本发明公开了一种星载SAR的全方位观测方法，包括：步骤一、根据观测区域纬度范围，输入轨道高度，改变轨道倾角参数，直至卫星平台的星下点覆盖观测区域所在的纬度范围；步骤二、根据轨道参数和天线能力，设计雷达四次过顶时的开关机时间和天线波控规律；步骤三：根据步骤二得到的数据，采用后向投影算法完成单次观测图像的聚焦处理，再利用多源融合的方法完成四次观测图像的信息融合处理，得到方位向360度观测的雷达图像。本发明中提出的大倾角轨道SAR能够克服极轨SAR无法沿经度方向观测的缺点，能够实现目标的全方位观测，既提高了目标多角度信息的获取能力，又能提高SAR系统的重访能力。
1.一种星载SAR的全方位观测方法，包括以下几个步骤：
步骤一、根据观测区域纬度范围，输入轨道高度，改变轨道倾角参数，直至卫星平台的星下点覆盖观测区域所在的纬度范围；
步骤二、根据轨道参数和天线能力，设计雷达四次过顶时的开关机时间和天线波控规律，在每次雷达开机工作，并调整天线波束指向，发射线性调频信号，并接收回波信号，如此反复，直至雷达关机停止工作；
<1>输入待观测目标的中心点P经度Lon和纬度Lat；
<2>仿真N天的星下点轨迹，N为不大于10的正整数，得到星下点轨迹图；
<3>在星下点轨迹图中，选择观测区域目标中心点P所在的菱形或近似菱形区域，其四个顶点为P1、P2、P3和P4，卫星经过四个顶点对应八个时刻，按照时刻先后顺序分别记录四条菱形边对应的观测起始和终止时刻，分别记为Tstart1，Tstop1，TStart2，Tstop2，TStart3，Tstop3，TStart4，Tstop4；其中，Tstart1、Tstop1分别为卫星经过P1顶点的观测起始时刻和终止时刻，TStart2、Tstop2分别为卫星经过P2顶点的观测起始时刻和终止时刻，TStart3、Tstop3分别为卫星经过P3顶点的观测起始时刻和终止时刻，TStart4，Tstop4分别为卫星经过P4顶点的观测起始时刻和终止时刻；
<4>在TStart1时刻，雷达调整天线波束指向，使其瞄准观测目标中心，雷达开机工作，发射雷达信号，并接收雷达回波信号，再调整天线指向，使其瞄准观测中心，发射雷达信号并接收回波信号，如此重复直至到达Tstop1时刻，将接收到的雷达回波信号存储为数据D1；
<5>重复步骤<4>的操作，分别在Tstart2至Tstop2时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D2；分别在Tstart3至Tstop3时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D3；分别在Tstart4至Tstop4时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D4；
步骤三：分别将四次雷达开机的存储的回波信号分别进行成像处理，采用后向投影算法完成单次观测图像的聚焦处理，再利用多源融合的方法完成四次观测图像的信息融合处理，得到方位向360度观测的雷达图像。
2.根据权利要求1所述的一种星载SAR的全方位观测方法，步骤一具体包括：
(1)输入观测区域的纬度范围Lat_min～Lat_max，单位为度，Lat_min和Lat_max满足下式：-60度
其中：Lat_min表示观测区域纬度的最小值，Lat_max表示观测区域纬度的最大值，Lat_min和Lat_max的单位为度，当Lat_min和Lat_max满足公式(1)，表明目标观测区域纬度范围在南纬60度至北纬60度之间；
(2)获取卫星高度H、偏心率e、升角点赤经θ、近地点俯角Λ、设定轨道倾角初值I和补偿ΔI，然后分别仿真各个轨道倾角对应生成星下点轨迹，直至星下点轨迹覆盖待观测区域的纬度范围，记录此时的轨道倾角Iopt，轨道倾角的范围在30度至60度之间。
3.根据权利要求2所述的一种星载SAR的全方位观测方法，所述(2)中，仿真各个轨道倾角对应生成星下点轨迹的方法为：设定轨道倾角初值I和补偿ΔI，其中I≥30度，ΔI为小于30度的正数，分别仿真轨道倾角等于I+n*ΔI对应生成星下点轨迹，其中n为从1开始的正整数，且I+n*ΔI≤60度。
4.根据权利要求1所述的一种星载SAR的全方位观测方法，步骤三具体包括：
①对雷达回波数据D1，根据Tstart1至Tstop1时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image1；
②对雷达回波数据D2，根据Tstart2至Tstop2时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image2；
③对雷达回波数据D3，根据Tstart3至Tstop3时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image3；
④对雷达回波数据D4，根据Tstart4至Tstop4时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image4；
⑤根据应用需要，采用多源融合方法，对Image1、Image2、Image3和Image4进行数据融合，得到方位向360度观测的雷达图像。
一种星载SAR的全方位观测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及雷达技术领域，具体地说，是指一种星载合成孔径雷达（简称SAR）的全方位观测方法。
背景技术
[0002] 合成孔径雷达是一种侧视成像雷达，SAR的主要工作模式包括条带模式、聚束模式、扫描模式、滑动聚束模式、TopSAR模式，采用这些工作模式的SAR对目标的观测在一次过顶时只能实现对目标的一侧照射，即使雷达天线采用左右视切换技术也无法对目标或区域进行360度全方位观测。
[0003] 机载平台由于可以通过合适的航路规划和波束调整，如设定在等高度面按圆轨迹飞行、同时圆轨迹中心点的地面投影点为观测目标或区域中心时，能够实现对目标的全方位观测，这就是圆轨迹SAR，对应的雷达图像能够获得较之常规工作模式更多的目标信息。
[0004] 而星载SAR平台通常采用太阳同步极轨道，以尽可能的获取太阳能，从而保证全天时、全天候的对地观测。此时，由于卫星近似沿着平行经线的方向飞行，采用常规SAR工作模式的系统也只能进行左侧或右侧的沿纬度方向的观测，无法进行沿经度方向的观测。即使通过卫星组网，也很难实现目标区域的全方位观测。
[0005] 与此同时，实际的目标的物理特性呈现后向散射各项异性的特征，全方位的观测能够最大程度的获取目标的有效信息，为雷达图像的应用具有十分重要的价值。由于机载平台受领空、续航能力等条件限制，有效的星载平台的SAR全方位观测方法对于遥感应用更有价值。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对星载平台不能实现圆轨迹全方位观测的问题，提出一种星载SAR的全方位观测方法，利用地球自转和卫星绕飞运动，采用中等倾角圆轨道，具有升轨和降轨两个近似垂直的过顶方向，并配合雷达左右两个方向的双侧视观测，实现对同一目标的四次不同角度的观测，完成基于单星SAR的目标全方位观测。
[0007] 一种星载SAR的全方位观测方法，包括以下几个步骤：
[0008] 步骤一：
[0009] 轨道参数设计：根据观测区域纬度范围，输入轨道高度，改变轨道倾角参数，直至卫星平台的星下点覆盖观测区域所在的纬度范围；
[0010] 步骤二：
[0011] 工作时序控制：根据轨道参数和天线能力，设计雷达四次过顶时的开关机时间和天线波控规律，在每次雷达开机工作，并调整天线波束指向，发射线性调频信号，并接收回波信号，如此反复，直至雷达关机停止工作；
[0012] 步骤三：
[0013] 回波信号处理：分别将四次开机的存储的回波信号分别进行成像处理，采用后向投影算法完成单次观测图像的聚焦处理，再利用多源融合的方法完成四次观测图像的信息融合处理。
[0014] 上述目标观测区域纬度范围在南纬60度至北纬60度之间。
[0015] 上述轨道倾角范围在30度至60度之间。
[0016] 本发明的优点在于：
[0017] （1）本发明中提出的大倾角轨道SAR能够克服极轨SAR无法沿经度方向观测的缺点；
[0018] （2）本发明中提出全方位观测方法能够实现目标的全方位观测，既提高了目标多角度信息的获取能力，又能提高SAR系统的重访能力。
附图说明
[0019] 图1是本发明本发明的方法流程图；
[0020] 图2是本发明的星下点轨迹示意图；
[0021] 图3是本发明的星下点轨迹局部放大示意图。
具体实施方式
[0022] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0023] 本发明是一种星载SAR的全方位观测方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：
[0024] 步骤一、轨道参数设计：根据观测区域纬度范围，输入轨道高度，改变轨道倾角参数，直至卫星平台的星下点覆盖观测区域所在的纬度范围，具体为：
[0025] （1）输入观测区域的纬度范围Lat_min～Lat_max（单位为度），Lat_min和Lat_max满足下式：
[0026] -60
[0027] 其中：Lat_min表示观测区域纬度的最小值，Lat_max表示观测区域纬度的最大值，Lat_min和Lat_max满足公式（1），则表明目标观测区域纬度范围在南纬60度至北纬60度之间。
[0028] （2）获取卫星高度H、偏心率e、升角点赤经θ、近地点俯角Λ、设定轨道倾角初值I和补偿ΔI，其中I≥30，ΔI为小于30的正数，利用卫星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK）软件分别仿真轨道倾角等于I+n*ΔI对应生成星下点轨迹，其中n为从1开始的正整数，且I+n*ΔI≤60，星下点轨迹示意图如图2所示，直至星下点轨迹覆盖待观测区域的纬度范围，记录此时的轨道倾角Iopt。
[0029] 步骤二、工作时序控制：根据轨道参数和天线能力，设计雷达四次过顶时的开关机时间和天线波控规律，在每次雷达开机工作，并调整天线波束指向，发射线性调频信号，并接收回波信号，如此反复，直至雷达关机停止工作，具体为：
[0030] <1>输入待观测目标的中心点P经度Lon和纬度Lat；
[0031] <2>利用STK软件仿真N天的星下点轨迹，N为不大于10的正整数，得到星下点轨迹图；
[0032] <3>在星下点轨迹图中，选择观测区域目标中心点P所在的菱形或近似菱形区域，其四个顶点为P1、P2、P3和P4，如图3所示，卫星经过四个顶点对应八个时刻，按照时刻先后顺序分别记录四条菱形边对应的观测起始时刻和终止时刻，分别记为Tstart1，Tstop1，TStart2，Tstop2，TStart3，Tstop3，TStart4，Tstop4；
[0033] <4>在TStart1时刻，雷达调整天线波束指向，使其瞄准观测目标中心，雷达开机工作，发射雷达信号，并接收雷达回波信号，再调整天线指向，使其瞄准观测中心，发射雷达信号并接收回波信号，如此重复直至到达Tstop1时刻，将接收到的雷达回波信号存储为数据D1；
[0034] <5>重复步骤<4>的操作，分别在Tstart2至Tstop2时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D2；分别在Tstart3至Tstop3时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D3；分别在Tstart4至Tstop4时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D4。
[0035] 步骤三：回波信号处理：分别将四次雷达开机的存储的回波信号分别进行成像处理，采用后向投影算法完成单次观测图像的聚焦处理，再利用多源融合的方法完成四次观测图像的信息融合处理，具体为：
[0036] ①对雷达回波数据D1，根据Tstart1至Tstop1时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image1；
[0037] ②对雷达回波数据D2，根据Tstart2至Tstop2时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image2；
[0038] ③对雷达回波数据D3，根据Tstart3至Tstop3时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image3；
[0039] ④对雷达回波数据D4，根据Tstart4至Tstop4时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image4；
[0040] ⑤根据应用需要，采用多源融合方法，对Image1、Image2、Image3和Image4进行数据融合，得到方位向360度观测的雷达图像。
[0041] 本发明的创新主要体现在：目前单星SAR存在方位观测盲区，本发明能够实现星载平台的全方位观测。另外将轨道倾角范围以及目标观测区域范围限定条件。
[0042] 实施例：
[0043] 步骤一、轨道参数设计：根据观测区域纬度范围，输入轨道高度，改变轨道倾角参数，直至卫星平台的星下点覆盖观测区域所在的纬度范围，具体为：
[0044] （1）输入观测区域的纬度范围Lat_min～Lat_max（单位为度），Lat_min=-50度，Lat_max=50度，显然满足下式
[0045] -60
[0046] （2）输入卫星高度H=500km，偏心率e=0，升角点赤经θ=0，近地点俯角Λ=0，输入轨道倾角初值I=30和补偿ΔI=1，利用STK软件分别仿真各倾角对应生成星下点轨迹，直至星下点轨迹覆盖待观测区域的纬度范围，记录此时的轨道倾角Iopt=50度。
[0047] 步骤二、工作时序控制：根据轨道参数和天线能力，设计雷达四次过顶时的开关机时间和天线波控规律，在每次雷达开机工作，并调整天线波束指向，发射线性调频信号，并接收回波信号，如此反复，直至雷达关机停止工作，具体为：
[0048] <1>输入待观测目标的中心点P经度Lon=120度和纬度Lat=40度；
[0049] <2>利用STK仿真N=5天的星下点轨迹（起始时刻为1Jul200712:00:00.000，终止时刻为6Jul200712:00:00.00）；
[0050] <3>在星下点轨迹图中，选择观测区域目标中心点P所在的菱形或近似菱形区域，其顶点为P1、P2、P3和P4，对应的经纬度依次为（120.238，41.517）、（40.318，122.629）、（120.245，39.018）和（117.875，40.318）（单位：度），按照时间先后顺序分别记录四条菱形边对应的观测起始和终止时间，分别记为Tstart1，Tstop1，TStart2，Tstop2，TStart3，Tstop3，TStart4，Tstop4；
[0051] Tstart1=2Jul200713:43:41.175，Tstop1=2Jul200713:44:18.175；
[0052] Tstart2=3Jul200713:20:07.670，Tstop2=3Jul200713:20:43.290；
[0053] Tstart3=5Jul200707:34:16.075，Tstop3=5Jul200707:34:51.875；
[0054] Tstart4=6Jul200707:10:41.175，Tstop4=6Jul200707:11:18.275。
[0055] 上述8个时刻值均以空格分开的4个字符串构成，第一个字符串为阿拉伯数字表示日期天；第二个字符串为三位字母表示日期月，具体为Jan对应1月，Feb对应2月，Mar对应3月，Apr对应4月，May对应5月，Jun对应6月，Jul对应7月，Aug对应9月，Oct对应10月，Nov对应11月，Dec对应12月；第三个字符串为4位数字表示日期年；第四个字符串由数字和冒号表示时间，由冒号分隔成三部分，分别对应小时，分钟和秒，其中秒精确到千分位。
[0056] <4>在TStart1=2Jul200713:43:41.175时刻，雷达调整天线波束指向，使其瞄准观测目标中心，雷达开机工作，按照特定脉冲间隔发射雷达信号，并接收雷达回波信号，再调整天线指向，使其瞄准观测中心，发射雷达信号并接收回波信号，如此重复直至到达Tstop1=2Jul200713:44:18.175时刻，将接收到的雷达回波信号存储为数据D1，对应下行轨道左侧视观测；<5>按照步骤<4>类似的操作，分别在Tstart2=3Jul200713:20:07.670至Tstop2=3Jul200713:20:43.290时 间内，始终调整 波束指向至 目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D2，对应下行轨道右侧视观测；分别在Tstart3=5Jul200707:34:16.075至Tstop3=5Jul200707:34:51.875时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D3，对应上行轨道右侧视观测；分别在Tstart4=6Jul200707:10:41.175至Tstop4=6Jul200707:11:18.275时间内，始终调整波束指向至目标中心点，发射雷达信号并接收回波信号，记为数据D4，对应上行轨道左侧视观测。
[0057] 步骤三：回波信号处理：分别将四次开机的存储的回波信号分别进行成像处理，采用后向投影算法完成单次观测图像的聚焦处理，再利用多源融合的方法完成四次观测图像的信息融合处理，具体为：
[0058] ① 对 雷 达 回 波 数 据 D1，根 据 Tstart1=2Jul200713:43:41.175 至Tstop1=2Jul200713:44:18.175时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image1；
[0059] ② 对 雷 达 回 波 数 据 D2，根 据 Tstart2=3Jul200713:20:07.670 至Tstop2=3Jul200713:20:43.290时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image2；
[0060] ③ 对 雷 达 回 波 数 据 D3，根 据 Tstart3=5Jul200707:34:16.075 至Tstop3=5Jul200707:34:51.875时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image3；
[0061] ④ 对 雷 达 回 波 数 据 D4，根 据 Tstart4=6Jul200707:10:41.175 至Tstop4=6Jul200707:11:18.275时间内卫星的轨迹，采用后向投影算法进行成像处理，得到SAR图像Image4；
[0062] ⑤根据应用需要，采用多源融合方法，对Image1、Image2、Image3和Image4进行数据融合，得到方位向360度观测的雷达图像。
[0063] 本发明主要针对星载平台不能实现圆轨迹全方位观测以及常规大倾角极轨道无法沿经度方向观测的问题，提出一种中等倾角的圆轨道，利用卫星的升轨和降轨绕飞运动，配合雷达左右两个方向的双侧视观测，实现对同一目标的四次不同角度的观测，从而实现基于单星SAR的目标360度全方位观测，并通过实例分析，详细描述了本方法的实施过程以及全方位观测效果。
