本發(fā)明屬于雷達(dá)圖像目標(biāo)定位
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種下降軌聚束合成孔徑雷達(dá)定位方法，適用于為雷達(dá)平臺修偏提供準(zhǔn)確的位置信息。
背景技術(shù)：
：雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備，其原理是雷達(dá)設(shè)備發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點的距離、距離分辨率、方位、高度等消息。雷達(dá)的優(yōu)點是白天黑夜均能探測遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力，因此，它在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如氣象預(yù)報、資源探測、環(huán)境監(jiān)測等和科學(xué)研究如天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等的各個方面都得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的雷達(dá)平臺在末端定位階段因慣導(dǎo)誤差導(dǎo)致雷達(dá)的實際位置和慣導(dǎo)指示位置存在較大偏差，影響了雷達(dá)平臺對目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，無法滿足傳統(tǒng)雷達(dá)平臺在末端定位階段的交接班精度要求，降低了雷達(dá)平臺的精確定位性能。合成孔徑雷達(dá)SAR在下降段采用聚束SAR成像模式，通過對目標(biāo)場景進(jìn)行高分辨率二維聚焦成像，實時獲取目標(biāo)場景的SAR成像，并和設(shè)定的SAR基準(zhǔn)圖像進(jìn)行匹配定位，為雷達(dá)平臺修偏提供準(zhǔn)確的目標(biāo)場景與雷達(dá)實際位置信息，從而解決傳統(tǒng)雷達(dá)平臺在末端定位階段的交接班精度不滿足要求的問題。燕英等人在文獻(xiàn)“彈載合成孔徑雷達(dá)成像處理及定位誤差分析”中提到基于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的SAR平臺定位方法，該方法利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)中的斜視角和俯仰角進(jìn)行SAR平臺定位，其方法雖然簡單，但國內(nèi)使用的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)誤差普遍較大，導(dǎo)致SAR平臺定位精度較低。李亞超等人在2004年遙測遙控期刊上發(fā)表的文獻(xiàn)“SAR末制導(dǎo)中導(dǎo)彈定位方法及分析”中提到利用導(dǎo)彈在末制導(dǎo)中不同的三個固定目標(biāo)場景以及有關(guān)該三個固定目標(biāo)場景各自的斜距和地距的已知參數(shù)對導(dǎo)彈彈體進(jìn)行定位；該方法雖然分析了導(dǎo)彈規(guī)則飛行和導(dǎo)彈不規(guī)則飛行對定位精度的影響，但是該定位方法只適用于SAR平臺工作在正側(cè)視條帶模式的情況，對于大斜視聚束模式，該方法并不適用。李亞超等人在“高精度景象匹配下的高速SAR平臺定位和測速可行性研究”中提到一種基于景象匹配的斜視SAR平臺定位算法，該定位算法通過景象匹配，再利用數(shù)字地圖高精度配準(zhǔn)對斜視SAR平臺進(jìn)行定位與測速；雖然該方法的定位精度較高，但是仍然會受到地面匹配點位置的影響，當(dāng)配準(zhǔn)誤差及估計誤差確定，或地面匹配點位置較近時，也會使得對斜視SAR平臺的定位精度下降。楊立波等人在2010年系統(tǒng)工程與電子技術(shù)上發(fā)表的文獻(xiàn)“合成孔徑雷達(dá)景象匹配中制導(dǎo)導(dǎo)彈定位”中提出了基于匹配點距離差和多普勒差的定位模型，對于下降軌聚束SAR而言，它的彈道傾角不為零，則下降軌的速度矢量和中心斜距矢量的夾角與速度矢量和瞬時斜距矢量的夾角不在同一平面上，也就是說下降軌聚束模式下，不能利用距離差和多普勒差的定位模型進(jìn)行測角定位。此外，聚束模式下采用極坐標(biāo)格式算法PFA進(jìn)行SAR成像時，得到的斜平面SAR成像為二維波數(shù)域圖，使得多普勒測角公式不能直接使用，也限制了該方法的應(yīng)用范圍。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提出一種基于圖像匹配的下降軌聚束合成孔徑雷達(dá)定位方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的SAR平臺定位精度較低，不能實現(xiàn)對大斜視聚束合成孔徑雷達(dá)定位的問題，為雷達(dá)平臺修偏提供準(zhǔn)確的目標(biāo)場景與雷達(dá)實際位置信息。本發(fā)明的技術(shù)思路是：運用圖像間高精度仿射變換關(guān)系獲取目標(biāo)點與視線點的實際地理坐標(biāo)信息，并通過構(gòu)建幾何模型實現(xiàn)對目標(biāo)高精度定位，其實現(xiàn)步驟包括如下：(1)以地面點目標(biāo)T為原點，并基于合成孔徑雷達(dá)的下降軌建立北天東坐標(biāo)系下雷達(dá)平臺定位的幾何構(gòu)型，得到地面點目標(biāo)T在成像平面的SAR成像圖；(2)利用成像平面與地平面之間的幾何失真校正映射函數(shù)，將地面點目標(biāo)T在成像平面的SAR成像圖投影到地平面，得到SAR成像匹配圖M1；(3)設(shè)定SAR成像基準(zhǔn)圖M0，并在M0中設(shè)定視線點C，將M1和M0進(jìn)行圖像匹配，得到P個匹配點，再根據(jù)該P個匹配點，得到M1與M0之間的仿射變換矩陣TA；(4)在成像基準(zhǔn)圖M0中分別選取地面點目標(biāo)T和視線點C各自對應(yīng)的位置點，并利用仿射變換矩陣TA得到地面點目標(biāo)T和視線點C分別在成像匹配圖M1中對應(yīng)的位置點坐標(biāo)(xt,yt,zt)和(xc,yc,zc)，通過這兩個位置坐標(biāo)(xt,yt,zt)、(xc,yc,zc)，求出線段CT的長度S；(5)分別設(shè)定合成孔徑雷達(dá)的采樣頻率fs和距離采樣單元數(shù)k，根據(jù)采樣頻率fs和距離采樣單元數(shù)k，得到雷達(dá)實際位置點A分別到目標(biāo)點T的距離R1和到視線點C的距離R2；(6)根據(jù)步驟4和步驟5的結(jié)果，計算得到合成孔徑雷達(dá)實際位置點A的精確坐標(biāo)(x,y,z)：x=R1cosβSxcy=R1cosβSycz=R1sinβ]]>其中β為AT與地面的夾角：cosβ=R12+S2-R222R1S.]]>本發(fā)明的有益效果：第一，本發(fā)明通過圖像匹配算法得到的高精度仿射變換矩陣和基于圖像的雷達(dá)測距，保證了兩點定位幾何構(gòu)型中各點的位置精度；同時，本發(fā)明利用圖像匹配獲取地面點目標(biāo)的高精度相對位置信息和合成孔徑雷達(dá)到各點目標(biāo)的高精度斜距信息，再通過構(gòu)建兩點定位幾何構(gòu)型，解算出以地面點目標(biāo)為原點構(gòu)建的北天東坐標(biāo)系下的雷達(dá)平臺實際位置信息，提高了雷達(dá)平臺的定位精度；第二，本發(fā)明方法只需要單幅匹配圖就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位，不需要多幅圖進(jìn)行數(shù)據(jù)融合提高精度，降低了運算復(fù)雜度；同時，本發(fā)明方法不依賴慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，因此對慣導(dǎo)精度沒有要求，具有較好的應(yīng)用價值；第三，本發(fā)明方法只需要確定視線點的位置信息，其誤差大小不會影響定位精度，能夠有效降低圖像匹配的要求，進(jìn)一步提高了北天東坐標(biāo)系下雷達(dá)定位幾何構(gòu)型的魯棒性；第四，本發(fā)明采用兩點定位的幾何構(gòu)型，適用于小場景定位，解決了現(xiàn)有技術(shù)中雷達(dá)末制導(dǎo)定位中需要大場景聚束成像這一不足之處；第五，本發(fā)明基于地面點目標(biāo)為原點建立北天東坐標(biāo)系，使得合成孔徑雷達(dá)實際位置點輸出的是雷達(dá)三維位置信息，有效減少了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟，并可以直接傳給雷達(dá)平臺的控制系統(tǒng)進(jìn)行雷達(dá)平臺位姿調(diào)整。附圖說明下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；圖2是雷達(dá)平臺定位幾何構(gòu)型示意圖。具體實施方式：參照圖1，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟包括如下：步驟1，以地面點目標(biāo)T為原點，建立北天東坐標(biāo)系下雷達(dá)定位幾何構(gòu)型圖。參照圖2，本步驟的具體實現(xiàn)如下：取坐標(biāo)系原點作為地面點目標(biāo)T，設(shè)X軸正向指向北，Y軸正向指向天，Z軸正向指向東，建立北天東的X-Y-Z三維坐標(biāo)系；取X-Y-Z三維坐標(biāo)系上的任一點作為合成孔徑雷達(dá)的實際位置點A，并將合成孔徑雷達(dá)的實際位置點A投影到地面上得到位置點O，其坐標(biāo)為(x,y,0)；取雷達(dá)與地面點目標(biāo)的斜距AT在地面投影線OT上任一點作為視線點C；將O點投影到Y(jié)坐標(biāo)軸上得到F點，再將視線點C分別投影到X軸、Y軸上得到G點、H點，最后，延長視線點C與X軸之間的距離CG與雷達(dá)的實際位置點A與Y軸距離在地面上的投影OF相交于E點，完成雷達(dá)定位幾何構(gòu)型的建立。步驟2，根據(jù)雷達(dá)的實際位置點A，合理調(diào)整北天東坐標(biāo)系的位置。通過上述定位模型可知，建立的北天東坐標(biāo)系是可調(diào)整的，為了降低合成孔徑雷達(dá)的定位誤差，應(yīng)盡可能地保證雷達(dá)實際位置點A與地面點目標(biāo)T的斜距AT在地面上的投影OT和所述北天東坐標(biāo)系X軸的夾角盡量小，本實例調(diào)整該夾角為15°。步驟3，獲取地面點目標(biāo)T在成像平面的SAR成像圖。采用工作在聚束模式下的合成孔徑雷達(dá)對地面點目標(biāo)T進(jìn)行聚焦成像，得到地面點目標(biāo)T在成像平面的SAR成像圖。步驟4，將地面點目標(biāo)T在成像平面的SAR成像圖投影到地平面，得到SAR成像匹配圖M1。由于下降軌聚束合成孔徑雷達(dá)得到的SAR成像圖在斜平面上，因此根據(jù)雷達(dá)實際位置A的定位需要，利用SAR成像算法中成像平面與地平面之間的幾何失真校正映射函數(shù)，將所述SAR成像圖投影到地平面，就可得到SAR成像匹配圖M1。步驟5，確定基準(zhǔn)圖中視線點C的位置。設(shè)定SAR成像基準(zhǔn)圖M0，選擇基準(zhǔn)圖M0中與目標(biāo)點T同方位向的任一點作為視線C的位置。步驟6，獲取成像匹配圖M1與成像基準(zhǔn)圖M0之間的仿射變換矩陣TA。首先，根據(jù)圖像匹配算法將成像匹配圖M1與成像基準(zhǔn)圖M0進(jìn)行圖像匹配，得到P個匹配點；然后，根據(jù)獲得的P個匹配點，得到成像匹配圖M1與成像基準(zhǔn)圖M0之間的仿射變換矩陣TA。步驟7，計算地面點目標(biāo)T與視線點C之間的距離S。首先，在成像基準(zhǔn)圖M0中分別選取地面點目標(biāo)T和視線點C各自對應(yīng)的位置點；然后，利用成像匹配圖M1與成像基準(zhǔn)圖M0之間的仿射變換矩陣TA，得到地面點目標(biāo)T與視線點C在匹配圖M1中各自對應(yīng)的位置點坐標(biāo)(xt,yt,zt)和(xc,yc,zc)；最后，通過點T、C在匹配圖M1中的位置坐標(biāo)，求出地面點目標(biāo)T與視線點C之間的距離S：S=(xc-xt)2+(yc-yt)2+(zc-zt)2]]>其中xc、yc、zc為視線點C的三維坐標(biāo)值，xt、yt、zt為地面點目標(biāo)T的三維坐標(biāo)值。步驟8，計算合成孔徑雷達(dá)分別到地面點目標(biāo)T的距離R1和視線點C的距離R2。(8a)計算波門采樣前沿R0：設(shè)定合成孔徑雷達(dá)的距離采樣頻率fs，再根據(jù)設(shè)定的距離采樣頻率fs，求出波門采樣前沿R0：R0=Rs-nrn2*c2fs,]]>其中，Rs為雷達(dá)平臺到場景中心的距離，nrn為采樣點數(shù)，fs為采樣頻率，光速c＝3×108m/s；(8b)計算地面點目標(biāo)T的距離單元位置L1和視線點C的距離單元位置L2：(8b1)將目標(biāo)點和視線點在成像匹配圖M1中的位置逆映射回斜平面圖，找到地面點目標(biāo)T所在的距離采樣單元數(shù)k1和視線點C的距離采樣單元數(shù)k2；(8b2)根據(jù)地面點目標(biāo)T所在的距離采樣單元數(shù)k1和視線點C的距離采樣單元數(shù)k2，求出地面點目標(biāo)T的距離單元位置L1和視線點C的距離單元位置L2：L1=k1*c2fsL2=k2*c2fs]]>其中，k1為目標(biāo)點T的距離采樣單元數(shù)，k2為視線點C的距離采樣單元數(shù)，fs為距離向采樣率，光速c＝3×108m/s；(8c)根據(jù)(8a)(8b)得到的結(jié)果，計算合成孔徑雷達(dá)到地面點目標(biāo)T的距離R1和雷達(dá)到視線點C的距離R2。地面各點到雷達(dá)基于圖像測距得到的距離由波門采樣前沿加上各點在成像平面圖像中的距離單元位置得到，其精度可以達(dá)到單個距離單元級別；并且在實際應(yīng)用過程中，合成孔徑雷達(dá)的實際位置點A到地面點各點的距離還需要考慮地面點的數(shù)字高程模型DEM。因此，雷達(dá)的實際位置點A到地面各點的距離近似等于基于圖像測距得到的距離加上地面各點的數(shù)字高程模型值，則合成孔徑雷達(dá)到地面點目標(biāo)T的距離R1和雷達(dá)到視線點C的距離R2的表達(dá)式為：R1=L1+R0+DEM1R2=L2+R0+DEM2]]>其中，DEM1表示目標(biāo)點T的當(dāng)?shù)財?shù)字高程模型值，DEM2表示視線點C的當(dāng)?shù)財?shù)字高程模型值，L1為目標(biāo)點T的距離單元位置，L2為視線點C的距離單元位置，fs為距離向采樣率，R0為波門采樣前沿。步驟9，計算合成孔徑雷達(dá)的實際位置點A的坐標(biāo)值(x,y,z)。根據(jù)合成孔徑雷達(dá)實際位置點A到地面點目標(biāo)T的距離R1、A到視線點C的距離R2，視線點C與目標(biāo)點T的距離S，計算得到合成孔徑雷達(dá)的實際位置點A的坐標(biāo)值(x,y,z)：x=R1cosβSxcy=R1cosβSycz=R1sinβ]]>其中xc、yc分別是視線點C的橫縱坐標(biāo)，β為雷達(dá)與地面點目標(biāo)的斜距AT與地面的夾角：cosβ=R12+S2-R222R1S.]]>本發(fā)明效果可以通過下述仿真實驗進(jìn)一步說明。(一)仿真條件SAR雷達(dá)的實際位置點與地面點目標(biāo)T的斜距在地面的投影與X軸的夾角∠XTO＝10°；設(shè)定的視線點C在X軸上的距離Δx＝9000m，設(shè)定的視線點C在Y軸上的距離Δy＝1586.9m；匹配誤差Δp＝5m，即圖像匹配時判斷誤匹配的門限值；測距誤差ΔLm＝6m，即合成孔徑雷達(dá)實際位置點A到地面點目標(biāo)T的距離R1、A到視線點C的距離R2，視線點C與目標(biāo)點T的距離S這些數(shù)據(jù)測距誤差的最大值；設(shè)雷達(dá)位置點與地面點目標(biāo)的距離R，本次實驗通過觀察雷達(dá)位置點與地面點目標(biāo)的距離R增大后合成孔徑雷達(dá)定位精度的變化確定本發(fā)明的適用性，雷達(dá)位置點與地面點目標(biāo)的距離R的取值如表1中的第一列所示。(二)仿真內(nèi)容與結(jié)果對雷達(dá)位置點與地面點目標(biāo)的距離R逐漸增大，編寫matlab程序計算出每一個R值對應(yīng)的合成孔徑雷達(dá)實際位置點的定位誤差，仿真實驗結(jié)果如表1中第二、三、四列所示，其中，Δxo表示合成孔徑雷達(dá)的實際位置點在X軸上的測距誤差，Δyo表示SAR雷達(dá)的實際位置點在Y軸上的測距誤差，Δzo表示SAR雷達(dá)的實際位置點在Z軸上的測距誤差。表1定位誤差仿真結(jié)果及參數(shù)仿真結(jié)果表明，將雷達(dá)的位置移動到距離目標(biāo)點較遠(yuǎn)的位置后，定位精度仍小于30m，能夠滿足雷達(dá)定位和交接班需求。以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解本
發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3