CN118401859A - 高分辨率宽测绘带sar成像 - Google Patents

Abstract

提供了一种操作合成孔径雷达“SAR”以获取包括一个或多个子测绘带的测绘带的图像数据的方法，其中SAR被承载在沿飞行方向移动的平台上，并且辐射波束被导向测绘带，该方法包括：对于每个丛发，沿子测绘带在方位角方向上电子地操纵波束；以及在每个丛发期间在与飞行方向相反的方向上机械地操纵波束。该方法允许获得改进的测绘带分辨率。

Description

高分辨率宽测绘带SAR成像

本发明涉及合成孔径雷达(SAR)成像。更具体地，本发明涉及高分辨率宽测绘带(HRWS)SAR成像领域。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)系统的主要用途之一是对地球表面进行成像和监视。在这种使用中，SAR系统通常承载在空中或航天器平台上。SAR系统是有源雷达系统，其中无线电波的脉冲向要成像的区域发射，并且当脉冲从感兴趣区域反射或散射回来时，通过接收和处理来自脉冲的回波来构建图像。SAR系统与光学成像系统的根本不同在于它们使用不同波长的电磁辐射，而且它们提供它们自己的辐射。它们具有优于光学系统的优点，即能够在白天或夜晚获取图像，并且还通过云覆盖。

SAR系统在本领域中是公知的，并且由于20世纪50年代的SAR发明在SAR系统对地球成像的能力方面继续进行改进，例如关于可以实现的分辨率和可以成像的区域的尺寸。一般来说，“实际孔径”雷达成像系统中的较长的天线导致在承载天线的平台的行进方向上可实现的较高的分辨率(称为方位角分辨率)。然而，实现良好方位角分辨率所需的天线长度可能使得它们在尺寸和重量方面是不允许的，特别是对于航天器系统。SAR通过利用承载SAR系统的平台的移动来创建“合成孔径”来解决该问题，该合成孔径可提供类似于较长“实际孔径”天线的方位角分辨率，但使用短得多且较小的天线。然而，传统的单孔径SAR系统仍然受到可实现的方位角分辨率和可成像的“带状地带”的宽度(称为测绘带宽度)之间的基本折衷的限制。实质上，折衷是实现更精细的方位角分辨率减小了可成像的测绘带的宽度，并且在不降低方位角分辨率的情况下不能成像更宽的测绘带。

这种折衷适用于公知的现有技术SAR扫描模式，诸如Stripmap、ScanSAR(扫描合成孔径雷达)和TOPS(利用渐进扫描的地形观测)。由于这种限制，期望一种技术，其允许实现高方位角分辨率，同时成像更宽的测绘带宽度。

考虑到现有技术的局限性，本发明所要解决的技术问题可以在提供一种SAR成像方法以获得改进的测绘带分辨率中看到。

下面描述的实施例不限于解决上述已知方法的任何或所有缺点的实现方式。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于确定所要求保护的主题的范围；有助于本发明的工作和/或用于实现基本上类似的技术效果的变体和替代特征应当被认为落入在此公开的本发明的范围内。

在第一方面，提供了一种操作合成孔径雷达“SAR”以获取包括一个或多个子测绘带的测绘带的图像数据的方法，其中SAR被承载在沿飞行方向移动的平台上，并且辐射波束被导向测绘带，该方法包括：对于每个丛发，沿子测绘带在方位角方向上电子地操纵波束；以及在每个丛发期间在与飞行方向相反的方向上机械地操纵波束。

在第二方面，提供一种用于在围绕地球的轨道中操作的卫星，其包括合成孔径雷达“SAR”以获取包括一个或多个子测绘带的测绘带的图像数据，其中该卫星被配置为沿飞行方向移动，并且该SAR被配置为将辐射波束引向地球，其中，该SAR还被配置为针对每个丛发在方位角方向上沿子测绘带电子地操纵该波束，并且在每个丛发期间在与飞行方向相反的方向上机械地操纵该波束。

在第三方面，提供了一种接地站，其被配置为控制卫星，可选地根据第二方面，以执行第一方面的方法。接地站可以被配置为向卫星发送控制信号。

本文描述的方法可以由有形存储介质上的机器可读形式的软件来执行，例如，以包括计算机程序代码装置的计算机程序的形式，当该程序在计算机上运行时，该计算机程序代码装置适于执行本文描述的任何方法的所有步骤，并且其中该计算机程序可以包括在计算机可读介质上。有形(或非暂态)存储介质的示例包括盘、拇指驱动器、存储卡、RAM、闪存等，并且不包括传播信号。该软件可适于在并行处理器或串行处理器上执行，使得该方法步骤可以任何合适的次序或同时执行。

本申请承认固件和软件可以是有价值的、可单独交易的商品。其旨在包括在“哑”或标准硬件上运行或控制“哑”或标准硬件以执行期望功能的软件和固件。还旨在包括“描述”或定义硬件的配置的软件，诸如HDL(硬件描述语言)软件，如用于设计硅芯片，或用于配置通用可编程芯片，以执行期望的功能。

优选特征可以适当地组合，这对于本领域技术人员是显而易见的，并且可以与本发明的任何方面组合。根据第一方面的方法可以用结合根据第二方面的卫星所描述的特征来阐述。根据第二方面的卫星可以具有结合根据第一方面的方法描述的特征。

附图说明

将参考以下附图以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是在地球上方的轨道中的卫星的示意性透视图。

图2是以ScanSAR模式操作以获取测绘带的图像数据的卫星的示意图。

图3是卫星的示意图，该卫星在执行机械向后扫描的同时在方位角丛发期间操作以获取测绘带的图像数据。

图4是示出(a)卫星的行进方向、机械操纵的方向和卫星波束的合成有效接地速度，以及(b)获取样式的示意图。

图5是示出根据图4b的(a)方位角中的电子操纵、(b)仰角中的电子操纵、(c)方位角中的机械操纵和(d)获取样式的叠加的一系列曲线图。

图6是卫星组件的示意图。

图7是卫星的局部透视图。

图8示出了信号和由于方位角方向上的模糊度而导致的潜在性能损失的曲线图。

图9示出了单个丛发的范围模糊度比率(RAR)相对于时间的曲线图。

图10示出了可用于确定用于图像获取的参数的示例性算法。

在所有附图中使用相同的附图标记来表示相似的特征。

具体实施方式

在第一方面，本发明提供一种操作合成孔径雷达“SAR”以获取包括一个或多个子测绘带的测绘带的图像数据的方法，其中SAR被承载在沿飞行方向移动的平台上，并且辐射波束被导向测绘带，该方法包括：对于每个丛发，沿子测绘带在方位角方向上电子地操纵波束；以及在每个丛发期间在与飞行方向相反的方向上机械地操纵波束。

首先，将解释用于描述SAR成像的术语：

为了创建SAR图像，发射无线电波的连续脉冲以“照射”目标场景，并且接收并记录每个脉冲的回波。可以使用单个波束形成天线来发射脉冲并接收回波。发射的脉冲被描述为辐射波束。在接收模式中，天线接收从该辐射波束反射和反向散射的辐射。当SAR装载在诸如卫星的移动平台上并因此相对于目标移动时，相对于目标的天线位置随时间变化，并且由于多普勒效应，接收信号的频率变化。连续记录的雷达回波的信号处理允许组合来自多个天线位置的记录，从而形成合成天线孔径以允许创建更高分辨率的图像。

由SAR瞬时照亮的地球上的区域被称为覆盖区。测绘带是当SAR在地球上移动时覆盖区扫掠的地形的带状地带。沿SAR的飞行方向/行进方向的方向通常称为方位角或“沿轨道”。横向于飞行方向的方向通常被称为范围或“交叉航迹”。与飞行方向相反的方向对应于向后方位角方向。

测绘带包括一个或多个子测绘带。每个子测绘带的范围(或仰角)可以不同。作为一个示例，为了获得大的地面覆盖，测绘带可以由至少最多五个子测绘带构成。可替代地，测绘带可包括多达10个子测绘带，或多达20个子测绘带，或多达50个子测绘带。在每个子测绘带中，图像数据可以在方位角方向上被阻塞为丛发。换句话说，每个子测绘带可以在方位角方向上被划分为块，其中在丛发期间收集一个块的图像数据。每个丛发包括多个脉冲。通常，丛发可以包括20到几百个脉冲。可以使用逐个丛发(burst-by-burst)的方法来获取图像数据。

波束控制是指辐射天线波束的指向。例如，通过调节去往和来自天线元件的RF信号的相位，可以在具有相控阵列天线的SAR系统中电子地控制波束。这改变了从相控阵列天线发射和接收的辐射的主瓣的方向。电子波束操纵具有高精度并且可以快速发生。在一个示例中，当操纵需要快速发生并且操纵所需的角不大时，使用电子操纵。这可以称为快速小角电子操纵。

电子波束操纵通常可以在方位角“沿轨道”方向或在仰角或“交叉航迹”方向或两者上执行。

获取周期包括两个或多个方位角丛发，其中波束被切换到在交叉航迹方向上的不同子测绘带上的点。长度上连续的测绘带可以通过连续地执行多个获取周期来成像。

机械波束操纵是指通过物理地定向天线或承载天线的平台来引导SAR系统的波束。机械波束操纵可以允许宽的操纵角，因此可以提供宽的地面覆盖。可以操纵更大的角，但是操纵角速率通常比电子操纵可实现的慢得多。这也被称为大角机械操纵。

如背景技术部分所述，在方位角分辨率和测绘带宽度之间存在折衷。对于实际孔径雷达(RAR)系统，方位角分辨率取决于雷达波束的宽度(照亮的宽度)和从天线到目标的距离。波束宽度通常又与天线长度(也称为孔径)成反比，因此较长的天线通常将导致较精细的方位角分辨率。然而，如果到目标的距离非常大(例如，如果雷达系统被携带在航天器平台上)，则方位角分辨率将非常粗糙，除非天线非常长。根据所需的方位角分辨率和到目标的距离，天线可能需要几千米长。这显然对于空中或航天器系统，特别是对于航天器系统是不实用的。

SAR系统通过使用SAR平台的前向运动和回波数据的特殊处理来解决这个问题，以使用短得多的真实天线来创建非常长的合成天线长度(或孔径)。在具有聚焦波束的SAR系统的情况下，方位角分辨率ρ_az与到目标的距离无关，并且通过SAR领域技术人员公知的等式与天线L的长度相关，如下面的等式1所示：

卫星在距离或交叉航迹方向上没有相对运动，因此驱动距离分辨率的因素与方位角分辨率有些不同。而方位角分辨率取决于天线的长度，距离分辨率取决于发射的脉冲带宽。

回想SAR系统在脉冲模式下工作，在发射模式下发出雷达脉冲，然后关闭发射信号以便接收返回的回波。在一些SAR系统中，发送时间例如大约是完成一个发送/接收周期所需时间的5％到20％。脉冲以某个频率发出，称为脉冲重复频率(PRF)。由于奈奎斯特采样定理，并且为了避免混叠，PRF需要大于来自瞬时视场中的所有目标的接收多普勒带宽Bd，如等式2所示：

PRF＞B_D (等式2)

对于经典带状地带图模式，地面上的波束速度V_波束基本上与SAR平台在地面上的速度V_g相同，并且多普勒带宽BD可以表示为SAR平台的接地速度和方位角分辨率ρ_az的函数，如下面的等式3所示。

B_D≈V_g/ρ_az (等式3)

这产生基本不等式，其将倾斜范围测绘带宽度ΔR_S限制为方位角分辨率ρ_az和SAR平台对地面的速度V_g的函数，如不等式4所示：

在不等式4中，c是光速，PRI是由脉冲重复频率(PRF)的倒数给出的脉冲重复间隔。该不等式描述了倾斜范围测绘带宽度和方位角分辨率之间的基本折衷：更精细的方位角分辨率需要更高的脉冲重复频率，因此需要更小的脉冲重复间隔，从而导致更窄的倾斜范围测绘带宽度。

注意，倾斜范围测绘带宽度ΔR_S是从天线到测绘带的远边缘的距离与从天线到测绘带的近边缘的距离之间的差，而不是测绘带沿地面的实际宽度。接地测绘带宽度还取决于测绘带被成像的角，并且可以使用本领域公知的基本三角学和技术从倾斜范围测绘带宽度计算实际值。无论如何，对于给定的倾斜角，较大的倾斜范围测绘带宽度导致较大的接地测绘带宽度。

为了提供如何基于方位角分辨率计算倾斜范围测绘带宽度的示例，考虑承载单孔径SAR系统的卫星，该单孔径SAR系统在地球表面上方大约550km处的低地球轨道中操作。在地球表面之上550km的距离处，卫星在以地球为中心的旋转坐标系中将具有大约7km/s的接地速度。将v_g为7km/s、c为约300,000km/s的光速插入不等式4，倾斜范围测绘带宽度如不等式5所示：

不等式5然后可用于计算对于该卫星的给定分辨率可实现的最大倾斜范围测绘带宽度。例如，如果期望的方位角分辨率是1.5m，则这可以在大约32km处实现的最大倾斜范围测绘带宽度。在入射角在大约45°和47.7°之间并且倾斜范围测绘带宽度为大约32km的示例中，接地测绘带宽度为大约44km。

在根据本发明的示例中，描述了一种承载单孔径SAR系统的卫星和操作这种卫星的方法，使得可以在不需要多个孔径的情况下实现更高的倾斜范围测绘带宽到方位角分辨率。这通过将方位角方向上的机械操纵与电子操纵相结合来实现。根据该示例，在每个方位角丛发期间在与飞行方向相反的方向上机械地操纵波束。这也称为(叠加)机械向后扫描。

对于经典SAR带状地带图模式和ScanSAR模式，V_波束基本上与SAR平台在地面上的速度相同，如等式6所示：

V_波束＝V_g (等式6)

注意，在由卫星承载的SAR系统的示例中，由于地球的旋转以及卫星在具有比地球半径更大的半长轴的轨道中行进，卫星在地球旋转坐标系中在地面上的速度可以不同于卫星在其轨道测绘带中的惯性速度。在机载系统中，该差异对于实际目的是可以忽略的。

在根据本发明的示例中，在与飞行方向相反的方向上机械地操纵卫星将相反方向上的速度叠加在卫星在地面上的速度上，使得波束对地有效速度V_波束小于V_g，如以下不等式7所示：

V_波束＜V_g (不等式7)

在该示例中，不等式4中的V_g不再等于V_波束，并且在与飞行方向相反的方向上机械地操纵该波束有效地将波束接地速度与卫星接地速度解耦。

通过将波束接地速度与卫星接地速度解耦，不等式4不再适用，并且变得有可能实现比不等式4否则将允许的更高的测绘带宽与分辨率比。在一个示例中，波束接地速度V_波束可经由机械操纵来选择，并且可以从V_g一直下降到零。更快的向后机械转换速率甚至可以导致负V_波束，但是在特定点上的总驻留时间将减少。

获取一个子测绘带的图像数据可以包括以一个或多个丛发来获取图像数据。两个连续的丛发可以照射一个子测绘带的相同部分、重叠部分、不同的相邻部分、或彼此隔开的不同部分。因此，对应于一个子测绘带的单个连续带状地带可以被成像。获取两个或多个子测绘带的图像数据可以包括以两个或多个丛发来获取图像数据，其中至少两个丛发照射不同的子测绘带。

在一个示例中，在子测绘带内获取图像数据可以包括在每个方位角丛发期间的电子操纵。波束可以在方位角方向上从向后到向前(前向方位角丛发)被电子地操纵。与传统的ScanSAR相比，这可以在整个测绘带中提供更好的辐射测量均匀性。在一个示例中，每个丛发内的电子操纵也可以在从前到后的方位角方向上执行(向后方位角丛发)。

可通过相对于平台旋转SAR和/或移动或转换包括SAR的平台来机械地操纵波束。可替代地，可使用旋转反射器来操纵SAR。为了将波束引导到特定目标，当平台(诸如卫星)足够小以用于机械操纵且天线刚性附接到平台时，平台可执行自身的旋转。可以在至少-10°和+10°之间、-23°和+23°之间、-30°和+30°之间、-45°和+45°之间，或-60°和+60°之间的视角范围内机械地操纵波束。

机械地操纵波束可减小波束对地的有效接地速度。任何小于卫星接地速度的机械向后扫描的扫描速度将降低波束在地面上的有效接地速度。当机械向后扫描的速度等于卫星接地速度时，有效接地速度可以减小到零。在该实施例中，使用聚光灯模式，其中波束被操纵固定点以照亮/驻留在特定区域上。长的照亮持续时间导致增加的合成孔径长度并因此导致更好的分辨率。

用于机械地操纵波束的角速率可以低于用于电子操纵波束的操纵角速率。在一个示例中，机械操纵角速率比电子操纵角速率低至少2倍，或3倍。电子操纵的良好可控性允许为方位角丛发选择操纵角速率。例如，在一个方位角丛发期间，可以以17s或更大的操纵角速率电子地操纵波束，以实现高照亮时间。可替代地，可以在每个丛发期间以27s或更大的操纵角速率电子地操纵波束，同时在相同的目标上执行两个连续的丛发以增加视角的数量。这可以有助于通过在两个或多个“外观”上平均每个像素的值来减少图像中的散斑，或者通过增加目标照亮时间来提高分辨率。在方位角丛发之间，可以以更快的速率(诸如1007s或更高)电子地操纵波束。通常，由于与机械系统相关联的惯性，机械操纵比电子操纵以更慢和更连续的速率进行。机械向后扫描可以例如在17s或更少、27s或更少，或57s或更少时执行。

在一个示例中，用于机械地操纵波束的操纵角范围可以高于用于电子地操纵波束的操纵角范围，可选地至少5倍、至少10倍或至少30倍。该实现方式允许当目标仍然在可通过电子操纵访问的范围之外时图像获取可能已经开始，和/或当目标不再在可通过电子操纵访问的范围之内时图像获取继续。方位角上的电子操纵通常在±1°、±1.5°或±2°的范围内执行，其中机械操纵实际上可在高达±45°的范围内执行。机械扫描的范围可以根据期望的图像尺寸/测绘带长度和期望的分辨率来选择。对用于电子操纵的可用角范围的限制从一个物理设备到另一个物理设备是变化的，但是在一个示例中，限制可以被设置为在仰角上高达±25°或更高，并且在方位角上高达±2°或更高。

为了增加总的测绘带宽度并因此增加图像的覆盖区域，可以在两个丛发之间的仰角上电子地操纵波束。二维电子操纵(在仰角和方位角上)允许多个子测绘带由相同的SAR波束成像。在每个子测绘带内，可以用丛发，或用两个或多个较短持续时间的丛发来扫描成像区域。这可以通过在丛发之间从向前到向后的方位角电子操纵波束来实现，使得两个或多个丛发可以各自作为向前方位角丛发来执行。因此，利用覆盖相同区域的相同方位角天线样式来执行两个丛发。在丛发之间，可以在非常快的实际瞬时时间尺度上使用小角电子操纵在方位角、仰角或两者上非常快速地操纵波束。

如果需要更宽的测绘带，则可以在包括多个丛发的一个获取周期期间在仰角上连续地操纵波束，其中每个丛发照射不同的子测绘带。在一个获取周期期间，样式不固定到一个子测绘带，而是连续地操纵到对应于两个或多个子测绘带的不同仰角。每个子测绘带在一个或多个丛发期间被照亮

可以执行两个或多个获取周期，其中每个获取周期的每个第一丛发照射相同子测绘带。可以在不同的方位角位置重复获取周期。在仰角上的操纵被循环地重复以允许两个或多个连续子测绘带的成像。当最后一个子测绘带被照亮时，天线被电子地操纵回到第一子测绘带，使得在同一子测绘带的丛发之间没有留下间隙。该获取样式允许获得宽测绘带SAR图像。在该获取样式中执行的电子操纵可以对应于通过渐进扫描“TOPS”成像模式的地形观察。利用TOPS获取样式，与仅在仰角上使用电子操纵的常规SCANSAR相比，可以实现更好的辐射测量均匀性。当在方位角和仰角上的电子操纵与机械操纵相结合时，高分辨率和宽测绘带成像变得可能，特别是对于小且捷变的卫星。在一个示例中，至少100km*100km的测绘带可以以5m的分辨率由仅具有约150kg质量的敏捷卫星或微卫星成像。

在两个或更多个获取周期期间，可以连续地执行在与飞行方向相反的方向上机械地操纵波束。因此，缓慢的向后方位角扫描在仰角和方位角上叠加在快速电子操纵上以允许两个或多个连续子测绘带的成像。在整个获取过程中从前向后的机械操纵可以是恒定的旋转速率，或者是变化的速率，诸如保持有效接地速度恒定所需的速率。当波束被机械地从前向后操纵时，多普勒频移从>0到0到<0变化。由于叠加的机械扫描，电子扫描基本上不总是垂直于飞行方向。相反，在获取期间的观察方向可以例如从基本上不垂直的前视开始，通过基本上垂直的侧视过渡，并且从基本上不垂直的后视结束。使用单个连续的机械向后扫描允许增加的获取时间，因为减少了由于机械天线定位(诸如移动或旋转/安置卫星或卫星上的天线)引起的安置时间。

用于图像获取的参数可通过以下方式确定：选择图像尺寸、选择分辨率、拾取最大电子操纵角、计算丛发持续时间、选择波束速度、以及导出图像获取时间。

在第二方面，本发明提供一种用于在围绕地球的轨道中操作的卫星，其包括合成孔径雷达“SAR”以获取包括一个或多个子测绘带的测绘带的图像数据，其中该卫星被配置为沿飞行方向移动，并且该SAR被配置为将辐射波束引向地球，其中，该SAR还被配置为针对每个丛发在方位角方向上沿子测绘带电子地操纵该波束，并且在每个丛发期间在与飞行方向相反的方向上机械地操纵该波束。

卫星可以包括姿态确定控制系统“ADCS”，其包括一个或多个反作用轮，该反作用轮被配置为通过旋转包括SAR的卫星来控制波束的机械操纵。在一个示例中，卫星可以使用三个或多个反作用轮，使得它们可以围绕所有三个轴线旋转。ADCS可以用于控制卫星的取向，并且可以以多种方式实现。

卫星可以被配置为通过在方位角方向上以高达1°/秒旋转来机械地操纵波束。卫星可以具有小于1000kg、小于500kg、小于250kg或小于100kg的总质量。具有低质量的卫星具有比传统的较大SAR卫星低得多的惯性矩。较大的卫星由于其较高的惯性矩而需要较大的能量消耗和时间来加速以给定的转换速率转动，并且还使它们再次减速。对于具有较低惯性矩的较小卫星系统，以给定速率旋转卫星的功率要求是不太麻烦的，这是一个优点，因为空间中卫星可用的功率有限。

SAR可以包括小的单孔径雷达和/或允许在两个维度上进行电子波束操纵的相控阵列。SAR可以包括单孔径相控阵列雷达。利用单孔径雷达，发射脉冲并且使用单个波束形成天线接收回波。由于用于传感器有效载荷的有限可用空间，单孔径雷达，特别是较小的单孔径雷达，对于诸如卫星的(无人)移动平台上的紧凑，高分辨率SAR系统的设计是理想的。根据本发明，可以使用小的单孔径雷达同时获得精细的方位角分辨率和宽的测绘带，由于根据不等式4的基本限制，这通常是不可能的。因此，单孔径雷达可以克服先前只能通过多孔径方法以增加的天线成本克服的限制。具有在空间上分布在垂直于雷达范围维度的两个维度上的天线元件的相控阵列天线可以允许在方位角和仰角上的二维波束操纵。

物理设备可以被设计成提供不同的电子操纵范围。在一个示例中，用于电子操纵相控阵列天线的可能的总范围取决于在方位角和仰角上天线元件之间的间隔。元件的间距越近，可以实现的范围就越宽。相控阵列天线中的天线元件可以以二维网格图案布置，使得一个方向上的间隔可以与另一方向上的间隔完全不同。这样，方位角上的角范围可以与仰角上的角范围完全不同，即使在两个方向上以类似的方式实现电子操纵。在一个示例中，相控阵列天线具有分布在3.2m上的20个天线元件，用于在方位角方向上引导波束，为大约160cm的天线元件间隔提供大约±1°方位角的电子操纵范围。在相同的示例中，相同的相控阵列天线可以具有在40cm上展开的16个天线元件，用于在仰角方向上引导波束，提供大约2.5cm的天线元件间隔。更近的间距允许在±25°的高度方向上更宽的电子操纵范围。通过增加更多的天线元件并将它们更靠近地间隔在一起，可以在方位角方向上获得更高的角范围，但是这会导致额外的复杂性、重量、成本和其他折衷。在第三方面，本发明提供了一种接地站，其被配置为控制卫星，可选地根据第二方面，以执行第一方面的方法。接地站可以被配置为向卫星发送控制信号。

下面仅以示例的方式描述本发明的实施例。这些实施例代表了本申请人目前已知的将本发明付诸实践的最佳方式，尽管它们不是实现本发明的唯一方式。

图1是作为可以在本文描述的用于地球观测的方法和系统中使用的平台的示例的在地球上轨道中的卫星100的透视图。地球上待成像的目标区域用200表示。卫星100包括主体110、太阳能电池板150和“翼”160。一个或多个天线可以安装在卫星翼上。每个天线可以包括相控阵列天线，换句话说，每个天线可以包括多个天线元件，其可以被控制以电子地操纵天线波束的方向，控制发射脉冲的方向和形状和/或控制可以从其接收回波的方向和区域。

卫星100可以被配置用于机械地操纵天线，并且因此除了电子操纵之外还在发射和/或接收模式中操纵波束。在该示例中，通过操纵整个卫星100来实现机械操纵。这可以使用卫星姿态确定和控制系统ADCS来实现，ADCS可以设置有一个或多个反作用轮，该反作用轮中的一个反作用轮由170表示。ADCS可用于机械地操纵卫星，以将目标区域200保持在雷达孔径内，换言之，在卫星的视线内，持续比当卫星100在其轨道中行进时目标区域200在没有机械操纵的情况下可见更长的时间段。

参考图6和图7描述图1的卫星的进一步细节。

图2是根据现有技术在扫描成像模式下操作的卫星的示意图。卫星100是众所周知的侧视配置，其中它将信号从目标区域200发送到卫星100的侧面而不是直接在其下面。在该侧视配置中，翼160的底部(天线元件所在的位置)指向成像区域。卫星100在飞行方向120上行进。目标区域200具有在本领域中也称为测绘带的宽度。在该示例中，测绘带包括子测绘带200A、200B、200C。对于从卫星100发射的每个雷达脉冲，由于SAR中心的多普勒效应，可以从测绘带200上的不同点以不同频率接收回波形式的信号数据。

卫星100被示出为在其轨道中相对于地球如箭头所指示地从右向左行进。在ScanSAR模式中，从其收集数据的区域，例如图2中所示的100km*100km区域，被划分为适当数量的子测绘带，例如三个子测绘带200A、200B、200C，其中每个子测绘带在方位角上被划分为这里称为“块”的部分。因此，在每个子测绘带中，接收的数据在方位角方向上被阻塞为雷达回波的丛发。在图2的示例中，块形成偏移样式。由几个子测绘带200A、200B、200C构成的宽测绘带200借助于交替照射每个子测绘带来成像。雷达天线波束扫过不同的仰角子测绘带200A、200B、200C，以对宽波束200进行成像。可用的照亮时间在覆盖地面上的不同区域或“块”的多个丛发之间共享，从而折衷更宽的覆盖范围的方位角分辨率。为了在不同的子测绘带200A、200B、200C之间切换，非常快速地执行仰角上的电子操纵。

在如图2所描绘的传统扫描雷达中，波束对地速度与卫星接地速度相同。因此，在每个丛发期间，不执行电子波束操纵，并且波束以卫星接地速度滑动。因此，方位角分辨率被削弱，因为根据等式4的每分辨率测绘带约束适用。

在下文中将更详细地描述的一些方法和系统中，在与飞行方向相反的方向上执行机械波束操纵，而在每个丛发期间，也执行方位角上的电子波束操纵以增加辐射测量均匀性。

图3示意性地示出当在执行机械向后扫描的同时以丛发模式操作时如何获取测绘带200的图像数据。机械操纵在图3中以放大的形式示出，其中卫星100示出为在沿其测绘带的三个位置(a)、(b)和(c)中的每一个处具有不同的取向。在沿飞行方向120的每个位置之间，卫星100已经如箭头所示旋转以在方位角方向上进一步向后指向。旋转方向与飞行方向120相反。在第一位置(a)，卫星100相对于行进方向120向前看，在第二位置(b)，卫星波束垂直于卫星的行进方向，在第三位置(c)，卫星100相对于行进方向120向后看。因此，卫星100执行机械向后扫描。由于叠加的机械扫描，观察方向基本上不垂直于飞行方向，唯一的例外是位置(b)。该实现方式允许图像获取可能已经在位置(a)之前开始，同时目标200仍然在可通过电子操纵访问的范围之外，和/或在位置(c)之后继续，同时目标不再在可通过电子操纵访问的范围之内。

除了机械向后扫描之外，在每个丛发期间以电子方式在方位角上操纵波束，这在图3中由每个位置中的波束之间的箭头指示。在箭头所示的向前方向上执行方位角的电子操纵。在另一个示例中，可以在向后方向上执行方位角上的电子操纵。由于方位角波束操纵，每个点被全方位角波束照射。与图2所示的ScanSAR相比，在整个获取过程中通过电子操纵实现的方位角旋转实现了相同的测绘带覆盖，但允许实现更好的辐射测量均匀性。

获取期间的波束对地速度对应于一个丛发内的机械操纵和电子操纵之和，从而将波束对地速度与卫星接地速度解耦。换句话说，波束接地速度取决于方位角丛发期间的扫描速度和机械向后扫描的速度。因此，可以经由机械操纵来选择波束接地速度。在与飞行方向102相反的方向上机械地操纵波束降低了波束在地球上的有效接地速度，从而允许更大的照亮并因此允许更好的分辨率。减慢波束接地速度的效果是更长的丛发持续时间和更长的获取时间，这导致更精细的分辨率。因此，方位角分辨率不受损，因为根据不等式4的每个分辨率约束的测绘带不适用。

除了在每个丛发期间在方位角上的机械向后扫描和电子操纵之外，在多个获取周期期间在仰角上连续地操纵波束。在图3的示例中，测绘带200包括三个子测绘带200A、200B、200C，其中每个子测绘带包括多个块。在例如第一子测绘带200A中的丛发结束时，改变视角以照亮再次向后指向的第二子测绘带200B。当第三/最后子测绘带被成像时，波束指向回到第一子测绘带，使得在相同子测绘带的丛发之间没有留下间隙。通过快速小角电子操纵来实现丛发之间的波束操纵。

图3中描绘为100km*100km区域的测绘带200可以5m分辨率成像。卫星以7.5km/s的速度沿飞行方向行进，其中机械操纵将3.75km/s的速度叠加在卫星的实际接地速度上，导致3.25km/s的有效接地速度。该示例中的总机械操纵角为35°。

现在将参考图4和图5描述叠加电子和机械操纵的其他示例。

图4a示出了如何经由机械操纵来选择波束接地速度。图4a中的顶部箭头124表示沿飞行方向120指向的卫星的速度。箭头126表示机械操纵的方向，该方向与飞行方向120相反并且小于卫星124的速度。箭头202描绘了沿飞行方向120引导的波束的最终有效接地速度。因此，通过使用叠加的机械向后扫描，波束的有效接地速度被减小并与卫星接地速度解耦。波束202的有效接地速度可经由机械操纵206来选择。图4a中未示出在每个方位角丛发内的电子操纵期间引起的扫描速度，其可以沿飞行方向或与飞行方向相反地定向。为了完整起见，在仰角方向上的操纵未示出，因为它不影响波束接地速度。

图4b示出了在处理原始合成孔径雷达数据之后的丛发图像的偏移样式。图4b以偏移样式描绘了在地面上被划分成较小区域或块的区域，因为它可以用于在ScanSAR或TOPS模式中操作SAR。因此，如前所述，SAR波束可以被电子操纵，以从左向右依次以数值顺序和沿飞行方向120从块1-15收集数据(见图4a)。图4b中虚线内的交叉阴影矩形对应于100km*100km的待成像区域或测绘带。与图3相比，样本包括四个子测绘带200A、200B、200C、200D。

将参考图5的时间图解释图4b中描绘的获取样式。图4b中标记为1-10的块对应于图5d中所示的丛发1-10。因此，每个块在一个(单个)丛发中被成像。代替在单个丛发中对每个块进行成像，可以对每个块执行多于一个的丛发，以增加每个块的视角数量，但是代价是较小的精细分辨率。当在一个丛发中对每个块成像时，获取周期包括四个连续的丛发，其对应于在仰角上不同的四个相邻子测绘带200A、200B、200C、200D中的块。因此，为了对测绘带进行成像，在第一获取周期中对块1-4进行成像，在第二连续获取周期中对块5-8进行成像等等。

为此，如图5a所示，波束在方位角上被周期性地向前电子操纵，其中在丛发周期内，方位角上的波束角从负角通过零操纵到相等的正角。在丛发周期结束时，波束被快速操纵回负角。这在图5a中表示为基本上垂直的线，因为它可以在微秒内发生。对于连续的丛发，这在相同的角范围内重复。

为了在子测绘带之间切换，如图5b所示，波束在仰角上被周期性地电子操纵。在每个丛发期间，波束指向对应于相应子测绘带200A、200B、200C、200D的每个丛发周期的恒定仰角，这由图5b中的水平线表示。在丛发周期结束时，波束在仰角和交叉航迹方向上被快速地(逐步地)操纵到下一个子测绘带。在每个获取周期结束时，波束被快速操纵回到第一子测绘带。这在图5b中表示为基本上垂直的线，因为它发生在微秒内。

如图5c所示，叠加在方位角和仰角上的周期性电子操纵是在更大的角范围内和更长的时间段内在方位角上的机械向后操纵。图5c示出了用于说明目的的机械操纵的两个简化示例。图5c中所示的实线对应于用于机械操纵的恒定操纵角速率，诸如卫星的恒定旋转。图5c中的虚线对应于可用于保持有效接地速度恒定的机械操纵的非线性操纵角速率。非线性操纵角速率在开始和结束时(当操纵角最大时)提供较高的速率，而在操纵角约为零时(当观察方向垂直于飞行方向时)提供较小的速率。方位角上的机械向后操纵还可以对应于线性和非线性操纵角速率的组合。

在方位角上的波束角可以在获取周期内从正角机械地操纵零到相等的负角(在图5中仅描绘了获取周期的开始)。关于图3所示的示例性旋转，正角对应于第一(向前看)位置(a)、零对应于第二(垂直于飞行方向)位置(b)、负角对应于第三(向后看)位置(c)。机械向后操纵也可以在不对称的操纵角范围内进行，诸如例如仅对于操纵角<0°或>0°。

如图5所示，特别是当比较图5a和图5c时，用于机械操纵波束的操纵角速率低于用于电子操纵波束的操纵角速率。电子控制速率的良好可控性允许选择特定的电子扫描速率以增加每个块的照亮时间。此外，用于机械操纵波束的操纵角范围远高于用于电子操纵波束的操纵角范围。对于电子操纵波束，典型的操纵角范围在方位角上为大约±1°，在仰角上为±25°，而机械操纵角范围可高达±45°，或高达±60°。虽然理论上可以用电子波束操纵来实现更大的方位角操纵角，但是它需要更复杂、更大和更昂贵的天线。通过结合快速小角电子操纵和大角机械操纵，可以实现改进的测绘带宽度与分辨率比，这对于其他已知的单孔径雷达成像技术是不可能的。

在实际实现方式中，由图4b中的矩形表示的区域(包括三个或四个子测绘带)的总获取时间约为40秒，并且可以实现5m的分辨率。在这个示例中，每个丛发需要大约2.5-3s。为了比较起见，提到在扫描方式(如图2所示)中相同尺寸区域的总获取时间约为15秒，并且可以实现15m的分辨率。通过叠加在卫星在地面上的速度上的机械向后扫描使得根据本发明的更长的获取时间成为可能，并且导致波束的更慢的有效接地速度。在可替代示例中，包括两个子测绘带的60km×60km的区域可以以3m的分辨率和35秒的总获取时间成像。

如在别处指出的，本文描述的方法特别地但不排他地适合于结合卫星上承载的SAR来实现。SAR例如可以承载在诸如飞机的其他平台上。现在将参照图1、图6和图7描述适用于实现本发明的卫星。

图6是根据本发明一些实施例的卫星(例如，微卫星)的组件的示意图表示。组件之间的实线箭头用于指示功率连接、较重的实线箭头用于指示RF信号连接，而虚线用于指示数据连接。

一些组件是卫星“总线”610的一部分，由图6中的矩形表示，一些组件可以是“有效载荷”660的一部分，由图6中的矩形表示。其他部件是天线模块670的一部分，在图6中也用矩形表示。图6所示的卫星部件包括电源101和配电系统102。电源101和配电系统102向推进系统190、推进控制器109、姿态确定和控制系统“ADCS”131、计算系统103、缓冲器135和通信系统104供电。电源101和配电系统102还向有效载荷660内的部件，诸如脉冲发生器620和功率放大器623提供功率。缓冲器135虽然被示为单独的项，但可以被包括在计算系统103中。推进控制器109在本文被示为单独的部件，但是实际上它可以形成计算系统103的一部分。推进控制器可以通过使用在包括在推进控制器109中的一个或多个处理器中实现的控制软件或响应于例如从计算系统103接收的指令来控制。在从计算系统103传输指令的情况下，计算系统可以被认为包括推进控制器。推进控制器109的功能之一可以是向推进系统190中的推进器的离子源和电子源输出控制信号。

卫星总线610通常可以位于卫星110的主体中。配电系统102可以包括本领域已知的控制逻辑。通信系统104可以包括例如位于卫星主体上的一个或多个通信天线。可替代地，通信系统104可以经由位于卫星的翼上的一个或多个通信天线发送和接收信号。

在对地观测卫星的情况下，卫星有效载荷660可以包括一个或多个雷达天线阵列，其可以位于卫星的一个或多个翼160处。图6示出了可以是用于SAR成像的相控阵列天线的一部分的单个天线元件625。天线元件625发射和接收信号626。天线元件625被示为具有用于发射雷达信号的相关联的功率放大器623和移相器624，以及用于接收返回信号的相关联的低噪声放大器628和移相器627。这些一起形成天线模块670。相控阵列天线可以包括多个天线模块670。在一个示例中，卫星安装的相控阵列天线包括320个天线元件以及相关联的放大器和移相器。不同的相控阵列天线将根据它们的设计和预期目的而具有不同数量的天线元件。如本领域所公知的，通过经由移相器624和627对各个天线部件进行相移来实现天线的电子操纵。

脉冲发生器620生成发送到雷达发射和接收模块621的RF信号。雷达信号被发送到RF分频器622，并且其对RF信号进行分频并将其发送到多个天线模块670。图6中示出了一个天线模块670，但是可以存在多个天线模块。RF组合器629从多个天线模块670接收组合信号，并将接收的RF信号发送到雷达发射和接收模块630。数据存储在存储器631中。存储器631可以与存储器108相同或分离。脉冲发生器620、雷达发射器621、雷达接收器630、RF分频器622和RF组合器629可以位于卫星机身110中或位于卫星翼160上。图6中从RF分频器622延伸的附加箭头表示从RF分频器622到一个或多个附加天线模块的一个或多个附加RF输出，指向RF组合器629的附加箭头表示从一个或多个附加天线模块进入RF组合器629的一个或多个附加RF输入。

本文描述的方法和系统涉及单个天线或单个孔径的操纵。然而，它们可以容易地扩展到包括多个天线或多个孔径的系统。

天线模块670与天线模块的数量相乘，共同形成卫星的图像获取设备，这是本领域技术人员已知的。它们可以执行不同于图像数据获取的功能。

在典型的卫星中，天线可以包括如上所述的相控阵列天线。具有在空间上分布在垂直于雷达范围维度的两个维度上的天线元件的相控阵列天线可以允许在方位角和仰角上的二维波束操纵。

相控阵列天线的可用电子操纵可能受到物理天线在方位角上的相位中心的范围和间隔的限制，如果尝试过多的控制，则导致增益减小和光栅瓣增大。可用角范围的限制将从一个物理设备到另一个物理设备而变化，但是典型的限制可以被设置为仰角±25°和方位角±2°。

有效载荷660从配电系统102接收电力并且从计算系统103接收指令。来自有效载荷660的数据，诸如接收的雷达信号，也流回到计算系统103，并且可以存储在存储器108中。数据可以由计算系统103处理，例如以生成如本文别处描述的图像，该图像然后可以被输出到通信系统104以用于向前传输。在图6所示的系统中，原始数据也可以由计算系统103输出到通信系统104，该通信系统进一步将其发送出去以供远程计算系统处理。在图6中，SAR处理器133可以位于例如接地站处，或者位于另一处理位置中。计算系统103可以将操作指令发送到位于有效载荷660中的其他组件，诸如雷达发射器621、雷达接收器630和/或移相器624和627，如本领域技术人员所熟悉的。原始SAR数据可以存储在存储器108或631中的卫星中。存储器108和631可以是相同或不同的存储器模块，或者也可以是计算系统103的一部分。

原始SAR数据存储在缓冲器135中并被传送到接地站600或远程SAR处理133。在一个示例中，可以以全分辨率(带宽)存储30秒的图像数据。可以以较低分辨率存储更多的数据(例如，以一半分辨率存储60秒)。在一个示例中，微卫星具有150MB下载链路。在该数据速率下，下载30秒的全分辨率图像数据需要大约3分钟。在操作期间，可以每秒发送大约5000个脉冲。这意味着27个脉冲可能在任何给定时间处在空气中。丛发通常包括500-1000个脉冲并且花费2-3秒。

通信系统104可以使用射频通信、光(例如，激光通信)或本领域已知的任何其他形式的通信与地球站或其他卫星通信。

卫星，例如图1的卫星100，通常设置有推进系统190，用于以生成的推力操纵卫星。推进系统190在图1中被示出为安装在主体110上与太阳能电池板150相对的表面上。

如图1所示，推进系统190包括多个推进器105，其在需要时产生用于操纵卫星100的推力。

推进器105通常被操作以将卫星保持在特定轨道中。例如，推进器可以用于在相对于地球表面的特定方向上推进卫星。

返回参考图6，ADCS131通常位于卫星主体110中，并且用于控制卫星的取向。ADCS可以以多种方式实现。ADCS131在图中示出为包括一组反作用轮，其中一个在图1中示意性地示出。反作用轮通常但不一定位于卫星体110中。图7是卫星的局部透视图，并且示出了位于卫星机身110中的一组三个反作用轮41、42、43。反作用轮有时也被称为动量轮。

在本文描述的卫星中，ADCS可以用于机械地操纵卫星以将地球上的目标区域200保持在雷达孔径内，换言之，在卫星的视线内，当卫星在其轨道中行进时，在比没有机械操纵的情况下目标将可见的时间段更长的时间段内。原则上，用于机械操纵的角范围仅由每个方向上的水平线限制，但是角越大，到目标区域的距离越大，因此返回的信号越弱。

反作用轮41、42、43通过使用电动马达来旋转航天器机身110内的轮子而起作用。通过角力矩的守恒，在一个方向上旋转轮使得航天器在相反方向上旋转。使用反作用轮是一种众所周知的定向航天器诸如卫星的方式。

在一个示例中，三个反作用轮定位在航天器机身内，每个反作用轮用于在每个轴线上定向卫星。因此，反作用轮41、42、43被示出具有正交的轴线。

在另一个示例中，可以使用四个或更多个反作用轮，以便对卫星动力学的各个方面具有更好的控制，诸如转换速率(卫星可以多快转动)和精细定位控制，特别是对于具有较高惯性矩的卫星。

目前，各种卫星在围绕地球的轨道中，通常由重量范围来定义，尽管这些等级之间的边界有些流动和随意：

立方体卫星：1kg-10kg

微卫星：50kg-250kg

小卫星：500kg-800kg

常规卫星：800-1200kg。

大卫星：>1200kg。

反作用轮根据其“动量容量”来评级，动量容量具有nm的单位(牛顿-米-秒)。转换速率与车轮的速度和卫星系统的惯性有关。具有特别低质量的卫星具有比传统的较大SAR卫星低得多的惯性矩。合适的低质量可以低于1000kg，例如低于500kg，低于250kg，在50kg和250kg之间，或低于100kg。

目前，非常小的立方体卫星不具有承载当前的SAR有效载荷的能力。较重的卫星由于其较高的惯性而通常较不灵活。本文描述的卫星和操作方法的实施例已经成功地在微卫星中实现。

本发明的实施例特别适用于被称为微卫星的卫星类别。

本文将进一步描述的一些方法受益于特定等级范围内的反作用轮。例如，微卫星的合适范围可以是0.5到2.5nm。已经成功地试验了等级为1nm的反作用轮。这使得转换能够在17秒的范围内，这足以跟踪地面上的点并且实现本文描述的任何方法而不消耗太多功率。因此，在本文描述的任何卫星中，ADCS可以被配置为使用机械操纵在方位角方向上以高达1度/秒的速度转换卫星。

已知较大的卫星使用10nm量级的反作用轮，但是由于卫星的大质量和由此产生的高惯性矩，它们目前不能实现足够的转换速率，并且它们也比较小的反作用轮消耗更多的功率。

在一个示例中，卫星是在低地球轨道中绕地球运行的。低地球轨道可以在地球表面上方160km至1000km。基于SAR的地球观测卫星的示例可以具有地球上方450km与650km之间的轨道。在根据本发明的示例中，卫星具有高于地球表面550km的轨道。例如，在地球上方550km的轨道上，卫星以大约7.5km/s或27,000km/h有效地穿越地面。在这个轨道中的大多数卫星将以7-8km/s范围内的速度穿过地球。

在一些实施例中，诸如微卫星的卫星可以以从地平线到地平线保持指向地球上的点大约10分钟所需的速度旋转。然而，在该范围的极端，到被成像的点或目标的距离可能太远而不能获得良好的SAR图像，因此存在较小的实际驻留时间。

如本文别处所述，本发明的实施例不限于改变整个卫星的取向，这在上述小型、轻量、灵活卫星的情况下是方便的。例如，在一些实施例中，机械操纵可以通过改变天线相对于其所承载的卫星的取向来实现。

在前文中，仅考虑了一个SAR波束。然而，将认识到，本文描述的方法和系统可以扩展到使用多个SAR波束。例如，平台可以承载用于多个SAR的设备，每个SAR可以根据本文描述的任何方法操作。

从上述内容可以理解，本文描述的所有方法都受益于敏捷微卫星的使用。适当大小的微卫星可以旋转以在延长的时间段内观察目标。这为它们提供了在一段时间内以与范围分辨率相同的分辨率实现许多图像帧的空前能力。

在前文中描述了一种适于实现本文描述的任何操作方法的卫星。对于卫星或已经在轨道的其他平台，本文描述的方法可以通过使用合适的计算系统，例如接地站计算系统600，例如从地面适当地控制卫星来实现。换言之，SAR可以从地面操作，并且本文描述的一些方法可以以软件实现。因此，在一方面，本发明可以提供一种包括指令的计算机可读介质，当由计算系统中的处理器实现时，该指令使计算系统根据本文描述的任何方法来操作SAR。

本文描述的SAR图像数据的采集可以具有许多不同的实际应用。端到端处理可以从对特定区域成像的请求开始，例如它可以由客户请求或由算法识别为感兴趣的。根据区域的大小和期望的分辨率，可以选择适当数量的子测绘带。基于子测绘带的数目，然后可以设计方位角上的丛发序列以最佳地获取图像数据。在开始获取之前，卫星可以旋转到初始位置，诸如图3中的位置(a)。从初始位置，可以通过机械地操纵与飞行方向相反的波束并根据丛发序列电子地操纵波束来收集图像数据。

在一个示例中，从客户接收对100km*100km的相对大的区域进行成像的请求。使用现有技术的TOPS(具有渐进扫描的地形观测)模式，其中在方位角和仰角两者中使用电子操纵，例如可以使用三个子测绘带对100km宽的测绘带进行成像，以实现15米的分辨率。使用TOPS模式，当卫星沿其轨道在感兴趣区域上行进100km时，获取将花费大约15秒。

在一个示例中，大约150kg的敏捷卫星可以使用本文描述的设备、方法和技术，通过结合电子操纵和卫星的机械操纵能力，以降低SAR波束的有效接地速度，以5m的分辨率对100km*100km区域成像。在一个示例中，通过将其划分为四个子测绘带并且具有大约42秒的延长的获取时间，可以在100km×100km的区域上实现5m的分辨率。这表示与用于该面积大小的成像的示例TOPS情况相比，分辨率提高三倍。

图8通过绘制信号和由于方位角方向上的模糊度引起的潜在性能损失，示出了该100km×100km示例的性能。竖直轴以分贝(dB)给出，水平轴是以度为单位的方位角。通常，期望信号的最小降级以及低方位角模糊度值。从图8中可以看出，每个丛发边缘处的信号降级不超过大约-2.5dB。总模糊度轨迹(AmbTot)在更差的情况下在丛发的最边缘处示出大约-17dB的值。这被认为是在边缘处的可接受的退化范围内。方位角模糊度的阈值的值可以被馈送到用于确定可能的成像区域和分辨率的算法中，如下面参考图10所描述的。

图9示出了对于单个丛发，由于范围模糊度(Amb Total)和范围模糊度比率(RAR)相对于时间的性能损失的曲线图。图8和图9中所示的轨迹是从通过天线样式的适当部分的数值积分计算方位角模糊度值和距离模糊度值的数学模型获得的。在以5m的分辨率进行成像的100km×100km区域的该示例中，总模糊度轨迹(Amb Total)的最高值大约为-28dB，导致RAR的最坏情况大约为-24dB。这被认为在可接受的范围内。与方位角模糊度值一样，可以使用阈值来确定使用高分辨率宽测绘带技术可实现的可能分辨率和成像区域。

在另一个示例中，高分辨率宽测绘带技术可用于在35秒的获取时段内通过使用叠加在电子操纵顶部上的两个子测绘带和机械操纵以甚至更精细的3m分辨率对60km×60km的较小区域进行成像。在一个示例中，甚至更精细的分辨率，诸如1m或更小的分辨率是可能的。

图10示出了可用于确定要用于特定获取的参数的算法的示例。在第一步骤1101中，选择图像尺寸，例如100km×100km或60km×60km。在第二步骤1102中，选择分辨率，例如5m。在步骤1103中，选择方位角中的最大电子操纵角，并且这确定地面上的贴片尺寸。最大电子操纵角受到天线设计的限制，更具体地，受到天线在光栅瓣由于方位角中的天线元件间隔而成为问题之前可以扫描多远的限制。

然后分辨率驱动丛发持续时间，其在步骤1104中根据等式9计算：

τ＝λR/(2V_sρ_az) (等式9)

在等式9中，τ是丛发持续时间、λ是波长、R是倾斜范围、W是卫星速度、并且ρ_az是方位角分辨率。在步骤1105中选择波束速度V_g，使得波束在所需时间τ内在贴片上滑动。然后在步骤1106中从沿轨道图像尺寸导出图像获取时间。根据该方法，可以计算对卫星进行任务分配以获取图像所需的参数。可以进行任何图像尺寸和任何分辨率，受获取时间约束和斜视角限制。

本文描述的任何计算系统可以被组合在具有多个功能的单个计算系统中。类似地，本文描述的任何计算系统的功能可以分布在多个计算系统上。

本文描述的方法的一些操作可以由机器可读形式的软件执行，例如以包括计算机程序代码的计算机程序的形式。因此，本发明的一些方面提供了一种计算机可读介质，当在计算系统中实现时，其使得系统执行本文描述的任何方法的一些或全部操作。计算机可读介质可以是暂态或有形(或非暂态)形式，诸如包括盘、拇指驱动器、存储卡等的存储介质。软件可以适于在并行处理器或串行处理器上执行，使得方法步骤可以以任何合适的顺序或同时执行。

上述实施例是基本自动的。在一些示例中，系统的用户或操作者可以手动地指示要执行的方法的一些步骤。

在本发明的该实施例中，系统可以实现为本文别处所述的任何形式的计算和/或电子系统。例如，接地站可以包括这样的计算和/或电子系统。这种系统可以包括一个或多个处理器，该处理器可以是微处理器、控制器或任何其他合适类型的处理器，用于处理计算机可执行指令以控制设备的操作，以便收集和记录路由信息。在一些示例中，例如在使用片上系统架构的情况下，处理器可以包括以硬件(而不是软件或固件)实现方法的一部分的一个或多个固定功能块(也称为加速器)。可以在基于计算的设备处提供包括操作系统的平台软件或任何其他合适的平台软件，以使得应用软件能够在该设备上执行。

术语“计算系统”在本文用来指具有处理能力以便它可以执行指令的任何设备。本领域技术人员将认识到，这样的处理能力可以被结合到许多不同的设备中，因此术语“计算系统”包括PC、服务器、智能移动电话、个人数字助理和许多其他设备。

应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例或者可以涉及若干实施例。实施例不限于解决任何或所有该问题的那些实施例，或具有任何或所有该益处和优点的那些实施例。

除非另有说明，否则对“一”项或“一部分”的任何提及是指那些项中的一个或多个。术语“包括”在本文用来表示包括所标识的方法步骤或元素，但是这样的步骤或元素不包括排他性列表，并且方法或设备可以包含附加步骤或元素。

此外，就在详细描述或权利要求书中使用术语“包括(includes)”而言，这一术语旨在以类似于术语“包括(comprising)”的方式为包含性的，因为包括(comprising)在权利要求书中用作过渡词时被解释。

附图示出了示例性方法。虽然这些方法被示出和描述为以特定顺序执行的一系列动作，但是应当理解和领会，这些方法不受顺序的次序限制。例如，一些动作可以以与本文所描述的不同的顺序发生。此外，一个动作可以与另一动作同时发生。此外，在一些情况下，可能不需要所有动作来实现本文所描述的方法。

本文所述方法的步骤的顺序是示例性的，但是这些步骤可以以任何合适的顺序执行，或者在适当的情况下同时执行。另外，在不脱离本文所述主题的范围的情况下，可以在任何方法中添加或替换步骤，或者可以从任何方法中删除各个步骤。上述示例中的任一个的各方面可以与所描述的其他示例中的任一个的各方面组合以形成另外的示例。

应当理解，以上对优选实施例的描述仅以示例的方式给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。上述内容包括一个或多个实施例的示例。当然，不可能为了描述上述方面而描述上述设备或方法的每个可想到的修改和改变，但是本领域的普通技术人员可以认识到，各个方面的许多进一步的修改和置换是可能的。因此，所描述的方面旨在涵盖属于所附权利要求书的范围内的所有此类变更、修改和变化。

Claims (16)

1.一种操作合成孔径雷达“SAR”以获取包括一个或多个子测绘带的测绘带的图像数据的方法，其中，所述SAR被承载在沿飞行方向移动的平台上，并且辐射波束被导向所述测绘带，所述方法包括：

对于每个丛发，沿一个子测绘带在方位角方向上电子地操纵波束；以及

在每个丛发期间，在与所述飞行方向相反的方向上机械地操纵所述波束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过相对于所述平台旋转所述SAR和/或移动或转换包括所述SAR的所述平台来机械地操纵所述波束。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，机械地操纵所述波束减小了所述波束在地球上的有效接地速度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于机械地操纵所述波束的操纵角速率低于用于电子地操纵所述波束的操纵角速率，可选地至少低3倍。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于机械地操纵所述光束的操纵角范围高于用于电子地操纵所述光束的操纵角范围，可选地至少高出30倍。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

在两个丛发之间电子地操纵所述波束的仰角。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

在包括多个丛发的一个获取周期期间在仰角上连续地操纵所述波束，其中，每个丛发照射不同的子测绘带。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

执行两个或多个获取周期，其中，每个获取周期的每个第一丛发照射相同子测绘带。

9.根据权利要求7或8所述的方法，还包括

在一个或多个获取周期期间，在与所述飞行方向相反的方向上连续地机械操纵所述波束。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于图像获取的参数通过以下方式确定：

a.选择图像尺寸；

b.选择分辨率；

c.选取最大电子操纵角；

d.计算丛发持续时间；

e.选择波束速度；以及

f.导出图像获取时间。

11.一种用于在围绕地球的轨道中操作的卫星，包括合成孔径雷达“SAR”以获取包括一个或多个子测绘带的测绘带的图像数据，其中，所述卫星被配置为沿飞行方向移动，并且所述SAR被配置为将辐射波束引向所述测绘带，其中，所述SAR还被配置为

针对每个丛发，沿一个子测绘带在方位角方向上电子地操纵所述波束；以及

在每个丛发期间，在与所述飞行方向相反的方向上机械地操纵所述波束。

12.根据权利要求11所述的卫星，其中，所述卫星包括姿态确定控制系统“ADCS”，所述ADCS包括一个或多个反作用轮，所述反作用轮被配置为通过旋转包括所述SAR的所述卫星来控制所述波束的所述机械操纵。

13.根据权利要求11或12所述的卫星，其中，所述卫星被配置为通过在所述方位角方向上旋转高达1°/秒来机械地操纵所述波束。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的卫星，其中，所述卫星具有小于1000kg，可选地小于100kg的总质量。

15.根据权利要求11至14中的任一项所述的卫星，其中，所述SAR包括小的单孔径雷达和/或允许在二维中进行电子波束操纵的相控阵列。

16.一种接地站，被配置为控制卫星，可选地根据权利要求11至15中的任一项，以执行权利要求1至10中的任一项所述的方法。