一種基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡sar軌跡重建方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法，其包括：在場(chǎng)景中選取多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，并獲取圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)；根據(jù)圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，從圓跡SAR接收到的目標(biāo)回波信號(hào)中提取各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度，并根據(jù)所述相位梯度計(jì)算各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)到真實(shí)軌跡的實(shí)斜距變化量；利用圓跡SAR載機(jī)和標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，以及各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的斜距變化量，重建圓跡SAR軌跡。上述方法解決了現(xiàn)有圓跡SAR依賴于高精度導(dǎo)航測(cè)量的問題，且不僅能用于圓跡合成孔徑雷達(dá)的高精度軌跡重建，也適用于任意軌跡SAR的高精度軌跡重建。
【專利說明】—種基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法，用于高分辨率機(jī)載圓跡SAR的高精度聚焦成像。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SARHtS—種主動(dòng)遙感設(shè)備，具有全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離、高分辨、寬測(cè)繪帶等優(yōu)勢(shì)。在距離向，它通過發(fā)射大帶寬信號(hào)獲得高分辨，在方位向，利用平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)建一個(gè)等效的長(zhǎng)天線孔徑，來實(shí)現(xiàn)該方向的高分辨。經(jīng)過近60年的發(fā)展，SAR已經(jīng)成為一種成熟的空間遙感技術(shù)，是對(duì)地觀測(cè)的重要手段之一。
[0003]圓跡SAR (Circular SAR, CSAR)是20世紀(jì)90年代提出的一種SAR工作模式，其通過SAR平臺(tái)在空中作圓軌跡運(yùn)動(dòng)，并控制波束使波束中心始終指向同一場(chǎng)景中心，來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行360°全方位觀測(cè)。與傳統(tǒng)直線SAR相比，圓跡SAR對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)具有更大的相干積累角，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率；且不同于傳統(tǒng)直線SAR斜平面成像幾何，圓跡SAR具有對(duì)場(chǎng)景區(qū)進(jìn)行三維重建的能力；此外，圓跡SAR的全方位觀測(cè)能夠有效減小常規(guī)SAR固有的陰影現(xiàn)象，并且對(duì)于獲取目標(biāo)隨方位角變化的后向散射信息具有重要意義。因此，基于這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，圓跡SAR —經(jīng)提出便受到廣泛的關(guān)注。
[0004]2004年開始，法宇航、瑞典國(guó)防研究院、德宇航以及中科院電子所等研究機(jī)構(gòu)相繼利用機(jī)載試驗(yàn)平臺(tái)開展了圓跡SAR飛行試驗(yàn)。2011年7月，德國(guó)宇航局(DLR)在IGARSS會(huì)議上首次展示了利用E-SAR機(jī)載系統(tǒng)獲取的360°全方位高分辨圓跡SAR圖像(L波段全極化)。2011年8月，中科院電子所微波成像技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用自主研制的機(jī)載SAR系統(tǒng)，開展了國(guó)內(nèi)首次圓跡SAR飛行試驗(yàn)，成功獲取了 P波段全極化360°全方位高分辨圓跡SAR圖像。試驗(yàn)結(jié)果初步展示了圓跡SAR在高精度測(cè)繪、災(zāi)害評(píng)估和精細(xì)資源管理等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
[0005]與常規(guī)直線SAR相比，圓跡SAR對(duì)導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)有著更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量聚焦，成像的相位誤差需要控制在η/4，即軌跡測(cè)量誤差需要控制在λ/16。常規(guī)直線軌跡SAR的合成孔徑時(shí)間較短，通常只有幾秒，導(dǎo)航系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)能保證較高的相對(duì)測(cè)量精度，然而圓跡SAR的合成孔徑時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘，一方面導(dǎo)航系統(tǒng)難以在如此長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較好的穩(wěn)定性，另一方面累計(jì)誤差將降低整個(gè)軌跡的相對(duì)測(cè)量精度，此外，導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于時(shí)刻處于轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量比穩(wěn)定直線運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量有更大的誤差。機(jī)載直線SAR即使波段較高，一般只需基于POS數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償即可滿足聚焦成像要求，或者在此基礎(chǔ)上再使用自聚焦技術(shù)就可獲得較高的聚焦質(zhì)量，然而當(dāng)機(jī)載圓跡SAR的波段較高時(shí)(C波段及以上)，現(xiàn)有的軌跡測(cè)量精度已無法滿足其聚焦成像的要求了。目前成功獲得全方位高分辨機(jī)載圓跡SAR圖像的試驗(yàn)所采用的波段都較低(P和L)，德宇航利用圓跡SAR自聚焦技術(shù)提高了圖像的聚焦性能，但自聚焦技術(shù)只能對(duì)較小的殘余相位誤差進(jìn)行校正，且未考慮相位誤差的空變性。目前還未見能解決現(xiàn)有圓跡SAR對(duì)高精度導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)依賴性問題的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法，能夠解決現(xiàn)有圓跡SAR依賴于高精度導(dǎo)航測(cè)量的問題，可為實(shí)現(xiàn)高波段圓跡SAR成像提供技術(shù)支撐。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是:
[0008]一種基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法，其包括:
[0009]步驟S1、在場(chǎng)景中選取多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，并獲取圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)；
[0010]步驟S2、根據(jù)圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，從圓跡SAR接收到的目標(biāo)回波信號(hào)中提取各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度，并根據(jù)所述相位梯度計(jì)算各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)到真實(shí)軌跡的斜距變化量；
[0011]步驟S3、利用圓跡SAR載機(jī)和標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，以及各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的斜距變化量，重建圓跡SAR軌跡。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:利用POS數(shù)據(jù)和已知位置的標(biāo)志點(diǎn)，從回波數(shù)據(jù)中提取標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度，建立關(guān)于標(biāo)志點(diǎn)和軌跡的位置與距離方程組，重建更高精度的圓形飛行軌跡，從而提高成像時(shí)的聚焦質(zhì)量，解決了現(xiàn)有圓跡SAR依賴于高精度導(dǎo)航測(cè)量的問題，本發(fā)明方法不僅能用于圓跡合成孔徑雷達(dá)的高精度軌跡重建，也適用于任意軌跡SAR的高精度軌跡重建。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明中基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法的總流程圖；
[0014]圖2是本發(fā)明中POS數(shù)據(jù)和標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明中從回波數(shù)據(jù)中提取各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)相位梯度的流程圖；
[0016]圖4是本發(fā)明中重建高精度軌跡的方法流程圖；
[0017]圖5是本發(fā)明中真實(shí)軌跡、測(cè)量軌跡和重建軌跡仿真圖；
[0018]圖6是本發(fā)明中使用測(cè)量軌跡進(jìn)行成像的點(diǎn)目標(biāo)仿真圖；
[0019]圖7是本發(fā)明中使用重建軌跡進(jìn)行成像的點(diǎn)目標(biāo)仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0021]圖1示出了本發(fā)明中基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法的總流程圖。如圖1所示，該方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0022]步驟S1:在場(chǎng)景中選取多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，保證在每個(gè)方位視角下至少有三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)同時(shí)被照射到，這些標(biāo)志點(diǎn)可以是人工放置的定標(biāo)器，也可以是場(chǎng)景中的特顯點(diǎn)目標(biāo)。使用外部GPS/DGPS測(cè)量各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Eg, k,其中k代表標(biāo)志點(diǎn)的序號(hào)，k=l，2，...，M，M為標(biāo)志點(diǎn)總數(shù)。圓跡SAR上的導(dǎo)航子系統(tǒng)(POS)測(cè)量得到的SAR載機(jī)軌跡在地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Eg, pos,利用坐標(biāo)變換,將POS測(cè)量數(shù)據(jù)和標(biāo)志點(diǎn)在地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Eg,_和Eg, k，轉(zhuǎn)換到大地水平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Eptjs和Ep, k。
[0023]圖2示出了本發(fā)明中POS測(cè)量數(shù)據(jù)和標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖。如圖2所示，經(jīng)過一次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，可以將POS和標(biāo)志點(diǎn)在地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地水平面坐標(biāo)系。
[0024]地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系定義:坐標(biāo)原點(diǎn)位于地心，Z軸指向地球自轉(zhuǎn)軸，X軸指向零度子午線，Y軸和X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。大地水平面坐標(biāo)系定義:坐標(biāo)系原點(diǎn)是觀測(cè)目標(biāo)的場(chǎng)景中心，X軸指向地理南方向，Y軸指向地理東方向，Z軸垂直地面向上。
[0025]地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系到大地水平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于標(biāo)志點(diǎn)相位梯度提取的圓跡SAR軌跡重建方法，其包括: 步驟S1、在場(chǎng)景中選取多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，并獲取圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)； 步驟S2、根據(jù)圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，從圓跡SAR接收到的目標(biāo)回波信號(hào)中提取各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度，并根據(jù)所述相位梯度計(jì)算各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)到真實(shí)軌跡的斜距變化量； 步驟S3、利用圓跡SAR載機(jī)和標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，以及各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的斜距變化量，重建圓跡SAR軌跡。
2.如權(quán)利要求1所述的軌跡重建方法，其特征在于，步驟SI中所述圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)是根據(jù)其地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的；所述圓跡SAR載機(jī)的地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)通過導(dǎo)航系統(tǒng)POS測(cè)量得到；所述各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)通過GPS/DGPS測(cè)量得到。
3.如權(quán)利要求1所述的軌跡重建方法，其特征在于，步驟S2中各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度如下提取: 步驟21、對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)做距離向匹配濾波處理，得到濾波后的信號(hào)； 步驟22、根據(jù)所述圓跡SAR載機(jī)和各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)，計(jì)算各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的徙動(dòng)距離； 步驟23、對(duì)所述濾波后的信號(hào)進(jìn)行距離向插值，提取位于所述徙動(dòng)距離處的徙動(dòng)數(shù)據(jù)；` 步驟24、根據(jù)所述徙動(dòng)距離處的徙動(dòng)數(shù)據(jù)和相位函數(shù)得到距離-多普勒信號(hào)； 步驟25、根據(jù)所述距離-多普勒信號(hào)獲得各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度。
4.如權(quán)利要求3所述的軌跡重建方法，其特征在于，所述徙動(dòng)距離為所述圓跡SAR載機(jī)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)與各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)系坐標(biāo)之間的距離。
5.如權(quán)利要求3所述的軌跡重建方法，其特征在于，步驟S23中所述徙動(dòng)距離處的數(shù)據(jù)如下獲得: S^kj,) = S,η)

C 其中，S2(k，η)是所述徙動(dòng)距離處的數(shù)據(jù)，SI為目標(biāo)回波信號(hào)，Rk(η)為徙動(dòng)距離，c為光速，η為方向位米樣點(diǎn)，k為第k個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求3所述的軌跡重建方法，其特征在于，步驟24中具體為:將所述徙動(dòng)距離處的數(shù)據(jù)與第一相位函數(shù)相乘，并進(jìn)行方位向離散變換，以得到距離-多普勒信號(hào)，第一相位函數(shù)和距離-多普勒信號(hào)如下表示:
H1 (k, n) = exp(./4W"))

C SAkJnVDFTlSAkjIrHAkjiys
1η 其中，H1 (k，η)為相位函數(shù)，S3(k，fn)為距離-多普勒信號(hào)，S2(k，η)是所述徙動(dòng)距離處的數(shù)據(jù)，f。為圓跡SAR發(fā)射信號(hào)的載頻，fn是方位向頻率，c為光速，η為方向位采樣點(diǎn)，k為第k個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求3所述的軌跡重建方法，其特征在于，步驟25中各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度如下獲得: 步驟251、對(duì)距離-多普勒信號(hào)做方位低通濾波，得到濾除雜波干擾后的信號(hào)； 步驟252、對(duì)所得到的濾除雜波干擾后的信號(hào)進(jìn)行方位向離散傅里葉逆變換，得到方位時(shí)域信號(hào)； 步驟253、計(jì)算所述方位時(shí)域信號(hào)沿方位向的相位梯度，得到標(biāo)志點(diǎn)的第一相位梯度信號(hào); 步驟254、計(jì)算復(fù)共軛相位函數(shù)的方位向相位梯度，得到復(fù)共軛相位函數(shù)中標(biāo)志點(diǎn)的第二相位梯度信號(hào)，將第一相位梯度信號(hào)和第二相位梯度信號(hào)相加，得到標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度。
8.如權(quán)利要求7所述的軌跡重建方法，其特征在于，所述第一相位梯度和第二相位梯度的表達(dá)式如下所示:
Φ dl (k, n) =arg (S5 (k, n) *S5* (k, η_1)) η=2,...N
(J)dl (k, η) =On=I
Φ d2 (k, η) =arg (H1* (k, η+1) ^H1 (k, η)) η=2,..., N
Φ d2 (k, η) =On=I 其中，ctdl(k，n)和ctd2(k，n)相分別為第一相位梯度和第二相位梯度，S5 (k，n)為方位時(shí)域信號(hào)，H1Qi,η)和Η^Ο?,η)為相位函數(shù)和復(fù)共軛相位函數(shù)；k為第k個(gè)標(biāo)志點(diǎn),η為方向位采樣點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求3-8任一項(xiàng)所述的軌跡重建方法，其特征在于，所述斜距變化量Rd(k，n)如下計(jì)算:
= —? " 1,2,./V 其中，Cj5d(k，n)為第k個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相位梯度，f。為圓跡SAR發(fā)射信號(hào)的載頻，C為光速，η為方向位采樣點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的軌跡重建方法，其特征在于，步驟S3具體包括: 步驟31、從N個(gè)方位向采樣點(diǎn)η中任選一個(gè)數(shù)i，n=l，2...，N，I≤i≤N，將其POS坐標(biāo)Ep()S(i)作為初始位置，選定在該方位時(shí)刻可觀測(cè)到的任意三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，其在大地水平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為(Ep,lx，Epay, Epaz)、(Ep,2x，Epj2y, Epj2z)、(Epax, Epay, Ερ,1ζ)，計(jì)算所述初始位置到上述三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的距離為Ri^RiyRy ; 步驟32、根據(jù)所述三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的大地水平面坐標(biāo)以及該三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)到真實(shí)軌跡的斜距變化量，建立關(guān)于標(biāo)志點(diǎn)和重建軌跡的位置和距離的方程組，求解該方程組，得到1-1/i+l處重建軌跡坐標(biāo)(Ph,x，P1-M, Ρη,ζ)和(Pi+1,x，Pi+1,y，P i+1,z); 步驟S33:選定在1-1/i+l處可觀測(cè)到的任意三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)1、2、3，更新1-1/i+l處重建軌跡(P1-U, P1-!, y, P1-1jz) > (Pi+1,x，Pi+1,y，Pi+i,z)到標(biāo)志點(diǎn) 1、2、3 的距離 R1-U, R1-!,2, Rh,3 和Ri+l,l，Ri+1,2? Ri+1,3?向前/向后逐點(diǎn)重建其余采樣點(diǎn)處的軌跡坐標(biāo)，直到遍歷完整個(gè)軌跡。
【文檔編號(hào)】G01S7/292GK103675813SQ201310432263
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】林赟, 郭振宇, 譚維賢, 王彥平, 洪文, 吳一戎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所