GEO SAR信息获取与处理的理论及关键技术研究

目前的对地观测SAR卫星均是低轨卫星，存在重访周期长、单轨覆盖范围小等缺点；地球同步轨道SAR卫星（GEO SAR，轨道高度36000km）可解决以上问题。但是轨道高度增加使信号传播时间、合成孔径时间、测绘带宽增加了近两个数量级，会引起时空尺度的改变，使GEO SAR中的轨道动力学特性、电波传播效应、系统分析方法、成像理论等成为SAR领域的新问题。本项目将基于GEO SAR系统的时空尺度特点，研究GEO SAR的信息获取机制和信号处理方法：建立时变空变条件下轨道摄动和电离层传播效应对GEO SAR相位信号影响的数学模型；提出适用于GEO SAR系统设计的准则和精确分析方法；分析低轨SAR中Stop-and-Go假设、等效直线模型和菲涅耳近似在长信号传播时间和长孔径时间下引入的误差；构建GEO SAR弯曲轨迹条件下的宽测绘带成像理论框架，从信息科学角度为GEO SAR的发展奠定理论基础。

本课题研究了GEOSAR信息获取与处理的理论及关键技术，重点研究了GEOSAR的系统分析与设计方法，弯曲轨迹宽测绘带成像算法，卫星轨道动力学，大气层传播效应的影响，以及成像机理验证与电离层传播效应影响地面实验验证五大部分。相关研究成果填补了国内外GEOSAR领域的空白，为世界首颗GEOSAR卫星立项论证提供了关键技术支撑。主要研究成果如下：.一、研究了GEOSAR系统分析与设计方法。提出了GEO SAR全零多普勒二维偏航控制方法，给出了适用于GEO SAR的最优二维偏航控制策略；首次建立了地球自转对分辨率影响的描述方法，推导了GEOSAR斜距平面分辨率和空间任意方向分辨率的解析表达；分析了GEOSAR系统威力及交叉模糊比特性，完成了GEOSAR波位设计。.二、研究了弯曲轨迹宽测绘带成像算法。建立了GEOSAR精确斜距模型及远距离超长孔径时间条件下的GEOSAR高精度信号模型；推导了GEOSAR精确的信号二维频谱，提出了适用于GEOSAR大场景成像的改进SPECAN算法，SRC算法，CS算法，NCS算法和RMA算法；给出了GEOSAR时空变条件下的自适应参数估计方法。.三、研究了GEOSAR卫星轨道动力学。完成了轨道摄动与姿态控制对GEO SAR成像与覆盖性能影响分析与补偿方法研究，提出了适用于GEO SAR短期轨道摄动与高阶参数自适应估计方法；分析了卫星生命周期内长期轨道摄动导致的轨道根数漂移，提出了轨道保持方案；给出了姿态控制精度、测量精度与稳定度的要求，提出了GEOSAR姿态控制策略。.四、研究了大气层传播效应对GEOSAR的影响。建立了背景电离层影响下的GEOSAR高精度信号模型，分析了背景电离层引起的图像偏移和图像散焦现象；基于电离层多相位屏模型和统计模型分析了电离层闪烁现象对成像的影响，给出了满足GEOSAR成像的边界条件；提出了基于图像熵准则的幅相联合补偿自聚焦算法。.五、完成了GEOSAR成像机理验证与电离层传播效应影响地面验证实验。完成了基于北斗IGSO高轨导航卫星的双基地SAR成像实验，验证了GEO SAR成像机理的可行性；完成了背景电离层TEC测量及电离层闪烁监测实验，基于实测数据分析了电离层传播效应对GEOSAR成像的影响，验证了理论分析结果的正确性。.本课题共发表学术论文115篇，其中SCI论文收录47篇，申请专利18项（其中已授权7项）。