本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)(syntheticapertureradar，sar)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)載混合順軌-交軌干涉合成孔徑雷達(dá)定標(biāo)方法。

背景技術(shù)：

合成孔徑雷達(dá)是一種先進(jìn)的主動式微波對地觀測手段，因具有全天時、全天候、高分辨率以及對地面植被具有一定的穿透性等工作能力而得到廣泛應(yīng)用。干涉合成孔徑雷達(dá)(interferometricsyntheticapertureradar，干涉sar或insar)是無線電干涉測量技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的結(jié)合，其利用兩個天線獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理獲得地形高程、目標(biāo)徑向速度、地形形變等信息。干涉sar系統(tǒng)中兩個天線相位中心之間的相對位置稱為干涉基線，按照基線類型干涉sar可以分為兩個天線相位中心沿航跡方向放置、對運(yùn)動目標(biāo)徑向速度敏感的順軌干涉sar(along-trackinterferometricsar，ati-sar)以及兩個天線相位中心沿垂直航跡方向放置、對地形高程敏感的交軌干涉sar(cross-trackinterferometricsar，xti-sar)?；旌享樮?交軌干涉sar(hybridalong-trackandcross-trackinterferometricsyntheticapertureradar，簡稱at-xiinsar)系統(tǒng)為兩個天線相位中心之間的基線矢量既包含了沿航跡方向的順軌基線分量、又包含了垂直航跡方向的交軌基線分量的干涉sar系統(tǒng)，能夠同時用于地面動目標(biāo)檢測及地形高程反演。

干涉定標(biāo)是干涉sar獲得高精度測量結(jié)果的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前關(guān)于干涉sar定標(biāo)的研究主要是針對機(jī)載雙天線xti-sar系統(tǒng)，如2009年電子所張薇博士的學(xué)位論文《機(jī)載雙天線干涉sar定標(biāo)方法研究》，xti-sar系統(tǒng)的基線矢量模型為[b，α]，其中b為基線長度，α為基線角，待定標(biāo)參數(shù)為[δφ，b，α]，δφ為干涉相位偏差，定標(biāo)方法為經(jīng)典的基于敏感度方程的定標(biāo)方法，利用定標(biāo)場控制點(diǎn)的高程信息直接對待定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行定標(biāo)。

上述干涉sar定標(biāo)技術(shù)不適用于混合干涉sar系統(tǒng)的定標(biāo)，主要體現(xiàn)在：

第一、基線矢量模型對at-xtinsar系統(tǒng)而言不充分，具體來說，混合at-xtinsar系統(tǒng)由于同時具有順軌基線分量和交軌基線分量，相比于單純的ati-sar或者xti-sar系統(tǒng)，其基線矢量模型更加復(fù)雜，上述基線矢量模型不能全面、正確地描述at-xtinsar系統(tǒng)的基線特點(diǎn)，因此需要針對混合at-xtinsar系統(tǒng)對基線進(jìn)行重新建模。

第二，同上，由于上述基線矢量模型不適用于機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)，因此上述待定標(biāo)的參數(shù)也不能涵蓋全部的at-xtinsar系統(tǒng)待定標(biāo)參數(shù)，待定標(biāo)參數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。

第三、定標(biāo)方法只是針對xti-sar系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，只屬于at-xtinsar系統(tǒng)順軌基線為零時的一種特殊情況，需要研究適用于混合at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于，提供一種機(jī)載混合at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)方法，能夠正確、全面地對機(jī)載混合at-xtinsar系統(tǒng)的干涉參數(shù)進(jìn)行定標(biāo)。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供一種機(jī)載混合順軌-交軌干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的定標(biāo)方法，用于對機(jī)載混合順軌-交軌干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)中基線矢量模型的干涉參數(shù)進(jìn)行定標(biāo)，其中，機(jī)載混合順軌-交軌干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)包括前置天線和后置天線，將前置天線作為參考天線，后置天線與前置天線之間的相對位置關(guān)系用基線矢量模型表示，干涉參數(shù)包括前置天線和后置天線之間的基線長度、順軌基線角和交軌基線角，其中，基線長度是指前置天線相位中心與后置天線相位中心之間的長度，順軌基線角是指基線矢量與yoz平面的夾角，交軌基線角是指基線矢量在yoz平面的投影與y軸之間的夾角，方法包括：

s1，標(biāo)定順軌基線分量；

s2，標(biāo)定干涉相位偏置、交軌基線長度和交軌基線角；

s3，根據(jù)交軌基線長度和交軌基線角，計算交軌基線分量；

s4，根據(jù)順軌基線分量和交軌基線分量，計算載機(jī)坐標(biāo)系下的基線矢量；

s5，根據(jù)載機(jī)坐標(biāo)系下基線矢量，計算基線長度和順軌基線角的定標(biāo)結(jié)果。

(三)有益效果

1、本發(fā)明針對機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)建立了包含了基線長度、順軌基線角和交軌基線角的新基線矢量模型，該模型能夠全面地描述機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)的基線特點(diǎn)，且能夠根據(jù)載機(jī)姿態(tài)信息獲得任意時刻的基線矢量表達(dá)式。

2、本發(fā)明的基線矢量模型中的參數(shù)能夠正確、全面地描述機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)需求，從而為定標(biāo)方法研究提供基礎(chǔ)。

3、本發(fā)明通過標(biāo)定某一時刻的三個基線分量間接實現(xiàn)了基線長度和兩個基線角的標(biāo)定，避免了復(fù)雜的公式計算，實現(xiàn)了機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)干涉參數(shù)的定標(biāo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明載機(jī)坐標(biāo)系中混合基線insar基線矢量模型。

圖2a是本發(fā)明載機(jī)混合at-xtinsar系統(tǒng)的工作幾何圖。

圖2b是本發(fā)明方位校準(zhǔn)后載機(jī)混合at-xtinsar系統(tǒng)的工作幾何圖。

圖3是本發(fā)明提供的機(jī)載混合at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)方法的流程圖。

圖4是本發(fā)明中基于敏感度方程的交軌基線分量定標(biāo)算法流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種機(jī)載混合順軌-交軌干涉合成孔徑雷達(dá)定標(biāo)方法，該方法針對機(jī)載混合順軌-交軌干涉合成孔徑雷達(dá)，建立了新的基線矢量模型，根據(jù)此模型和載機(jī)姿態(tài)角信息能夠描述混合干涉sar系統(tǒng)任意時刻的基線矢量；在新的基線矢量模型的基礎(chǔ)上，對混合干涉sar系統(tǒng)的待定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了修改，并提出了適用于機(jī)載混合順軌-交軌干涉合成孔徑雷達(dá)的定標(biāo)方法，該方法通過對某一時刻基線分量的標(biāo)定來實現(xiàn)對基線長度和兩個基線角的定標(biāo)，避免了復(fù)雜的公式計算，更加容易實現(xiàn)。

圖1是本發(fā)明載機(jī)坐標(biāo)系中混合基線insar基線矢量模型，如圖1所示，x方向為機(jī)頭方向，z為垂直機(jī)身向上的方向，y與二者成右手準(zhǔn)則。圖中a1、a2分別為兩個天線相位中心的位置，b代表兩個天線相位中心之間的物理基線長度，基線角α1為基線矢量與yoz平面的夾角，基線角α2為基線矢量在yoz平面的投影與y軸之間的夾角。如圖1所示，在載機(jī)坐標(biāo)系下，基線矢量可以表示為：

其中，bx1、by1、bz1分別為載機(jī)坐標(biāo)系下基線矢量在三個坐標(biāo)軸方向的分量大小。上式寫成矩陣形式為：

其中，[γ1]、[γ2]為與基線角相關(guān)的旋轉(zhuǎn)矩陣：

由公式(1)可以看出，由于基線角α2只影響交軌基線分量的大小，因此稱之為交軌基線角，其與xti-sar中的基線角α相對應(yīng)。與xti-sar系統(tǒng)相比，此模型中多了一個基線角α1，此基線角非零時會導(dǎo)致順軌干涉基線分量bx的出現(xiàn)，實際上α1也影響交軌基線分量的大小，這里為了與交軌基線角對應(yīng)(區(qū)分)，稱α1為順軌基線角。

實際飛行中由于氣流等影響，載機(jī)會發(fā)生偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)的姿態(tài)變化，此時瞬時基線分量在大地坐標(biāo)系中也會發(fā)生相應(yīng)變化。受姿態(tài)影響后大地坐標(biāo)系中瞬態(tài)基線矢量變?yōu)椋?/p>

式中為大地坐標(biāo)系中的瞬態(tài)基線矢量，矩陣[y]、[p]、[r]分別表示與偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角相關(guān)的旋轉(zhuǎn)矩陣：

其中θy為偏航角，θp為俯仰角，θr為滾轉(zhuǎn)角。在ati-sar系統(tǒng)中，主要考慮偏航角和俯仰角影響，而在xti-sar系統(tǒng)中，則主要考慮滾轉(zhuǎn)角的影響。在本發(fā)明的混合at-xtinsar系統(tǒng)中，偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角對基線分量的影響均要加以考慮。

由上可知，在本發(fā)明所建立的包含了基線長度b、順軌基線角α1和交軌基線角α2的基線矢量模型下，結(jié)合載機(jī)運(yùn)動過程中的姿態(tài)角信啟、，可以根據(jù)公式(2)和公式(5)得到任意時刻的順軌基線分量、跨航向基線分量和豎直方向基線分量的大小。

圖2a是本發(fā)明載機(jī)混合at-xtinsar系統(tǒng)的工作原理圖，如圖2a所示，兩個天線先后對同一塊區(qū)域進(jìn)行成像，與傳統(tǒng)的順軌干涉sar系統(tǒng)不同，此處后置天線2并不按照前置天線1的軌跡運(yùn)動，而是存在跨航向和豎直方向的軌跡差。假設(shè)兩個天線在飛行方向的基線分量為bx，載機(jī)速度vp設(shè)為常數(shù)，則經(jīng)歷時間間隔δt＝bx/vp后，兩個天線之間形成傳統(tǒng)的對地形高程敏感的交軌干涉系統(tǒng)，其中交軌基線長度記為b⊥，交軌基線角仍為α2。圖2b是本發(fā)明方位校準(zhǔn)后載機(jī)混合at-xtinsar系統(tǒng)的工作原理圖，如圖2b所示，a1、a2分別代表兩個天線的相位中心，p代表地面目標(biāo)，h為參考天線(天線1)相對參考地形的高度，h為目標(biāo)所在高程，r為參考天線與目標(biāo)之間的最短斜距，θ為下視角，δr為兩個天線到目標(biāo)點(diǎn)的斜距之差。

根據(jù)at-xtinsar系統(tǒng)工作幾何，可以得到在時間間隔δt內(nèi)，兩個天線相位中心到同一點(diǎn)目標(biāo)的距離差為：

δr＝vrδt-bysinθ+bzcosθ(6)

由此引入的相位差為：

其中λ為波長，δt＝bx/vp為兩個天線相位中心運(yùn)動到同一方位位置所需的時間間隔，vr為運(yùn)動目標(biāo)的徑向速度，假設(shè)其在δt時間間隔內(nèi)為常數(shù)。θ為參考天線(天線1)對應(yīng)的入射角，且h為平臺相對參考高程的高度，h為目標(biāo)所處的高度，r為參考天線與目標(biāo)之間的最短斜距。φati為順軌干涉相位，φxti為交軌干涉相位，且：

其中b⊥為交軌基線長度，b⊥＝bcosα1，相當(dāng)于xti-sar系統(tǒng)中的基線長度。

公式(7)寫成向量的形式為：

對于機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)，需要定標(biāo)的參數(shù)主要包括[δφ，b，α1，α2，θy，θp，θr]，即干涉相位偏置δφ、物理基線長度b、順軌基線角α1、交軌基線角α2以及姿態(tài)角[θy，θp，θr]。其中載機(jī)的姿態(tài)角信息可以根據(jù)載機(jī)上的姿態(tài)測量系統(tǒng)直接獲得，如果測量系統(tǒng)的測量精度滿足要求可以不對其進(jìn)行定標(biāo)。為便于說明，在本發(fā)明中假設(shè)姿態(tài)測量系統(tǒng)的測量誤差滿足系統(tǒng)精度要求，此時只需要對參數(shù)[δφ，b，α1，α2]進(jìn)行定標(biāo)處理。

由于運(yùn)動的地面控制點(diǎn)速度不易控制，為減少目標(biāo)運(yùn)動速度控制引入的誤差，我們采用靜止的地面控制點(diǎn)對上述系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行定標(biāo)，如靜止的角反射器。此時干涉相位的表達(dá)式為：

即干涉相位對目標(biāo)高程敏感，目標(biāo)高程為h＝h-rcosθ，其中θ可根據(jù)(11)式通過干涉相位得出。將(11)式展開可以發(fā)現(xiàn)，包含了姿態(tài)角信息的目標(biāo)高程的解析表達(dá)式很難得出，因此直接根據(jù)(11)式標(biāo)定基線長度b和兩個基線角α1、α2不易實現(xiàn)。因此，本發(fā)明提出如圖3所示的定標(biāo)方法對[δφ，b，α1，α2]進(jìn)行間接定標(biāo)。

如圖3所示，本發(fā)明所提定標(biāo)方法的實施步驟具體如下：

第一步，選擇定標(biāo)場，并沿跨航向放置n(n≥3)個靜止的角反射器；

第二步，對定標(biāo)場獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向時間校準(zhǔn)，根據(jù)方位向時間校準(zhǔn)量和載機(jī)平臺速度標(biāo)定順軌基線分量bx，bx＝vp·δt，其中vp為平臺的方位向速度，δt為后置天線運(yùn)動到前置天線同樣的方位向位置所需的時間間隔；

第三步，利用敏感度方程標(biāo)定干涉相位偏置、交軌基線長度和交軌基線角[δφ，b⊥，α2]。將(11)式用[bx，by，bz]表示，則公式(11)變?yōu)楣?9)，進(jìn)而可推得以及目標(biāo)高程的表達(dá)式：h＝h-rcosθ。

敏感度方程為：

其中，分別為控制點(diǎn)高程關(guān)于相位偏置δφ、交軌基線長度b⊥和交軌基線角α2的偏導(dǎo)數(shù)，其構(gòu)成的矩陣即式(12)中等式左邊的第一個矩陣稱為敏感度矩陣，用f表示。δhi為根據(jù)干涉相位得到的目標(biāo)高度與目標(biāo)實際高度之間的誤差。這里i表示定標(biāo)點(diǎn)目標(biāo)的編號。

通過迭代地求解敏感度方程(12)的解，即可得到定標(biāo)后的[δφ，b⊥，α2]。定標(biāo)過程如圖4所示，具體步驟如下：

步驟①：根據(jù)得到的干涉相位和系統(tǒng)參數(shù)估計目標(biāo)高度hest，同時，根據(jù)定標(biāo)點(diǎn)高度信息得到定標(biāo)點(diǎn)的真實高度hreal，二者相減得到高程差δh：

步驟②：利用干涉參數(shù)值得到敏感度矩陣f，利用方程組(12)計算參數(shù)偏差[δφ，δb⊥，δα2]的最小二乘解；

步驟③：利用得到的[δφ，δb⊥，δα2]更新系統(tǒng)參數(shù)[δφ，b⊥，α2]，重新得到定標(biāo)點(diǎn)高度的估計值hest；

步驟④：重新計算估計的定標(biāo)點(diǎn)高度與定標(biāo)點(diǎn)真實高度之間的誤差δh，如果δh滿足精度要求則退出定標(biāo)過程，否則進(jìn)行步驟②繼續(xù)進(jìn)行迭代定標(biāo)。

第四步，根據(jù)敏感度方程的算法流程得到的[b⊥，α2]的定標(biāo)結(jié)果，計算交軌基線分量bv，bz的值：

第五步，根據(jù)第二步和第四步的定標(biāo)結(jié)果可以得到瞬態(tài)基線矢量的表達(dá)式；根據(jù)載機(jī)上安裝的測量系統(tǒng)記錄的姿態(tài)角信息(θy，θp，θr)可以計算得到歐拉矩陣e。利用瞬態(tài)基線與載機(jī)坐標(biāo)系下的基線矢量之間的關(guān)系(如公式(4)所示)，計算得到載機(jī)坐標(biāo)系下的基線矢量：

第六步，利用載機(jī)坐標(biāo)系下基線矢量的表達(dá)式與基線長度和兩個基線角的關(guān)系(如公式(1)所示)，得到基線長度b和基線角α1的定標(biāo)結(jié)果：

通過上述定標(biāo)步驟，即可得到定標(biāo)后的干涉參數(shù)[δφ，b，α1，α2]，完成機(jī)載混合at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)。

與目前常用的機(jī)載xti-sar系統(tǒng)定標(biāo)方法相比較，本發(fā)明通過對機(jī)載混合at-xtinsar系統(tǒng)的基線進(jìn)行重新建模，并修改相應(yīng)的待定標(biāo)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了一種適用于機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)方法。所取得的有益效果為：

1、本發(fā)明針對機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)建立了包含了基線長度和順軌基線角、交軌基線角的新基線矢量模型，該模型能夠全面地描述機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)的基線特點(diǎn)，且能夠根據(jù)載機(jī)姿態(tài)信息獲得任意時刻的基線矢量表達(dá)式。

2、按照本發(fā)明中的基線矢量模型，將待定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的修改，修改后的待定標(biāo)參數(shù)能夠正確、全面地描述機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)需求，從而為定標(biāo)方法研究提供基礎(chǔ)。

3、本發(fā)明提出了一種針對機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)的定標(biāo)方法，該方法通過標(biāo)定某一時刻的三個基線分量間接實現(xiàn)了基線長度和兩個基線角的標(biāo)定，避免了復(fù)雜的公式計算，實現(xiàn)了機(jī)載at-xtinsar系統(tǒng)干涉參數(shù)的定標(biāo)。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。