专利名称：一种实现无人机载合成孔径雷达运动补偿的系统及方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径雷达(SAR)成像技术领域，尤其涉及一种实现无人机载合成 孔径雷达运动补偿的系统及方法，用于实现合成孔径雷达在无人机上高分辨率、连续成像。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率微波成像雷达，可以对地面目标进行高分辨 率的探测，并且具有全天候、全天时的优势。自上个世纪五十年代，孔径合成方法出现以来， SAR系统已经大量装载在飞机、卫星、无人机等飞行平台上用于对地面目标的探测，在地理 资源调查、农作物监测、海洋监测、军事侦察等领域得到了广泛的应用。为了保证合成孔径雷达的正常工作，前提条件是雷达要安装在运动的平台上。将 短的雷达天线安装在直线运动的平台上，如卫星、飞机等，随着平台的运动发射探测信号并 记录回波信号，将收集到的回波信号进行相干处理，使其等效于一个长的天线在发射和接 收信号，这一方法就是通常所说的孔径合成方法。通过采用孔径合成方法可以使雷达获得高的方位向分辨率，结合脉冲压缩方法获 得高的距离向分辨率，由此构成了合成孔径雷达方法。为了保证合成孔径雷达的两维成像， 前提条件是雷达要安装在运动的平台上，理想的成像条件下是运动平台做勻速直线运动。相对于有人机等搭载平台，无人机体积小、重量较，飞行速度较慢，易于受到大气 湍流的影响，造成无人机机体较强烈颠簸和姿态的急剧变化。因此，无人机合成孔径雷达的 运动补偿更为复杂。国外无人机载SAR运动补偿主要依靠高精度惯性测量单元组合GPS实现雷达运动 参数的测量和误差补偿，国内此类测量手段精度不够，且主要应用于无人机的飞行控制，对 雷达的补偿参考不够，需要其它数据测量和处理手段改善运动补偿效果。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种实现无人机载合成孔径雷达运动补偿的系统及 方法，基于低精度惯导，实现合成孔径雷达在无人机上高分辨率、连续成像。为达到上述目的，本发明提供的实现无人机载合成孔径雷达运动补偿的系统，该 系统包括惯导，用于测量无人机运动速度、姿态；天线稳定平台，用于控制天线波束指向，隔离飞机的颠簸和振动天线稳定平台姿 态测量单元，用于测量雷达天线稳定平台的姿态；数据处理单元，用于测量参数融合，回波参数提取与融合；成像处理单元，用于合成孔径雷达聚焦补偿处理和成像处理。本发明提供的实现飞无人机载合成孔径雷达运动补偿的方法，该方法是基于上述 的系统，采用高精度天线稳定平台补偿和成像聚焦处理算法补偿的复合运动误差补偿，将 飞机惯导、平台惯性测量单元数据与回波参数估计相组合，将测量误差补偿和自聚焦处理相结合。多元姿态测量数据融合方法融合了惯导数据、GPS数据、雷达的高精度惯性测量单 元数据以及从雷达回波数据提取运动参数，用于实时运动补偿处理。利用飞机惯导和天线 稳定平台姿态测量单元计算由于无人机姿态变化所引起的波束指向误差。同时，为提高平 台姿态测量精度，提出了将数字杂波锁定与上述测量数据进行融合处理，实现天线稳定平 台精确控制。成像聚焦处理算法补偿残余误差利用天线稳定平台和利用惯性测量单元数据进 行误差补偿的基础上，在成像处理中，结合高精度实时成像处理算法，并采用无参估计的高 效自聚焦算法，补偿残余误差，提高成像质量。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、利用本发明，能够弥补无人机惯导精度低的问题，通过数据组合提高测量精度。2、利用本发明，能够实现合成孔径雷达在无人机上高分辨率、高精度、连续成像。
图1是本发明提供的实现无人机载合成孔径雷达运动补偿系统的结构示意图；图2是本发明提供的无人机载合成孔径雷达姿态误差补偿方法的示意图；图3是本发明提供的无人机载合成孔径雷达成像及运动补偿处理的示意图。图4是本发明的采用无人机载合成孔径雷达运动补偿系统与技术所获取的补偿 前后雷达图像的对比结果；其中图如是未进行补偿处理的雷达图像；图4b是进行补偿处 理后的雷达图像。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，图1是本发明提供的实现无人机载合成孔径雷达运动补偿系统的结 构示意图，该系统包括惯导、天线稳定平台姿态测量单元、天线稳定平台、姿态误差补偿处 理单元、成像处理单元。利用惯导和姿态测量单元提供的载机运动状态信息和雷达天线附 近的姿态信息，姿态误差补偿处理单元通过信号处理方法提取用于天线稳定平台补偿控制 的参数和信息。如图2所示，图2是本发明提供的无人机载合成孔径雷达运动补偿方法的示意图， 飞机惯导、平台惯性测量单元数据与回波参数估计相组合，采用Doppler参数估计的方法， 获得用于天线稳定平台姿态控制的参数，提高飞机惯导和天线稳定平台姿态测量单元对天 线稳定平台运动误差的测量估计精度，实现天线稳定平台精确控制。如图3所示，图3是高精度实时成像处理算法，首先在利用天线稳定平台和惯性测 量单元数据进行初步误差补偿的基础上，进一步补偿雷达运动固有的距离徙动等误差，最 后采用基于PGA的自聚焦处理算法补偿残余误差方法，有效提高成像质量。在国内某型无人机载合成孔径雷达系统上，基于较低精度的某型国产惯导所提供 的飞机测量参数，包括无人机飞行速度、飞行姿态、飞行高度等信息以及天线稳定平台所配 置的三轴姿态测量单元所提供的方位、俯仰、横滚姿态测量结果，利用TSlOl数字信号处理器构成的数据处理单元实现测量参数和所提取回波参数的融合处理，获得了控制天线稳定 平台的补偿参数、以及用于TSlOl数字信号处理器构成的成像处理单元所需的运动补偿运 算因子，最终实现合成孔径雷达在无人机飞行器平台上的高分辨率、高精度、连续成像。如 图4b所示，与未经过运动补偿处理的雷达图像(图4a)相比，经过运动补偿处理后的聚焦 效果和雷达质量得到明显提高，充分验证了本发明所给出方法的有效性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种实现无人机载合成孔径雷达运动补偿的系统，主要包括 惯导，用于测量无人机运动速度、姿态；天线稳定平台，用于控制天线波束指向，隔离飞机的颠簸和振动； 天线稳定平台姿态测量单元，用于测量雷达天线稳定平台的姿态； 运动补偿参数处理单元，用于测量参数融合，回波参数提取与融合； 成像处理单元，用于合成孔径雷达聚焦补偿处理和成像处理。 利用惯导和姿态测量单元提供的载机运动状态信息和天线稳定平台附近的姿态信息， 运动补偿处理单元通过信号处理方法提取用于天线稳定平台补偿控制和成像处理单元补 偿处理的参数和信息。
2.一种无人机载合成孔径雷达运动补偿的方法，采用天线稳定平台补偿和成像聚焦处 理算法补偿的复合运动误差补偿，将飞机惯导、天线稳定平台姿态测量单元数据与雷达回 波参数估计相组合，实现基于姿态测量的粗运动补偿和基于自聚焦处理的精细运动补偿。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，多元姿态测量数据融合方法是融合飞机惯导数 据、平台惯性测量单元数据以及回波参数估计结果的多元数据处理方法，用于无人机载合 成孔径雷达系统的运动补偿处理及控制。利用飞机惯导和天线稳定平台姿态测量单元计算 由于无人机姿态变化所引起的波束指向误差，将上述测量数据进行融合处理，通过姿态误 差补偿算法，实现天线稳定平台指向角度的精确补偿控制。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，实现测量误差补偿的粗运动补偿和基于自聚焦 处理的精细运动补偿，是利用惯性测量单元数据和GPS数据进行组合解算，获取飞机非理 想运动引入的误差参数，利用参数对原始数据进行误差补偿，消除大部分运动误差；在此基 础上，采用自聚焦算法，进一步补偿残余相位误差，提高成像质量。
全文摘要
一种实现无人机载合成孔径雷达运动补偿的系统及方法，用于无人机载合成孔径雷达运动补偿。该系统包括惯导、姿态测量单元、天线稳定平台、运动补偿参数处理单元、成像处理单元。利用本发明，能够基于无人机惯导和平台姿态测量单元，结合雷达回波数据的误差提取与综合补偿，实现合成孔径雷达在无人机上高分辨率、连续成像。
文档编号G01S7/41GK102147462SQ201110032548
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月27日 优先权日2010年2月9日
发明者刘畅, 徐向辉, 王岩飞, 韩松 申请人:中国科学院电子学研究所