一種基于多旋翼無人機的微型sar遙感觀測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多旋翼無人機的微型SAR遙感觀測方法，它使用到的系統(tǒng)包括多旋翼無人機系統(tǒng)、微型SAR觀測系統(tǒng)；微型SAR觀測系統(tǒng)由SAR雷達主機、IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)、雷達射頻天線、GPS模塊、雷達控制設(shè)備、電池模塊組成；雷達控制設(shè)備通過USB3.0或串口與SAR雷達主機相連接；IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)、電池模塊均通過整機電纜與SAR雷達主機相連接；GPS模塊、雷達射頻天線分別通過同軸電纜、射頻同軸電纜與SAR雷達主機相連接；微型SAR觀測系統(tǒng)通過GPS模塊與多旋翼無人機系統(tǒng)相連接。本發(fā)明可以有效降低SAR圖像獲取的飛行成本，實現(xiàn)微型SAR觀測系統(tǒng)的快速部署以及迅速成像，具有操作簡單、使用方便、價格低廉的優(yōu)勢。
【專利說明】
一種基于多旋翼無人機的微型SAR遙感觀測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種SAR遙感觀測方法，尤其涉及一種基于多旋翼無人機的微型SAR遙 感觀測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(SAR)是一種具備距離向高分辨和方位向高分辨能力的成像雷達。 它利用以多普勒頻移理論和雷達相干為基礎(chǔ)的合成孔徑技術(shù)，突破了真實孔徑天線對方位 向分辨率的限制，與脈沖壓縮技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了遠距離目標的二維高分辨率成像，從而能 夠獲得大面積的高分辨率雷達圖像。目前，SAR對地遙感觀測技術(shù)主要有星載SAR和機載SAR 兩種方式。
[0003] 對于星載SAR，由于衛(wèi)星的地面覆蓋周期較長，單次飛行觀測任務(wù)的時效性較差， 因此，在突發(fā)事件、應(yīng)急救援等方面不能滿足快速部署的時效性要求；同時，星載SAR設(shè)備的 研發(fā)和使用費用很高、調(diào)用衛(wèi)星進行對地觀測也需要專業(yè)的技術(shù)人員等因素，造成了使用 高分辨率SAR圖像的成本極高，所以在很多民用領(lǐng)域，星載SAR的高成本嚴重限制了其進一 步在各個行業(yè)的推廣和應(yīng)用。
[0004] 對于機載SAR，由于傳統(tǒng)的SAR具有體積較大、重量較重等缺點，SAR成像質(zhì)量對飛 行平臺的要求較為嚴格。飛行任務(wù)對飛行平臺的載重量、飛行時間、飛行高度等因素的要求 也進一步限制了SAR在不同飛機上的使用和普及，因此，機載SAR的飛機平臺目前主要集中 在大中型有人機和部分無人機上。雖然機載SAR相較于星載SAR，平臺靈活性、觀測時效性方 面得到了提高，使用成本和系統(tǒng)復(fù)雜度也得到降低，但是，飛行平臺（有人機和無人機)的駕 駛、操作、使用、保養(yǎng)、空域?qū)徟?、氣象條件等因素也提高了SAR圖像的獲取成本，降低了SAR 的部署靈活性。因此，傳統(tǒng)機載SAR的遙感圖像獲取手段不能滿足部分行業(yè)應(yīng)用在低成本、 高靈活性、使用簡單的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種基于多旋翼無人機的微 型SAR遙感觀測方法。
[0006] 為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于多旋翼無人機的微 型SAR遙感觀測方法，它使用到的系統(tǒng)包括多旋翼無人機系統(tǒng)、微型SAR觀測系統(tǒng);微型SAR 觀測系統(tǒng)由SAR雷達主機、MJ慣導(dǎo)系統(tǒng)、雷達射頻天線、GPS模塊、雷達控制設(shè)備、電池模塊 組成;雷達控制設(shè)備通過USB3.0或串口與SAR雷達主機相連接;頂U慣導(dǎo)系統(tǒng)、電池模塊均通 過整機電纜與SAR雷達主機相連接;GPS模塊、雷達射頻天線分別通過同軸電纜、射頻同軸電 纜與SAR雷達主機相連接;微型SAR觀測系統(tǒng)通過GPS模塊與多旋翼無人機系統(tǒng)相連接； 一種基于多旋翼無人機的微型SAR遙感觀測方法分為六個步驟： 步驟一、觀測任務(wù)前準備:首先根據(jù)本次飛行遙感觀測任務(wù)的需求，選擇適合本次飛行 任務(wù)的多旋翼無人機機型，需要考慮的因素有無人機的飛行高度、續(xù)航時間、巡航速度、最 大載重;完成機型選擇后，對飛行器進行觀測任務(wù)前飛行測試，包括飛行器的懸停試驗、自 動駕駛飛行試驗、遙控飛行試驗，并對本次試驗獲取的飛行高度、巡航速度、載重以及飛行 時間進行記錄，進一步檢查本機型的實際飛行數(shù)據(jù)能否滿足SAR遙感觀測任務(wù)需要； 然后根據(jù)飛行任務(wù)選擇不同觀測模式的任務(wù)載荷進行微型SAR遙感觀測載荷準備，可 選的模式包括單極化模式、全極化模式、干涉模式;通過設(shè)備通電測試、發(fā)射和接收天線測 試、回波數(shù)據(jù)檢查和設(shè)備參數(shù)選擇對SAR雷達載荷設(shè)備進行檢查;SAR雷達載荷設(shè)備檢查合 格后進行飛行器與載荷安裝尺寸測量，主要是對飛行器和雷達載荷各模塊的幾何尺寸、重 量進行測量;最后進行載荷結(jié)構(gòu)安裝件設(shè)計與加工，即利用測量結(jié)果，由結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計安 全穩(wěn)固的架構(gòu)安裝件并進行加工； 步驟二、飛行航線設(shè)計:飛行航線設(shè)計包括飛行載荷航線設(shè)計、飛行器自動駕駛航線設(shè) 計;航線設(shè)計需要綜合考慮作業(yè)區(qū)域的長度、寬度、面積、測區(qū)重疊度，無人機的飛行速度、 飛行時間、飛行高度，作業(yè)航線數(shù)量以及氣象條件，可設(shè)置的具體參數(shù)為:飛行作業(yè)高度，用 "h"表示;飛行作業(yè)速度，用V'表示；飛行總時間，用"T"表示;單航線飛行時間，用"t"表示； 測區(qū)重疊度，用"P"表示;作業(yè)航線數(shù)量，用"L"表示;雷達中心視角，用"0"表示;距離向波束 角，用"a"表示；測繪寬度，用"x"表示;條帶長度，用"y"表示；測區(qū)面積，用"S"表示;這些參 數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，在參數(shù)設(shè)計時需要綜合考慮，各參數(shù)之間的關(guān)系如下： a、 飛行作業(yè)高度、雷達中心視角、測繪寬度之間的關(guān)系：用A點表示飛機位置，BE表示觀 測地面，AB表示飛行高度，ZBAC表示雷達中心視角，則DE的長度為測繪帶寬的理論值； 幾何計算測繪帶寬的公式為： DE=AB(tanZBAE- tanZBAD), 即：x=h(tan(9+a/2)-tan(9-a/2)); b、 飛行作業(yè)速度、單航線飛行時間、條帶長度之間的關(guān)系:條帶長度為飛行作業(yè)速度和 單航線飛行時間的乘積，即：y=v.t; c、 測繪寬度、條帶長度、測區(qū)重疊度之間、測區(qū)面積的關(guān)系:測區(qū)面積取決于測繪帶寬、 條帶長度以及測區(qū)重疊度；以兩個條帶為例，M1M2N2N1為條帶1的測區(qū)范圍，M3M4N4N3為條 帶2的測區(qū)范圍，兩個測區(qū)的重疊區(qū)域為N1N2N3N4，M1M2M3M4為測區(qū)總面積S，M1N1、M2N2、 M3N3、M4N4為測繪寬度x，M1M2、M3M4為條帶長度y;根據(jù)幾何關(guān)系， SM1M2M3M4 = SM1M2N2N1 + SM3M4N4N3 ~ SN1N2N3N4, 艮P :S=xy(l+P); 步驟三、微型SAR載荷安裝與連接:將已加工好的結(jié)構(gòu)安裝件固定在多旋翼無人機上， 然后將載荷的各個模塊安裝在結(jié)構(gòu)件上，保證載荷與結(jié)構(gòu)總重量能夠滿足飛行器的最大載 重量和重心穩(wěn)定要求;上述結(jié)構(gòu)件安裝完畢后，進行載荷設(shè)備的電路連接，將載荷和電路線 纜固定穩(wěn)定。
[0007]步驟四、飛行前準備與設(shè)備檢查：飛行前準備與設(shè)備檢查主要包括以下步驟:飛行 器自動駕駛航線導(dǎo)入、SAR飛行作業(yè)航線導(dǎo)入、SAR載荷工作狀態(tài)檢查、P0S工作狀態(tài)檢查、 GPS信號檢查、飛行前系統(tǒng)靜止； a、 飛行器自動駕駛航線導(dǎo)入:將上述設(shè)計好的飛行器自動駕駛航線通過地面站或者無 線傳輸導(dǎo)入到多旋翼無人機中的控制系統(tǒng)，并檢查是否導(dǎo)入成功； b、 SAR飛行作業(yè)航線導(dǎo)入:將上述設(shè)計好的載荷飛行航線通過地面站的USB3.0或者串 口導(dǎo)入到SAR雷達載荷中，根據(jù)SAR數(shù)據(jù)采集與控制軟件檢查航線文件是否導(dǎo)入成功； c、 SAR載荷工作狀態(tài)檢查:打開SAR載荷電源，利用地面站的SAR數(shù)據(jù)采集與控制軟件， 通過雷達射頻天線發(fā)射和接收信號，分析回波信號是否正常，進而判斷SAR雷達載荷是否正 常工作； d、 POS工作狀態(tài)檢查:在載荷工作正常后，根據(jù)SAR雷達主機的POS狀態(tài)指示燈，判斷POS 系統(tǒng)是否正常工作； e、 GPS信號檢查:在系統(tǒng)線纜連接正常并打開電源后，等待2-8min，然后通過SAR雷達主 機的GPS信號指示燈閃爍的次數(shù)，判斷GPS搜索衛(wèi)星個數(shù)；當衛(wèi)星個數(shù)達到4顆以上后，表示 GPS信號穩(wěn)定，滿足觀測需要，可以進行正常飛行作業(yè)； f、 飛行前系統(tǒng)靜止:在準備工作就緒之后，讓系統(tǒng)靜止4_6min，待系統(tǒng)靜止完畢后，開 始飛行作業(yè)； 步驟五、無人機載SAR飛行作業(yè):待上述準備工作全部就緒、系統(tǒng)具備飛行作業(yè)的條件 之后，多旋翼無人機載微型SAR開始正式進入飛行作業(yè)階段；以兩個觀測條帶為例，A點表示 為飛機起點和降落點，B點表示為控制點1，C點表示為條帶1作業(yè)起點，D點表示為條帶1作業(yè) 終點，E點表示為控制點2，F(xiàn)點表示為條帶2作業(yè)起點，G點表示為條帶2作業(yè)終點，H點表示為 控制點3,無人機載微型SAR遙感觀測作業(yè)的具體流程如下： a、 飛機從A點起飛，進行加速爬升到B點，調(diào)整姿態(tài)和速度進行懸停； b、 飛機從B點開始加速并達到作業(yè)速度，然后保持勻速飛行并通過C點，SAR雷達主機開 機，正式進入雷達遙感觀測作業(yè)階段； c、 飛機到達D點，條帶1飛行觀測結(jié)束，SAR雷達主機關(guān)機； d、 飛機開始調(diào)整姿態(tài)，飛行控制點E，進行懸停，等待條帶2飛行觀測； e、 飛機從E點加速，達到飛行作業(yè)速度，保持勻速飛行到達F點，SAR雷達主機二次開機， 開始進行第二次遙感觀測作業(yè)； f、 飛機完成條帶2飛行作業(yè)，達到G點，SAR雷達主機關(guān)機； g、 飛機從G點飛到控制點H進行懸停，然后開始降落到達原起止點A，飛行遙感觀測作業(yè) 結(jié)束； 步驟六、數(shù)據(jù)導(dǎo)出與成像處理:在飛行作業(yè)完畢之后，關(guān)閉無人機飛行器，系統(tǒng)靜止4-6min，然后取出SAR雷達主機，回到室內(nèi)通過數(shù)據(jù)采集與控制軟件導(dǎo)出飛行數(shù)據(jù)，利用導(dǎo)出 的POS數(shù)據(jù)對飛機的飛行誤差進行運動補償，并對雷達原始回波數(shù)據(jù)進行成像處理，最終獲 得測量區(qū)域的高分辨率SAR圖像。
[0008]飛行載荷航線設(shè)計的步驟包括:確定測繪區(qū)域、設(shè)置飛行參數(shù)、計算載荷工作起止 點、載荷飛行航線文件配置； a、 確定測繪區(qū)域:根據(jù)觀測任務(wù)的實際需要，并結(jié)合SAR雷達載荷和多旋翼無人機的實 際性能，劃定合理的觀測區(qū)域； b、 設(shè)置飛行參數(shù):在觀測區(qū)域確定后，利用飛行器的性能指標，設(shè)置飛行器的飛行作業(yè) 速度和相對飛行高度； c、 計算載荷工作起止點：根據(jù)上述已確定的觀測區(qū)域的長度、寬度、面積和測區(qū)重疊 度，確定實際需要幾條航線，計算每一條航線起止點的經(jīng)煒度，再根據(jù)上述已設(shè)置的相對飛 行高度，結(jié)合測區(qū)的實際海拔高度，計算雷達作業(yè)起止點的海拔高度； d、載荷飛行航線文件配置:保存上述計算出的雷達作業(yè)起止點的經(jīng)煒高數(shù)據(jù)，根據(jù)航 線文件格式設(shè)計SAR雷達載荷的飛行航線文件。
[0009] 飛行器自動駕駛航線設(shè)計的步驟包括:確定飛機作業(yè)流程、關(guān)鍵點設(shè)定、飛行參數(shù) 設(shè)計、配置無人機航線文件； a、 確定飛機作業(yè)流程:根據(jù)測區(qū)分布，確定飛機整個作業(yè)流程，包括起飛、爬升、飛行作 業(yè)、降落各個環(huán)節(jié)； b、 關(guān)鍵點設(shè)定:在飛行器實際性能指標和作業(yè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，計算飛行作業(yè)流程幾個 關(guān)鍵節(jié)點的經(jīng)煒高數(shù)據(jù)，為飛行作業(yè)航線文件配置奠定基礎(chǔ)；關(guān)鍵節(jié)點包括起飛點、控制 點、作業(yè)起止點、降落點； c、 飛行參數(shù)設(shè)計:根據(jù)飛機的續(xù)航時間要求，完成飛機起飛、加速爬升、懸?？刂?、飛行 作業(yè)、作業(yè)調(diào)度、減速降落過程的速度以及飛行時間參數(shù)的設(shè)計； d、 配置無人機航線文件:根據(jù)上述已確定的關(guān)鍵節(jié)點的經(jīng)煒高信息和飛行速度參數(shù)， 配置無人機航線文件。
[0010] 本發(fā)明可以有效降低SAR圖像獲取的飛行成本，實現(xiàn)微型SAR觀測系統(tǒng)的快速部署 以及迅速成像，具有操作簡單、使用方便、價格低廉的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0011] 圖1為微型SAR觀測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接關(guān)系示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明的整體流程圖。
[0013]圖3為觀測任務(wù)前準備的流程圖。
[0014]圖4為測繪帶寬計算示意圖。
[0015] 圖5為測區(qū)面積計算示意圖。
[0016] 圖6為飛行載荷航線設(shè)計的流程圖。
[0017] 圖7為飛行器自動駕駛航線設(shè)計的流程圖。
[0018] 圖8為飛行前準備和檢查的流程圖。
[0019] 圖9為飛機的飛行軌跡和作業(yè)流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括多旋翼無人機系統(tǒng)、微型SAR觀測系統(tǒng);微型SAR觀 測系統(tǒng)由SAR雷達主機、MU慣導(dǎo)系統(tǒng)、雷達射頻天線、GPS模塊、雷達控制設(shè)備、電池模塊組 成;SAR雷達主機的作用是產(chǎn)生激勵信號，放大后送發(fā)射天線進行輻射，并接收來自接收天 線的雷達回波信號，進行采集和存儲;雷達控制設(shè)備通過USB3.0或串口與SAR雷達主機相連 接，雷達控制設(shè)備為計算機，主要是用于輸入雷達觀測航線、導(dǎo)出雷達數(shù)據(jù)、飛行前雷達設(shè) 備檢查；MU慣導(dǎo)系統(tǒng)、電池模塊均通過整機電纜與SAR雷達主機相連接；MU慣導(dǎo)系統(tǒng)主要 為微型SAR系統(tǒng)成像處理提供運動補償，電池模塊為整個微型SAR雷達系統(tǒng)提供電力支持； GPS模塊、雷達射頻天線分別通過同軸電纜、射頻同軸電纜與SAR雷達主機相連接;微型SAR 觀測系統(tǒng)通過GPS模塊與多旋翼無人機系統(tǒng)相連接;雷達射頻天線的主要功能是將發(fā)射機 輸出的微波功率進行傳輸和輻射出去照射地面，然后接收地面目標的回波信號，通過饋線 傳送給接收機。
[0022] 一種基于多旋翼無人機的微型SAR遙感觀測方法主要包括以下六個步驟，如圖2所 示： 步驟一、觀測任務(wù)前準備:在進行遙感觀測前，需要對多旋翼無人機、雷達設(shè)備以及結(jié) 構(gòu)安裝件進行準備，并進行充分的測試，達到滿足遙感觀測飛行作業(yè)任務(wù)的條件。觀測任務(wù) 前準備的流程如圖3所示，首先根據(jù)本次飛行遙感觀測任務(wù)的需求，選擇適合本次飛行任務(wù) 的多旋翼無人機機型，需要考慮的因素有無人機的飛行高度、續(xù)航時間、巡航速度、最大載 重;完成機型選擇后，對飛行器進行觀測任務(wù)前飛行測試，包括飛行器的懸停試驗、自動駕 駛飛行試驗、遙控飛行試驗，并對本次試驗獲取的飛行高度、巡航速度、載重以及飛行時間 進行記錄，進一步檢查本機型的實際飛行數(shù)據(jù)能否滿足SAR遙感觀測任務(wù)需要； 然后根據(jù)飛行任務(wù)選擇不同觀測模式的任務(wù)載荷進行微型SAR遙感觀測載荷準備，可 選的模式包括單極化模式、全極化模式、干涉模式;通過設(shè)備通電測試、發(fā)射和接收天線測 試、回波數(shù)據(jù)檢查和設(shè)備參數(shù)選擇對SAR雷達載荷設(shè)備進行檢查，使得本載荷可以達到飛行 觀測的需要;SAR雷達載荷設(shè)備檢查合格后進行飛行器與載荷安裝尺寸測量，主要是對飛行 器和雷達載荷各模塊的幾何尺寸、重量進行測量，便于后續(xù)進行結(jié)構(gòu)安裝和重心配平;最后 進行載荷結(jié)構(gòu)安裝件設(shè)計與加工，即利用測量結(jié)果，由結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計安全穩(wěn)固的架構(gòu)安 裝件并進行加工。
[0023] 步驟二、飛行航線設(shè)計:飛行航線設(shè)計包括飛行載荷航線設(shè)計、飛行器自動駕駛航 線設(shè)計;航線設(shè)計需要綜合考慮作業(yè)區(qū)域的長度、寬度、面積、測區(qū)重疊度，無人機的飛行速 度、飛行時間、飛行高度，作業(yè)航線數(shù)量以及氣象條件。
[0024] 飛行作業(yè)的具體參數(shù)如表1所示(此表僅作參考用，具體飛行作業(yè)參數(shù)需要根據(jù)實 際情況進行靈活設(shè)置）： 表1飛行作業(yè)參數(shù)
這些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，在參數(shù)設(shè)計時需要綜合考慮，各參數(shù)之間的關(guān)系如下： a、 飛行作業(yè)高度、雷達中心視角、測繪寬度之間的關(guān)系：如圖4所示，用A點表示飛機位 置，BE表示觀測地面，AB表示飛行高度，ZBAC表示雷達中心視角，則DE的長度為測繪帶寬的 理論值； 幾何計算測繪帶寬的公式為： DE=AB(tanZBAE- tanZBAD), 即：x=h(tan(9+a/2)-tan(9-a/2)); b、 飛行作業(yè)速度、單航線飛行時間、條帶長度之間的關(guān)系:條帶長度為飛行作業(yè)速度和 單航線飛行時間的乘積，即：y=v.t; c、 測繪寬度、條帶長度、測區(qū)重疊度之間、測區(qū)面積的關(guān)系:測區(qū)面積取決于測繪帶寬、 條帶長度以及測區(qū)重疊度；如圖5所示，以兩個條帶為例，M1M2N2N1為條帶1的測區(qū)范圍， M3M4N4N3為條帶2的測區(qū)范圍，兩個測區(qū)的重疊區(qū)域為N1N2N3N4，M1M2M3M4為測區(qū)總面積S， MINI、M2N2、M3N3、M4N4為測繪寬度x，M1M2、M3M4為條帶長度y;根據(jù)幾何關(guān)系， SM1M2M3M4 = SM1M2N2N1 + Sm3M4N4N3 _ Sn1N2N3N4j 艮P :S=xy(l+P); 如圖6所示，飛行載荷航線設(shè)計的步驟包括:確定測繪區(qū)域、設(shè)置飛行參數(shù)、計算載荷工 作起止點、載荷飛行航線文件配置； a、 確定測繪區(qū)域:根據(jù)觀測任務(wù)的實際需要，并結(jié)合SAR雷達載荷和多旋翼無人機的實 際性能，劃定合理的觀測區(qū)域； b、 設(shè)置飛行參數(shù):在觀測區(qū)域確定后，利用飛行器的性能指標，設(shè)置飛行器的飛行作業(yè) 速度和相對飛行高度； C、計算載荷工作起止點：根據(jù)上述已確定的觀測區(qū)域的長度、寬度、面積和測區(qū)重疊 度，確定實際需要幾條航線，計算每一條航線起止點的經(jīng)煒度，再根據(jù)上述已設(shè)置的相對飛 行高度，結(jié)合測區(qū)的實際海拔高度，計算雷達作業(yè)起止點的海拔高度； d、載荷飛行航線文件配置:保存上述計算出的雷達作業(yè)起止點的經(jīng)煒高數(shù)據(jù)，根據(jù)航 線文件格式設(shè)計SAR雷達載荷的飛行航線文件； 如圖7所示，飛行器自動駕駛航線設(shè)計的步驟包括:確定飛機作業(yè)流程、關(guān)鍵點設(shè)定、飛 行參數(shù)設(shè)計、配置無人機航線文件； a、 確定飛機作業(yè)流程:根據(jù)測區(qū)分布，確定飛機整個作業(yè)流程，包括起飛、爬升、飛行作 業(yè)、降落各個環(huán)節(jié)； b、 關(guān)鍵點設(shè)定:在飛行器實際性能指標和作業(yè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，計算飛行作業(yè)流程幾個 關(guān)鍵節(jié)點的經(jīng)煒高數(shù)據(jù)，為飛行作業(yè)航線文件配置奠定基礎(chǔ)；關(guān)鍵節(jié)點包括起飛點、控制 點、作業(yè)起止點、降落點； c、 飛行參數(shù)設(shè)計:根據(jù)飛機的續(xù)航時間要求，完成飛機起飛、加速爬升、懸?？刂?、飛行 作業(yè)、作業(yè)調(diào)度、減速降落過程的速度以及飛行時間參數(shù)的設(shè)計； d、 配置無人機航線文件:根據(jù)上述已確定的關(guān)鍵節(jié)點的經(jīng)煒高信息和飛行速度參數(shù)， 配置無人機航線文件。
[0025]步驟三、微型SAR載荷安裝與連接:將已加工好的結(jié)構(gòu)安裝件固定在多旋翼無人機 上，然后將載荷的各個模塊安裝在結(jié)構(gòu)件上，保證載荷與結(jié)構(gòu)總重量能夠滿足飛行器的最 大載重量和重心穩(wěn)定要求;上述結(jié)構(gòu)件安裝完畢后，進行載荷設(shè)備的電路連接，由于飛行器 高空作業(yè)時風速較大，因此需要將載荷和電路線纜固定穩(wěn)定，以免出現(xiàn)意外。
[0026]步驟四、飛行前準備與設(shè)備檢查:在進行正式飛行作業(yè)前，進行充分的準備工作和 設(shè)備檢查是完全必要的。如圖8所示，飛行前準備與設(shè)備檢查主要包括以下步驟：飛行器自 動駕駛航線導(dǎo)入、SAR飛行作業(yè)航線導(dǎo)入、SAR載荷工作狀態(tài)檢查、P0S工作狀態(tài)檢查、GPS信 號檢查、飛行前系統(tǒng)靜止； a、 飛行器自動駕駛航線導(dǎo)入:將上述設(shè)計好的飛行器自動駕駛航線通過地面站或者無 線傳輸導(dǎo)入到多旋翼無人機中的控制系統(tǒng)，并檢查是否導(dǎo)入成功； b、 SAR飛行作業(yè)航線導(dǎo)入:將上述設(shè)計好的載荷飛行航線通過地面站的USB3.0或者串 口導(dǎo)入到SAR雷達載荷中，根據(jù)SAR數(shù)據(jù)采集與控制軟件檢查航線文件是否導(dǎo)入成功； c、 SAR載荷工作狀態(tài)檢查:打開SAR載荷電源，利用地面站的SAR數(shù)據(jù)采集與控制軟件， 通過雷達射頻天線發(fā)射和接收信號，分析回波信號是否正常，進而判斷SAR雷達載荷是否正 常工作； d、 P0S工作狀態(tài)檢查:在載荷工作正常后，根據(jù)SAR雷達主機的P0S狀態(tài)指示燈，判斷P0S 系統(tǒng)是否正常工作； e、 GPS信號檢查:在系統(tǒng)線纜連接正常并打開電源后，等待2-8min，然后通過SAR雷達主 機的GPS信號指示燈閃爍的次數(shù)，判斷GPS搜索衛(wèi)星個數(shù)；當衛(wèi)星個數(shù)達到4顆以上后，表示 GPS信號穩(wěn)定，滿足觀測需要，可以進行正常飛行作業(yè)； f、 飛行前系統(tǒng)靜止:為了獲取準確的P0S位置信息，提高定位精度，在一切準備工作就 緒之后，讓系統(tǒng)靜止4-6min，待系統(tǒng)靜止完畢后，開始飛行作業(yè)。
[0027] 步驟五、無人機載SAR飛行作業(yè):待上述準備工作全部就緒、系統(tǒng)具備飛行作業(yè)的 條件之后，多旋翼無人機載微型SAR開始正式進入飛行作業(yè)階段;如圖9所示，以兩個觀測條 帶為例，A點表示為飛機起點和降落點，B點表示為控制點1，C點表示為條帶1作業(yè)起點，D點 表示為條帶1作業(yè)終點，E點表示為控制點2，F(xiàn)點表示為條帶2作業(yè)起點，G點表示為條帶2作 業(yè)終點，H點表示為控制點3，無人機載微型SAR遙感觀測作業(yè)的具體流程如下： a、 飛機從A點起飛，進行加速爬升到B點，調(diào)整姿態(tài)和速度進行懸停； b、 飛機從B點開始加速并達到作業(yè)速度，然后保持勻速飛行并通過C點，SAR雷達主機開 機，正式進入雷達遙感觀測作業(yè)階段； c、 飛機到達D點，條帶1飛行觀測結(jié)束，SAR雷達主機關(guān)機； d、 飛機開始調(diào)整姿態(tài)，飛行控制點E，進行懸停，等待條帶2飛行觀測； e、 飛機從E點加速，達到飛行作業(yè)速度，保持勻速飛行到達F點，SAR雷達主機二次開 機，開始進行第二次遙感觀測作業(yè)； f、 飛機完成條帶2飛行作業(yè)，達到G點，SAR雷達主機關(guān)機； g、飛機從G點飛到控制點H進行懸停，然后開始降落到達原起止點A，飛行遙感觀測作業(yè) 結(jié)束。
[0028] 步驟六、數(shù)據(jù)導(dǎo)出與成像處理:在飛行作業(yè)完畢之后，關(guān)閉無人機飛行器，系統(tǒng)靜 止4-6min，然后取出SAR雷達主機，回到室內(nèi)通過數(shù)據(jù)采集與控制軟件導(dǎo)出飛行數(shù)據(jù)(包括 雷達原始回波數(shù)據(jù)和P0S數(shù)據(jù)），利用導(dǎo)出的P0S數(shù)據(jù)對飛機的飛行誤差進行運動補償，并對 雷達原始回波數(shù)據(jù)進行成像處理，最終獲得測量區(qū)域的高分辨率SAR圖像。
[0029] 本發(fā)明觀測出的SAR圖像成像質(zhì)量好，圖像清晰，分辨率高，經(jīng)過測算分辨率優(yōu)于 0.3m〇
[0030] 本發(fā)明將微小型SAR與多旋翼無人機進行了有效結(jié)合，很好的降低了 SAR圖像獲取 的飛行成本，并且可以實現(xiàn)微型SAR觀測系統(tǒng)的快速部署以及迅速成像，具有操作簡單、使 用方便、價格低廉的優(yōu)勢，為SAR在應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害救援、低成本遙感觀測、SAR的應(yīng)用普及和 推廣等方面提供了重要的系統(tǒng)解決方案。
[0031] 上述實施方式并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員在本發(fā)明的技術(shù)方案范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也均屬于本發(fā) 明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于多旋翼無人機的微型SAR遙感觀測方法，其特征在于:所述方法使用到的系 統(tǒng)包括多旋翼無人機系統(tǒng)、微型SAR觀測系統(tǒng);所述微型SAR觀測系統(tǒng)由SAR雷達主機、IMU慣 導(dǎo)系統(tǒng)、雷達射頻天線、GPS模塊、雷達控制設(shè)備、電池模塊組成；所述雷達控制設(shè)備通過 USB3.0或串口與SAR雷達主機相連接;所述MJ慣導(dǎo)系統(tǒng)、電池模塊均通過整機電纜與SAR雷 達主機相連接;所述GPS模塊、雷達射頻天線分別通過同軸電纜、射頻同軸電纜與SAR雷達主 機相連接;所述微型SAR觀測系統(tǒng)通過GPS模塊與多旋翼無人機系統(tǒng)相連接； 所述方法分為六個步驟： 步驟一、觀測任務(wù)前準備:首先根據(jù)本次飛行遙感觀測任務(wù)的需求，選擇適合本次飛行 任務(wù)的多旋翼無人機機型，需要考慮的因素有無人機的飛行高度、續(xù)航時間、巡航速度、最 大載重;完成機型選擇后，對飛行器進行觀測任務(wù)前飛行測試，包括飛行器的懸停試驗、自 動駕駛飛行試驗、遙控飛行試驗，并對本次試驗獲取的飛行高度、巡航速度、載重以及飛行 時間進行記錄，進一步檢查本機型的實際飛行數(shù)據(jù)能否滿足SAR遙感觀測任務(wù)需要； 然后根據(jù)飛行任務(wù)選擇不同觀測模式的任務(wù)載荷進行微型SAR遙感觀測載荷準備，可 選的模式包括單極化模式、全極化模式、干涉模式;通過設(shè)備通電測試、發(fā)射和接收天線測 試、回波數(shù)據(jù)檢查和設(shè)備參數(shù)選擇對SAR雷達載荷設(shè)備進行檢查;SAR雷達載荷設(shè)備檢查合 格后進行飛行器與載荷安裝尺寸測量，主要是對飛行器和雷達載荷各模塊的幾何尺寸、重 量進行測量;最后進行載荷結(jié)構(gòu)安裝件設(shè)計與加工，即利用測量結(jié)果，由結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計安 全穩(wěn)固的架構(gòu)安裝件并進行加工； 步驟二、飛行航線設(shè)計:飛行航線設(shè)計包括飛行載荷航線設(shè)計、飛行器自動駕駛航線設(shè) 計;航線設(shè)計需要綜合考慮作業(yè)區(qū)域的長度、寬度、面積、測區(qū)重疊度，無人機的飛行速度、 飛行時間、飛行高度，作業(yè)航線數(shù)量以及氣象條件，可設(shè)置的具體參數(shù)為:飛行作業(yè)高度，用 "h"表示;飛行作業(yè)速度，用V'表示；飛行總時間，用"T"表示;單航線飛行時間，用"t"表示； 測區(qū)重疊度，用"P"表示;作業(yè)航線數(shù)量，用"L"表示;雷達中心視角，用"Θ"表示;距離向波束 角，用"α"表示；測繪寬度，用"X"表示;條帶長度，用"y"表示；測區(qū)面積，用"S"表示;這些參 數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，在參數(shù)設(shè)計時需要綜合考慮，各參數(shù)之間的關(guān)系如下： a、 飛行作業(yè)高度、雷達中心視角、測繪寬度之間的關(guān)系：用A點表示飛機位置，BE表示觀 測地面，AB表示飛行高度，ZBAC表示雷達中心視角，則DE的長度為測繪帶寬的理論值； 幾何計算測繪帶寬的公式為： DE=AB(tanZBAE- tanZBAD), 即：x=h(tan(9+a/2)-tan(9-a/2)); b、 飛行作業(yè)速度、單航線飛行時間、條帶長度之間的關(guān)系:條帶長度為飛行作業(yè)速度和 單航線飛行時間的乘積，即：y=v.t; c、 測繪寬度、條帶長度、測區(qū)重疊度之間、測區(qū)面積的關(guān)系：測區(qū)面積取決于測繪帶寬、 條帶長度以及測區(qū)重疊度；以兩個條帶為例，M1M2N2N1為條帶1的測區(qū)范圍，M3M4N4N3為條 帶2的測區(qū)范圍，兩個測區(qū)的重疊區(qū)域為NIN2N3N4，M1M2M3M4為測區(qū)總面積S，MINI、M2N2、 M3N3、M4N4為測繪寬度X，M1M2、M3M4為條帶長度y;根據(jù)幾何關(guān)系， SM1M2M3M4 = SM1M2N2N1 + SM3M4N4N3 ~ SN1N2N3N4? 即：S=xy(l+P); 步驟三、微型SAR載荷安裝與連接:將已加工好的結(jié)構(gòu)安裝件固定在多旋翼無人機上， 然后將載荷的各個模塊安裝在結(jié)構(gòu)件上，保證載荷與結(jié)構(gòu)總重量能夠滿足飛行器的最大載 重量和重心穩(wěn)定要求;上述結(jié)構(gòu)件安裝完畢后，進行載荷設(shè)備的電路連接，將載荷和電路線 纜固定穩(wěn)定； 步驟四、飛行前準備與設(shè)備檢查：飛行前準備與設(shè)備檢查主要包括以下步驟:飛行器自 動駕駛航線導(dǎo)入、SAR飛行作業(yè)航線導(dǎo)入、SAR載荷工作狀態(tài)檢查、POS工作狀態(tài)檢查、GPS信 號檢查、飛行前系統(tǒng)靜止； a、 飛行器自動駕駛航線導(dǎo)入:將上述設(shè)計好的飛行器自動駕駛航線通過地面站或者無 線傳輸導(dǎo)入到多旋翼無人機中的控制系統(tǒng)，并檢查是否導(dǎo)入成功； b、 SAR飛行作業(yè)航線導(dǎo)入:將上述設(shè)計好的載荷飛行航線通過地面站的USB3.0或者串 口導(dǎo)入到SAR雷達載荷中，根據(jù)SAR數(shù)據(jù)采集與控制軟件檢查航線文件是否導(dǎo)入成功； c、 SAR載荷工作狀態(tài)檢查:打開SAR載荷電源，利用地面站的SAR數(shù)據(jù)采集與控制軟件， 通過雷達射頻天線發(fā)射和接收信號，分析回波信號是否正常，進而判斷SAR雷達載荷是否正 常工作； d、 P0S工作狀態(tài)檢查:在載荷工作正常后，根據(jù)SAR雷達主機的POS狀態(tài)指示燈，判斷POS 系統(tǒng)是否正常工作； e、 GPS信號檢查:在系統(tǒng)線纜連接正常并打開電源后，等待2-8min，然后通過SAR雷達主 機的GPS信號指示燈閃爍的次數(shù)，判斷GPS搜索衛(wèi)星個數(shù)；當衛(wèi)星個數(shù)達到4顆以上后，表示 GPS信號穩(wěn)定，滿足觀測需要，可以進行正常飛行作業(yè)； f、飛行前系統(tǒng)靜止:在準備工作就緒之后，讓系統(tǒng)靜止4_6min，待系統(tǒng)靜止完畢后，開 始飛行作業(yè)； 步驟五、無人機載SAR飛行作業(yè):待上述準備工作全部就緒、系統(tǒng)具備飛行作業(yè)的條件 之后，多旋翼無人機載微型SAR開始正式進入飛行作業(yè)階段；以兩個觀測條帶為例，A點表示 為飛機起點和降落點，B點表示為控制點I，C點表示為條帶1作業(yè)起點，D點表示為條帶1作業(yè) 終點，E點表示為控制點2，F(xiàn)點表示為條帶2作業(yè)起點，G點表示為條帶2作業(yè)終點，H點表示為 控制點3,無人機載微型SAR遙感觀測作業(yè)的具體流程如下： a、 飛機從A點起飛，進行加速爬升到B點，調(diào)整姿態(tài)和速度進行懸停； b、 飛機從B點開始加速并達到作業(yè)速度，然后保持勻速飛行并通過C點，SAR雷達主機 開機，正式進入雷達遙感觀測作業(yè)階段； c、 飛機到達D點，條帶1飛行觀測結(jié)束，SAR雷達主機關(guān)機； d、 飛機開始調(diào)整姿態(tài)，飛行控制點E，進行懸停，等待條帶2飛行觀測； e、 飛機從E點加速，達到飛行作業(yè)速度，保持勻速飛行到達F點，SAR雷達主機二次開 機，開始進行第二次遙感觀測作業(yè)； f、 飛機完成條帶2飛行作業(yè)，達到G點，SAR雷達主機關(guān)機； g、 飛機從G點飛到控制點H進行懸停，然后開始降落到達原起止點A，飛行遙感觀測作 業(yè)結(jié)束； 步驟六、數(shù)據(jù)導(dǎo)出與成像處理：在飛行作業(yè)完畢之后，關(guān)閉無人機飛行器，系統(tǒng)靜止4-6min，然后取出SAR雷達主機，回到室內(nèi)通過數(shù)據(jù)采集與控制軟件導(dǎo)出飛行數(shù)據(jù)，利用導(dǎo)出 的POS數(shù)據(jù)對飛機的飛行誤差進行運動補償，并對雷達原始回波數(shù)據(jù)進行成像處理，最終獲 得測量區(qū)域的高分辨率SAR圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多旋翼無人機的微型SAR遙感觀測方法，其特征在于:所 述飛行載荷航線設(shè)計的步驟包括:確定測繪區(qū)域、設(shè)置飛行參數(shù)、計算載荷工作起止點、載 荷飛行航線文件配置； a、 確定測繪區(qū)域:根據(jù)觀測任務(wù)的實際需要，并結(jié)合SAR雷達載荷和多旋翼無人機的實 際性能，劃定合理的觀測區(qū)域； b、 設(shè)置飛行參數(shù):在觀測區(qū)域確定后，利用飛行器的性能指標，設(shè)置飛行器的飛行作業(yè) 速度和相對飛行高度； c、 計算載荷工作起止點：根據(jù)上述已確定的觀測區(qū)域的長度、寬度、面積和測區(qū)重疊 度，確定實際需要幾條航線，計算每一條航線起止點的經(jīng)煒度，再根據(jù)上述已設(shè)置的相對飛 行高度，結(jié)合測區(qū)的實際海拔高度，計算雷達作業(yè)起止點的海拔高度； d、 載荷飛行航線文件配置:保存上述計算出的雷達作業(yè)起止點的經(jīng)煒高數(shù)據(jù)，根據(jù)航 線文件格式設(shè)計SAR雷達載荷的飛行航線文件。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多旋翼無人機的微型SAR遙感觀測方法，其特征在于:所 述飛行器自動駕駛航線設(shè)計的步驟包括:確定飛機作業(yè)流程、關(guān)鍵點設(shè)定、飛行參數(shù)設(shè)計、 配置無人機航線文件； a、 確定飛機作業(yè)流程:根據(jù)測區(qū)分布，確定飛機整個作業(yè)流程，包括起飛、爬升、飛行作 業(yè)、降落各個環(huán)節(jié)； b、 關(guān)鍵點設(shè)定:在飛行器實際性能指標和作業(yè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，計算飛行作業(yè)流程幾個 關(guān)鍵節(jié)點的經(jīng)煒高數(shù)據(jù)，為飛行作業(yè)航線文件配置奠定基礎(chǔ);所述關(guān)鍵節(jié)點包括起飛點、控 制點、作業(yè)起止點、降落點； c、 飛行參數(shù)設(shè)計:根據(jù)飛機的續(xù)航時間要求，完成飛機起飛、加速爬升、懸?？刂?、飛行 作業(yè)、作業(yè)調(diào)度、減速降落過程的速度以及飛行時間參數(shù)的設(shè)計； d、 配置無人機航線文件:根據(jù)上述已確定的關(guān)鍵節(jié)點的經(jīng)煒高信息和飛行速度參數(shù)， 配置無人機航線文件。
【文檔編號】G05D1/08GK105892483SQ201610204792
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】王軍鋒, 鄧豪
【申請人】中科九度(北京)空間信息技術(shù)有限責任公司