卫星微波干涉测高体制及性能分析研究

针对传统卫星星下点高度计测高体制只能实现一维测量,不能兼顾时间和空间分辨率的问题,重点分析了可实现宽刈幅测高的传统合成孔径雷达干涉(InSAR)测量和新型InSAR高度计测高两种体制;阐述了卫星微波干涉测高的工作原理及误差传播关系;研究了不同雷达下视角情况下随基线倾角的变化相位与基线误差对干涉测高精度的影响,从测高精度与地面分辨率方面分析两种体制的异同及应用范围。文章最后对不同的测高体制的测高精度和应用进行了总结对比,提出了可使测高体制充分发挥优势的应用范围和条件。     

星载合成孔径雷达的几个发展方向

针对军事领域的应用,介绍了未来星载合成孔径雷达(Spaceborne SAR)的几个重要的发展方向,包括能三维成象的星载干涉合成孔径雷达(InSAR)、星载SAR的动目标检测、星载超宽带SAR、多频多极化星载SAR和分布式星载SAR。对从事星载合成孔径雷达及卫星系统分析和设计的工程技术人员具有一定的参考价值。     

星载InSAR编队波束同步策略

针对星载InSAR编队波束同步要求,提出了一种考虑卫星姿态偏航导引要求的系统波束同步策略。建立并求解波束指向同步数学模型,得到基于波束指向同步的卫星姿态规划方法。进一步地,为减小由于主从星波束覆盖椭圆方位不同对干涉测高产生的影响,研究基于波束覆盖同步的卫星姿态规划方法。仿真结果表明,两种方法均可有效实现主从星波束同步,且后者效果更佳。
     

卫星总体参数对SAR分辨特性影响分析及仿真研究

建立了星载合成孔径雷达(SAR)分辨特性的数学表达式，分析了地球自转和地球扁率、轨道摄动、卫星姿态指向误差和稳定度以及星载SAR的中心视角对星载SAR分辨特性的影响，并进行了数字仿真。分析仿真结果表明，滚动向指向误差和稳定度以及星载SAR中心视角对分辨特性影响较大，该研究结果对于卫星总体参数确定和优化设计具有参考价值。     

星载相控阵GNSS-R测高系统设计与实验

星载GNSS-R测高系统采用多波束相控阵天线和干涉互相关处理方式,接收北斗导航卫星和GPS导航卫星发射的L波段导航直射信号与海面反射信号,进行海面高度探测。详细介绍GNSS-R测高系统设计与实现、集成和外场试验等,外场试验不仅验证了相控阵GNSS-R测高系统功能,更重要的是验证了核心软件算法的正确性。GNSS-R测高系统适用于中尺度海洋现象的观测,可在时间和空间尺度上扩展雷达高度计的观测能力,并与之相互补充,有利于对复杂海面的中尺度结构进行较高时间分辨率的观测。GNSS-R测高仪为星载高精度海面高度探测提供了新型载荷。     

星载波束扫描合成孔径雷达的性能分析和设计约束

星载波束扫描合成孔径雷达（ＳｃａｎＳＡＲ）是星载ＳＡＲ的重要发展方向，它不仅能按用户要求改变观测视角，而且能够大大扩展其一次通过观测地区时的观测带宽度。如果设计满足观测带远端模糊度约束，则最大观测带宽度与雷达波长和实际天线孔径的形状无关。本文对于该雷达的分辨率、天线面积、观测带宽度、平均发射功率和回波数据率等性能参数和设计约束均作了较详细和全面的阐述。     

星载双面多波束相控阵GNSS-R海洋微波遥感器设计

为实现对多个海面区域覆盖,对星载全球导航定位系统反射信号(GNSS-R)海洋微波遥感器设计进行了研究。遥感器采用层叠式双面多波束高增益相控阵天线,通过在轨镜面反射点快速搜索和波束调度,接收北斗或GPS系统发射的直射信号和海面反射信号,经原始信号采样、时延多普勒相关功率计算等处理,为全球海面风场反演和海面高度测量提供高时效微波遥感数据。给出了系统指标和组成、工作模式,以及星载层叠式双面多波束相控阵天线、星载镜面反射点预测和星载GNSS-R高精度海面测高等关键技术及实现途径。仿真和计算结果表明:系统测高精度22cm,可满足系统指标要求。实际测高精度待飞行试验验证。     

基于稀疏空间谱估计的星载SAR DBF算法

针对星载合成孔径雷达(SAR)系统利用俯仰向数字波束形成(DBF)技术接收场景回波时受地形的影响,会出现波束指向偏差的问题,提出了基于稀疏空间谱估计的星载SAR数字波束形成方法。该方法将目标场景高程估计问题转换为波达方向估计问题,考虑到回波信号的稀疏性,进而等效为稀疏空间谱估计问题,然后利用凸优化方法求解得到目标波达方向。最后,仿真实验验证了该方法的有效性,结果表明该方法可以降低传统自适应方法受小样本和低信噪比影响的限制,实现复杂地形下的正确波束指向,保证回波信号的接收增益。     

星载高分宽幅SAR技术发展趋势分析

分辨率和测绘带是星载合成孔径雷达(SAR)技术的两个重要指标,传统星载SAR由于最小天线面积的限制,不能同时实现方位向高分辨率和距离向宽测绘带.文章分析了星载SAR在同时实现高分和宽幅成像方面的固有约束以及传统SAR体制的局限性,分析比较了实现高分宽幅的新体制的技术特点、系统代价以及涉及的关键技术,从卫星总体角度分析了高分宽幅成像对卫星平台能源、数传等支撑能力的需求,并对未来高分宽幅SAR技术体制的发展方向进行了展望.     

海洋遥感雷达的一体化发展趋势

利用雷达高度计、微波散射计、海洋波谱仪和合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）观测海面风、浪等海洋动力环境要素的技术已经日趋成熟，针对现有单星多传感器体制存在的重量大、稳定性差、功耗高、整星系统复杂等缺点，首先对以上四种海洋微波遥感器的发展和应用情况进行了梳理，随后根据目前的发展趋势，提出了一种新的多模式一体化设计方法并进行详细描述，最后，对未来星载海洋微波遥感器的多模式一体化技术进行了展望，为今后海洋微波遥感器的多模式一体化研究提供参考。     

系绳卫星体制高精度INSAR系统设计

针对现有分布式干涉系统难以实现更高比例尺高效率地形测绘的问题,提出了一种基于系绳卫星体制的InSAR系统。首先,结合系绳卫星动力学仿真,给出了系绳干涉系统的几何模型,提出了系绳干涉系统的工作模式,然后研究了系绳卫星SAR载荷的具体工程实现途径,提出了基于系绳电缆解决实现同步和相位同步的方法。首次建立了系绳长度及面内角等参数与模糊高度的关系,对SAR载荷的工作频段、发射峰值功率、天线口径、入射角范围等进行了优化设计。对系绳InSAR系统的关键性能指标进行仿真分析,仿真结果表明该系统可以实现0.5m测高精度等核心指标。该研究提出了一种1:5000比例尺的高精度测绘SAR系统,相对测高精度比德国的Tandem-X系统提升了4倍,可为我国后续开展高精度星载InSAR工程研制提供参考。     

Ka波段机载双模式干涉SAR系统设计及测量精度分析

为解决传统干涉合成孔径雷达(SAR)系统只能顺轨干涉或交轨干涉,无法兼顾高精度高程测量和速度测量的问题,开展了Ka波段机载双模式干涉SAR系统设计与干涉测量精度分析。基于Ka波段电磁波波长短、干涉相位敏感度好的特点,利用较短的干涉基线在同一干涉SAR系统中实现高精度干涉测高与测速,并介绍了所设计的Ka波段机载双模式干涉SAR验证系统。仿真结果表明:该系统具备高效率、高精度干涉测量能力,可获得亚米级的绝对测高精度和0.1 m/s的测速精度。     

一种改进的星载分布式SAR相位保持成像算法

针对Chirp Scaling算法在推导中对相位采用近似处理而导致相位保持精度不能满足分布式星载InSAR系统对高程测量精度要求的问题,在对线性调频信号脉压处理中相位变化规律进行分析的基础上,结合星载分布式SAR数据处理对信号相关性的要求,推导了适用于星载分布式SAR数据处理的相位补偿公式,进而提出一种能够实现高精度相位保持的改进Chirp Scaling成像算法。算法精确补偿了包括复常数相位项、移零频所引入的线性相位项、距离向残留三次相位项及距离压缩后非均匀采样所引入的相位误差,并且能够实现分布式InSAR复图像对的粗配准。最后,给出了一种理论相位的计算方法,并通过计算机仿真验证了算法的有效性。     

双星InSAR时间同步误差对相位同步的影响

针对双星编队的InSAR雷达系统，提出了SAR与相位同步一体化的系统框架，在双星时间同步误差的基础上，提出了一种综合考虑时间同步误差、SAR和相位同步发射及接收链路时延的双星相位同步设计方法，给出了相位同步补偿后的辅星回波信号相位和双星干涉相位，推导了两种时变相位误差功率谱密度，经过理论分析和仿真试验证明：相位同步补偿后，时间同步误差不影响相位同步精度，只影响辅星目标位置。辅星回波固定相位误差较大，但不影响成像，双星干涉固定相位误差为千分之几度，对干涉测高精度影响可以忽略，辅星回波和双星干涉时变相位误差与主星相近。     

基于ATI技术和象素匹配的星载SAR/GMTI实现方法

与机载合成孔径雷达相比,星载合成孔径雷达由于其复杂的空间几何关系、地球自转及地球曲率等因素的影响,使得星载SAR／GMTI的实现更为复杂。提出了当不满足相位偏置中心天线(DPCA)中脉冲重复频率和天线水平基线间的严格约束条件时,通过象素匹配法和星载SAR沿航迹向干涉(ATI)技术实现星载合成孔径雷达(SAR)动目标检测、测速及定位的一种方法。该方法采用沿航迹向线性排列的双孔径天线星载SAR结构,首先建立了星载SAR双孔径天线空间几何模型并详细分析了星载SAR双孔径天线机理及信号特性,然后利用常规方法成像的双天线SAR图像,分析并推导了基于ATI技术和象素匹配实现对地面背景杂波淹没的运动目标检测、径向速度分量估计以及目标定位的方法。最后,通过计算机仿真验证了其有效性。     

同空间后向投影InSAR成像及干涉相位提取方法

为了提高复杂运动情况干涉合成孔径雷达（InSAR）成像精度,结合时域后向投影方法提出了一种基于同空间后向投影的InSAR成像与相位提取方法,分析后向投影多普勒补偿函数与干涉相位的关系,通过各天线回波投影到相同的成像空间,再构造相位补偿函数进行相干积累成像。仿真和实测数据验证了复杂运动情况下本文方法较传统频域算法获得更好的InSAR成像和干涉相位质量,且该方法还可在成像过程中实现InSAR图像配准、去平地效应的一体化处理,简化了InSAR数据处理。     

时间同步误差对星载寄生式InSAR系统干涉相位的影响分析

时间同步是星载寄生式InSAR系统的关键问题之一。提出了一种新的时间同步误差模型，并在该模型的基础上详细分析了不同形式的时间同步误差对双站SAR成像及InSAR干涉相位的影响。建立了时间同步误差到干涉相位误差的传递模型，指出了星载寄生式InSAR系统对频率源准确度和稳定度的指标要求，仿真验证了理论分析的正确性，分析结果对星载分布式InSAR系统的设计具有重要意义。     

星载SAR模糊特性及其工程设计

分析了星载合成孔径雷达产生模糊的机理及其与系统参数的关系，叙述了在宽广可视观测带曲，达到较好图像模糊度特性的优化设计原则，并提出了星载ＳＡＲ模糊性能的工程设计方法。     

InSAR图像配准雷达几何法处理性能分析

图像配准是干涉合成孔径雷达(InSAR)信号处理的关键步骤。基于雷达几何的InSAR图像配准方法。利用主辅雷达成像几何和外部数字高程模型(DEM)进行主辅SAR图像配准。基于SAR图像距离多普勒定位方程,系统梳理了配准处理精度的影响因素,对各误差因素的作用机理进行了理论分析,并综合分析了该算法对重复航过和单次航过InSAR系统图像的配准处理性能。仿真结果验证了理论分析方法的有效性。分析结果对我国InSAR地面系统建设和相关卫星指标论证具有重要的支撑作用。