带信息,同时利用脉内扫描方式获得高信噪比的回波信号。对于低PRF采样宽多普勒谱(对应方位高分辨)引起的多普勒模糊以及脉内扫描引起的距离模糊,提出一种二维空域联合处理算法解距离和多普勒模糊,并且详细地分析了地形高度变化对解模糊算法的影响。最后,通过仿真实验验证了本文算法的有效性。