一種基于sar三維成像的自旋式飛行器測高方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于SAR三維成像的自旋式飛行器測高方法，它是將自旋式飛行器天線相位中心軌跡等效為天線面陣，通過等效面陣天線對目標(biāo)場景三維成像，將飛行器測高問題轉(zhuǎn)化為對三維成像場景中心點(diǎn)高度的求解，通過對目標(biāo)場景高精度三維成像，完成對自旋式飛行器的測高。在成像過程中，本發(fā)明提供了三維BP算法，該算法能適用于等效天線面陣非均勻分布的情況。利用自旋式飛行器運(yùn)動(dòng)過程中形成的等效天線陣列，結(jié)合自旋式飛行器三維SAR的系統(tǒng)參數(shù)和觀測場景目標(biāo)參數(shù)，通過在時(shí)域?qū)τ猩⑸潼c(diǎn)的場景單元格補(bǔ)償時(shí)延相位，完成了對目標(biāo)場景的三維成像。本發(fā)明具有對于變加速、非直線運(yùn)動(dòng)的自旋式飛行器能成像優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】—種基于SAR三維成像的自旋式飛行器測高方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)系統(tǒng)中引導(dǎo)測高雷達(dá)的【技術(shù)領(lǐng)域】，它特別涉及合成孔徑雷達(dá)(SAR)三維成像【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]自旋式飛行器平臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)速度快、非勻速直線運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，尤其是由于飛行器自旋等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，造成雷達(dá)回波相位補(bǔ)償困難，回波不相參，能量難以聚集，使得傳統(tǒng)的測高手段失效。針對自旋式飛行器平臺(tái)，配合三維數(shù)字高程圖(DEM)對目標(biāo)場景的三維成像，通過計(jì)算成像場景中心點(diǎn)高度以得出飛行器的測量高度，是一種測高新體制、新方法。
[0003]合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像技術(shù)是一種常用的雷達(dá)成像技術(shù)。合成孔徑雷達(dá)是一種主動(dòng)式微波成像傳感器，具有全天候、高精度的特點(diǎn)，可在光學(xué)能見度極差的氣象條件下得到高分辨率雷達(dá)圖像。合成孔徑雷達(dá)利用大時(shí)寬帶寬信號實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，依靠雷達(dá)和目標(biāo)之間的相對運(yùn)動(dòng)來合成虛擬陣列獲取方位向高分辨率，可以對照射場景進(jìn)行二維成像。
[0004]陣列三維合成孔徑雷達(dá)(3D-ASAR)是一般SAR功能的延伸和擴(kuò)展，其基本原理是通過沿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)軌跡和切航跡向放置天線陣列合成二維虛擬面陣以獲得沿-切航跡向二維分辨率，然后高度向使用脈沖相參積累的方法獲得高度向分辨率。與傳統(tǒng)的二維SAR成像技術(shù)相比，它可以克服傳統(tǒng)二維SAR技術(shù)存在的地面陰影遮擋效應(yīng)和空間模糊問題。
[0005]自旋式飛行器平臺(tái)由于自身的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特性，雷達(dá)回波較難相參積累，不能用傳統(tǒng)的成像算法進(jìn)行成像。后向投影(簡稱BP)算法是一種基于時(shí)域相干處理的成像算法，其基本思想是通過計(jì)算成像區(qū)域內(nèi)每一采樣點(diǎn)到合成孔徑長度內(nèi)雷達(dá)天線相位中心之間的雙程時(shí)延，然后將對應(yīng)的時(shí)域回波信號進(jìn)行相干累加，從而恢復(fù)出每個(gè)采樣點(diǎn)的散射系數(shù)信息。后向投影算法不基于參考點(diǎn)成像，能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)采樣點(diǎn)的精確聚焦，同時(shí)后向投影算法的雷達(dá)天線相位中心物理意義清晰，能夠精確計(jì)算每個(gè)方位時(shí)刻的回波延時(shí)相位，補(bǔ)償平臺(tái)抖動(dòng)引入的相位誤差。同時(shí)，在天線相位中心形成過程中，由于自旋式飛行器在變加速直線飛行時(shí)伴隨飛行器自旋運(yùn)動(dòng)，陣列天線是非等間隔分布的，將三維BP算法應(yīng)用于自旋式飛行器平臺(tái)三維成像處理，克服了傳統(tǒng)的三維RD等頻域算法要求陣列天線等間隔采樣的缺點(diǎn)，具有聚焦效果好、適用于非均勻或欠采樣條件、對于變加速、非直線、自旋的運(yùn)動(dòng)軌跡能成像優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了得到對自旋式飛行器的高度測量值，本發(fā)明提出了一種基于SAR三維成像的自旋式飛行器測高方法，它是針對自旋式飛行器成像平臺(tái)，將自旋式飛行器的天線相位中心運(yùn)動(dòng)軌跡看做非均勻分布的等效天線陣列，利用等效天線陣列對場景三維成像，成像場景中心點(diǎn)高度即為雷達(dá)天底點(diǎn)高度，結(jié)合飛行器的水平高度數(shù)據(jù)，得出飛行器飛行的相對高度。同時(shí)，針對等效陣列非均勻分布的特點(diǎn)，本發(fā)明采用了三維BP (后像投影)成像算法。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的三維RD等頻域算法要求陣列天線等間隔采樣的缺點(diǎn)，具有聚焦效果好、適用于非均勻或欠采樣條件、對于變加速、非直線、自旋的運(yùn)動(dòng)軌跡能成像優(yōu)點(diǎn)。
[0007]為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語定義:
[0008]定義1、陣列三維合成孔徑雷達(dá)(簡稱ASAR)
[0009]陣列合成孔徑雷達(dá)(Array Synthetic Aperture Radar)是指通過控制陣列天線在空間中運(yùn)動(dòng)軌跡形成虛擬二維面陣，獲得觀測目標(biāo)二維分辨率，并結(jié)合脈沖壓縮技術(shù)得到觀測目標(biāo)的第三維分辨率，完成對目標(biāo)成像的技術(shù)。詳見文獻(xiàn)“A new airborneradar for3D imaging-1mage formation using the ARTINO principle, J.Klare, A.R.Brenner, J.Ender0 ”
[0010]定義2、數(shù)字高程模型(簡稱DEM) [0011]數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是指利用一組有序數(shù)值陣列形式表示地表或地面高程的一種實(shí)體地面模型。本發(fā)明中DEM表示成一系列地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y和高程坐標(biāo)Z組成的數(shù)據(jù)陣列。對于一個(gè)地面區(qū)域D，地形DEM表示為
[0012]DEM= (Di I xi0, yi0zi0)，i0 e D}
[0013]其中(xiQ，yi0, zi0)是第i0個(gè)地面像素點(diǎn)對應(yīng)的三維空間坐標(biāo)。
[0014]定義3、合成孔徑雷達(dá)原始回波仿真方法
[0015]合成孔徑雷達(dá)原始回波仿真方法是指基于合成孔徑雷達(dá)成像原理仿真出一定系統(tǒng)參數(shù)條件下具有合成孔徑雷達(dá)回波信號特性的原始信號的方法，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn):"InSAR回波信號與系統(tǒng)仿真研究”，張劍琦，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文。
[0016]定義4、一幀回波數(shù)據(jù)
[0017]在本發(fā)明中，一幀回波數(shù)據(jù)是指在一個(gè)雷達(dá)掃描周期內(nèi)，雷達(dá)接收機(jī)所接收、采樣并存儲(chǔ)的在這一個(gè)雷達(dá)掃描周期內(nèi)所有發(fā)射脈沖的回波數(shù)據(jù)。
[0018]定義5、飛行器天底點(diǎn)
[0019]飛行器上雷達(dá)正下方垂直于地面的交點(diǎn)。
[0020]定義6、合成孔徑雷達(dá)相參積累與非相參積累
[0021]在雷達(dá)信號處理中脈沖的能量積累包括非相參積累和相參積累，前者指的是僅僅對數(shù)據(jù)的幅度(也可能是幅度的平方或者幅度對數(shù))進(jìn)行積累，而后者是指對復(fù)數(shù)據(jù)(即包含幅度和相位的數(shù)據(jù))進(jìn)行積累。
[0022]定義7、天線相位中心
[0023]天線相位中心是指雷達(dá)天線向外輻射信號的中心，本發(fā)明中天線相位中心指雷達(dá)平臺(tái)天線的軌跡位置。
[0024]定義8、合成孔徑雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)距離壓縮方法
[0025]合成孔徑雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)距離壓縮方法是指利用合成孔徑雷達(dá)發(fā)射參數(shù)，采用以下公式生成參考信號，并采用匹配濾波技術(shù)對合成孔徑雷達(dá)的距離向信號進(jìn)行濾波的過程，匹配濾波函數(shù)為:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種基于SAR三維成像的自旋式飛行器測高方法，其特征是它包括如下步驟: 步驟1、初始化自旋式飛行器SAR成像系統(tǒng)各參數(shù) 初始化自旋式飛行器SAR成像系統(tǒng)參數(shù)包括:飛行器水平高度，記做H，飛行器半徑，記做r,飛行器飛行速度,記做V,最大加速度,記做a,自旋角頻率,記做ω，由v、a、ω決定的飛行器速度矢量，記做I雷達(dá)系統(tǒng)工作的信號波長，記做λ，雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號的載頻，記做fc，線性調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率，記做fdr，雷達(dá)平臺(tái)天線發(fā)射信號帶寬，記做B，雷達(dá)平臺(tái)天線發(fā)射脈沖時(shí)寬，記做Tr，雷達(dá)平臺(tái)接收系統(tǒng)采樣頻率，記做Fs，雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)頻率，記做Prf，光在空氣中的傳播速度，記做C，第t個(gè)慢時(shí)刻，記做t，t=l，2...T，T為慢時(shí)刻總數(shù)，雷達(dá)平臺(tái)天線相位中心位置矩陣，記做APC，沿航跡向分辨率，記做P a,切航跡向分辨率，記做Pb，高度向分辨率，記做P P接收波門相對發(fā)射信號延時(shí)Td，距離門位置記做Ic ;上述參數(shù)均為陣列SAR系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號的載頻fc，雷達(dá)載頻波長λ，雷達(dá)發(fā)射基帶信號的信號帶寬B，雷達(dá)發(fā)射信號脈沖寬度Tp，雷達(dá)發(fā)射信號調(diào)頻斜率ft，雷達(dá)接收系統(tǒng)的采樣頻率Fs，雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率prf，光在空氣中的傳播速度C，雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)時(shí)間PRI和雷達(dá)接收系統(tǒng)接收波門相對于發(fā)射信號發(fā)散波門的延遲TD，均在三維SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)確定；飛行器飛行高度H，飛行器半徑r，飛行器速度V，加速度a，自旋角頻率ω，平臺(tái)速度矢量^沿航跡向分辨率Pa，切航跡向分辨率Pb，高度向分辨率P r,雷達(dá)平臺(tái)天線相位中心位置矩陣APC，均在自旋式飛行器三維SAR觀測方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定；根據(jù)三 維SAR雷達(dá)系統(tǒng)方案和三維SAR雷達(dá)成像觀測方案，以上基于三維成像的自旋式飛行器測高系統(tǒng)參數(shù)均為已知； 步驟2:初始化陣列三維SAR的觀測場景目標(biāo)空間 初始化陣列三維SAR的觀測場景目標(biāo)空間參數(shù)，包括:以雷達(dá)波束照射場區(qū)域地平面和垂直于該地平面向上的單位向量所構(gòu)成的空間直角坐標(biāo)作為陣列三維SAR的觀測場景目標(biāo)空間Ω ;將三維SAR觀測場景目標(biāo)空間Ω均勻劃分成大小相等的立體單元網(wǎng)格(亦稱為分辨單元)，立體單元網(wǎng)格在水平橫向、水平縱向和高度向邊長分別記為dx、dy和dz，立體單元網(wǎng)格的每一對水平橫向、水平縱向所對應(yīng)高度單元格中，只有一個(gè)有點(diǎn)目標(biāo)散射體，立體單元網(wǎng)格大小選擇為陣列SAR系統(tǒng)傳統(tǒng)理論成像分辨率的二分之一，初始化數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，其中，場景沿航跡總的散射點(diǎn)數(shù)，記做sx，場景切航跡向總的散射點(diǎn)數(shù)，記做sy,場景沿航跡向上的第xO個(gè)散射點(diǎn)序號,記做xO, x0=l, 2，...sx,場景沿航跡向上的第yO個(gè)散射點(diǎn)序號，記做lo，y0=l, 2,...Sy,沿航跡向散射點(diǎn)位置Xtl與切航跡向散射點(diǎn)位置J0所唯一確定的目標(biāo)散射點(diǎn)的高度，記做Ζ(Χο，y。)；觀測場景目標(biāo)空間Ω中第m個(gè)散射點(diǎn)的坐標(biāo)矢量，記做Pm.m表示第m個(gè)目標(biāo)散射點(diǎn)，m=l, 2，...M, M為觀測場景目標(biāo)空間Ω中的目標(biāo)散射點(diǎn)總數(shù)，Pi, I構(gòu)成觀測場景目標(biāo)矩陣Pn，矩陣Pn的單個(gè)元素為Pn(Um),10=I, 2, 3, Itl代表空間三維坐標(biāo);m=l，2，...Μ，代表第m個(gè)目標(biāo)散射點(diǎn)；觀測場景目標(biāo)空間Ω在陣列SAR成像方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定；利用傳統(tǒng)的合成孔徑雷達(dá)原始回波仿真方法產(chǎn)生陣列SAR的原始回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過相參積累得到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)幀數(shù)為K，K幀回波數(shù)據(jù)中第U幀回波數(shù)據(jù)記做Sii (11=1，2...K)，初始化T行M列測量矩陣Ψ，用于存放經(jīng)殘余相位補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)；步驟3:初始化天線相位中心軌跡 自旋式飛行器雷達(dá)的天線收發(fā)模式，初始化天線相位中心軌跡的具體步驟如下: 步驟3.1初始化步驟I中的雷達(dá)平臺(tái)天線相位中心位置矩陣APC，矩陣APC的第一行代表自旋式飛行器沿航跡向坐標(biāo)，第二行代表自旋式飛行器切航跡向坐標(biāo)，第三行代表自旋式飛行器高度向坐標(biāo)；矩陣APC的每個(gè)元素為APC (1，t)，(1=1，2，3，代表空間坐標(biāo)的3個(gè)維度；t=l，2....T,代表第t個(gè)慢時(shí)刻，T為步驟I中定義的為慢時(shí)刻總數(shù))，APC(1:3，t)代表第t個(gè)慢時(shí)刻所對應(yīng)的天線相位中心坐標(biāo)；初始化慢時(shí)刻t,令t=l,代表第I個(gè)慢時(shí)刻；步驟3.2令
【文檔編號】G01S13/50GK103941243SQ201410134087
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】張曉玲, 陳思遠(yuǎn), 師君, 羅煜川 申請人:電子科技大學(xué)