CN108008380B - 一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法及*** - Google Patents

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CN108008380B CN201711224430.1A CN201711224430A CN108008380B CN 108008380 B CN108008380 B CN 108008380B CN 201711224430 A CN201711224430 A CN 201711224430A CN 108008380 B CN108008380 B CN 108008380B
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Abstract

本发明提出一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法，应用于基于卫星编队的微波凝视关联成像***，该***由一颗中心主卫星和设定数量的伴飞卫星构成；设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列；该方法包括：各伴飞卫星采用自身生成的动态、时变的天线方向图，同步向目标成像区域辐射微波随机辐射场，各微波随机辐射场以波束交叠的方式覆盖目标成像区域；中心主卫星接收散射回波并通过关联成像算法计算得到目标成像区域的图像。采用上述技术方案可以实现将凝视关联成像应用于星载遥感成像，并且可以保证成像分辨率。

Description

一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法及***
技术领域
本发明涉及遥感成像技术领域，尤其涉及一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法及***。
背景技术
雷达成像技术是雷达发展史上的一个飞跃，其拓展了雷达最初的检测和测距的功能，使得雷达能利用获取的电磁散射信息，得到全景雷达图像。
作为目前主要的星载微波遥感技术，上世纪50年代迅速发展起来的合成孔径雷达利用了载体平台与目标间的相对运动，能够获得目标在距离-多普勒平面内的散射分布信息，具有较高的方位向分辨率。传统的实孔径雷达凝视成像，其角度分辨率由实际天线阵列孔径、波长和成像距离决定，由于静止卫星轨道高度较高，限制了其在实际中的成像效果。
微波凝视关联成像因为具有超越实孔径雷达成像分辨率极限以及快速成像的优点，在最近几年取得了较快的发展。该成像方法的核心是构造一个具有时空两维随机特性的辐射场照射目标区域，使位于不同位置的目标散射独立、时变的回波，然后对回波和预置的辐射场进行关联处理得到高分辨的反演图像。
目前对微波凝视关联成像的研究主要集中在地面平台或准静态的悬浮气球平台上，尚未有将凝视关联成像应用于静止轨道卫星对地凝视观测方面的研究，如何将凝视关联成像应用于星载遥感成像，还是一个待解决的难题。
发明内容
基于上述现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法及***，能够将凝视关联成像应用于星载遥感成像。
为了达到上述目的，本发明具体提出如下技术方案：
一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法，应用于基于卫星编队的微波凝视关联成像***，该***由一颗中心主卫星和设定数量的伴飞卫星构成；其中，所述设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列；该方法包括：
各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场；
所述中心主卫星接收所有的微波随机辐射场作用于所述目标成像区域后的全部散射回波，并根据所接收的散射回波，通过关联成像算法，计算得到所述目标成像区域的图像。
优选地，所述伴飞卫星的天线由在天线口面随机排布的第一数量的天线子阵构成，所述天线子阵包括由第二数量的天线阵元组成的均匀矩形栅格相控阵天线；所述伴飞卫星可以通过控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图；
所述各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场，包括：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号；
各个伴飞卫星分别根据自身生成的随机脉冲信号以及自身生成的天线方向图，在天线波束内生成指向目标成像区域的微波随机辐射场。
优选地，所述各个伴飞卫星在天线波束内生成的指向目标成像区域的微波随机辐射场以部分交叠的方式覆盖所述目标成像区域。
优选地，所述各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号，包括：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机跳频脉冲信号。
优选地，所述设定数量的伴飞卫星按照设定的规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，包括：
所述设定数量的伴飞卫星按照设定的规则，稀疏分布于以所述中心主卫星为圆心的设定半径的圆形轨迹上。
一种基于卫星编队的微波凝视关联成像***，包括：
一颗中心主卫星和设定数量的伴飞卫星；
其中，所述设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列；所述设定数量的伴飞卫星，用于同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场；
所述中心主卫星，用于接收所有的微波随机辐射场作用于所述目标成像区域后的全部散射回波，并根据所接收的散射回波，通过关联成像算法，计算得到所述目标成像区域的图像。
优选地，所述伴飞卫星的天线由在天线口面随机排布的第一数量的天线子阵构成，所述天线子阵包括由第二数量的天线阵元组成的均匀矩形栅格相控阵天线；所述伴飞卫星还用于通过控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图；
所述各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场时，具体用于：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号；
各个伴飞卫星分别根据自身生成的随机脉冲信号以及自身生成的天线方向图，在天线波束内生成指向目标成像区域的微波随机辐射场。
优选地，所述各个伴飞卫星在天线波束内生成的指向目标成像区域的微波随机辐射场以部分交叠的方式覆盖所述目标成像区域。
优选地，各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号时，具体用于：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机跳频脉冲信号。
优选地，所述设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，具体包括：
所述设定数量的伴飞卫星按照设定的规则，稀疏分布于以所述中心主卫星为圆心的设定半径的圆形轨迹上。
本发明提出的基于卫星编队的微波凝视关联成像方法，将一颗中心主卫星和设定数量的伴飞卫星编队构成基于卫星编队的微波凝视关联成像***，该***中设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列。当需要对目标成像区域进行遥感成像时，各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场，相当于大口径的天线阵列向目标成像区域辐射微波随机辐射场，然后由中心主卫星接收全部的散射回波，并根据接收的散射回波，通过关联成像算法计算得到目标成像区域的图像。上述技术方案通过对多个卫星进行编队，得到大口径的随机辐射源天线阵列，将该天线阵列应用到微波凝视关联成像中，满足了微波凝视关联成像对天线口径的要求，从而实现将凝视关联成像应用于星载遥感成像，并且可以保证成像分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的伴飞卫星天线结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的应用本发明提出的基于卫星编队的微波凝视关联成像方法的成像场景示意图；
图5是本发明实施例提供的成像模型示意图；
图6是本发明实施例提供的伴飞卫星天线增益空间分布示意图；
图7是本发明实施例提供的利用传统微波关联成像方法对图5所示的成像模型进行反演得到的图像；
图8是本发明实施例提供的利用本发明提出的基于卫星编队的微波凝视关联成像方法对图5所示的成像模型进行反演得到的图像；
图9是本发明实施例提供的一种基于卫星编队的微波凝视关联成像***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法，该方法应用于本发明实施例提出的基于卫星编队的微波凝视关联成像***，该***由一个中心主卫星和设定数量的伴飞卫星构成；其中，所述设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列。
具体的，由于凝视成像的分辨率受到天线孔径的限制，因此传统的实孔径雷达由于其孔径较小，无法满足卫星遥感成像对分辨率的要求。为了将凝视关联成像应用到卫星遥感成像，则要解决天线孔径小，无法得到满意的成像分辨率的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例将卫星进行编队处理，使多颗卫星编队构成大口径的天线阵列，将该天线阵列作为微波凝视关联成像的雷达，从而克服天线孔径小的问题。其中，上述多颗卫星分别为静止轨道卫星。即卫星相对于地球是静止的，各卫星之间在编队完成后，其相互之间也是相对静止的，并且卫星的数量可以根据观测范围及精度需求而设定。
本发明实施例将设定数量的卫星进行编队时，设置一颗中心主卫星，其它卫星则作为该中心主卫星的伴飞卫星进行编队。本发明实施例在对卫星进行编队时，将所有的伴飞卫星按照设定规则布置在中心主卫星周围，使所有的伴飞卫星综合构成大口径的随机辐射源天线阵列。该天线阵列的口径大小，可以通过调整各个伴飞卫星与中心主卫星的距离而调整。理论上，各个伴飞卫星所构成的天线阵列的口径越大，成像分辨率越高。
一种可选的编队方式是，将设定数量的伴飞卫星按照设定规则，稀疏布置在以中心主卫星为圆心的设定半径的圆形轨迹上。
具体的，静止轨道卫星编队由一个位于编队中心的主卫星和M个位于以半径为R的圆周上随机排布的分布式伴飞卫星组成，其中R可以但不限于是几十至几百公里。所述M个伴飞卫星辐射天线共同构成一个广域、超大口径、空间稀疏分布随机辐射源天线阵列，第m个伴飞卫星辐射天线相位中心位置矢量为
Figure BDA0001486987380000051
m＝1,2,...,M，而中心主卫星单一接收机天线相位中心位置矢量为
Figure BDA0001486987380000052
基于以上设置，由于各个伴飞卫星综合构成微波凝视关联成像的天线阵列，因此当需要对任意目标成像区域进行遥感成像时，需要各个伴飞卫星同时发射辐射场，然后该辐射场经过目标成像区域反射后，由中心主卫星接收，再由中心主卫星通过关联成像算法，计算得到目标成像区域的图像。
基于以上设置及说明，参见图1所示，本发明实施例提出的基于卫星编队的微波凝视关联成像方法，具体包括：
S101、各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场；
具体的，基于本发明实施例设定的静止轨道卫星编队方法，多个伴飞卫星构成大口径的随机辐射源天线阵列。当需要对目标成像区域进行微波凝视关联成像时，由上述大口径的随机辐射源天线阵列向目标成像区域辐射微波随机辐射场，相当于由大口径雷达向目标成像区域发射雷达信号，构成了微波凝视关联成像的基础。
基于上述大口径的随机辐射源天线阵列的构成，上述大口径的随机辐射源天线阵列向目标成像区域辐射微波随机辐射场，也就是各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场。
可选的，在本发明的另一个实施例中，所述伴飞卫星的天线由在天线口面随机排布的第一数量的天线子阵构成，所述天线子阵包括由第二数量的天线阵元组成的均匀矩形栅格相控阵；各个伴飞卫星分别控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图；
具体的，如图2所示，在本发明实施例中，设定伴飞卫星的天线由多个天线子阵构成，并且各个天线子阵在天线口面内呈随机排布，天线子阵的数量为第一数量，在实际实施本发明实施例技术方案时，上述第一数量可以根据实际情况灵活设定。对于每一个天线子阵，本发明实施例设定其由第二数量的天线阵元组成，第二数量的天线阵元构成均匀矩形栅格相控阵。在实际实施本发明实施例技术方案时，上述第二数量可以根据实际情况而设定。
进一步的，本发明实施例还设定，伴飞卫星可以通过控制自身天线阵元的随机附加相位，形成动态、时变、空间随机分布的天线方向图。
具体的，伴飞卫星辐射天线为一个展开式、波束可赋形天线阵列，由在天线阵面O-XY平面上随机排布的N个天线子阵构成，子阵间距d′相互不等，且满足间距d′≥λ，λ为工作波长；而每一个天线子阵则为一个包含W×E个阵元的二维平面均匀矩形栅格相控阵天线，阵元为等间距d排列，一般间距d＜λ，λ为工作波长，则一个伴飞卫星辐射天线共包含N×W×E个阵元。
通过控制天线阵元的随机附加相位，上述伴飞卫星辐射天线波束具有动态、时变、空间随机分布的天线方向图，即在一个脉冲周期内保持固定不变，而在不同脉冲之间则是动态地随机变化，同时，不同伴飞卫星之间也是随机变化的。
其实现方法可以但不限于以下方法：
(1)将第m个伴飞卫星天线阵列第n个相控阵天线子阵的第w行第e列阵元的第l个随机跳频脉冲信号的附加相移值设为：
Figure BDA0001486987380000071
其中，1≤n≤N，w为阵元在子阵内X方向上的编号，w＝1,2,···W；e为阵元在子阵内Y方向上的编号，e＝1,2,··E；Δφx为在X方向上相邻阵元的空间相位差，
Figure BDA0001486987380000072
Δφy为在Y方向上相邻阵元之间的空间相位差，
Figure BDA0001486987380000073
Figure BDA0001486987380000074
分别为第m个伴飞卫星天线第n个相控天线子阵最大波束指向的俯仰角和方位角；dx为在X方向上阵元间距；dy为在Y方向上阵元间距；
Figure BDA0001486987380000075
为第m个伴飞卫星天线阵列第n个子阵在第l个脉冲信号额外附加的随机相移，该随机相移在单个脉冲内保持不变，而在脉冲之间
Figure BDA0001486987380000076
的选取则是满足独立同分布的随机过程，
Figure BDA0001486987380000077
γ＝2π/λ为自由空间波数，λ为工作波长。
(2)在第l个脉冲时，第m个伴飞卫星阵列天线动态、空间随机分布的远场方向图为：
Figure BDA0001486987380000078
其中，
Figure BDA0001486987380000081
表示指向成像区域不同目标散射点的俯仰角和方位角，
Figure BDA0001486987380000082
为第m个伴飞卫星第l个脉冲时第n个相控阵子阵天线方向图，dx为在X方向上阵元间距；dy为在Y方向上阵元间距；；
Figure BDA0001486987380000083
为第m个伴飞卫星天线阵列阵因子，Px(n)和Py(n)为第n个子阵在X方向和Y方向的位置。
基于上述设置，参见图3所示，本发明实施例中上述各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场的具体过程包括：
S301、各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号；
具体的，各个伴飞卫星同步各自生成随机脉冲信号，并且各个伴飞卫星生成的随机脉冲信号之间相互正交，保证不会发生混叠。
在本发明的另一个实施例中，公开了上述各个伴飞卫星生成的随机脉冲信号的具体形式。具体的，本发明另一个实施例公开，各个伴飞卫星同步生成随机脉冲信号，可以但不限于是随机调频脉冲信号：
Figure BDA0001486987380000084
其中，
Figure BDA0001486987380000085
为伴飞卫星辐射天线相位中心位置矢量；fml为第m个伴飞卫星发射第l个脉冲的随机跳频信号频率，l＝1,2,...,L，L为总发射脉冲个数，该频率在***发射带宽B范围内随机选择，τ为脉冲持续时间，T为脉冲重复周期。
S302、各个伴飞卫星分别根据自身生成的随机脉冲信号以及自身生成的天线方向图，在天线波束内生成指向目标成像区域的微波随机辐射场。
具体的，伴飞卫星生成的随机脉冲信号为信号发生器产生的信号，该信号经过天线发射后在空间中以场的方式传播。本发明实施例设定，当伴飞卫星信号发生器生成随机脉冲信号后，该信号到达天线向空间发射时，伴飞卫星以生成的随机脉冲信号为激励，控制该信号在各个阵元天线的随机附加相位，形成天线方向图。最后，伴飞卫星在生成的随机脉冲信号的激励下，结合生成的相应的天线方向图，在天线波束内生成指向目标成像区域的微波随机辐射场，也就是向目标成像区域辐射出微波随机辐射场。
具体的，将第m个伴飞卫星辐射天线波束覆盖观测区域Dm划分成K个网格点，K＝P×Q，P为方位向分辨单元数，Q为距离向分辨单元数，第k个网格中心位置矢量记为
Figure BDA0001486987380000091
k＝1,2,··K，则观测区域表示为
Figure BDA0001486987380000092
对于空间方向指向Dm内任意目标位置矢量
Figure BDA0001486987380000093
第m个伴飞卫星天线在第l个发射脉冲时所对应的动态、随机天线方向图分布可表示为：
Figure BDA0001486987380000094
其中，由第m个伴飞卫星天线相位中心
Figure BDA0001486987380000095
指向目标位置
Figure BDA0001486987380000096
的俯仰角与方位角分别为
Figure BDA0001486987380000097
所述第m个伴飞卫星辐射天线在第l个随机脉冲信号的激励下，在其波束观测区域Dm内所辐射形成的随机辐射场分布表示如下：
Figure BDA0001486987380000098
其中
Figure BDA0001486987380000099
为由位于
Figure BDA00014869873800000910
的第m个伴飞卫星天线发射信号到位置矢量
Figure BDA00014869873800000911
处的传播时延，其中c表示光速。
在本发明的另一个实施例中设定，各个伴飞卫星在天线波束内生成的指向目标成像区域的微波随机辐射场以部分交叠的方式覆盖目标成像区域。
具体的，在本发明实施例中，所有伴飞卫星在天线波束内生成的微波随机辐射场以波束交叠的方式覆盖整个目标成像区域，通过辐射场的部分交叠线性叠加，共同构建更强随机性的总随机辐射场。
伴飞卫星编队组成的超大口径、空间稀疏分布的随机辐射源天线阵列，由于较大的星间距离，其波束覆盖方式与传统多波束共同覆盖方式不同，所有星载天线采用波束交叠的方式共同完成整体成像区域的覆盖，上述M个伴飞卫星天线波束覆盖区域DM相邻之间均存在部分交叠，并不完全重合，共同形成一个整体成像观测区域D，即满足公式：
D＝D1∪D2∪....Dm...∪DM
对于1≤j≠m≤M，任意Dm都存在Dj，使得
Figure BDA0001486987380000101
将所述整体观测区域D划分成K′个网格点，K′＝P′×Q′，P′为方位向分辨单元数，Q′为距离向分辨单元数，第k′个网格中心位置矢量记为
Figure BDA0001486987380000102
k′＝1,2,··，K′，其目标后向散射系数为
Figure BDA0001486987380000103
则观测区域D可表示为：
Figure BDA0001486987380000104
在波束交叠覆盖模式下，在整体成像区域D内，所述伴飞卫星编队空间稀疏分布的随机辐射阵列天线在第l个随机脉冲信号的激励下，结合动态时变的天线方向图，所有星载天线形成辐射场以部分交叠的方式进行线性叠加，共同构建了覆盖整个成像区域的总随机辐射场分布，计算公式表示如下：
Figure BDA0001486987380000105
其中
Figure BDA0001486987380000106
为天线波束覆盖位置矢量
Figure BDA0001486987380000107
的所有伴飞卫星集合。
上述图3所示的实施例中的步骤S303对应图1所示的方法实施例中的步骤S102，其具体内容请参见图1所示的方法实施例的内容，此处不再赘述。
S102、所述中心主卫星接收所有的微波随机辐射场作用于所述目标成像区域后的全部散射回波，并根据所接收的散射回波，通过关联成像算法，计算得到所述目标成像区域的图像。
具体的，各个伴飞卫星辐射的微波随机辐射场到达目标成像区域，作用于目标成像区域后，会发生散射，产生散射回波。此时，中心主卫星接收全部散射回波，然后根据所接收的散射回波，与伴飞卫星修正的总随机辐射场观测矩阵共同构建微波凝视关联成像方程，最后通过关联成像算法，反演出目标成像区域的图像。
上述介绍的由各个伴飞卫星辐射的微波随机辐射场到达目标成像区域D并产生散射回波后，位于静止轨道卫星编队中心位置
Figure BDA0001486987380000111
的主卫星宽波束接收机天线接收来自观测区域D的全部散射回波，可以表示为：
Figure BDA0001486987380000112
考虑从辐射天线到目标、再接收天线的辐射场双程传播过程，定义修正的总随机辐射场
Figure BDA0001486987380000113
表示为：
Figure BDA0001486987380000114
定义第l个随机脉冲信号的散射回波信号观测采样时刻为tl，则L个随机脉冲信号的一维散射回波矩阵向量为
Figure BDA0001486987380000115
另定义整个观测区域目标一维后向散射系数矩阵向量为
Figure BDA0001486987380000116
则对于整个成像区域，关联成像的矩阵方程如下：
Figure BDA0001486987380000117
即对地遥感微波凝视关联成像方程矩阵矢量的形式如下：
Esca＝Erad·σ
利用伴飞卫星形成的可预置时空随机辐射场观测矩阵Erad和主卫星接收的散射回波Esca，通过关联处理算法，从而得出整体观测区域D的目标反演图像
Figure BDA0001486987380000121
如下式：
Figure BDA0001486987380000122
其中，
Figure BDA0001486987380000123
为关联成像算法的算符，包括：直接一阶场强关联、伪逆算法、稀疏贝叶斯学习算法、TSVD正则化算法、Tikhonov正则化算法等。
基于上述介绍可见，本发明实施例提出的基于卫星编队的微波凝视关联成像方法，将一颗中心主卫星和设定数量的伴飞卫星编队构成基于卫星编队的微波凝视关联成像***，该***中设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列。当需要对目标成像区域进行遥感成像时，各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场，相当于大口径的天线阵列向目标成像区域辐射微波随机辐射场，然后由中心主卫星接收全部的散射回波，并根据接收的散射回波，通过关联成像算法计算得到目标成像区域的图像。上述技术方案通过对多个卫星进行编队，得到大口径的随机辐射源天线阵列，将该天线阵列应用到微波凝视关联成像中，满足了微波凝视关联成像对雷达口径的要求，从而实现将凝视关联成像应用于星载遥感成像，并且可以保证成像分辨率。
为了更形象的说明本发明实施例技术方案的有益效果，下面以实例说明采用本发明实施例技术方案得到目标成像区域的图像的效果。
成像场景如图4所示，所有伴飞卫星天线共同构成一个超大口径、空间稀疏分布的随机辐射源天线阵列，同步辐射相互正交的随机脉冲信号，伴飞卫星天线结构如图2所示，仿真目标模型如图5所示，***参数如表1所示。
表1
***参数 参数设置
平台距离 35786km
成像斜视角度 4度
绕飞卫星个数 8个
回波信噪比 25dB
网格间距ρ<sub>a</sub>＝ρ<sub>r</sub> 100m
发射信号形式 随机跳频
发射信号脉冲间隔 T<sub>p</sub>＝2us
信号跳频带宽 1GHz
发射信号载频 10GHz
按照本发明实施例技术方案所述，通过控制伴飞卫星辐射天线的阵元随机附加相位，可以在其波束内形成动态、随机的天线增益空间分布，如图6所示，由于在两个不同脉冲间的阵元附加移相不同，所示在其波束覆盖区域形成的二维增益空间分布在不同脉冲之间是动态地随机变化。
在相同的仿真参数条件下，进行仿真对比实验，对于传统微波关联成像方法只使用辐射随机信号的天线阵构造辐射场的方式，其得到的目标反演结果如图7所示；而本发明提出的采用随机信号辐射、动态、空间随机分布天线方向图和波束交叠的方式覆盖三者相结合构造随机辐射场的方式，得到的目标反演结果如图8所示；从对比可以看出，本发明所述的方法得到目标反演成像结果质量更好，从而验证了本发明在对地遥感微波凝视高分辨成像方面更具有优势。
现有传统实孔径天线凝视成像技术的理论分辨由天线孔径大小决定，按照给出的仿真参数，其成像分辨率约为200m，本发明提出的方法在100m网格大小下，能够实现对目标图像的成功反演，突破了传统实孔径成像的分辨率极限。
本发明实施例还公开了一种基于卫星编队的微波凝视关联成像***，如图9所示，该***包括：
一颗中心主卫星100和设定数量的伴飞卫星110；
其中，所述设定数量的伴飞卫星110按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星100周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列；所述设定数量的伴飞卫星，用于同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场；
所述中心主卫星100，用于接收所有的微波随机辐射场作用于所述目标成像区域后的全部散射回波，并根据所接收的散射回波，通过关联成像算法，计算得到所述目标成像区域的图像。
其中，所述伴飞卫星110的天线由在天线口面随机排布的第一数量的天线子阵构成，所述天线子阵包括由第二数量的天线阵元组成的均匀矩形栅格相控阵天线；所述伴飞卫星还用于通过控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图；
所述各个伴飞卫星110同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场时，具体用于：
各个伴飞卫星110同步生成相互正交的随机脉冲信号；
各个伴飞卫星110分别根据自身生成的随机脉冲信号以及自身生成的天线方向图，在天线波束内生成指向目标成像区域的微波随机辐射场。
其中，所述各个伴飞卫星110在天线波束内生成的指向目标成像区域的微波随机辐射场以部分交叠的方式覆盖所述目标成像区域。
可选的，在本发明的另一个实施例中，各个伴飞卫星110同步生成相互正交的随机脉冲信号时，具体用于：
各个伴飞卫星110同步生成相互正交的随机跳频脉冲信号。
可选的，在本发明的另一个实施例中，所述设定数量的伴飞卫星110按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星100周围，具体包括：
所述设定数量的伴飞卫星110按照设定的规则，稀疏分布于以所述中心主卫星100为圆心的设定半径的圆形轨迹上。
具体地，上述各个伴飞卫星110和中心主卫星100的具体工作内容，请参见上述方法实施例的内容，此处不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于卫星编队的微波凝视关联成像方法，其特征在于，应用于基于卫星编队的微波凝视关联成像***，该***由一颗中心主卫星和设定数量的伴飞卫星构成；其中，多颗卫星分别为静止轨道卫星；其中，所述设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列；该方法包括：
各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场；
所述中心主卫星接收所有的微波随机辐射场作用于所述目标成像区域后的全部散射回波，并根据所接收的散射回波，通过关联成像算法，计算得到所述目标成像区域的图像；
所述伴飞卫星的天线由在天线口面随机排布的第一数量的天线子阵构成，所述天线子阵包括由第二数量的天线阵元组成的均匀矩形栅格相控阵天线；所述伴飞卫星可以通过控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图；
所述伴飞卫星可以通过控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图包括：
将第m个伴飞卫星天线阵列第n个相控阵天线子阵的第w行第e列阵元的第l个随机跳频脉冲信号的附加相移值设为：
Figure FDA0002246087460000011
其中，1≤n≤N，w为阵元在子阵内X方向上的编号，w＝1,2,…W；e为阵元在子阵内Y方向上的编号，e＝1,2,··E；△φx为在X方向上相邻阵元的空间相位差，
Figure FDA0002246087460000012
△φy为在Y方向上相邻阵元之间的空间相位差，
Figure FDA0002246087460000013
Figure FDA0002246087460000014
分别为第m个伴飞卫星天线第n个相控天线子阵最大波束指向的俯仰角和方位角；dx为在X方向上阵元间距；dy为在Y方向上阵元间距；
Figure FDA0002246087460000015
为第m个伴飞卫星天线阵列第n个子阵在第l个脉冲信号额外附加的随机相移，该随机相移在单个脉冲内保持不变，而在脉冲之间
Figure FDA0002246087460000016
的选取则是满足独立同分布的随机过程，
Figure FDA0002246087460000017
γ＝2π/λ为自由空间波数，λ为工作波长；
在第l个脉冲时，第m个伴飞卫星阵列天线动态、空间随机分布的天线方向图为：
Figure FDA0002246087460000021
其中，
Figure FDA0002246087460000022
表示指向成像区域不同目标散射点的俯仰角和方位角，
Figure FDA0002246087460000023
为第m个伴飞卫星第l个脉冲时第n个相控阵子阵天线方向图，dx为在X方向上阵元间距；dy为在Y方向上阵元间距；
Figure FDA0002246087460000024
为第m个伴飞卫星天线阵列阵因子，Px(n)和Py(n)为第n个子阵在X方向和Y方向的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定数量的伴飞卫星按照设定的规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，包括：
所述设定数量的伴飞卫星按照设定的规则，稀疏分布于以所述中心主卫星为圆心的设定半径的圆形轨迹上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场，包括：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号；
各个伴飞卫星分别根据自身生成的随机脉冲信号以及自身生成的天线方向图，在天线波束内生成指向目标成像区域的微波随机辐射场。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述各个伴飞卫星在天线波束内生成的指向目标成像区域的微波随机辐射场以部分交叠的方式覆盖所述目标成像区域。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号，包括：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机跳频脉冲信号。
6.一种基于卫星编队的微波凝视关联成像***，其特征在于，包括：
一颗中心主卫星和设定数量的伴飞卫星；其中，多颗卫星分别为静止轨道卫星；
其中，所述设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，构成设定口径的随机辐射源天线阵列；所述设定数量的伴飞卫星，用于同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场；
所述中心主卫星，用于接收所有的微波随机辐射场作用于所述目标成像区域后的全部散射回波，并根据所接收的散射回波，通过关联成像算法，计算得到所述目标成像区域的图像；
所述伴飞卫星的天线由在天线口面随机排布的第一数量的天线子阵构成，所述天线子阵包括由第二数量的天线阵元组成的均匀矩形栅格相控阵天线；所述伴飞卫星可以通过控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图；
所述伴飞卫星可以通过控制自身天线阵元的随机附加相位，生成动态、时变、空间随机分布的天线方向图包括：
将第m个伴飞卫星天线阵列第n个相控阵天线子阵的第w行第e列阵元的第l个随机跳频脉冲信号的附加相移值设为：
Figure FDA0002246087460000031
其中，1≤n≤N，w为阵元在子阵内X方向上的编号，w＝1,2,…W；e为阵元在子阵内Y方向上的编号，e＝1,2,··E；△φx为在X方向上相邻阵元的空间相位差，
Figure FDA0002246087460000032
△φy为在Y方向上相邻阵元之间的空间相位差，
Figure FDA0002246087460000033
Figure FDA0002246087460000034
分别为第m个伴飞卫星天线第n个相控天线子阵最大波束指向的俯仰角和方位角；dx为在X方向上阵元间距；dy为在Y方向上阵元间距；
Figure FDA0002246087460000035
为第m个伴飞卫星天线阵列第n个子阵在第l个脉冲信号额外附加的随机相移，该随机相移在单个脉冲内保持不变，而在脉冲之间
Figure FDA0002246087460000036
的选取则是满足独立同分布的随机过程，
Figure FDA0002246087460000037
γ＝2π/λ为自由空间波数，λ为工作波长；
在第l个脉冲时，第m个伴飞卫星阵列天线动态、空间随机分布的天线方向图为：
Figure FDA0002246087460000041
其中，
Figure FDA0002246087460000042
表示指向成像区域不同目标散射点的俯仰角和方位角，
Figure FDA0002246087460000043
为第m个伴飞卫星第l个脉冲时第n个相控阵子阵天线方向图，dx为在X方向上阵元间距；dy为在Y方向上阵元间距；
Figure FDA0002246087460000044
为第m个伴飞卫星天线阵列阵因子，Px(n)和Py(n)为第n个子阵在X方向和Y方向的位置。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述设定数量的伴飞卫星按照设定规则稀疏分布于所述中心主卫星周围，具体包括：
所述设定数量的伴飞卫星按照设定的规则，稀疏分布于以所述中心主卫星为圆心的设定半径的圆形轨迹上。
8.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述各个伴飞卫星同时向目标成像区域辐射微波随机辐射场时，具体用于：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号；
各个伴飞卫星分别根据自身生成的随机脉冲信号以及自身生成的天线方向图，在天线波束内生成指向目标成像区域的微波随机辐射场。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述各个伴飞卫星在天线波束内生成的指向目标成像区域的微波随机辐射场以部分交叠的方式覆盖所述目标成像区域。
10.根据权利要求8或9所述的***，其特征在于，各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机脉冲信号时，具体用于：
各个伴飞卫星同步生成相互正交的随机跳频脉冲信号。
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