地理参照条带模式星载SAR理论与方法研究

This project proposed a new Geo-Referenced stripmap (GR-strip) mode for spaceborne synthetic aperture radar (SAR). Operating in this mode, spaceborne SAR can realize wide swath observation at highly squinted angle. SAR application flexibility can be obviously improved simultaneously. The approached SAR images could be similar to what are achieved by traditional broadside stripmap SAR. This project focused on the attributes of spaceborne GR-strip SAR system and concentrate on the following fields: Design and optimization of SAR system parameters; Design of non-uniform transmitted pulse intervals; Fast echo-wave simulation methods; Fast imaging algorithms and SAR image evaluation methods. Based on simulation analyses, we tend to solve the following scientific questions: (1) Design radar antenna controlling methods and transmitted pulse intervals adjusting method to realize wide swath observation under highly squinted conditions; (2) Design SAR system adjusting strategies to realized uniformly distributed image pixel intervals and 2-D resolution performance; (3) Design fast image formation algorithms for spaceborne GR-strip mode in Sight-Crossrange image formation space.

本项目提出了一种新的星载合成孔径雷达(SAR)工作模式-地理参照条带(GR-strip)模式，该模式具有斜视星载SAR对地观测的灵活性和正侧视条带模式的测绘带宽度，其雷达图像具有类似于正侧视条带模式的正视微波照射特性，可提升星载SAR对地观测能力。 本项目通过对星载SAR地理参照条带模式机理研究、SAR系统参数设计与论证、回波信号仿真、成像算法研究，通过成像处理仿真实验和图像质量评估，解决星载SAR地理参照条带模式的若干关键科学问题：(1)设计星载地理参照模式下雷达天线指向控制规律和发射脉冲间隔调整规律，满足大斜视条件下宽测绘带观测的系统性能需求；(2)设计雷达系统参数调整规律，解决地理参照条带模式下成像分辨力和图像像素间距不一致的问题；(3)提出适用于视线－横向成像空间的星载SAR GR-strip模式的快速成像算法。

传统的星载合成孔径雷达（SAR）模式在对不平行于SAR卫星轨道方向的条带区域进行成像时无法兼顾图像的分辨率与时效性，同时由于采集到了大量的非感兴趣区域的回波，极大地降低了对地观测效率。本项目提出了一种新的星载地理参考条带模式，通过控制雷达天线进行连续的距离向扫描，生成与目标测绘区域相匹配的波束覆盖带，同时兼顾了图像分辨率与时效性，且极大的提升了对地观测效率。本项目通过对星载地理参考条带模式的机理研究，分析了不同波束指向条件下条带宽幅与信噪比的变化趋势以及不同波束指向条件对使用非均匀采样策略采集回波时回波的距离徙动的影响，完成了二维波束控制研究，指出星载地理参考条带SAR应时刻保持雷达波束中心指向与地表波束运动方向垂直。并进一步根据这一波束控制策略进行了非均匀方位采样方法研究，给出了三种可避免发射脉冲遮挡的非均匀方位采样方法。在此基础上本项目研究了适用于星载地理参考条带模式回波信号特性的成像算法理论，给出了适用于视线——横向成像空间的改进的极坐标格式算法和宽幅非线性调频变标算法两种成像方法，并进行了理论误差分析。根据星载地理参考条带SAR的时变非均匀数据获取方式和改进的波数域成像算法，本项目深入研究了星载地理参考条带SAR的系统参数设计方法，提出了一种新的时变参数的设计方法。本项目的相关研究成果解决了星载地理参考条带SAR的若干关键科学问题。