一种基于sar三维成像的自旋式飞行器测高方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于SAR三维成像的自旋式飞行器测高方法，它是将自旋式飞行器天线相位中心轨迹等效为天线面阵，通过等效面阵天线对目标场景三维成像，将飞行器测高问题转化为对三维成像场景中心点高度的求解，通过对目标场景高精度三维成像，完成对自旋式飞行器的测高。在成像过程中，本发明提供了三维BP算法，该算法能适用于等效天线面阵非均匀分布的情况。利用自旋式飞行器运动过程中形成的等效天线阵列，结合自旋式飞行器三维SAR的系统参数和观测场景目标参数，通过在时域对有散射点的场景单元格补偿时延相位，完成了对目标场景的三维成像。本发明具有对于变加速、非直线运动的自旋式飞行器能成像优点。
【专利说明】—种基于SAR三维成像的自旋式飞行器测高方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达系统中引导测高雷达的【技术领域】，它特别涉及合成孔径雷达(SAR)三维成像【技术领域】。
【背景技术】
[0002]自旋式飞行器平台具有运动速度快、非匀速直线运动等特点，尤其是由于飞行器自旋等复杂运动，造成雷达回波相位补偿困难，回波不相参，能量难以聚集，使得传统的测高手段失效。针对自旋式飞行器平台，配合三维数字高程图(DEM)对目标场景的三维成像，通过计算成像场景中心点高度以得出飞行器的测量高度，是一种测高新体制、新方法。
[0003]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像技术是一种常用的雷达成像技术。合成孔径雷达是一种主动式微波成像传感器，具有全天候、高精度的特点，可在光学能见度极差的气象条件下得到高分辨率雷达图像。合成孔径雷达利用大时宽带宽信号实现距离向高分辨率，依靠雷达和目标之间的相对运动来合成虚拟阵列获取方位向高分辨率，可以对照射场景进行二维成像。
[0004]阵列三维合成孔径雷达(3D-ASAR)是一般SAR功能的延伸和扩展，其基本原理是通过沿运动平台轨迹和切航迹向放置天线阵列合成二维虚拟面阵以获得沿-切航迹向二维分辨率，然后高度向使用脉冲相参积累的方法获得高度向分辨率。与传统的二维SAR成像技术相比，它可以克服传统二维SAR技术存在的地面阴影遮挡效应和空间模糊问题。
[0005]自旋式飞行器平台由于自身的复杂运动特性，雷达回波较难相参积累，不能用传统的成像算法进行成像。后向投影(简称BP)算法是一种基于时域相干处理的成像算法，其基本思想是通过计算成像区域内每一采样点到合成孔径长度内雷达天线相位中心之间的双程时延，然后将对应的时域回波信号进行相干累加，从而恢复出每个采样点的散射系数信息。后向投影算法不基于参考点成像，能够实现每个采样点的精确聚焦，同时后向投影算法的雷达天线相位中心物理意义清晰，能够精确计算每个方位时刻的回波延时相位，补偿平台抖动引入的相位误差。同时，在天线相位中心形成过程中，由于自旋式飞行器在变加速直线飞行时伴随飞行器自旋运动，阵列天线是非等间隔分布的，将三维BP算法应用于自旋式飞行器平台三维成像处理，克服了传统的三维RD等频域算法要求阵列天线等间隔采样的缺点，具有聚焦效果好、适用于非均匀或欠采样条件、对于变加速、非直线、自旋的运动轨迹能成像优点。
【发明内容】
[0006]为了得到对自旋式飞行器的高度测量值，本发明提出了一种基于SAR三维成像的自旋式飞行器测高方法，它是针对自旋式飞行器成像平台，将自旋式飞行器的天线相位中心运动轨迹看做非均匀分布的等效天线阵列，利用等效天线阵列对场景三维成像，成像场景中心点高度即为雷达天底点高度，结合飞行器的水平高度数据，得出飞行器飞行的相对高度。同时，针对等效阵列非均匀分布的特点，本发明采用了三维BP (后像投影)成像算法。与传统方法相比，本发明克服了传统的三维RD等频域算法要求阵列天线等间隔采样的缺点，具有聚焦效果好、适用于非均匀或欠采样条件、对于变加速、非直线、自旋的运动轨迹能成像优点。
[0007]为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义:
[0008]定义1、阵列三维合成孔径雷达(简称ASAR)
[0009]阵列合成孔径雷达(Array Synthetic Aperture Radar)是指通过控制阵列天线在空间中运动轨迹形成虚拟二维面阵，获得观测目标二维分辨率，并结合脉冲压缩技术得到观测目标的第三维分辨率，完成对目标成像的技术。详见文献“A new airborneradar for3D imaging-1mage formation using the ARTINO principle, J.Klare, A.R.Brenner, J.Ender0 ”
[0010]定义2、数字高程模型(简称DEM) [0011]数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是指利用一组有序数值阵列形式表示地表或地面高程的一种实体地面模型。本发明中DEM表示成一系列地面点的平面坐标X、Y和高程坐标Z组成的数据阵列。对于一个地面区域D，地形DEM表示为
[0012]DEM= (Di I xi0, yi0zi0)，i0 e D}
[0013]其中(xiQ，yi0, zi0)是第i0个地面像素点对应的三维空间坐标。
[0014]定义3、合成孔径雷达原始回波仿真方法
[0015]合成孔径雷达原始回波仿真方法是指基于合成孔径雷达成像原理仿真出一定系统参数条件下具有合成孔径雷达回波信号特性的原始信号的方法，详细内容可参考文献:"InSAR回波信号与系统仿真研究”，张剑琦，哈尔滨工业大学硕士论文。
[0016]定义4、一帧回波数据
[0017]在本发明中，一帧回波数据是指在一个雷达扫描周期内，雷达接收机所接收、采样并存储的在这一个雷达扫描周期内所有发射脉冲的回波数据。
[0018]定义5、飞行器天底点
[0019]飞行器上雷达正下方垂直于地面的交点。
[0020]定义6、合成孔径雷达相参积累与非相参积累
[0021]在雷达信号处理中脉冲的能量积累包括非相参积累和相参积累，前者指的是仅仅对数据的幅度(也可能是幅度的平方或者幅度对数)进行积累，而后者是指对复数据(即包含幅度和相位的数据)进行积累。
[0022]定义7、天线相位中心
[0023]天线相位中心是指雷达天线向外辐射信号的中心，本发明中天线相位中心指雷达平台天线的轨迹位置。
[0024]定义8、合成孔径雷达标准距离压缩方法
[0025]合成孔径雷达标准距离压缩方法是指利用合成孔径雷达发射参数，采用以下公式生成参考信号，并采用匹配滤波技术对合成孔径雷达的距离向信号进行滤波的过程，匹配滤波函数为:
[0026]
【权利要求】
1.一种基于SAR三维成像的自旋式飞行器测高方法，其特征是它包括如下步骤: 步骤1、初始化自旋式飞行器SAR成像系统各参数 初始化自旋式飞行器SAR成像系统参数包括:飞行器水平高度，记做H，飞行器半径，记做r,飞行器飞行速度,记做V,最大加速度,记做a,自旋角频率,记做ω，由v、a、ω决定的飞行器速度矢量，记做I雷达系统工作的信号波长，记做λ，雷达发射线性调频信号的载频，记做fc，线性调频信号的调频斜率，记做fdr，雷达平台天线发射信号带宽，记做B，雷达平台天线发射脉冲时宽，记做Tr，雷达平台接收系统采样频率，记做Fs，雷达发射脉冲重复频率，记做Prf，光在空气中的传播速度，记做C，第t个慢时刻，记做t，t=l，2...T，T为慢时刻总数，雷达平台天线相位中心位置矩阵，记做APC，沿航迹向分辨率，记做P a,切航迹向分辨率，记做Pb，高度向分辨率，记做P P接收波门相对发射信号延时Td，距离门位置记做Ic ;上述参数均为阵列SAR系统标准参数，其中雷达发射线性调频信号的载频fc，雷达载频波长λ，雷达发射基带信号的信号带宽B，雷达发射信号脉冲宽度Tp，雷达发射信号调频斜率ft，雷达接收系统的采样频率Fs，雷达系统的脉冲重复频率prf，光在空气中的传播速度C，雷达系统的脉冲重复时间PRI和雷达接收系统接收波门相对于发射信号发散波门的延迟TD，均在三维SAR系统设计过程中已经确定；飞行器飞行高度H，飞行器半径r，飞行器速度V，加速度a，自旋角频率ω，平台速度矢量^沿航迹向分辨率Pa，切航迹向分辨率Pb，高度向分辨率P r,雷达平台天线相位中心位置矩阵APC，均在自旋式飞行器三维SAR观测方案设计中已经确定；根据三 维SAR雷达系统方案和三维SAR雷达成像观测方案，以上基于三维成像的自旋式飞行器测高系统参数均为已知； 步骤2:初始化阵列三维SAR的观测场景目标空间 初始化阵列三维SAR的观测场景目标空间参数，包括:以雷达波束照射场区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的空间直角坐标作为阵列三维SAR的观测场景目标空间Ω ;将三维SAR观测场景目标空间Ω均匀划分成大小相等的立体单元网格(亦称为分辨单元)，立体单元网格在水平横向、水平纵向和高度向边长分别记为dx、dy和dz，立体单元网格的每一对水平横向、水平纵向所对应高度单元格中，只有一个有点目标散射体，立体单元网格大小选择为阵列SAR系统传统理论成像分辨率的二分之一，初始化数字高程模型(DEM)数据，其中，场景沿航迹总的散射点数，记做sx，场景切航迹向总的散射点数，记做sy,场景沿航迹向上的第xO个散射点序号,记做xO, x0=l, 2，...sx,场景沿航迹向上的第yO个散射点序号，记做lo，y0=l, 2,...Sy,沿航迹向散射点位置Xtl与切航迹向散射点位置J0所唯一确定的目标散射点的高度，记做Ζ(Χο，y。)；观测场景目标空间Ω中第m个散射点的坐标矢量，记做Pm.m表示第m个目标散射点，m=l, 2，...M, M为观测场景目标空间Ω中的目标散射点总数，Pi, I构成观测场景目标矩阵Pn，矩阵Pn的单个元素为Pn(Um),10=I, 2, 3, Itl代表空间三维坐标;m=l，2，...Μ，代表第m个目标散射点；观测场景目标空间Ω在阵列SAR成像方案设计中已经确定；利用传统的合成孔径雷达原始回波仿真方法产生阵列SAR的原始回波数据，经过相参积累得到的雷达回波数据帧数为K，K帧回波数据中第U帧回波数据记做Sii (11=1，2...K)，初始化T行M列测量矩阵Ψ，用于存放经残余相位补偿后的回波数据；步骤3:初始化天线相位中心轨迹 自旋式飞行器雷达的天线收发模式，初始化天线相位中心轨迹的具体步骤如下: 步骤3.1初始化步骤I中的雷达平台天线相位中心位置矩阵APC，矩阵APC的第一行代表自旋式飞行器沿航迹向坐标，第二行代表自旋式飞行器切航迹向坐标，第三行代表自旋式飞行器高度向坐标；矩阵APC的每个元素为APC (1，t)，(1=1，2，3，代表空间坐标的3个维度；t=l，2....T,代表第t个慢时刻，T为步骤I中定义的为慢时刻总数)，APC(1:3，t)代表第t个慢时刻所对应的天线相位中心坐标；初始化慢时刻t,令t=l,代表第I个慢时刻；步骤3.2令
【文档编号】G01S13/50GK103941243SQ201410134087
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】张晓玲, 陈思远, 师君, 罗煜川 申请人:电子科技大学