非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法及系统，包括：获取天线阵列在各个定位时刻的位置数据和姿态数据，计算天线阵列在各个脉冲周期的平均平动速度和平均转动速度；并由此获取天线阵列在各个脉冲周期tl,k时刻的瞬时位置矢量和姿态角；由各个瞬时位置矢量和姿态角，确定脉冲波束覆盖区域选择矩阵，确定天线阵列在各个周期tl,k时刻形成的随机辐射场；计算各个周期中tl,k时刻的散射回波场，并定义散射回波场的修正随机辐射场，对散射回波场和随机辐射场进行关联处理，得到地面观测区域高分辨成像。应用本发明专利技术提供的方法及系统，能够在天线阵列发生随机摆动和晃动状态下，得到地面观测区域的高分辨率成像。

【技术实现步骤摘要】
非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法及系统
本专利技术涉及雷达成像
，特别涉及一种非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法及系统。
技术介绍
雷达成像(RadarImaging)技术是雷达发展史上的一个飞跃，其拓展了雷达最初的检测和测距的功能，使得雷达能利用获取的电磁散射信息，获得对场景的全景雷达图像。微波凝视关联成像因为具有超越实孔径雷达成像分辨率极限以及快速成像的优点，在最近几年取得了较快的发展。为了实现对某一重点的区域的持续观测，微波凝视关联成像系统常以非稳定的浮空气球等作为雷达载体。由于浮空气球受风力等因素的影响会使天线阵列发生随机摆动和晃动，导致在成像过程中天线阵列的位置、天线阵列的姿态以及天线阵列波束覆盖的区域发生变化，使得在静止状态假设下计算的天线阵列辐射场和脉冲波束覆盖区域不准确，进而影响成像质量。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法，能够在天线阵列发生随机摆动和晃动状态下，获取天线阵列在不同时刻的位置数据、姿态数据以及脉冲波束覆盖区域，消除了非稳定空中平台随机运动对成像的影响，从而得到地面观测区的高分辨率成像。为实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：一种非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法，包括：获取天线阵列在各个定位时刻的位置数据和姿态数据，其中，相邻两个所述定位时刻之间的时间间隔为预设的定位周期，所述天线阵列以非稳定空中平台为载体，并按照预设的脉冲周期向地面观测区域发射脉冲信号，并实时接收与所述脉冲信号相对应的散射回波；依据所述位置数据和姿态数据，计算所述天线阵列在各个脉冲周期中的平均平动速度和平均转动速度；依据所述平均平动速度和平均转动速度，获取所述天线阵列在各个所述脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量和姿态角；其中，所述tl,k时刻为各个所述脉冲周期中预设的采样时刻；依据所述各个脉冲周期中tl.k时刻的瞬时位置矢量和姿态角，确定与所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束相对应的脉冲波束覆盖区域选择矩阵；依据所述脉冲波束覆盖区域选择矩阵，确定所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束在各个所述脉冲周期中tl,k时刻形成的随机辐射场；依据所述天线阵列接收到的散射回波计算各个脉冲周期中tl,k时刻的散射回波场，并定义所述随机辐射场的修正随机辐射场，对所述散射回波场和所述修正随机辐射场进行关联处理，得到所述地面观测区域的高分辨成像。上述方法，可选的，所述计算所述天线阵列在各个脉冲周期内的平均速度和平均转动速度，包括：确定目标多项式拟合曲线方程；依据所述目标多项式拟合曲线方程，确定所述天线阵列在各个脉冲周期的起始时刻的位置数据和姿态数据，及结束时刻的位置数据和姿态数据；依据所述天线阵列在各个脉冲周期的起始时刻的位置数据和姿态数据，及所述天线阵列在各个脉冲周期的结束时刻的位置数据和姿态数据，计算所述天线阵列在所述各个脉冲周期内的平均平动速度和平均转动速度。上述方法，可选的，所述确定目标多项式拟合曲线方程，包括：采用预先设定的多项式拟合曲线方程，对已获取的所述天线阵列在各个所述定位时刻的位置数据和姿态数据进行曲线拟合，所述多项式拟合曲线方程为：其中，B、L和H分别为所述天线阵列在地理坐标系下的经度、纬度和高度；θ、和φ分别为所述天线阵列的俯仰角、方位角和横滚角；aξ,k为拟合多项式k次项的系数；依据最小二乘法求解所述多项式拟合曲线方程的系数aξ,k，其中，所述系数aξ,k的求解方程为：其中，为ti,pos时刻定位得到的所述天线阵列的位置数据和姿态数据，ti,pos为第i次定位时刻；依据求解得到的所述系数aξ,k，确定所述目标多项式拟合曲线方程。上述方法，可选的，所述依据所述平均平动速度和平均转动速度，获取所述天线阵列在各个所述脉冲周期中tl,k时刻瞬时位置矢量和姿态角，包括：将所述天线阵列中的各个发射天线在任意相邻两个定位时刻ti,pos和ti+1,pos之间的各个所述脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量表示为：其中，n表示第n个发射天线，为ti,pos定位时刻第n个发射天线的位置矢量，为在(tl,k-ti,pos)时间间隔内所述天线阵列平动造成的位置矢量变化量，为在(tl,k-ti,pos)时间间隔内各个所述发射天线转动造成的位置矢量变化量；将所述天线阵列中的接收天线在相邻两个定位时刻ti,pos和ti+1,pos之间的各个所述脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量表示为：其中，为ti,pos定位时刻所述接收天线的位置矢量；依据所述天线阵列在各个所述脉冲周期内的平均平动速度以及求解方程，求解得到其中，所述的求解方程为：其中，ti,pos定位时刻在第l'个脉冲周期内，ti+1,pos定位时刻在第l”个发射脉冲周期内，第l脉冲周期在所述第l'个脉冲周期和所述第l”个发射脉冲周期之间，即l′＜l＜l″；和分别为：第l个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度、第l'个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度、第l'+1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度和第l”-1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度，TP为所述脉冲信号的脉冲周期；依据所述天线阵列在各个脉冲周期内的平均转动速度，求解得到所述天线阵列在所述脉冲信号的各个脉冲周期中tl,k时刻的姿态角；其中，所述姿态角的求解方程为：其中，θ、和φ分别表示所述天线阵列的俯仰角、方位角和横滚角；ωl′,α、ωl'+1,α、和分别为：第l'个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均转动速度、第l'+1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均转动速度、第l”-1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列中第n个发射天线的平均转动速度和第l个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列中第n个发射天线的平均转动速度；依据所述姿态角以及求解方程，求解得到其中，所述求解方程为：其中，为ti,pos时刻的天线坐标系Ob-xbybzb转化到地理坐标系O-xyz的坐标转化矩阵，为在所述天线坐标系Ob-xbybzb下，所述天线阵列中第n个发射天线的位置矢量；根据求解得到的和确定所述天线阵列在所述脉冲信号的各个脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量和姿态角。上述方法，可选的，所述确定与所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束相对应的脉冲波束覆盖区域选择矩阵，包括：依据所述天线阵列在所述脉冲信号的各个脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量和姿态角，计算各个脉冲周期中tl,k时刻所述脉冲信号的脉冲波束所形成的脉冲波束覆盖区域的中心位置；基于所述中心位置，确定各个脉冲周期中tl.k时刻所述脉冲波束覆盖区域在所述地面观测区的分布，对各个所述脉冲波束覆盖的区域进行并集计算，确定成像观测区域S，其中，所述成像观测区域S为所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束所覆盖的区域在所述地面观测区域形成的观测区；将所述成像观测区域S划分为M个离散化网格，所述M＝P×Q，其中，P为方位向分辨单元数，Q为距离向分辨单元数，并定义所述脉冲波束覆盖区域选择矩阵为：其中，波束覆盖区域选择矩阵D的第l行表示第l个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束在所述成像观测区域S内的分布；依据确定所述脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，包括：获取天线阵列在各个定位时刻的位置数据和姿态数据，其中，相邻两个所述定位时刻之间的时间间隔为预设的定位周期，所述天线阵列以非稳定空中平台为载体，并按照预设的脉冲周期向地面观测区域发射脉冲信号，并实时接收与所述脉冲信号相对应的散射回波；依据所述位置数据和姿态数据，计算所述天线阵列在各个脉冲周期中的平均平动速度和平均转动速度；依据所述平均平动速度和平均转动速度，获取所述天线阵列在各个所述脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量和姿态角；其中，所述tl,k时刻为各个所述脉冲周期中预设的采样时刻；依据所述各个脉冲周期中tl.k时刻的瞬时位置矢量和姿态角，确定与所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束相对应的脉冲波束覆盖区域选择矩阵；依据所述脉冲波束覆盖区域选择矩阵，确定所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束在各个所述脉冲周期中tl,k时刻形成的随机辐射场；依据所述天线阵列接收到的散射回波计算各个脉冲周期中tl,k时刻的散射回波场，并定义所述随机辐射场的修正随机辐射场，对所述散射回波场和所述修正随机辐射场进行关联处理，得到所述地面观测区域的高分辨成像。...

【技术特征摘要】
1.一种非稳定空中平台微波凝视关联成像对地观测方法，其特征在于，包括：获取天线阵列在各个定位时刻的位置数据和姿态数据，其中，相邻两个所述定位时刻之间的时间间隔为预设的定位周期，所述天线阵列以非稳定空中平台为载体，并按照预设的脉冲周期向地面观测区域发射脉冲信号，并实时接收与所述脉冲信号相对应的散射回波；依据所述位置数据和姿态数据，计算所述天线阵列在各个脉冲周期中的平均平动速度和平均转动速度；依据所述平均平动速度和平均转动速度，获取所述天线阵列在各个所述脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量和姿态角；其中，所述tl,k时刻为各个所述脉冲周期中预设的采样时刻；依据所述各个脉冲周期中tl.k时刻的瞬时位置矢量和姿态角，确定与所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束相对应的脉冲波束覆盖区域选择矩阵；依据所述脉冲波束覆盖区域选择矩阵，确定所述天线阵列发射的脉冲信号的脉冲波束在各个所述脉冲周期中tl,k时刻形成的随机辐射场；依据所述天线阵列接收到的散射回波计算各个脉冲周期中tl,k时刻的散射回波场，并定义所述随机辐射场的修正随机辐射场，对所述散射回波场和所述修正随机辐射场进行关联处理，得到所述地面观测区域的高分辨成像。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述天线阵列在各个脉冲周期内的平均速度和平均转动速度，包括：确定目标多项式拟合曲线方程；依据所述目标多项式拟合曲线方程，确定所述天线阵列在各个脉冲周期的起始时刻的位置数据和姿态数据，及结束时刻的位置数据和姿态数据；依据所述天线阵列在各个脉冲周期的起始时刻的位置数据和姿态数据，及所述天线阵列在各个脉冲周期的结束时刻的位置数据和姿态数据，计算所述天线阵列在所述各个脉冲周期内的平均平动速度和平均转动速度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定目标多项式拟合曲线方程，包括：采用预先设定的多项式拟合曲线方程，对已获取的所述天线阵列在各个所述定位时刻的位置数据和姿态数据进行曲线拟合，所述多项式拟合曲线方程为：其中，B、L和H分别为所述天线阵列在地理坐标系下的经度、纬度和高度；θ、和φ分别为所述天线阵列的俯仰角、方位角和横滚角；aξ,k为拟合多项式k次项的系数；依据最小二乘法求解所述多项式拟合曲线方程的系数aξ,k，其中，所述系数aξ,k的求解方程为：其中，ζti,pos为ti,pos时刻定位得到的所述天线阵列的位置数据和姿态数据，ti,pos为第i次定位时刻；依据求解得到的所述系数aξ,k，确定所述目标多项式拟合曲线方程。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述平均平动速度和平均转动速度，获取所述天线阵列在各个所述脉冲周期中tl,k时刻瞬时位置矢量和姿态角，包括：将所述天线阵列中的各个发射天线在任意相邻两个定位时刻ti,pos和ti+1,pos之间的各个所述脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量表示为：其中，n表示第n个发射天线，为ti,pos定位时刻第n个发射天线的位置矢量，为在(tl,k-ti,pos)时间间隔内所述天线阵列平动造成的位置矢量变化量，为在(tl,k-ti,pos)时间间隔内各个所述发射天线转动造成的位置矢量变化量；将所述天线阵列中的接收天线在相邻两个定位时刻ti,pos和ti+1,pos之间的各个所述脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量表示为：其中，为ti,pos定位时刻所述接收天线的位置矢量；依据所述天线阵列在各个所述脉冲周期内的平均平动速度以及求解方程，求解得到其中，所述的求解方程为：其中，ti,pos定位时刻在第l'个脉冲周期内，ti+1,pos定位时刻在第l”个发射脉冲周期内，第l脉冲周期在所述第l'个脉冲周期和所述第l”个发射脉冲周期之间，即l′＜l＜l″；和分别为：第l个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度、第l'个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度、第l'+1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度和第l”-1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均平动速度，TP为所述脉冲信号的脉冲周期；依据所述天线阵列在各个脉冲周期内的平均转动速度，求解得到所述天线阵列在所述脉冲信号的各个脉冲周期中tl,k时刻的姿态角；其中，所述姿态角的求解方程为：其中，θ、和φ分别表示所述天线阵列的俯仰角、方位角和横滚角；ωl',α、ωl'+1,α、和分别为：第l'个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均转动速度、第l'+1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列的平均转动速度、第l”-1个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列中第n个发射天线的平均转动速度和第l个脉冲周期中tl,k时刻所述天线阵列中第n个发射天线的平均转动速度；依据所述姿态角以及求解方程，求解得到所述求解方程为：其中，为ti,pos时刻的天线坐标系Ob-xbybzb转化到地理坐标系O-xyz的坐标转化矩阵，为在所述天线坐标系Ob-xbybzb下，所述天线阵列中第n个发射天线的位置矢量；根据求解得到的和确定所述天线阵列在所述脉冲信号的各个脉冲周期中tl,k时刻的瞬时位置矢量和姿态角。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定与所述天线阵列发射的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭圆月，陈卫东，邓杰，蒋铮，王东进，袁博，夏瑞，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34