一种地基圆弧合成孔径雷达初始定向装置和定向方法与流程

本发明属于测绘领域及安全监测，具体涉及一种地基圆弧合成孔径雷达初始定向装置和定向方法。

背景技术：

1、圆弧式合成孔径雷达的摆臂通过旋转、圆弧运行轨迹，在空间上形成合成孔径，为提高对监测面的分辨能力，聚焦过程中在起始和结束阶段都会扩大积累角的运行范围。该过程会将雷达积累角的回波信号进行聚焦，为后续分析提供高清晰度的散射图。同时，为了更加直观的展示形变区域及形变程度，目前常见的做法是将雷达形变图与地形进行叠加。为了精准叠加，常见的做法是使用全站仪定向，但是该方法需要传递基准点，费时费力。考虑到，由于雷达本身具有一定分辨率，因此定向精度并不需要达到毫米级。因此，可以考虑利用gnss定向。同时，雷达有时会部署在山区等地方，需要尽可能的减少定向所需要的额外设备，以减轻成本。以及为了实现雷达授时，其自身有一台gnss设备能够充分利用。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供了一种地基圆弧合成孔径雷达初始定向装置和定向方法，以获得雷达初始方位角，进而进行后续的雷达形变场与地形的叠加。

2、本发明提供了一种地基圆弧合成孔径雷达初始定向装置，包括定向辅助组件、导轨结构、雷达主体结构和转轴；

3、所述导轨结构包括第一滑轨、第二滑轨、第一基座和第二基座，所述第一滑轨和第二滑轨采用相互并列设置于定向辅助组件上，所述第一基座同时与第一滑轨和第二滑轨滑动连接，所述第二基座同时与第一滑轨和第二滑轨相互固连，且安装在第二基座上的gnss天线为g1、安装在第一基座上的gnss天线为g2；

4、所述雷达主体结构卡装于定向辅助组件远离导轨结构的一端；且所述雷达主体结构包括雷达摆臂以及通过连接结构与雷达摆臂相互连接的雷达天线，所述雷达摆臂安装于第二基座上且以转轴为中心在水平方向进行旋转；

5、所述转轴安装于雷达摆臂上，且转轴的中心轴线与第二基座垂直于滑动方向的中心轴线相互重合设置。

6、可选的，在第一滑轨和第二滑轨上还均设有刻度线，所述刻度线以第二基座与定向辅助组件的宽度边相互平行的中心轴线为原点、以第二基座向第一基座延伸的方向以间隔0.5mm的方式依次设置。

7、可选的，在第一基座和第二基座的中心位置处还均设有强制对中器，gnss天线通过强制对中器安装在第一基座和第二基座上，通过读取第一基座所在位置的刻度线值，以获得设置于第一基座上的强制对中器与设置于第二基座上的强制对中器之间的距离。

8、可选的，所述g1和g2均采用rtk的测量方式实现测量，在测量过程中选择在雷达附近架设基站或使用cors实现差分计算。

9、可选的，所述定向辅助组件包括第一支柱、第二支柱、第三支柱、第四支柱以及框架；所述第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱的一端分别与框架相互固连且与框架所在平面垂直，第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱的另一端分别沿高度方向向下延伸设置。

10、本发明还提供了一种地基圆弧合成孔径雷达初始定向方法，包括以下步骤：

11、步骤一、安装如上述所述的地基圆弧合成孔径雷达初始定向装置；

12、启动g1以采集间隔δt不间断的采集坐标值(x,y)；

13、将g2的旋转起始位置的坐标值设为p1；

14、驱动雷达摆臂旋转以带动g2进行转动，雷达摆臂在旋转过程中选取n个位置进行暂停，得到均匀分布在g2的旋转轨迹上的pi个位置；并分别在任意一个pi位置上均采集m个坐标数据；其中，1≤i≤n，i表示为在任意一个pi位置处采集坐标；

15、步骤二、基于g1与g2之间的间距计算任意一个pi位置的真实准确坐标值以及圆心c的真实准确坐标值

16、采用最小二乘法等计算出圆心c的坐标改正数记为(δxc,δyc)以及任意一个pi位置的坐标改正数为(δxi,δyi)，最终计算得到的是圆心c的坐标平差值和任意一个pi位置的坐标平差值

17、步骤三、基于圆心c的坐标平差值和任意一个pi位置的坐标平差值计算雷达初始方位角α。

18、可选的，所述步骤二中计算任意一个pi位置的坐标平差值以及圆心c的坐标平差值的具体过程为：

19、基于笛卡尔平面直角坐标系，设北方向为x轴正方向，东方向为y轴正方向；

20、选取圆心c处的g1以采集频率δt不间断采集得到的m个坐标值

21、对任意一个pi位置均采集m个坐标数据，得到坐标值

22、设g1与g2之间的间距为l′，视l′为真值，基于约束条件，即线段pic的距离等于l′，理论上应有：

23、

24、其中：1≤k≤m，k表示为采集的第k个坐标值；1≤k≤m，i表示为在位置pi处采集的坐标；为pi的真实准确坐标值，为圆心c的真实准确坐标值。

25、可选的，采用最小二乘法等估计方法求出圆心c的坐标平差值以及任意一个pi位置的坐标平差值的具体过程如下：

26、将测量得到的坐标值代入中，即得到：

27、

28、其中：为真实值与测量值之间存在的误差；

29、利用泰勒公式对上式线性化，略去二次及以上的项，于是有：

30、

31、

32、令未知向量组的行数为2*n+2、列数为1，则其未知向量矩阵x为：

33、x＝[δxc,δyc,δx1,δy1,δx2,δy2,…,δxn,δyn]t；

34、令则得到误差方程：

35、

36、其中：表示为在位置pi处对的第k个测量值代入公式后计算得到的观测值与其近似值之差；

37、令参数矩阵b的行数为m*n、列数为2*n+2，根据误差方程，则参数矩阵b表示为：

38、

39、设有矩阵l的行数为2*n+2、列数为1，则其表示为：

40、

41、根据最小二乘法原理，要求未知向量组x满足vtv＝min；根据间接平差原理有：

42、x＝(btb)-1btl；

43、即求出改正数δxc,δyc,δx1,δy1,δx2,δy2,…δxn,δyn；

44、对于圆心c，其坐标改正值为：

45、

46、

47、对于pi，其改正后的坐标值为：

48、

49、

50、可选的，所述步骤三中计算雷达初始方位角α的具体过程为：

51、计算圆心c和p1两点之间的象限角rcp：

52、

53、根据坐标增量，判断象限角rcp与方位角α之间的关系：

54、①当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第i象限，即α＝rcp；

55、②当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第ii象限，即α＝rcp+90°；

56、③当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第iii象限，即α＝rcp+180°；

57、④当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第iv象限，即α＝rcp+360°。

58、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

59、本发明提出的一种地基圆弧合成孔径雷达初始定向装置，设计了一种定向辅助装置，充分利用了基线长度固定这一约束条件，以及pi分布在圆周上这一特性，通过测量平差手段以及gnss技术，得到平差后各坐标点改正坐标值，再利用方位角计算公式得到雷达初始方位角，具有计算精确，无需角反射器辅助，计算快速便捷等优势，并且利用了雷达自身已配置一台gnss天线，只需再携带一台gnss天线，为现场人员减轻负担。传统的基线约束平差方法，往往由于条件限制，只采用了一根或者几根固定基线计算。本技术方法，能够自由设置基线根数，自行设置在pi位置的采集方式(动态或者静态观测)和数据解算方式(rtk或者精密基线解算等)，灵活性高，可适应不同精度要求。

60、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。