基于ins的机载sar实时运动补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合成孔径雷达成像领域,具体涉及一种基于INS的机载SAR实时运动 补偿方法,通过对雷达回波数据分析和处理,结合惯导输出参数,能够实时对雷达成像进行 运动补偿。
【背景技术】
[0002] 本发明用于合成孔径雷达(SAR)成像,运动补偿算法对成像质量至关重要。机载 SAR运动补偿的方法主要有基于回波数据估计和基于运动传感器测量两种方法。基于运动 传感器测量能够直接获得运动参数,补偿算法简单,能够实时补偿,同时不受场景目标特性 的影响,相对于回波数据补偿不会发生形变失真,能够实时拼像,缺点是比较依赖运动传感 器的测量精度。不过,随着国内运动传感器的发展,目前仅依靠运动传感器的运动补偿基本 可以达到1米分辨率,即使是更高分辨率也可以通过运动传感器补偿大部分运动误差,再 加入少许的数据补偿,即可满足图像的分辨率要求。基于运动传感器进行运动补偿是SAR 系统发展的趋势。
[0003] 关于SAR的运动补偿技术领域研究较多,下面的文章表明了该领域的技术背景:
[0004] 1、保铮,刑孟道,王彤.雷达成像技术[M].北京:电子工业出版 社,2005:196-210.
[0005] 本文是关于雷达成像技术的经典教科书,在运动误差补偿部分主要论述了转动误 差补偿和基于数据的运动误差补偿方法,具有一定的参考价值。
[0006] 2、周峰,刑孟道,保铮.一种无人机机载SAR运动补偿的方法.电子学 报· 2006, 34(6) :1002-1007.
[0007] 本文主要论述关于平动误差的运动补偿方法,从SAR数据估计的多普勒调频率得 到平动误差参数,进而对数据在包络和相位上进行分别校正。
[0008] 3、薛国义,王建,周志敏,黄晓涛.基于GPS和改进MapDrift的机载UWBSAR运动 补偿·信号处理.2007, 23 (6) :910-913.
[0009] 本文提出了基于载机三维速度进行视线向粗补偿,然后方位脉压前利用重叠MD 方法进行方位精补偿的方法,其中,视线向粗补偿的补偿量是通过对三维速度进行坐标旋 转获得的。
[0010] 实际中,当正侧视实时成像时,由于速度方向的微小改变和天线波束稳定,可能存 在小斜视的情况,所以本文主要研究了基于INS的机载SAR正侧视以及小斜视情况下的实 时成像技术。
【发明内容】
[0011] 要解决的技术问题
[0012]国内在运动补偿领域研究很多是基于数据的、估计的运动补偿方法。这个方向的 方法较多,但都存在计算量过大,并且受数据的影响估计的运动参数具有不稳定性。国外的 SAR成像系统主要是利用高精度的惯导系统和GPS定位系统输出的运动参数来控制载机和 天线波束的平稳性,并对SAR数据做运动补偿和自聚焦处理即可得到较理想的SAR图像。 本发明首先建立坐标系,分析载体的运动误差公式,得出运动误差不仅有视线向位移引起 的运动误差,同时还有航向耦合相位误差,通过对与航向耦合相位误差相关的参数进行分 析,可以将航向耦合相位误差分为可忽略和不可忽略两种情况,最后利用实测数据进行了 验证。相比文献3,本发明中视线向运动补偿量的获得是通过三维速度矢量和天线波束稳定 矢量点乘获得的,而且文献3中只是利用重叠MD进行方位处理,而本发明中分析得出正是 由于存在航向耦合相位误差,才需要进一步的精补偿。
[0013] 技术方案
[0014] 一种基于INS的机载SAR实时运动补偿方法,其特征在于步骤如下:
[0015] 步骤1 :进入成像录取数据前,根据天线波束稳定指向矢量的航向角α。和下视角 β。计算波束稳定指向矢量Ulc]S和航向单位矢量Ufly:
[0016] Ulos=[cos β0sin α 0, cos β0cos α 0, -sin β0]
[0017] Ufly= [sin ( α。-90),cos ( α。-90),0]
[0018] 步骤2:录取数据过程中,每当收到一次距离向回波,将回波的东北天速 Ve (U,Vn (U,Vs (tj与Ulos点乘后再积分得到Rco(tj;
[0019]Rco (tn) =-/Ulos · [Ve (tn) _Vn (tn) _Vs (tn) ]dtn
[0020] 步骤3 :基于Rra(tJ进行距离向的相位校正和包络补偿;
[0021] 步骤4 :数据录取结束后,根据航向速度Vfly(tJ计算方位的多普勒调频率Ka(〇 :
[0023]Vfiy (tn) =Ufly · [Ve (tn),Vn (tn),Vs (tn)]
[0024] 其中,札是雷达理想航迹慢时间0时刻处到点目标的距离,λ为波长;
[0025] 根据多普勒调频率Ka (tj计算方位所需的补偿相位释41):
[0027]ΔKa (tn) =Ka (tn)-mean(Ka (tn))
[0028] 其中,T表示方位成像处理时间;AKa(〇为相对于理想多普勒调频率的误差, mean()表示平均,mean(Ka(tm))是方位脉压所需的调频率;
[0029] 用进行方位补偿,并利用mean(Ka(tJ)进行方位脉压;
[0030] 步骤5:如果对方位成像结果不满意,在方位向采用重叠MD方法对Ka(tJ进行估 计,根据步骤4再进行方位补偿和方位脉压。
[0031] 有益效果
[0032] 本发明提出的一种基于INS的机载SAR实时运动补偿方法,通过对SAR成像几何 模型的运动误差分析,得出实时成像运动补偿中首先需要补偿雷达视线方向上的运动误 差,同时分析得出方位向还残留有航向耦合误差相位,这也是需要在方位进一步精补偿的 原因,不过此误差相位可以根据实际的分辨率和参数情况分为可以忽略和不可忽略。
【附图说明】
[0033] 图1存在运动误差SAR几何关系不意图
[0034] 图2波束稳定指向矢量示意图
[0035] 图3 1m分辨率图像局部
[0036] 图4图3中实测点目标方位响应
[0037] 图5 0. 3m分辨率惯导补偿图像
[0038] 图6 0. 3m分辨率惯导和MD补偿图像
[0039] 图7图5和图6中同一点目标实测方位响应曲线
【具体实施方式】
[0040] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0041] a)基于惯导的SAR运动补偿原理
[0042] 目前,各类飞行载体几乎都装备有惯性导航系统。根据合作过的惯导研究所提供 的信息,他们的惯导系统所提供飞行载体的速度精度能够达到〇. 〇2m/s,载体姿态角的精度 能够达到0. 1度,数据更新率能够达到100到200左右,基本可以反映飞行载体的振动情 况。实时成像中,要求天线的波束指向保持稳定,即天线波束的指向方向在东北天坐标系下 的矢量指向在成像过程要保持一致,惯导输出的载体姿态角,主要用于天线的波束稳定。由 于下面需要用到航向角,在此给出航向角的定义。将穿过载体的轴线矢量向水平面投影,以 正北为0度,顺时针方向为正,转到投影矢量得到的角度即为航向角。本发明是在波束稳定 的前提下,讨论利用惯导输出的东(VJ、北(Vn)、天(Vs)三维速度进行小斜视SAR实时运动 补偿。
[0043] 小斜视SAR的成像几何模型是运动误差分析的基础。本节先建立小斜视SAR的成 像几何模型,从几何模型出发推导运动误差和惯导输出的东北天速的关系,然后给出基于 惯导的运动补偿算法。
[0044] 如图1所示,在东北天坐标系下,东、北、天向分别对应X、Y、Z轴,假设东向是理想 航迹,实线为实际航迹,?是坐标系原点,Η是载机理想航迹距离地面的高度,^是场景中 一个点目标,其坐标为[Χη,Υη,-Η],RB是雷达理想航迹距离点目标Ρη的最近距离,假设慢时 间〇时刻波束中心穿过点目标匕況是雷达理想航迹慢时间〇时刻处到距离,Θ是雷 达成像的斜视角,β是0D与0Ρη的夹角,那么雷达的下视角Φ= 90-β,α是DC和 夹角,由航向角的定义知,α即为航向角,DPn的长度为1^。由上面的雷达的下视角和航向 角可以得到,天线在东北天坐标系下的波束稳定矢量方向为
[0045] Ulos=[cosΦsina,cosΦcosa,-sinΦ]
[0046] 假设雷达的平均速度为V,是方位向慢时间,AX(tJ,AY(tJ和ΔΖ(〇分别 为东、北、天向的运动误差分量,那么实际雷达天线相位中心位置表示为[Vt^+AXaj,ΔΥ( tn),ΔZ(tn)]。
[0047] 实际天线相位中心到点目标^的斜距为
[0050] 为了分离运动误差对斜距的影响,对式(1)进行泰勒展开,同时作一定的近似,将 式⑴改为
[0056]将式(3)、式⑷代入式(2),将式⑵改写为
[00