程曉 于海鋒 王曉蕾 馮帆 王志斌 張潤寧 劉書豪 劉磊

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部,北京 100094)(2 西安空間無線電技術(shù)研究所,西安 710071)

近年來,星載合成孔徑雷達(dá)(spaceborne SAR)多方位角成像獲得較多的研究[1-2]。相較于傳統(tǒng)單一角度的SAR成像,多方位角觀測可獲取同一區(qū)域的多幅SAR圖像序列。通過對同一目標(biāo)或場景的多角度觀測,可以獲取不同視角下的SAR圖像,它們反映了目標(biāo)或場景中的散射單元在不同觀測方位角下的散射特性的變化。將多方位角SAR圖像進(jìn)行融合可以豐富目標(biāo)或場景的散射特性,達(dá)到增強(qiáng)目標(biāo)特征的效果,即更完整地觀測目標(biāo)[3-4]。

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上,一次航過的多方位角SAR衛(wèi)星成像,需要波束具有較大的掃描角度,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)“凝視”。轉(zhuǎn)動波束角度有兩種體制,即機(jī)械掃描和電掃描?；诜瓷涿嫣炀€體制的SAR衛(wèi)星通過衛(wèi)星平臺帶動SAR天線在方位向上進(jìn)行連續(xù)姿態(tài)轉(zhuǎn)動,即屬于機(jī)械掃描;相控陣天線通過切換不同的發(fā)射接收波位,來實(shí)現(xiàn)波束掃描,即屬于電掃描。相對相控陣天線,反射面天線具備集中大功率發(fā)射帶來的效率高和方向圖旁瓣低的優(yōu)勢,是獲取目標(biāo)高分辨率、高質(zhì)量圖像的主要技術(shù)手段,被美國長曲棍球系列衛(wèi)星、以色列合成孔徑雷達(dá)技術(shù)試驗(yàn)(TECSAR)衛(wèi)星等廣泛采用。本文重點(diǎn)給出了基于反射面天線體制的SAR衛(wèi)星各個(gè)弧段多方位角成像的姿態(tài)控制策略,并利用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像驗(yàn)證。

1 基于反射面天線的姿態(tài)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)多方位角觀測的工作模式

多角度觀測工作模式應(yīng)該盡量確保觀測視角的差異性,其觀測幾何如圖1所示。

圖1 單軌一次過頂多角度觀測幾何Fig.1 Multi-aspect imaging space geometry on once-over-the-top

多角度應(yīng)用模式是衛(wèi)星一次航過完成對目標(biāo)的多角度觀測,具體實(shí)現(xiàn)上主要是通過控制雷達(dá)波束指向?qū)崿F(xiàn)單航過內(nèi)對同一目標(biāo)的長時(shí)間照射或單次航過多次開機(jī),獲取目標(biāo)從不同方位角觀測數(shù)據(jù)。

當(dāng)觀測弧段間隔大于20°時(shí),最大可選弧段數(shù)小于5幅,數(shù)量相對較小,為了獲取更多的采樣,建議可選弧段數(shù)目大于5幅,即觀測弧段間隔小于20°。在弧段1中,星載SAR對場景開始進(jìn)行方位超大斜視角滑動聚束成像,完成這一階段的工作后,衛(wèi)星平臺開始快速機(jī)動,將波束指向再次調(diào)整到場景的起始位置,并開始第2弧段的滑動聚束成像。以此類推,直到整星完成全部n次滑動聚束成像,從而實(shí)現(xiàn)SAR載荷對該區(qū)域的多方位角重復(fù)觀測[5-6]。

2 多角度成像控制策略

方位角重復(fù)觀測新模式需要衛(wèi)星平臺在方位向±55°的范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)動,以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的多次滑動聚束模式成像。在相鄰兩次滑動聚束成像之間,需對衛(wèi)星平臺快速機(jī)動,將波束指向再次調(diào)整至場景的起始位置,再開始下一次滑動聚束觀測成像。由于每次滑動聚束成像過程中的斜視角有所差異,因此衛(wèi)星相應(yīng)的機(jī)動角速度也會有所差異。

1)確定成像起始時(shí)刻的平臺位置、波束指向及整星姿態(tài)

在針對某一場景進(jìn)行方位向多視角重復(fù)觀測時(shí),首先需要給定該場景的場景中心位置SC、場景尺寸La×Lr以及天線波束的最大斜視角工作能力[-θsq_max,+θsq_max]。當(dāng)衛(wèi)星位于起始位置Pstart時(shí),天線波束具有最大斜視角+θsq_max,且波束前邊緣剛好與場景邊緣相接,如圖2所示。

基于以上分析可得:在衛(wèi)星起始位置處,天線波束中心與地面的交點(diǎn)E與場景中心Sc在方位向的距離為

(1)

式中:La為場景的方位向長度;Rc為場景中心零多普勒時(shí)刻的正側(cè)視斜距;θaz為天線的方位向波束寬度;E與Sc位于同一距離門內(nèi)。

在確定交點(diǎn)E的位置之后,即可確定出其相應(yīng)的零多普勒時(shí)刻,以及該時(shí)刻衛(wèi)星的位置EO。這時(shí)就可在軌道上確定出衛(wèi)星的起始位置Pstart,連接Pstart與E兩點(diǎn)的矢量與連接EO與E兩點(diǎn)的矢量之間的夾角為θmax,θmax與θsq_max之間的關(guān)系為

(2)

式中:Vs為衛(wèi)星平臺飛行速度;Vg為載荷工作于條帶模式時(shí)的波束地面行進(jìn)速度。通過式(2)即可得出θmax以及衛(wèi)星的起始位置Pstart。

最后,由衛(wèi)星的起始位置Pstart以及波束中心與地面的交點(diǎn)E,即可確定出起始時(shí)刻天線波束中心的指向。由于天線與衛(wèi)星本體為固聯(lián)安裝,因此天線波束中心指向即為衛(wèi)星的Z軸指向Ez。衛(wèi)星的Y軸指向Ey垂直于Ez與衛(wèi)星速度Vs形成的斜距平面,衛(wèi)星的X軸指向Ex與Ey、Ez成右手法則。

這時(shí),就得出了針對場景進(jìn)行方位向多視角觀測時(shí)的衛(wèi)星起始位置、起始時(shí)刻天線波束指向以及整星的姿態(tài)控制需求。

2)確定滑動聚束成像階段的旋轉(zhuǎn)中心位置

在滑動聚束成像期間,波束在地面的行進(jìn)距離Lb可表示為

(3)

因此平臺的飛行距離Ls1為

(4)

通過式(4)得出的Ls1,以及衛(wèi)星飛行速度Vs,就可得出第一次滑動聚束成像的工作時(shí)間Tacq。

(5)

在滑動聚束成像過程中,天線波束中心將始終指向某一旋轉(zhuǎn)中心上。因此,該旋轉(zhuǎn)點(diǎn)必然在步驟1)中得出的矢量Pstart→E上,且該旋轉(zhuǎn)中心O必然滿足以下關(guān)系

(6)

基于式(6),以及步驟1)所得出的Pstart→E矢量,就可確定出旋轉(zhuǎn)中心O的位置。

3)確定兩次滑聚成像之間機(jī)動過程的旋轉(zhuǎn)中心位置

設(shè)平臺在兩次相鄰滑動聚束成像之間的平臺機(jī)動允許時(shí)間為Tm,步驟3)將確定在Tm時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星平臺姿態(tài)機(jī)動過程中的波束指向旋轉(zhuǎn)中心。圖3給出了衛(wèi)星平臺通過快速機(jī)動實(shí)現(xiàn)天線波束指向由場景終端回?cái)[至始端的過程示意。

圖3 兩次相鄰成像之間平臺機(jī)動實(shí)現(xiàn)波束指向調(diào)整示意圖Fig.3 Beam steering adjustment based attitude maneuver between adjacent imaging

圖3中,P1E為第一次滑動聚束成像結(jié)束時(shí)刻的平臺位置,E1E為該時(shí)刻天線波束中心與地面的交點(diǎn)。P2S為機(jī)動過程完成后的平臺位置(即第二次滑動聚束成像的起始時(shí)刻平臺位置),E2S為該時(shí)刻天線波束中心指向與地面的交點(diǎn)。

P2S與P1E之間的關(guān)系可表示為

P2S=P1E+Vs·Tm

(7)

通過P1E與Vs即可得出機(jī)動過程結(jié)束時(shí)衛(wèi)星所在位置P2S。在得出P1E、E1E以及P2S三個(gè)位置矢量后,需要確定該時(shí)刻天線波束中心指向與地面的交點(diǎn)E2S,以保證第一次滑動聚束終止時(shí)刻與第二次滑動聚束起始時(shí)刻的波束中心矢量能夠具有交點(diǎn)(整個(gè)機(jī)動過程中天線波束中心需始終保持指向該點(diǎn))。若兩個(gè)波束中心矢量存在交點(diǎn),則P1E、E1E、P2S和E2S四個(gè)點(diǎn)必然在一個(gè)平面上。通過P1E、E1E、P2S就可以確定出E2S。

在E2S確定后,就可確定出第一次滑動聚束終止時(shí)刻波束中心矢量與第二次滑動聚束起始時(shí)刻的波束中心矢量交點(diǎn)Or。當(dāng)Or確定后,在整個(gè)平臺機(jī)動過程中,波束中心始終指向Or,因此平臺Z軸指向Ez即可得出,接下來根據(jù)步驟1)同樣的方法就可得出平臺Y軸與X軸的指向。

在步驟3)所列的平臺機(jī)動過程完成后,就可確定在第二次滑動聚束成像起始時(shí)刻的波束中心斜視角。這時(shí)再次進(jìn)入步驟2),按照同樣的步驟流程,確定出第二次滑動聚束成像過程中的衛(wèi)星平臺的姿態(tài)變化過程。接下來就開始步驟3)與步驟2)的循環(huán)推進(jìn),直到天線波束的斜視角超過了工作范圍即結(jié)束。

4)首次成像波束中心旋轉(zhuǎn)角速度的確定

結(jié)合正側(cè)視的場景中心斜距Rc,可得出滑動聚束旋轉(zhuǎn)中心斜距Rtot為[7-8]

(8)

當(dāng)天線波束中心的方位向斜視角為θ1s時(shí),結(jié)合滑動聚束分辨率改善因子A,就可得出衛(wèi)星平臺的飛行距離Ls1為

(9)

式中:L1為方位向波束地面足跡寬度。

通過衛(wèi)星平臺的飛行距離Ls1,天線的波束中心起始斜視角θ1s,以及滑動聚束的旋轉(zhuǎn)中心斜距Rtot,可得出滑動聚束終止時(shí)刻的波束中心斜視角θ1e為

(10)

在滑動聚束階段1的結(jié)束時(shí)刻,對應(yīng)的波束中心旋轉(zhuǎn)角速度ω1e為

(11)

在階段1的成像結(jié)束后,衛(wèi)星平臺即將開始快速機(jī)動,將波束指向調(diào)整到場景的方位向起始位置。以此類推,得到各個(gè)角度成像的波束中心旋轉(zhuǎn)角速度。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述確定的首景成像姿態(tài)需求、成像角度機(jī)動切換策略、第二景成像姿態(tài)的計(jì)算方法等,仿真了600km軌道高度X頻段星載SAR的成像姿態(tài)機(jī)動過程,并基于實(shí)測的場景圖像仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像處理,獲得了典型方位角的SAR仿真成像(見圖4)。仿真多方位角成像設(shè)置如下。

圖4 多角度SAR圖像序列Fig.4 Multi-aspect SAR imaging sequence

(1)單次觀測方位角跨度:6°;

(2)單軌觀測次數(shù):9;總觀測方位角-50°～+50°;

(3)場景幅寬為5km×5km(距離×方位)。

由圖4可知:即便同一地形,在不同觀測方位角時(shí)獲取的SAR圖像差異明顯。主要體現(xiàn)在SAR圖像中的疊掩方向和陰影區(qū)域的差異。圖4中紅色圈內(nèi)為同一地物對應(yīng)的區(qū)域,主要地物為山脈,在觀測方位角為-50°時(shí),其陰影區(qū)域在山體右上方;在觀測方位角為+50°時(shí),陰影區(qū)域出現(xiàn)在下方。上述現(xiàn)象真實(shí)地體現(xiàn)了多方位角觀測的差異。

在整個(gè)多方位角重復(fù)觀測成像過程中,圖5為衛(wèi)星波束轉(zhuǎn)動角速度的變化方式,藍(lán)色線為滑動聚束成像期間的波束轉(zhuǎn)動角速度,紅色線為兩次滑動聚束成像之間平臺快速機(jī)動過程的波束轉(zhuǎn)動角速度。

圖5 多方位角觀測成像過程的衛(wèi)星天線波束轉(zhuǎn)動角速度Fig.5 Satellite antenna beam rotational speed during multi-aspect imaging

從波束轉(zhuǎn)動角速度變化的仿真結(jié)果可看出:在成像期間平臺的轉(zhuǎn)動角速度較為穩(wěn)定,即使在兩側(cè)斜視角較大的情況下,轉(zhuǎn)動速度會有一定的變化,但變化量也相對較小;然而在姿態(tài)機(jī)動過程中,為了能夠使波束快速調(diào)整到場景起始位置,并且在機(jī)動終止時(shí)刻轉(zhuǎn)動速度能夠恰好與之后的滑動聚束成像所需的速度相吻合,平臺的轉(zhuǎn)動速度是一個(gè)先加速、再減速的過程。在對姿態(tài)快速機(jī)動過程的設(shè)計(jì)中,盡量使加速過程與減速過程的加速度幅度一致(表現(xiàn)為三角形兩個(gè)邊的斜率基本相同)。

4 結(jié)束語

本文從理論角度分析了反射面天線體制SAR衛(wèi)星多方位角重復(fù)觀測新模式中每次滑動聚束觀測,以及兩次成像觀測間平臺快速機(jī)動的時(shí)間、轉(zhuǎn)動角度以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動角速度?；谶@一分析,給出每段成像及快速機(jī)動過程中天線波束中心指向虛擬旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的確定步驟,以此來確定每一時(shí)刻的平臺三軸指向,以提供給衛(wèi)星進(jìn)行精準(zhǔn)的姿態(tài)控制,可以作為星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成像姿態(tài)控制策略的參考。