Ka数字波束合成-合成孔径雷达顺轨干涉性能分析

顺轨干涉-合成孔径雷达(ATI-SAR)能够利用多普勒信息对宽幅场景径向速度进行测量,然而目前既有的顺轨干涉性能分析主要是针对两组单通道数据实现误差分解,并没有考虑距离向数字波束合成-合成孔径雷达(DBF-SAR)。为实现面向高分宽幅应用的顺轨干涉测速应用,分析在毫米波频段收发天线轻量化、集成化优势下的毫米波距离向多通道合成SAR顺轨干涉系统,评估通道间相位误差、波达角估计误差等因素对干涉相位相干性的影响。结果表明:在一定的弱散射场景下,在Ka频段实现的DBF技术能够利用较少的通道数有效改善测速性能,为后续的多通道顺轨干涉数据分析提供定量化参考。     

一种顺轨干涉SAR时变平地相位去除方法

顺轨干涉合成孔径雷达(ATI-SAR),可以利用2幅SAR图像的干涉相位信息实现对动目标的检测和径向速度的测量。在实际情况下,由于平台和天线相位中心的不稳定,干涉基线的倾角变化会导致时变的交轨基线分量,从而引入平地相位干扰运动目标的检测和测速,需要去除其影响。针对此问题,提出一种基于回波数据的时变平地相位去除方法。该方法通过最小二乘法估计出基线在平地相位中的影响系数,再反演出估计的平地相位值,从而在干涉相位中进行去平地相位,提升了运动目标的检测和测速性能。通过仿真实验验证了理论公式的正确性,并计算了误差。     

星载双天线干涉SAR系统总体技术研究

干涉SAR卫星测绘方式主要有重复轨道多航过干涉SAR、双天线单航过干涉SAR、编队飞行干涉SAR三种方式,其中过双天线单航干涉SAR能够获得较高的干涉测绘效率、较好的高程测量精度。文章针对星载双天线干涉SAR系统开展了轨道高度与高程测绘精度的关系分析、载荷工作机理及高程测量精度分析、天线伸展臂的抖动对干涉性能的影响分析等总体技术研究,并进行了关键技术分析。     

高分三号卫星ATI模式海表面流场测量性能分析

顺轨干涉合成孔径雷达(Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar,ATI-SAR)是获取高分辨率海表面流场的一种有效手段。文章首先分析了ATI-SAR海表面流场测量精度的影响因素(极化方式、入射角、有效顺轨基线、海面风场),给出了适用于ATI海表面流场测量的雷达系统参数,然后基于仿真实验对高分三号卫星海表面流场测量性能进行了研究。由于单星顺轨干涉基线长度有限影响流场测量精度,而在双星编队模式下可以使测量性能达到最佳,因此最后分析了双星编队方式下ATI海表面流场干涉基线选取范围,可为双星编队海流监测系统设计提供参考。     

速度聚束调制对顺轨干涉SAR浅海地形成像的影响研究

通过理论推导,证明了顺轨干涉SAR对海洋成像时同普通SAR一样,存在速度聚束调制。速度聚束调制使得顺轨SAR对海洋成像时产生一种非线性映射关系,这种非线性映射关系与径向流场的方位向梯度变化以及平台到目标的斜距与平台运动速度的比值(R/V)有关。以方位向存在一定坡度的浅海地形为例,分析了速度聚束调制对顺轨干涉SAR浅海地形成像的影响。仿真结果分析表明：当径向流场在方位向上存在梯度变化时,根据梯度变化的大小和方向的不同,会使浅海地形特征在顺轨干涉SAR相位图像上产生压缩、拉伸甚至混叠等失真,且R/V越大失真越严重。     

中、低轨道卫星精密定轨的最新水平

本文叙述了近几年来对中、低轨道卫星精密定轨的研究测量结果，有数据中继卫星系统定轨、全球定位系统定轨和Ｄｏｒｉｓ定轨三种方法，定轨精度可达几厘米（ｃｍ），测速精度可达０．６ｍｍ／ｓ。     

基于双星编队SAR三轨法差分干涉技术的基线设计

将单星重复轨道三轨法差分干涉扩展到双星编队,对正侧视下合成孔径雷达差分干涉(DInSAR)技术的基线设计进行了研究。在测量坐标系中,将位于主星距离高度平面内的简化基线扩展为空间矢量,根据空间几何关系得到正侧视下双星编队SAR三轨差分干涉法的空间基线模型。建立了编队SAR测高程时基线设计公式,以及基线矢量到DInSAR测形变所需基线的转换公式,基于该模型首次从应用角度分析了基线对编队SAR三轨法差分干涉测形变的误差传播特性。给出了基于基线比的基线设计方法:测高程时,基线选择以临界基线为上限,综合考虑测高精度和灵敏度确定基线;测形变时,为降低误差对形变精度的影响,基线比应尽量小(基线比为0.25时编队SAR三轨法DInSAR形变测量精度最高),即地形图像对的垂直有效基线应尽量大,形变图像对的基线应尽量小。用ALOS-2卫星参数进行了仿真计算,所得编队基线和重复轨道基线误差要求分别为毫米级和厘米级。研究对DInSAR系统中基线参数设计有更直观的理论指导意义和实际应用价值。     

基于主星带伴随小卫星编队系统的AT-INSAR研究

针对主星带伴随小卫星编队雷达系统的特点和AT INSAR的基本原理,本文对主星带伴随小卫星编队雷达系统执行AT INSAR任务进行了比较全面的分析。本文建立了主星带伴随小卫星编队雷达系统AT INSAR模型。基于这个模型分析了临界基线、测速精度,以及动目标检测等性能。最后,对一个L波段的主星带伴随小卫星编队系统完成AT INSAR任务进行了仿真。结果表明,测速精度对于编队小卫星的基线测量精度要求相对较高,而且检测地面慢速运动目标是可行的。     

USB测量系统测速数据最优滤波技术研究

由于目前USB测量系统测速终端数据获取不一致和微分求速方法的不足,增加了数据处理的困难和复杂性,影响了测速数据精度并限制了定轨精度的进一步提高.本文针对上述情况提出了不同条件下测速数据的最优滤波技术和方法,并从理论和仿真计算上进行了分析,结果表明采用多普勒频率连续采样和最优滤波技术将大大提高测速精度,为USB系统在今后航天任务中高精度定轨奠定了良好基础.     

航天器自旋对测轨数据影响的修正方法

从测量原理上分析了航天器自旋对地基无线电测轨数据的影响,提出了测距和多普勒测速自旋影响修正方法,该方法也可用于估算航天器天线安装位置与自旋轴的距离。利用修正方法对嫦娥二号地月转移飞行段的地基测距与多普勒测速数据进行处理,解算的嫦娥二号天线安装位置精度在厘米量级。使用修正后的测距和多普勒测速数据,并融合时延与时延率测量数据,进行定轨计算,结果表明,使用修正后的测轨数据对事后定轨计算有近50m的精度提高。     

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。     

星载干涉合成孔径雷达高度计波束指向优化设计新方法

基于干涉合成孔径雷达(InSAR)体制的星载高度计能实现高分辨率、宽幅、高精度海面高程测量。传统合成孔径雷达(SAR)系统波束指向设计方法以SAR图像近远端噪声等效后向散射系数差异最小化为优化目标,星载InSAR高度计对海入射角小,如采用传统波束指向设计方法将面临系统近端测高性能优于远端等问题。为使远端测高性能满足应用精度指标要求,系统需提高雷达发射功率或增大雷达天线尺寸,这对卫星系统提出了较高的要求。提出了面向测高应用的星载InSAR高度计波束中心指向设计新方法。该方法通过调整雷达波束中心指向实现全场景测高性能最优化,可有效降低传统设计方法中SAR载荷对发射功率等卫星指标的要求,对未来我国发展InSAR体制海面高度计系统设计具有重要的指导意义。仿真分析结果验证了新方法相对于传统设计方法的优越性。     

干涉式合成孔径雷达测量技术

论述具有三维测绘能力的干涉式合成孔径雷达（ＩｎＳＡＲ）测量技术。在ＩｎＳＡＲ中，除了形成普通的二维ＳＡＲ图像之外，还利用同一地物目标的两幅ＳＡＲ图像的干涉相位来提取该地物的高度信息。详细阐述ＩｎＳＡＲ的基本原理，分析其测量精度极限性能和某些设计约束，并概要介绍若干试验结果。     

编队飞行干涉SAR卫星系统任务分析与设计

介绍了编队飞行卫星干涉合成孔径雷达（InSAR）测高的基本原理,在此基础上提出了编队飞行InSAR卫星系统顶层任务分析的基本要素和流程,分解出了测高误差分配、基线设计与测量、轨道构型设计、星间同步等关键技术,对各关键技术的相互关系及其基本解决途径进行了研究,并分析比较了不同InSAR载荷工作模式的性能及其与卫星系统的相互约束关系,可以为型号系统设计提供参考。     

分布式小卫星合成孔径雷达多基线干涉技术

研究分布式小卫星合成孔径雷达中的多基线干涉技术问题。现有的多基线干涉技术提高三维地形成像性 能的办法主要有两种——利用多幅单视复图像提高干涉图像质量和利用迭代法提高地形高度估计精度。讨论这两种技 术在分布式小卫星合成孔径雷达中的应用。指出分布式小卫星合成孔径雷达中多基线干涉之所以提高干涉图像质量主 要在于:①干涉相位具有更高的估计精度;②干涉相位具有更大的模糊基;③干涉图具有更大的极限平均视数。给出分 布式小卫星合成孔径雷达多基线干涉迭代法提高地形高度估计精度的数据处理流程。     

微纳InSAR卫星总体技术研究

微纳合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)卫星是对地定量化遥感的重要手段。开展了微纳InSAR卫星系统总体技术研究，给出了使得干涉测量覆盖范围最大的双星编队构型设计方法，建立了低燃料消耗双星轨道参数设计准则，提出高功能密度比InSAR卫星系统的设计方法，包括载荷平台一体化、卫星高集成模块化等总体设计方法，并给出了相应的设计实例。     

同波束干涉测量差分相时延观测模型研究及验证

针对月球轨道交会对接地面高精度引导需求,对同波束干涉测量差分相延观测模型进行分析验证。根据甚长基线干涉测量几何时延观测量同一波前的定义,推导出同波束差分时延观测量的观测模型。并提出一种精确的同波束干涉测量差分相时延闭合算法,同时结合SELENE任务实测的数据计算差分相时延闭合值,用于对观测模型进行验证。实测数据计算结果表明,采用本文提出的精确算法显著地消除同一波前差分相时延闭合值中的趋势项,差分相时延闭合值的精度在0.5ps~1ps范围内,验证了观测模型的正确性。该研究对于后续的月球交会对接地面高精度测定轨任务分析设计将具有一定的参考价值。     

SAR干涉测高分布式小卫星编队构形优化设计

SAR干涉（InSAR）测高是分布式卫星目前一个重要的应用方向。星间基线是系统高程理论精度的决定性因素之一，而基线是由编队构形决定的，因此构形设计是InSAR测高分布式小卫星系统顶层设计的一个关键内容。针对设计变量与目标函数之间的关系非常复杂，没有简单明确的解析形式的特点，选择遗传算法作为优化算法进行构形的优化设计，给出了编码方法和适应度函数。以典型雷达卫星参数为初始条件，对几种不同构形进行了仿真，结果表明在一个轨道周期内，双星空间编队约有一半时间能够满足精度优于1m的要求，是进行InSAR测高的首选构形。     

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。     

同时地形高程测量和地面运动目标检测的分布式InSAR最优编队构形

分布式小卫星干涉SAR为了同时获得时间基线(用于地面运动目标检测)和空间基线(用于地形高程测量),采取空间立体编队构形(即非沿航向直线编队),然而这种混合基线的情况会导致地面运动目标与地形杂波存在相位耦合,而且只靠信号处理方法很难分离,这对于检测地面运动目标极为不利。提出几种最优编队构形,在保证获得两种干涉基线的同时,通过对消两对干涉SAR图像来抑制掉固定杂波,从而可以检测地面运动目标,这种方法具有处理简单和性能较好等优点。最后给出了仿真结果。