高低轨异构平台协同合成孔径雷达成像方法研究

Cooperative synthetic aperture radar (SAR) imaging via a geosynchronous satellite and several low-orbit satellites provides promising high-resolution wide-swath remote sensing. However, even under the cooperative scheme between high-orbit and low-orbit satellites, the serious asymmetry and time-variance between the transmit and receive platforms will not only result in large-scale spatial variance in range and azimuth dimensions, but also make the returns being highly nonlinear. Consequently, it is difficult to develop high-precision imaging algorithm, especially for moving target indication in clutter. For these reasons, the two-dimensional large-scale spatial-variant imaging and acquisition of moving targets is a key problem. This project aims to study: 1) Optimal formation configuration and system mission design; 2) Efficient high-resolution wide-swath imaging approaches via cooperative high-orbit and low-orbit platforms; 3) Efficient moving target indication in non-homogenous and non-stationary clutter; 4) Simultaneous imaging of static and moving targets. These works will provide a new way for resolving the bottleneck problem confronted with current spaceborne microwave imaging systems, and meanwhile, lay the theoretical foundation for next-generation microwave remote sensing system in China.

高低轨异构平台协同合成孔径雷达（SAR）成像利用一颗地球同步轨道卫星和若干颗低轨卫星协同工作来实现地面场景的高分辨率和大幅宽成像。但是，在高低轨协同观测体制下，收发平台的高度非对称性及其时变运动不仅造成距离和方位两维的大尺度空变还导致地物场景回波的分布轨迹呈现高度非线性，这给高精度成像和杂波环境中动目标检测带来困难。因此，基于高低轨异构平台的两维大尺度空变成像和目标运动特性获取是亟待解决的核心科学问题。本项目在完成基于高低轨协同观测体制的编队构形优化和系统任务设计的基础上，提出同时满足高分辨率和大幅宽成像的高低轨异构平台协同微波成像方法，提出高低轨协同观测体制下非均匀非平稳杂波环境下动目标检测方法以及静止目标和运动目标同时成像方法。本项目将为解决我国现有微波成像系统面临的瓶颈问题提供新的方法，进而为新一代微波遥感系统奠定理论基础。

目前在轨的 SAR成像卫星均为低轨卫星，轨道高度不超过 1000 公里，对同一地区的重复观测周期一般为 3 到 4 天，即使进行轨道机动也至少需要 1 天的时间，难以满足对敏感地区连续快速获取信息的需求。解决时间分辨率低、提高重访能力的方法之一是低轨卫星组网。然而，这种卫星组网的方式需要的卫星数量众多，系统成本高昂，技术难度大。同时，由于卫星本身是收发一体，系统构成也很复杂。 提高卫星重访能力的另一途径是将卫星的轨道高度提升到 3 万公里以上的地球同步轨道（高轨）。这种高轨平台可以有效扩展观测区域范围，单波束就能覆盖几百公里的幅宽。然而，如果采用传统的自发自收体制，高轨 SAR 的成像分辨率目前只有 20 米左右，与低轨 SAR 卫星的成像分辨率相比，差距很大。 . 为同时解决低轨 SAR 卫星重访时间长和高轨 SAR 卫星成像分辨率低的问题，提出了基于地球同步轨道 SAR 的高低轨异构平台协同成像体制。本项目研究了基于高低轨协同观测体制的编队构形设计方法和系统任务设计方法；提出了同时满足高时空分辨率和大幅宽成像的高低轨异构平台协同微波成像方法，解决了收发两维大尺度空变成像和协同机制下多基宽幅高分辨成像等关键问题；提出了高低轨协同观测体制下目标运动特性的获取方法，解决了双基异构平台地物杂波抑制和非均匀非平稳杂波环境下动目标检测等难题。本项目的研究，为解决我国现有微波成像系统面临的成像幅宽窄和时空分辨率低的瓶颈问题提供了新的方法，有望满足国家未来对地观测的重大需求。