專利名稱：一種彈載非理想凝視聚束式sar混合度提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種彈載非理想凝視聚束式合成孔徑雷達(dá)(SAR)混合度提取方法，屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)概念的出現(xiàn)要追溯到1951年，美國Goodyear Aerospace公司的 Carlffiley發(fā)現(xiàn)，通過對多普勒頻移進(jìn)行處理，能夠改善波束垂直向上的分辨率。據(jù)此就可以利用雷達(dá)得到二維地表圖像。這種通過信號分析技術(shù)來構(gòu)建一個等效長天線的思想稱為合成孑L徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)。合成孔徑雷達(dá)的出現(xiàn)擴(kuò)展了原始的雷達(dá)概念，使它具有對目標(biāo)(飛機(jī)、導(dǎo)彈、地面等)進(jìn)行成像和識別的能力，并在微波遙感應(yīng)用方面表現(xiàn)出極大的潛力，對國防技術(shù)現(xiàn)代化、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義。較之各種光學(xué)和紅外遙感器，合成孔徑雷達(dá)彌補(bǔ)了它們受陽光輻射、云霧遮擋和天氣條件影響的缺點(diǎn)，可以全天候、全天時、遠(yuǎn)距離地工作，而且可以穿透天然植被、人工偽裝甚至地表土壤層，得到目標(biāo)的高分辨率圖像，為人們提供了非常有用的信息。SAR的應(yīng)用優(yōu)勢首先體現(xiàn)在軍事領(lǐng)域。在戰(zhàn)術(shù)方面，它可以裝備在偵查機(jī)、轟炸機(jī)、 戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈上，完成重點(diǎn)戰(zhàn)區(qū)全天候軍事監(jiān)視，大型坦克群的成像監(jiān)視，反坦克雷場的探測。在特種應(yīng)用方面，SAR能夠完成強(qiáng)雜波背景下的目標(biāo)識別，低空目標(biāo)的探測與跟蹤。在戰(zhàn)略應(yīng)用方面，SAR能夠完成全天候全球戰(zhàn)略偵察，全天候海洋軍事動態(tài)監(jiān)視，戰(zhàn)略導(dǎo)彈終端要點(diǎn)防御的目標(biāo)識別與攔截，以及對戰(zhàn)略地下軍事設(shè)施的探測。在實戰(zhàn)應(yīng)用方面，最著名的是在海灣戰(zhàn)爭中，美國聯(lián)合監(jiān)視和目標(biāo)攻擊雷達(dá)系統(tǒng)中的高分辨率機(jī)載SAR與長曲棍球星載SAR系統(tǒng)互相配合，牢牢監(jiān)視海灣及中東地區(qū)，及時提供戰(zhàn)場情報，為戰(zhàn)爭勝利創(chuàng)造了有利條件。在彈載SAR研究方面，上世紀(jì)八十年代微電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使彈載實時成像成為可能。美國國防部計劃把SAR列入高靈敏度雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)，并積極開展了 SAR 導(dǎo)引頭的研制。1987年，美國雷聲公司研制出了 X波段SAR導(dǎo)引頭，切向分辨率為15米，能對海上和地面孤立目標(biāo)及運(yùn)動目標(biāo)群進(jìn)行搜索和跟蹤；以色列航空公司為SWORD導(dǎo)彈研制了 SAR導(dǎo)引頭，距離和方位向分辨率為15米，能從多目標(biāo)中選擇所要攻擊的目標(biāo)；GOODYEAR 宇航公司為美國空軍空地導(dǎo)彈研制的“合成孔徑自主制導(dǎo)雷達(dá)”，能夠自動選擇地面高價值目標(biāo)。此外，德國、俄羅斯等國也先后開展了先進(jìn)SAR導(dǎo)引頭的研制工作。彈載SAR在發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入實用階段，并開始廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場偵查、精確打擊以及毀傷評估等領(lǐng)域。我國對彈載SAR的研究起步較晚，主要著重在算法的機(jī)理研究和仿真成像。與國際先進(jìn)水平相比，我國的彈載SAR技術(shù)與其存在一定的差距。但近年來，隨著集成技術(shù)和雷達(dá)成像技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)已實現(xiàn)小型化，而且可利用SAR/ISAR原理對目標(biāo)實現(xiàn)高分辨率成像，主動雷達(dá)導(dǎo)引頭因其設(shè)備復(fù)雜、分辨率低而未能在小型飛行載體上得到應(yīng)用的問題得以解決，為彈載SAR的發(fā)展提供了良好的條件。
合成孔徑雷達(dá)成像主要有4種，條帶式、聚束式、掃描式和逆SAR模式。(1).條帶式(Stripmap) SAR:是最基本的成像模式。一般是指對與雷達(dá)飛行方向平行的地面條帶成像，條帶寬度從數(shù)公里到數(shù)百公里。隨著雷達(dá)的運(yùn)動，可以接收到被成像條帶內(nèi)的散射點(diǎn)沿雷達(dá)飛行方向的回波信號，利用方位向脈沖壓縮技術(shù)獲得相鄰點(diǎn)方位向的高分辨率。(2).掃描式(ScanSAR) SAR =ScanSAR通過犧牲一定的分辨率性能，從而克服距離模糊對方位向脈沖重復(fù)頻率的限制，以獲得大的測繪帶寬度，其天線控制和成像處理都較復(fù)雜一些，多用于星載中。(3).逆SAR(ISAR)是指觀測臺靜止，目標(biāo)運(yùn)動的成像模式，因為SAR回波數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是由探測器(SAR)和觀測目標(biāo)之間的相對運(yùn)動關(guān)系決定的，因此這種模式下回波信號的特點(diǎn)與聚束模式類似。(4).聚束式(spotlight)SAR 通過控制SAR方位向天線波束指向，使波束始終“聚焦”照射在同一目標(biāo)區(qū)域。這是一種適應(yīng)于小區(qū)域、高分辨率的工作模式。對軍事偵察和目標(biāo)攻擊具有重要應(yīng)用價值。聚束模式下，由于SAR沿飛行路徑連續(xù)照射同一塊地區(qū)，增大了方位向的相干時間，從而增加合成孔徑長度，天線波束寬度不再限制方位分辨率。因為SAR的方位向分辨率隨合成孔徑長度的增加而提高，所以聚束模式與條帶相比，在天線長度不變的情況下可以獲得更高的方位分辨率。聚束模式的缺陷是成像區(qū)域較小，但可實現(xiàn)多個小場景的成像，可在一定程度上彌補(bǔ)其不足。本發(fā)明所針對的彈載聚束模式中，SAR會隨著平臺位置的變動調(diào)整波束照射角度， 使得雷達(dá)波束中心始終指向地面上成像區(qū)域。但在實際系統(tǒng)中，雷達(dá)波束照射中心通常不能以理論上的角度照射成像區(qū)域，從而造成地面凝視點(diǎn)的偏離。這種非理想凝視通常是由波束控制方式或者波束控制精度引起。波束控制方式引起的誤差是指平臺實際運(yùn)動過程中，雷達(dá)波束照射角度不可能實現(xiàn)理想的連續(xù)變化，而是離散變化的，這就導(dǎo)致波束中心照射角度變化間隔時間內(nèi)軌跡上的點(diǎn)仍以同一角度照射地面，而不是以理想角度照射，從而造成地面上凝視點(diǎn)發(fā)生偏差。波束控制精度引起的誤差是指波束以某一角度照射地面，由于設(shè)計及具體操作中不可避免的誤差，該角度并非理想照射角度，兩者之間會有一定偏差， 從而造成地面凝視點(diǎn)的變化。這兩種誤差產(chǎn)生方式都會在地面形成非理想凝視點(diǎn)。非理想凝視點(diǎn)的存在使得此時彈載SAR并非工作在理想聚束模式下，而是呈現(xiàn)出混合模式的特點(diǎn)，這就不可避免地出現(xiàn)混合度的估計問題。在混合模式中，混合度是一個非常重要的概念，后期系統(tǒng)性能分析、成像處理及校正等方面都會出現(xiàn)它的身影。首先，混合度會影響方位向各點(diǎn)的相干積累時間，從而影響方
位分辨率，經(jīng)推導(dǎo)，混合模式下方位分辨率理論值為凡(D為天線方位孔徑，M為混合
度)；其次，混合度會影響方位向測繪帶寬度；另外，混合度還會使得回波信號主瓣展寬，旁瓣壓低，方位向分辨率相對聚束模式有所下降，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。因此需要找到一種適用于彈載非理想凝視聚束式SAR的混合度的獲取方法，對地面形成的非理想凝視點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模處理，得到統(tǒng)一的混合度表達(dá)式，為后期系統(tǒng)性能分析及成像處理提供理論基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種彈載非理想凝視聚束式 SAR的混合度提取方法，能夠有效適應(yīng)于各種復(fù)雜的彈道軌跡，簡化仿真過程，為后期成像處理及系統(tǒng)分析奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種彈載非理想凝視聚束式SAR的混合度提取方法由于地面上非理想凝視點(diǎn)的存在，彈載SAR此刻已不再是理想聚束模式的情況， 而呈現(xiàn)出混合模式(滑動聚束模式)的特點(diǎn)。理想凝視點(diǎn)與非理想凝視點(diǎn)的延長線匯于地面下某點(diǎn)，由此引入混合度的概念。
權(quán)利要求
1.一種彈載非理想凝視聚束式SAR混合度提取方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下 步驟一由給定的初始高度及初始混合度，計算地面下波束中心交點(diǎn)距離與地面距離垂直距離h，H = -^H0(1)I-M0 0式中，Mtl為初始混合度，H0為初始高度，h為地面下波束中心交點(diǎn)距離地面垂直距離； 步驟二 由已知起始點(diǎn)及入射角、斜視角，確定波束中心形成的理想凝視點(diǎn)； 所述確定理想凝視點(diǎn)的方法為首先將軌跡點(diǎn)O1垂直投影到地面即O’工，垂直距離為 H1 ；然后由入射角識確定正側(cè)視時對應(yīng)的點(diǎn)A1, ο’ 平行于X軸，且ομ廣代*tanp;再根據(jù)斜視角θ確定出理想凝視點(diǎn)B1位置，A1B1平行于Y軸，并且4餌=Itan…此時將軌跡COS爐點(diǎn)O1設(shè)定為軌跡起始點(diǎn)，并將軌跡點(diǎn)O1置于坐標(biāo)系Z軸正方向，即Htl = H1, O’ i即為坐標(biāo)H原點(diǎn)，則凝視點(diǎn)B1坐標(biāo)為(餌*tan爐，~0)；cos φ步驟三根據(jù)已知的非理想凝視點(diǎn)坐標(biāo)、方位向速度Va及非理想凝視點(diǎn)出現(xiàn)的時間t， 結(jié)合入射角和斜視角，確定該凝視點(diǎn)對應(yīng)的軌跡點(diǎn)位置，具體如下已知非理想凝視點(diǎn)B2 (X2，Y2,0)，且該非理想凝視點(diǎn)出現(xiàn)時間為t，則方位向距離為Va*t，以此確定ο’ 2點(diǎn)位置(0，Va*t，0)；作過Bp B2的直線，過ο’ 2點(diǎn)作平行于X軸的直線，交點(diǎn)即為軌跡點(diǎn)對應(yīng)的正側(cè)視點(diǎn)A2, A2點(diǎn)Y軸坐標(biāo)與 ο’ 2Y軸坐標(biāo)相同，已知BJX1, Yi;0)、B2 (X2, Y2,0)坐標(biāo)可確定直線B1B2表達(dá)式y(tǒng) == 得。(口一U、yi 2 — vl Jyl 2 "““ ]又2 一 1γ γ _ γ γ Υ—Υ坐標(biāo)為(κ”- ν—;2)*-rV~， v^t ‘ 0)，即可確定軌跡點(diǎn) 的位置，22 tan ^ ° ^2-X1 Y2-Y1 tan φ步驟四根據(jù)步驟三得到的軌跡點(diǎn)，計算該軌跡點(diǎn)對應(yīng)的混合度 M2 =~-~(2)h + O1O1h為地面下波束中心交點(diǎn)距離與地面距離垂直距離，o2o’2為某時刻軌跡點(diǎn)O2到地面垂直距離；步驟五由步驟三和步驟四得到的結(jié)果，根據(jù)地面非理想凝視點(diǎn)坐標(biāo)及出現(xiàn)時刻 B2 (X2, Y2,0, t2)，B3 (X3, Y3,0，t3)，B4 (X4, Y4,0, t4) · · ·分別計算得出這三個非理想凝視點(diǎn)對應(yīng)軌跡點(diǎn)的垂直高度o2o’ 2，o3o' 3，o4o' 4，并根據(jù)公式(2)分別計算混合度M2, M3, M4,由時間與混合度的一一對應(yīng)關(guān)系，近似擬合得出對應(yīng)的時變混合度表達(dá)式M(t) = f(t)，其中f (t) 為任意可能的以t為變量的表達(dá)式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彈載非理想凝視聚束式SAR混合度提取方法，其特征在于所述確定表達(dá)式M(t) = f(t)的方法是建立以t為X軸，M為Y軸的坐標(biāo)系，將(t2， M2), (t3, M3), (t4，M4)...作為點(diǎn)的坐標(biāo)表示在坐標(biāo)系中，通過觀察、連線的方法確定時變混合度表達(dá)式。
全文摘要
一種彈載非理想凝視聚束式SAR混合度提取方法，由給定的初始高度H0及初始混合度M0，計算地面下波束中心交點(diǎn)距離與地面距離垂直距離h；由已知起始點(diǎn)及入射角、斜視角，確定波束中心形成的理想凝視點(diǎn)；根據(jù)已知的非理想凝視點(diǎn)坐標(biāo)、方位向速度及非理想凝視點(diǎn)出現(xiàn)的時間，結(jié)合入射角和斜視角，確定該凝視點(diǎn)對應(yīng)的軌跡點(diǎn)位置；根據(jù)得到的軌跡點(diǎn)高度，計算混合度；根據(jù)上述得到的結(jié)果，將地面非理想凝視點(diǎn)分別映射到導(dǎo)彈運(yùn)行軌跡上，并分別計算對應(yīng)的混合度，進(jìn)而擬合得出對應(yīng)的時變混合度表達(dá)式M(t)＝f(t)。本發(fā)明能夠有效適應(yīng)于各種復(fù)雜的彈道軌跡，簡化仿真過程，為后期系統(tǒng)性能分析及成像質(zhì)量分析、校正奠定基礎(chǔ)。
文檔編號G01S13/90GK102176013SQ201010608628
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者徐華平, 朱亞迪 申請人:北京航空航天大學(xué)