一种基于标志点相位梯度提取的圆迹sar轨迹重建方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法，其包括：在场景中选取多个标志点，并获取圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标；根据圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标，从圆迹SAR接收到的目标回波信号中提取各个标志点的相位梯度，并根据所述相位梯度计算各个标志点到真实轨迹的实斜距变化量；利用圆迹SAR载机和标志点的大地水平面坐标系坐标，以及各个标志点的斜距变化量，重建圆迹SAR轨迹。上述方法解决了现有圆迹SAR依赖于高精度导航测量的问题，且不仅能用于圆迹合成孔径雷达的高精度轨迹重建，也适用于任意轨迹SAR的高精度轨迹重建。
【专利说明】—种基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达信号处理领域，尤其涉及一种基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法，用于高分辨率机载圆迹SAR的高精度聚焦成像。
【背景技术】
[0002]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SARHtS—种主动遥感设备，具有全天时、全天候、远距离、高分辨、宽测绘带等优势。在距离向，它通过发射大带宽信号获得高分辨，在方位向，利用平台的运动构建一个等效的长天线孔径，来实现该方向的高分辨。经过近60年的发展，SAR已经成为一种成熟的空间遥感技术，是对地观测的重要手段之一。
[0003]圆迹SAR (Circular SAR, CSAR)是20世纪90年代提出的一种SAR工作模式，其通过SAR平台在空中作圆轨迹运动，并控制波束使波束中心始终指向同一场景中心，来实现对目标区域进行360°全方位观测。与传统直线SAR相比，圆迹SAR对目标的观测具有更大的相干积累角，能够实现更高的分辨率；且不同于传统直线SAR斜平面成像几何，圆迹SAR具有对场景区进行三维重建的能力；此外，圆迹SAR的全方位观测能够有效减小常规SAR固有的阴影现象，并且对于获取目标随方位角变化的后向散射信息具有重要意义。因此，基于这些独特优势，圆迹SAR —经提出便受到广泛的关注。
[0004]2004年开始，法宇航、瑞典国防研究院、德宇航以及中科院电子所等研究机构相继利用机载试验平台开展了圆迹SAR飞行试验。2011年7月，德国宇航局(DLR)在IGARSS会议上首次展示了利用E-SAR机载系统获取的360°全方位高分辨圆迹SAR图像(L波段全极化)。2011年8月，中科院电子所微波成像技术国家级重点实验室利用自主研制的机载SAR系统，开展了国内首次圆迹SAR飞行试验，成功获取了 P波段全极化360°全方位高分辨圆迹SAR图像。试验结果初步展示了圆迹SAR在高精度测绘、灾害评估和精细资源管理等领域的应用潜力。
[0005]与常规直线SAR相比，圆迹SAR对导航测量系统有着更高的要求。为了实现高质量聚焦，成像的相位误差需要控制在η/4，即轨迹测量误差需要控制在λ/16。常规直线轨迹SAR的合成孔径时间较短，通常只有几秒，导航系统在短时间内能保证较高的相对测量精度，然而圆迹SAR的合成孔径时间长达数分钟，一方面导航系统难以在如此长的时间内保持较好的稳定性，另一方面累计误差将降低整个轨迹的相对测量精度，此外，导航系统对于时刻处于转弯运动状态的平台的运动参数测量比稳定直线运动的平台的运动参数测量有更大的误差。机载直线SAR即使波段较高，一般只需基于POS数据进行运动补偿即可满足聚焦成像要求，或者在此基础上再使用自聚焦技术就可获得较高的聚焦质量，然而当机载圆迹SAR的波段较高时(C波段及以上)，现有的轨迹测量精度已无法满足其聚焦成像的要求了。目前成功获得全方位高分辨机载圆迹SAR图像的试验所采用的波段都较低(P和L)，德宇航利用圆迹SAR自聚焦技术提高了图像的聚焦性能，但自聚焦技术只能对较小的残余相位误差进行校正，且未考虑相位误差的空变性。目前还未见能解决现有圆迹SAR对高精度导航测量系统依赖性问题的方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法，能够解决现有圆迹SAR依赖于高精度导航测量的问题，可为实现高波段圆迹SAR成像提供技术支撑。
[0007]为达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案是:
[0008]一种基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法，其包括:
[0009]步骤S1、在场景中选取多个标志点，并获取圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标；
[0010]步骤S2、根据圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标，从圆迹SAR接收到的目标回波信号中提取各个标志点的相位梯度，并根据所述相位梯度计算各个标志点到真实轨迹的斜距变化量；
[0011]步骤S3、利用圆迹SAR载机和标志点的大地水平面坐标系坐标，以及各个标志点的斜距变化量，重建圆迹SAR轨迹。
[0012]本发明的有益效果是:利用POS数据和已知位置的标志点，从回波数据中提取标志点的相位梯度，建立关于标志点和轨迹的位置与距离方程组，重建更高精度的圆形飞行轨迹，从而提高成像时的聚焦质量，解决了现有圆迹SAR依赖于高精度导航测量的问题，本发明方法不仅能用于圆迹合成孔径雷达的高精度轨迹重建，也适用于任意轨迹SAR的高精度轨迹重建。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明中基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法的总流程图；
[0014]图2是本发明中POS数据和标志点数据的坐标转换示意图；
[0015]图3是本发明中从回波数据中提取各个标志点相位梯度的流程图；
[0016]图4是本发明中重建高精度轨迹的方法流程图；
[0017]图5是本发明中真实轨迹、测量轨迹和重建轨迹仿真图；
[0018]图6是本发明中使用测量轨迹进行成像的点目标仿真图；
[0019]图7是本发明中使用重建轨迹进行成像的点目标仿真图。
【具体实施方式】
[0020]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，对本发明作进一步的详细说明。
[0021]图1示出了本发明中基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法的总流程图。如图1所示，该方法具体实现步骤如下:
[0022]步骤S1:在场景中选取多个标志点，保证在每个方位视角下至少有三个标志点同时被照射到，这些标志点可以是人工放置的定标器，也可以是场景中的特显点目标。使用外部GPS/DGPS测量各个标志点在地心转动坐标系下的坐标Eg, k,其中k代表标志点的序号，k=l，2，...，M，M为标志点总数。圆迹SAR上的导航子系统(POS)测量得到的SAR载机轨迹在地心转动坐标系下的坐标为Eg, pos,利用坐标变换,将POS测量数据和标志点在地心转动坐标系下的坐标Eg,_和Eg, k，转换到大地水平面坐标系下的坐标Eptjs和Ep, k。
[0023]图2示出了本发明中POS测量数据和标志点数据坐标转换示意图。如图2所示，经过一次坐标系旋转，可以将POS和标志点在地心转动坐标系下的坐标转换到大地水平面坐标系。
[0024]地心转动坐标系定义:坐标原点位于地心，Z轴指向地球自转轴，X轴指向零度子午线，Y轴和X、Z轴构成右手坐标系。大地水平面坐标系定义:坐标系原点是观测目标的场景中心，X轴指向地理南方向，Y轴指向地理东方向，Z轴垂直地面向上。
[0025]地心转动坐标系到大地水平面坐标系的转换关系为:
【权利要求】
1.一种基于标志点相位梯度提取的圆迹SAR轨迹重建方法，其包括: 步骤S1、在场景中选取多个标志点，并获取圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标； 步骤S2、根据圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标，从圆迹SAR接收到的目标回波信号中提取各个标志点的相位梯度，并根据所述相位梯度计算各个标志点到真实轨迹的斜距变化量； 步骤S3、利用圆迹SAR载机和标志点的大地水平面坐标系坐标，以及各个标志点的斜距变化量，重建圆迹SAR轨迹。
2.如权利要求1所述的轨迹重建方法，其特征在于，步骤SI中所述圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标是根据其地心转动坐标系下的坐标转换得到的；所述圆迹SAR载机的地心转动坐标通过导航系统POS测量得到；所述各个标志点的地心转动坐标通过GPS/DGPS测量得到。
3.如权利要求1所述的轨迹重建方法，其特征在于，步骤S2中各个标志点的相位梯度如下提取: 步骤21、对目标回波信号做距离向匹配滤波处理，得到滤波后的信号； 步骤22、根据所述圆迹SAR载机和各个标志点的大地水平面坐标系坐标，计算各个标志点的徙动距离； 步骤23、对所述滤波后的信号进行距离向插值，提取位于所述徙动距离处的徙动数据；` 步骤24、根据所述徙动距离处的徙动数据和相位函数得到距离-多普勒信号； 步骤25、根据所述距离-多普勒信号获得各个标志点的相位梯度。
4.如权利要求3所述的轨迹重建方法，其特征在于，所述徙动距离为所述圆迹SAR载机的大地水平面坐标系坐标与各个标志点的大地水平面坐标系坐标之间的距离。
5.如权利要求3所述的轨迹重建方法，其特征在于，步骤S23中所述徙动距离处的数据如下获得: S^kj,) = S,η)
C 其中，S2(k，η)是所述徙动距离处的数据，SI为目标回波信号，Rk(η)为徙动距离，c为光速，η为方向位米样点，k为第k个标志点。
6.如权利要求3所述的轨迹重建方法，其特征在于，步骤24中具体为:将所述徙动距离处的数据与第一相位函数相乘，并进行方位向离散变换，以得到距离-多普勒信号，第一相位函数和距离-多普勒信号如下表示:
H1 (k, n) = exp(./4W"))
C SAkJnVDFTlSAkjIrHAkjiys
1η 其中，H1 (k，η)为相位函数，S3(k，fn)为距离-多普勒信号，S2(k，η)是所述徙动距离处的数据，f。为圆迹SAR发射信号的载频，fn是方位向频率，c为光速，η为方向位采样点，k为第k个标志点。
7.如权利要求3所述的轨迹重建方法，其特征在于，步骤25中各个标志点的相位梯度如下获得: 步骤251、对距离-多普勒信号做方位低通滤波，得到滤除杂波干扰后的信号； 步骤252、对所得到的滤除杂波干扰后的信号进行方位向离散傅里叶逆变换，得到方位时域信号； 步骤253、计算所述方位时域信号沿方位向的相位梯度，得到标志点的第一相位梯度信号; 步骤254、计算复共轭相位函数的方位向相位梯度，得到复共轭相位函数中标志点的第二相位梯度信号，将第一相位梯度信号和第二相位梯度信号相加，得到标志点的相位梯度。
8.如权利要求7所述的轨迹重建方法，其特征在于，所述第一相位梯度和第二相位梯度的表达式如下所示:
Φ dl (k, n) =arg (S5 (k, n) *S5* (k, η_1)) η=2,...N
(J)dl (k, η) =On=I
Φ d2 (k, η) =arg (H1* (k, η+1) ^H1 (k, η)) η=2,..., N
Φ d2 (k, η) =On=I 其中，ctdl(k，n)和ctd2(k，n)相分别为第一相位梯度和第二相位梯度，S5 (k，n)为方位时域信号，H1Qi,η)和Η^Ο?,η)为相位函数和复共轭相位函数；k为第k个标志点,η为方向位采样点。
9.如权利要求3-8任一项所述的轨迹重建方法，其特征在于，所述斜距变化量Rd(k，n)如下计算:
= —? " 1,2,./V 其中，Cj5d(k，n)为第k个标志点的相位梯度，f。为圆迹SAR发射信号的载频，C为光速，η为方向位采样点。
10.如权利要求1-8任一项所述的轨迹重建方法，其特征在于，步骤S3具体包括: 步骤31、从N个方位向采样点η中任选一个数i，n=l，2...，N，I≤i≤N，将其POS坐标Ep()S(i)作为初始位置，选定在该方位时刻可观测到的任意三个标志点，其在大地水平面坐标系下的坐标分别为(Ep,lx，Epay, Epaz)、(Ep,2x，Epj2y, Epj2z)、(Epax, Epay, Ερ,1ζ)，计算所述初始位置到上述三个标志点的距离为Ri^RiyRy ; 步骤32、根据所述三个标志点的大地水平面坐标以及该三个标志点到真实轨迹的斜距变化量，建立关于标志点和重建轨迹的位置和距离的方程组，求解该方程组，得到1-1/i+l处重建轨迹坐标(Ph,x，P1-M, Ρη,ζ)和(Pi+1,x，Pi+1,y，P i+1,z); 步骤S33:选定在1-1/i+l处可观测到的任意三个标志点1、2、3，更新1-1/i+l处重建轨迹(P1-U, P1-!, y, P1-1jz) > (Pi+1,x，Pi+1,y，Pi+i,z)到标志点 1、2、3 的距离 R1-U, R1-!,2, Rh,3 和Ri+l,l，Ri+1,2? Ri+1,3?向前/向后逐点重建其余采样点处的轨迹坐标，直到遍历完整个轨迹。
【文档编号】G01S7/292GK103675813SQ201310432263
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】林赟, 郭振宇, 谭维贤, 王彦平, 洪文, 吴一戎 申请人:中国科学院电子学研究所