第 1 卷第 3 期 雷 达 学 报 Vol. 1No. 3
2012 年 9 月 Journal of Radars Sept. 2012
地球同步轨道圆迹 SAR 三维分辨特性分析
汪丙南
*
向茂生
(中国科学院电子学研究所微波成像技术国家级重点实验室 北京 100190)
摘 要:针对地球同步轨道圆迹 SAR (GEOsynchronous Circular SAR, GEOCSAR)具有平台轨道高、斜椭圆形空
间轨迹和椭球面成像区域等特点,需建立新的理论分析模型对其分辨特性进行评估。该文从建立观测目标与 SAR
平台的空间几何关系出发,推导出目标点与场景中心对应的斜距差与圆迹方位角的函数关系,进而给出 3 维点扩展
函数表达式,并得出分辨函数受 sinc 函数和贝塞尔函数共同影响的结论。然后重点分析了 3 维分辨特性随地理位
置、信号带宽、圆迹半径和孔径大小的变化规律,最后通过信号仿真实验进一步对理论建模进行了验证。
关键词:合成孔径雷达(SAR);圆迹 SAR;分辨率;地球同步轨道
中图分类号: TN957.2 文献标识码: A 文章编号: 2095-283X(2012)03-0314-09
DOI: 10.3724/SP.J.1300.2012.20044
Three-dimensional Resolution Analysis for Geosynchronous Circular SAR
Wang Bing-nan Xiang Mao-sheng
(National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging, Institute of Electronics
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
Abstract: GEOsynchronous Circular SAR (GEOCSAR), having a high orbit, operating in a slant ellipse, and
imaging in spherical surface, should be newly modeled to assess the resolution performance. In this paper, starting
from modeling geometry, a function of slant range difference and orientation angle is deduced. Then we can obtain
the three dimensional point spread function and make a conclusion of resolution affected by both sinc function and
bessel function of first kind. Lastly, resolution with the variation of location of target, bandwidth, radius of orbit,
and integral time is analyzed detailedly. Finally raw signal simulations show the validity of theoretical model.
Key words: Synthetic Aperture Radar (SAR); Circular SAR; Resolution; Geosynchronous orbit
1 引言
地球同步轨道 SAR
[1-3]
(Geosynchronous SAR)
是将 SAR 技术应用到地球同步轨道上,具备大面积
区域成像、长时间定点观测和突发事件实时响应等
优势。SAR 成像要求传感器与目标发生相对运动,
但理想的地球静止轨道是不存在的,受地球质量分
布不均、日月引力等因素均会导致地球同步卫星与
地球发生相对运动。通过轨道参数设计可使得卫星
围绕静止点做一些规则运动,地球同步轨道圆迹
SAR (GEOsynchronous Circular SAR, GEOCSAR)
正是通过控制轨道倾角为偏心率 2 倍,近地点幅角
为 90°或 270°,使得卫星运动轨迹为圆形的。1999
年,意大利的一个研究小组利用地球同步轨道通讯
卫星进行了寄生 SAR 实验
[4,5]
,由于在实验中,同步
2012-05-30 收到,2012-08-29 改回;2012-09-05 网络优先出版
国家 973 项目(2009CB724003)资助课题
*通信作者: 汪丙南 wbn@mail.ie.ac.cn
轨道卫星运动轨迹正好为近似圆形,从而首次验证
了近似圆形卫星孔径的 3 维成像原理。GEOCSAR
是将圆迹 SAR
[6,7]
应用到地球同步轨道上,不仅具备
普通地球同步轨道 SAR 的特点,还拥有高分辨 3 维
成像的优势
[5,6]
。
与常规圆迹 SAR 相比,GEOCSAR 具备平台
高、斜椭圆形运动轨迹、椭球面成像等特点,因而
现有针对常规圆迹 SAR 的信号模型已不再适用。文
献[8-12]详细分析了一般圆迹 SAR 3 维分辨特性,
SAR 平台主要针对的是机载或圆形转台,平台运动
为标准的水平圆形轨迹。然而,对于 GEOCSAR 而
言,平台高度达 3.6 万公里,卫星轨迹并非为标准
水平圆形,场景中心不总是位于地球静止点,成像
区域为球形表面,因而现有的信号模型已不再适用。
文献[13]仅建立了 GEOCSAR 2 维成像模型,并通
过子孔径的方法分析和仿真了 GEOCSAR 的 2 维分
辨函数,未针对其 3 维分辨特性展开分析。可见当
前研究主要针对常规的圆迹 SAR,对于地球同步轨