一种基于多旋翼无人机的微型sar遥感观测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法，它使用到的系统包括多旋翼无人机系统、微型SAR观测系统；微型SAR观测系统由SAR雷达主机、IMU惯导系统、雷达射频天线、GPS模块、雷达控制设备、电池模块组成；雷达控制设备通过USB3.0或串口与SAR雷达主机相连接；IMU惯导系统、电池模块均通过整机电缆与SAR雷达主机相连接；GPS模块、雷达射频天线分别通过同轴电缆、射频同轴电缆与SAR雷达主机相连接；微型SAR观测系统通过GPS模块与多旋翼无人机系统相连接。本发明可以有效降低SAR图像获取的飞行成本，实现微型SAR观测系统的快速部署以及迅速成像，具有操作简单、使用方便、价格低廉的优势。
【专利说明】
一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种SAR遥感观测方法，尤其涉及一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥 感观测方法。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达(SAR)是一种具备距离向高分辨和方位向高分辨能力的成像雷达。 它利用以多普勒频移理论和雷达相干为基础的合成孔径技术，突破了真实孔径天线对方位 向分辨率的限制，与脉冲压缩技术相结合，实现了远距离目标的二维高分辨率成像，从而能 够获得大面积的高分辨率雷达图像。目前，SAR对地遥感观测技术主要有星载SAR和机载SAR 两种方式。
[0003] 对于星载SAR，由于卫星的地面覆盖周期较长，单次飞行观测任务的时效性较差， 因此，在突发事件、应急救援等方面不能满足快速部署的时效性要求；同时，星载SAR设备的 研发和使用费用很高、调用卫星进行对地观测也需要专业的技术人员等因素，造成了使用 高分辨率SAR图像的成本极高，所以在很多民用领域，星载SAR的高成本严重限制了其进一 步在各个行业的推广和应用。
[0004] 对于机载SAR，由于传统的SAR具有体积较大、重量较重等缺点，SAR成像质量对飞 行平台的要求较为严格。飞行任务对飞行平台的载重量、飞行时间、飞行高度等因素的要求 也进一步限制了SAR在不同飞机上的使用和普及，因此，机载SAR的飞机平台目前主要集中 在大中型有人机和部分无人机上。虽然机载SAR相较于星载SAR，平台灵活性、观测时效性方 面得到了提高，使用成本和系统复杂度也得到降低，但是，飞行平台（有人机和无人机)的驾 驶、操作、使用、保养、空域审批、气象条件等因素也提高了SAR图像的获取成本，降低了SAR 的部署灵活性。因此，传统机载SAR的遥感图像获取手段不能满足部分行业应用在低成本、 高灵活性、使用简单的要求。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于多旋翼无人机的微 型SAR遥感观测方法。
[0006] 为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于多旋翼无人机的微 型SAR遥感观测方法，它使用到的系统包括多旋翼无人机系统、微型SAR观测系统;微型SAR 观测系统由SAR雷达主机、MJ惯导系统、雷达射频天线、GPS模块、雷达控制设备、电池模块 组成;雷达控制设备通过USB3.0或串口与SAR雷达主机相连接;頂U惯导系统、电池模块均通 过整机电缆与SAR雷达主机相连接;GPS模块、雷达射频天线分别通过同轴电缆、射频同轴电 缆与SAR雷达主机相连接;微型SAR观测系统通过GPS模块与多旋翼无人机系统相连接； 一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法分为六个步骤： 步骤一、观测任务前准备:首先根据本次飞行遥感观测任务的需求，选择适合本次飞行 任务的多旋翼无人机机型，需要考虑的因素有无人机的飞行高度、续航时间、巡航速度、最 大载重;完成机型选择后，对飞行器进行观测任务前飞行测试，包括飞行器的悬停试验、自 动驾驶飞行试验、遥控飞行试验，并对本次试验获取的飞行高度、巡航速度、载重以及飞行 时间进行记录，进一步检查本机型的实际飞行数据能否满足SAR遥感观测任务需要； 然后根据飞行任务选择不同观测模式的任务载荷进行微型SAR遥感观测载荷准备，可 选的模式包括单极化模式、全极化模式、干涉模式;通过设备通电测试、发射和接收天线测 试、回波数据检查和设备参数选择对SAR雷达载荷设备进行检查;SAR雷达载荷设备检查合 格后进行飞行器与载荷安装尺寸测量，主要是对飞行器和雷达载荷各模块的几何尺寸、重 量进行测量;最后进行载荷结构安装件设计与加工，即利用测量结果，由结构工程师设计安 全稳固的架构安装件并进行加工； 步骤二、飞行航线设计:飞行航线设计包括飞行载荷航线设计、飞行器自动驾驶航线设 计;航线设计需要综合考虑作业区域的长度、宽度、面积、测区重叠度，无人机的飞行速度、 飞行时间、飞行高度，作业航线数量以及气象条件，可设置的具体参数为:飞行作业高度，用 "h"表示;飞行作业速度，用V'表示；飞行总时间，用"T"表示;单航线飞行时间，用"t"表示； 测区重叠度，用"P"表示;作业航线数量，用"L"表示;雷达中心视角，用"0"表示;距离向波束 角，用"a"表示；测绘宽度，用"x"表示;条带长度，用"y"表示；测区面积，用"S"表示;这些参 数是相互关联的，在参数设计时需要综合考虑，各参数之间的关系如下： a、 飞行作业高度、雷达中心视角、测绘宽度之间的关系：用A点表示飞机位置，BE表示观 测地面，AB表示飞行高度，ZBAC表示雷达中心视角，则DE的长度为测绘带宽的理论值； 几何计算测绘带宽的公式为： DE=AB(tanZBAE- tanZBAD), 即：x=h(tan(9+a/2)-tan(9-a/2)); b、 飞行作业速度、单航线飞行时间、条带长度之间的关系:条带长度为飞行作业速度和 单航线飞行时间的乘积，即：y=v.t; c、 测绘宽度、条带长度、测区重叠度之间、测区面积的关系:测区面积取决于测绘带宽、 条带长度以及测区重叠度；以两个条带为例，M1M2N2N1为条带1的测区范围，M3M4N4N3为条 带2的测区范围，两个测区的重叠区域为N1N2N3N4，M1M2M3M4为测区总面积S，M1N1、M2N2、 M3N3、M4N4为测绘宽度x，M1M2、M3M4为条带长度y;根据几何关系， SM1M2M3M4 = SM1M2N2N1 + SM3M4N4N3 ~ SN1N2N3N4, 艮P :S=xy(l+P); 步骤三、微型SAR载荷安装与连接:将已加工好的结构安装件固定在多旋翼无人机上， 然后将载荷的各个模块安装在结构件上，保证载荷与结构总重量能够满足飞行器的最大载 重量和重心稳定要求;上述结构件安装完毕后，进行载荷设备的电路连接，将载荷和电路线 缆固定稳定。
[0007]步骤四、飞行前准备与设备检查：飞行前准备与设备检查主要包括以下步骤:飞行 器自动驾驶航线导入、SAR飞行作业航线导入、SAR载荷工作状态检查、P0S工作状态检查、 GPS信号检查、飞行前系统静止； a、 飞行器自动驾驶航线导入:将上述设计好的飞行器自动驾驶航线通过地面站或者无 线传输导入到多旋翼无人机中的控制系统，并检查是否导入成功； b、 SAR飞行作业航线导入:将上述设计好的载荷飞行航线通过地面站的USB3.0或者串 口导入到SAR雷达载荷中，根据SAR数据采集与控制软件检查航线文件是否导入成功； c、 SAR载荷工作状态检查:打开SAR载荷电源，利用地面站的SAR数据采集与控制软件， 通过雷达射频天线发射和接收信号，分析回波信号是否正常，进而判断SAR雷达载荷是否正 常工作； d、 POS工作状态检查:在载荷工作正常后，根据SAR雷达主机的POS状态指示灯，判断POS 系统是否正常工作； e、 GPS信号检查:在系统线缆连接正常并打开电源后，等待2-8min，然后通过SAR雷达主 机的GPS信号指示灯闪烁的次数，判断GPS搜索卫星个数；当卫星个数达到4颗以上后，表示 GPS信号稳定，满足观测需要，可以进行正常飞行作业； f、 飞行前系统静止:在准备工作就绪之后，让系统静止4_6min，待系统静止完毕后，开 始飞行作业； 步骤五、无人机载SAR飞行作业:待上述准备工作全部就绪、系统具备飞行作业的条件 之后，多旋翼无人机载微型SAR开始正式进入飞行作业阶段；以两个观测条带为例，A点表示 为飞机起点和降落点，B点表示为控制点1，C点表示为条带1作业起点，D点表示为条带1作业 终点，E点表示为控制点2，F点表示为条带2作业起点，G点表示为条带2作业终点，H点表示为 控制点3,无人机载微型SAR遥感观测作业的具体流程如下： a、 飞机从A点起飞，进行加速爬升到B点，调整姿态和速度进行悬停； b、 飞机从B点开始加速并达到作业速度，然后保持匀速飞行并通过C点，SAR雷达主机开 机，正式进入雷达遥感观测作业阶段； c、 飞机到达D点，条带1飞行观测结束，SAR雷达主机关机； d、 飞机开始调整姿态，飞行控制点E，进行悬停，等待条带2飞行观测； e、 飞机从E点加速，达到飞行作业速度，保持匀速飞行到达F点，SAR雷达主机二次开机， 开始进行第二次遥感观测作业； f、 飞机完成条带2飞行作业，达到G点，SAR雷达主机关机； g、 飞机从G点飞到控制点H进行悬停，然后开始降落到达原起止点A，飞行遥感观测作业 结束； 步骤六、数据导出与成像处理:在飞行作业完毕之后，关闭无人机飞行器，系统静止4-6min，然后取出SAR雷达主机，回到室内通过数据采集与控制软件导出飞行数据，利用导出 的POS数据对飞机的飞行误差进行运动补偿，并对雷达原始回波数据进行成像处理，最终获 得测量区域的高分辨率SAR图像。
[0008]飞行载荷航线设计的步骤包括:确定测绘区域、设置飞行参数、计算载荷工作起止 点、载荷飞行航线文件配置； a、 确定测绘区域:根据观测任务的实际需要，并结合SAR雷达载荷和多旋翼无人机的实 际性能，划定合理的观测区域； b、 设置飞行参数:在观测区域确定后，利用飞行器的性能指标，设置飞行器的飞行作业 速度和相对飞行高度； c、 计算载荷工作起止点：根据上述已确定的观测区域的长度、宽度、面积和测区重叠 度，确定实际需要几条航线，计算每一条航线起止点的经炜度，再根据上述已设置的相对飞 行高度，结合测区的实际海拔高度，计算雷达作业起止点的海拔高度； d、载荷飞行航线文件配置:保存上述计算出的雷达作业起止点的经炜高数据，根据航 线文件格式设计SAR雷达载荷的飞行航线文件。
[0009] 飞行器自动驾驶航线设计的步骤包括:确定飞机作业流程、关键点设定、飞行参数 设计、配置无人机航线文件； a、 确定飞机作业流程:根据测区分布，确定飞机整个作业流程，包括起飞、爬升、飞行作 业、降落各个环节； b、 关键点设定:在飞行器实际性能指标和作业任务的基础上，计算飞行作业流程几个 关键节点的经炜高数据，为飞行作业航线文件配置奠定基础；关键节点包括起飞点、控制 点、作业起止点、降落点； c、 飞行参数设计:根据飞机的续航时间要求，完成飞机起飞、加速爬升、悬停控制、飞行 作业、作业调度、减速降落过程的速度以及飞行时间参数的设计； d、 配置无人机航线文件:根据上述已确定的关键节点的经炜高信息和飞行速度参数， 配置无人机航线文件。
[0010] 本发明可以有效降低SAR图像获取的飞行成本，实现微型SAR观测系统的快速部署 以及迅速成像，具有操作简单、使用方便、价格低廉的优势。
【附图说明】
[0011] 图1为微型SAR观测系统的结构连接关系示意图。
[0012]图2为本发明的整体流程图。
[0013]图3为观测任务前准备的流程图。
[0014]图4为测绘带宽计算示意图。
[0015] 图5为测区面积计算示意图。
[0016] 图6为飞行载荷航线设计的流程图。
[0017] 图7为飞行器自动驾驶航线设计的流程图。
[0018] 图8为飞行前准备和检查的流程图。
[0019] 图9为飞机的飞行轨迹和作业流程图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0021] 如图1所示，本发明的结构包括多旋翼无人机系统、微型SAR观测系统;微型SAR观 测系统由SAR雷达主机、MU惯导系统、雷达射频天线、GPS模块、雷达控制设备、电池模块组 成;SAR雷达主机的作用是产生激励信号，放大后送发射天线进行辐射，并接收来自接收天 线的雷达回波信号，进行采集和存储;雷达控制设备通过USB3.0或串口与SAR雷达主机相连 接，雷达控制设备为计算机，主要是用于输入雷达观测航线、导出雷达数据、飞行前雷达设 备检查；MU惯导系统、电池模块均通过整机电缆与SAR雷达主机相连接；MU惯导系统主要 为微型SAR系统成像处理提供运动补偿，电池模块为整个微型SAR雷达系统提供电力支持； GPS模块、雷达射频天线分别通过同轴电缆、射频同轴电缆与SAR雷达主机相连接;微型SAR 观测系统通过GPS模块与多旋翼无人机系统相连接;雷达射频天线的主要功能是将发射机 输出的微波功率进行传输和辐射出去照射地面，然后接收地面目标的回波信号，通过馈线 传送给接收机。
[0022] 一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法主要包括以下六个步骤，如图2所 示： 步骤一、观测任务前准备:在进行遥感观测前，需要对多旋翼无人机、雷达设备以及结 构安装件进行准备，并进行充分的测试，达到满足遥感观测飞行作业任务的条件。观测任务 前准备的流程如图3所示，首先根据本次飞行遥感观测任务的需求，选择适合本次飞行任务 的多旋翼无人机机型，需要考虑的因素有无人机的飞行高度、续航时间、巡航速度、最大载 重;完成机型选择后，对飞行器进行观测任务前飞行测试，包括飞行器的悬停试验、自动驾 驶飞行试验、遥控飞行试验，并对本次试验获取的飞行高度、巡航速度、载重以及飞行时间 进行记录，进一步检查本机型的实际飞行数据能否满足SAR遥感观测任务需要； 然后根据飞行任务选择不同观测模式的任务载荷进行微型SAR遥感观测载荷准备，可 选的模式包括单极化模式、全极化模式、干涉模式;通过设备通电测试、发射和接收天线测 试、回波数据检查和设备参数选择对SAR雷达载荷设备进行检查，使得本载荷可以达到飞行 观测的需要;SAR雷达载荷设备检查合格后进行飞行器与载荷安装尺寸测量，主要是对飞行 器和雷达载荷各模块的几何尺寸、重量进行测量，便于后续进行结构安装和重心配平;最后 进行载荷结构安装件设计与加工，即利用测量结果，由结构工程师设计安全稳固的架构安 装件并进行加工。
[0023] 步骤二、飞行航线设计:飞行航线设计包括飞行载荷航线设计、飞行器自动驾驶航 线设计;航线设计需要综合考虑作业区域的长度、宽度、面积、测区重叠度，无人机的飞行速 度、飞行时间、飞行高度，作业航线数量以及气象条件。
[0024] 飞行作业的具体参数如表1所示(此表仅作参考用，具体飞行作业参数需要根据实 际情况进行灵活设置）： 表1飞行作业参数
这些参数是相互关联的，在参数设计时需要综合考虑，各参数之间的关系如下： a、 飞行作业高度、雷达中心视角、测绘宽度之间的关系：如图4所示，用A点表示飞机位 置，BE表示观测地面，AB表示飞行高度，ZBAC表示雷达中心视角，则DE的长度为测绘带宽的 理论值； 几何计算测绘带宽的公式为： DE=AB(tanZBAE- tanZBAD), 即：x=h(tan(9+a/2)-tan(9-a/2)); b、 飞行作业速度、单航线飞行时间、条带长度之间的关系:条带长度为飞行作业速度和 单航线飞行时间的乘积，即：y=v.t; c、 测绘宽度、条带长度、测区重叠度之间、测区面积的关系:测区面积取决于测绘带宽、 条带长度以及测区重叠度；如图5所示，以两个条带为例，M1M2N2N1为条带1的测区范围， M3M4N4N3为条带2的测区范围，两个测区的重叠区域为N1N2N3N4，M1M2M3M4为测区总面积S， MINI、M2N2、M3N3、M4N4为测绘宽度x，M1M2、M3M4为条带长度y;根据几何关系， SM1M2M3M4 = SM1M2N2N1 + Sm3M4N4N3 _ Sn1N2N3N4j 艮P :S=xy(l+P); 如图6所示，飞行载荷航线设计的步骤包括:确定测绘区域、设置飞行参数、计算载荷工 作起止点、载荷飞行航线文件配置； a、 确定测绘区域:根据观测任务的实际需要，并结合SAR雷达载荷和多旋翼无人机的实 际性能，划定合理的观测区域； b、 设置飞行参数:在观测区域确定后，利用飞行器的性能指标，设置飞行器的飞行作业 速度和相对飞行高度； C、计算载荷工作起止点：根据上述已确定的观测区域的长度、宽度、面积和测区重叠 度，确定实际需要几条航线，计算每一条航线起止点的经炜度，再根据上述已设置的相对飞 行高度，结合测区的实际海拔高度，计算雷达作业起止点的海拔高度； d、载荷飞行航线文件配置:保存上述计算出的雷达作业起止点的经炜高数据，根据航 线文件格式设计SAR雷达载荷的飞行航线文件； 如图7所示，飞行器自动驾驶航线设计的步骤包括:确定飞机作业流程、关键点设定、飞 行参数设计、配置无人机航线文件； a、 确定飞机作业流程:根据测区分布，确定飞机整个作业流程，包括起飞、爬升、飞行作 业、降落各个环节； b、 关键点设定:在飞行器实际性能指标和作业任务的基础上，计算飞行作业流程几个 关键节点的经炜高数据，为飞行作业航线文件配置奠定基础；关键节点包括起飞点、控制 点、作业起止点、降落点； c、 飞行参数设计:根据飞机的续航时间要求，完成飞机起飞、加速爬升、悬停控制、飞行 作业、作业调度、减速降落过程的速度以及飞行时间参数的设计； d、 配置无人机航线文件:根据上述已确定的关键节点的经炜高信息和飞行速度参数， 配置无人机航线文件。
[0025]步骤三、微型SAR载荷安装与连接:将已加工好的结构安装件固定在多旋翼无人机 上，然后将载荷的各个模块安装在结构件上，保证载荷与结构总重量能够满足飞行器的最 大载重量和重心稳定要求;上述结构件安装完毕后，进行载荷设备的电路连接，由于飞行器 高空作业时风速较大，因此需要将载荷和电路线缆固定稳定，以免出现意外。
[0026]步骤四、飞行前准备与设备检查:在进行正式飞行作业前，进行充分的准备工作和 设备检查是完全必要的。如图8所示，飞行前准备与设备检查主要包括以下步骤：飞行器自 动驾驶航线导入、SAR飞行作业航线导入、SAR载荷工作状态检查、P0S工作状态检查、GPS信 号检查、飞行前系统静止； a、 飞行器自动驾驶航线导入:将上述设计好的飞行器自动驾驶航线通过地面站或者无 线传输导入到多旋翼无人机中的控制系统，并检查是否导入成功； b、 SAR飞行作业航线导入:将上述设计好的载荷飞行航线通过地面站的USB3.0或者串 口导入到SAR雷达载荷中，根据SAR数据采集与控制软件检查航线文件是否导入成功； c、 SAR载荷工作状态检查:打开SAR载荷电源，利用地面站的SAR数据采集与控制软件， 通过雷达射频天线发射和接收信号，分析回波信号是否正常，进而判断SAR雷达载荷是否正 常工作； d、 P0S工作状态检查:在载荷工作正常后，根据SAR雷达主机的P0S状态指示灯，判断P0S 系统是否正常工作； e、 GPS信号检查:在系统线缆连接正常并打开电源后，等待2-8min，然后通过SAR雷达主 机的GPS信号指示灯闪烁的次数，判断GPS搜索卫星个数；当卫星个数达到4颗以上后，表示 GPS信号稳定，满足观测需要，可以进行正常飞行作业； f、 飞行前系统静止:为了获取准确的P0S位置信息，提高定位精度，在一切准备工作就 绪之后，让系统静止4-6min，待系统静止完毕后，开始飞行作业。
[0027] 步骤五、无人机载SAR飞行作业:待上述准备工作全部就绪、系统具备飞行作业的 条件之后，多旋翼无人机载微型SAR开始正式进入飞行作业阶段;如图9所示，以两个观测条 带为例，A点表示为飞机起点和降落点，B点表示为控制点1，C点表示为条带1作业起点，D点 表示为条带1作业终点，E点表示为控制点2，F点表示为条带2作业起点，G点表示为条带2作 业终点，H点表示为控制点3，无人机载微型SAR遥感观测作业的具体流程如下： a、 飞机从A点起飞，进行加速爬升到B点，调整姿态和速度进行悬停； b、 飞机从B点开始加速并达到作业速度，然后保持匀速飞行并通过C点，SAR雷达主机开 机，正式进入雷达遥感观测作业阶段； c、 飞机到达D点，条带1飞行观测结束，SAR雷达主机关机； d、 飞机开始调整姿态，飞行控制点E，进行悬停，等待条带2飞行观测； e、 飞机从E点加速，达到飞行作业速度，保持匀速飞行到达F点，SAR雷达主机二次开 机，开始进行第二次遥感观测作业； f、 飞机完成条带2飞行作业，达到G点，SAR雷达主机关机； g、飞机从G点飞到控制点H进行悬停，然后开始降落到达原起止点A，飞行遥感观测作业 结束。
[0028] 步骤六、数据导出与成像处理:在飞行作业完毕之后，关闭无人机飞行器，系统静 止4-6min，然后取出SAR雷达主机，回到室内通过数据采集与控制软件导出飞行数据(包括 雷达原始回波数据和P0S数据），利用导出的P0S数据对飞机的飞行误差进行运动补偿，并对 雷达原始回波数据进行成像处理，最终获得测量区域的高分辨率SAR图像。
[0029] 本发明观测出的SAR图像成像质量好，图像清晰，分辨率高，经过测算分辨率优于 0.3m〇
[0030] 本发明将微小型SAR与多旋翼无人机进行了有效结合，很好的降低了 SAR图像获取 的飞行成本，并且可以实现微型SAR观测系统的快速部署以及迅速成像，具有操作简单、使 用方便、价格低廉的优势，为SAR在应急响应、灾害救援、低成本遥感观测、SAR的应用普及和 推广等方面提供了重要的系统解决方案。
[0031] 上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领 域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发 明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法，其特征在于:所述方法使用到的系 统包括多旋翼无人机系统、微型SAR观测系统;所述微型SAR观测系统由SAR雷达主机、IMU惯 导系统、雷达射频天线、GPS模块、雷达控制设备、电池模块组成；所述雷达控制设备通过 USB3.0或串口与SAR雷达主机相连接;所述MJ惯导系统、电池模块均通过整机电缆与SAR雷 达主机相连接;所述GPS模块、雷达射频天线分别通过同轴电缆、射频同轴电缆与SAR雷达主 机相连接;所述微型SAR观测系统通过GPS模块与多旋翼无人机系统相连接； 所述方法分为六个步骤： 步骤一、观测任务前准备:首先根据本次飞行遥感观测任务的需求，选择适合本次飞行 任务的多旋翼无人机机型，需要考虑的因素有无人机的飞行高度、续航时间、巡航速度、最 大载重;完成机型选择后，对飞行器进行观测任务前飞行测试，包括飞行器的悬停试验、自 动驾驶飞行试验、遥控飞行试验，并对本次试验获取的飞行高度、巡航速度、载重以及飞行 时间进行记录，进一步检查本机型的实际飞行数据能否满足SAR遥感观测任务需要； 然后根据飞行任务选择不同观测模式的任务载荷进行微型SAR遥感观测载荷准备，可 选的模式包括单极化模式、全极化模式、干涉模式;通过设备通电测试、发射和接收天线测 试、回波数据检查和设备参数选择对SAR雷达载荷设备进行检查;SAR雷达载荷设备检查合 格后进行飞行器与载荷安装尺寸测量，主要是对飞行器和雷达载荷各模块的几何尺寸、重 量进行测量;最后进行载荷结构安装件设计与加工，即利用测量结果，由结构工程师设计安 全稳固的架构安装件并进行加工； 步骤二、飞行航线设计:飞行航线设计包括飞行载荷航线设计、飞行器自动驾驶航线设 计;航线设计需要综合考虑作业区域的长度、宽度、面积、测区重叠度，无人机的飞行速度、 飞行时间、飞行高度，作业航线数量以及气象条件，可设置的具体参数为:飞行作业高度，用 "h"表示;飞行作业速度，用V'表示；飞行总时间，用"T"表示;单航线飞行时间，用"t"表示； 测区重叠度，用"P"表示;作业航线数量，用"L"表示;雷达中心视角，用"Θ"表示;距离向波束 角，用"α"表示；测绘宽度，用"X"表示;条带长度，用"y"表示；测区面积，用"S"表示;这些参 数是相互关联的，在参数设计时需要综合考虑，各参数之间的关系如下： a、 飞行作业高度、雷达中心视角、测绘宽度之间的关系：用A点表示飞机位置，BE表示观 测地面，AB表示飞行高度，ZBAC表示雷达中心视角，则DE的长度为测绘带宽的理论值； 几何计算测绘带宽的公式为： DE=AB(tanZBAE- tanZBAD), 即：x=h(tan(9+a/2)-tan(9-a/2)); b、 飞行作业速度、单航线飞行时间、条带长度之间的关系:条带长度为飞行作业速度和 单航线飞行时间的乘积，即：y=v.t; c、 测绘宽度、条带长度、测区重叠度之间、测区面积的关系：测区面积取决于测绘带宽、 条带长度以及测区重叠度；以两个条带为例，M1M2N2N1为条带1的测区范围，M3M4N4N3为条 带2的测区范围，两个测区的重叠区域为NIN2N3N4，M1M2M3M4为测区总面积S，MINI、M2N2、 M3N3、M4N4为测绘宽度X，M1M2、M3M4为条带长度y;根据几何关系， SM1M2M3M4 = SM1M2N2N1 + SM3M4N4N3 ~ SN1N2N3N4? 即：S=xy(l+P); 步骤三、微型SAR载荷安装与连接:将已加工好的结构安装件固定在多旋翼无人机上， 然后将载荷的各个模块安装在结构件上，保证载荷与结构总重量能够满足飞行器的最大载 重量和重心稳定要求;上述结构件安装完毕后，进行载荷设备的电路连接，将载荷和电路线 缆固定稳定； 步骤四、飞行前准备与设备检查：飞行前准备与设备检查主要包括以下步骤:飞行器自 动驾驶航线导入、SAR飞行作业航线导入、SAR载荷工作状态检查、POS工作状态检查、GPS信 号检查、飞行前系统静止； a、 飞行器自动驾驶航线导入:将上述设计好的飞行器自动驾驶航线通过地面站或者无 线传输导入到多旋翼无人机中的控制系统，并检查是否导入成功； b、 SAR飞行作业航线导入:将上述设计好的载荷飞行航线通过地面站的USB3.0或者串 口导入到SAR雷达载荷中，根据SAR数据采集与控制软件检查航线文件是否导入成功； c、 SAR载荷工作状态检查:打开SAR载荷电源，利用地面站的SAR数据采集与控制软件， 通过雷达射频天线发射和接收信号，分析回波信号是否正常，进而判断SAR雷达载荷是否正 常工作； d、 P0S工作状态检查:在载荷工作正常后，根据SAR雷达主机的POS状态指示灯，判断POS 系统是否正常工作； e、 GPS信号检查:在系统线缆连接正常并打开电源后，等待2-8min，然后通过SAR雷达主 机的GPS信号指示灯闪烁的次数，判断GPS搜索卫星个数；当卫星个数达到4颗以上后，表示 GPS信号稳定，满足观测需要，可以进行正常飞行作业； f、飞行前系统静止:在准备工作就绪之后，让系统静止4_6min，待系统静止完毕后，开 始飞行作业； 步骤五、无人机载SAR飞行作业:待上述准备工作全部就绪、系统具备飞行作业的条件 之后，多旋翼无人机载微型SAR开始正式进入飞行作业阶段；以两个观测条带为例，A点表示 为飞机起点和降落点，B点表示为控制点I，C点表示为条带1作业起点，D点表示为条带1作业 终点，E点表示为控制点2，F点表示为条带2作业起点，G点表示为条带2作业终点，H点表示为 控制点3,无人机载微型SAR遥感观测作业的具体流程如下： a、 飞机从A点起飞，进行加速爬升到B点，调整姿态和速度进行悬停； b、 飞机从B点开始加速并达到作业速度，然后保持匀速飞行并通过C点，SAR雷达主机 开机，正式进入雷达遥感观测作业阶段； c、 飞机到达D点，条带1飞行观测结束，SAR雷达主机关机； d、 飞机开始调整姿态，飞行控制点E，进行悬停，等待条带2飞行观测； e、 飞机从E点加速，达到飞行作业速度，保持匀速飞行到达F点，SAR雷达主机二次开 机，开始进行第二次遥感观测作业； f、 飞机完成条带2飞行作业，达到G点，SAR雷达主机关机； g、 飞机从G点飞到控制点H进行悬停，然后开始降落到达原起止点A，飞行遥感观测作 业结束； 步骤六、数据导出与成像处理：在飞行作业完毕之后，关闭无人机飞行器，系统静止4-6min，然后取出SAR雷达主机，回到室内通过数据采集与控制软件导出飞行数据，利用导出 的POS数据对飞机的飞行误差进行运动补偿，并对雷达原始回波数据进行成像处理，最终获 得测量区域的高分辨率SAR图像。2. 根据权利要求1所述的基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法，其特征在于:所 述飞行载荷航线设计的步骤包括:确定测绘区域、设置飞行参数、计算载荷工作起止点、载 荷飞行航线文件配置； a、 确定测绘区域:根据观测任务的实际需要，并结合SAR雷达载荷和多旋翼无人机的实 际性能，划定合理的观测区域； b、 设置飞行参数:在观测区域确定后，利用飞行器的性能指标，设置飞行器的飞行作业 速度和相对飞行高度； c、 计算载荷工作起止点：根据上述已确定的观测区域的长度、宽度、面积和测区重叠 度，确定实际需要几条航线，计算每一条航线起止点的经炜度，再根据上述已设置的相对飞 行高度，结合测区的实际海拔高度，计算雷达作业起止点的海拔高度； d、 载荷飞行航线文件配置:保存上述计算出的雷达作业起止点的经炜高数据，根据航 线文件格式设计SAR雷达载荷的飞行航线文件。3. 根据权利要求1所述的基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法，其特征在于:所 述飞行器自动驾驶航线设计的步骤包括:确定飞机作业流程、关键点设定、飞行参数设计、 配置无人机航线文件； a、 确定飞机作业流程:根据测区分布，确定飞机整个作业流程，包括起飞、爬升、飞行作 业、降落各个环节； b、 关键点设定:在飞行器实际性能指标和作业任务的基础上，计算飞行作业流程几个 关键节点的经炜高数据，为飞行作业航线文件配置奠定基础;所述关键节点包括起飞点、控 制点、作业起止点、降落点； c、 飞行参数设计:根据飞机的续航时间要求，完成飞机起飞、加速爬升、悬停控制、飞行 作业、作业调度、减速降落过程的速度以及飞行时间参数的设计； d、 配置无人机航线文件:根据上述已确定的关键节点的经炜高信息和飞行速度参数， 配置无人机航线文件。
【文档编号】G05D1/08GK105892483SQ201610204792
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】王军锋, 邓豪
【申请人】中科九度(北京)空间信息技术有限责任公司