一种超宽带合成孔径雷达实时运动补偿方法技术

本发明专利技术提供一种超宽带合成孔径雷达实时运动补偿方法，其特征在于，使用单点GPS输出的运动参数进行UWB?SAR成像的实时运动补偿。将飞行时间按Ta分段，如果当前时刻是成像合成孔径的起始点，则建立成像坐标系，如果不是，则进行下述步骤：第一步，消除单点GPS位置跳变误差；第二步，根据单点GPS定位信息计算平移运动误差；第三步，计算航向速度误差；第四步，计算视线方向运动误差，对机载UWB?SAR的视线方向运动误差补偿。本发明专利技术仅需对导航系统的输出数据进行信息处理，无需进行运动参数估计，节省了存储空间和运算量，大面积成像补偿精度高。并且成本较低，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于UWB(Ultra Wide Band，超宽带)SAR(Synthetic ApertureRadar, 合成孔径雷达)信号处理
，涉及一种UWB SAR实时运动补偿方法，特别是使用 GPS (Globe Positioning System，全球定位系统)输出运动参数进行UWB SAR实时运动补偿的方法。
技术介绍
UffB SAR是指雷达系统信号相对带宽大于25%的SAR，由于相对带宽等于发射信号带宽与雷达系统中心频率的比值，UWB SAR通常位于UHF/VHF波段，属于低频段SAR，UffB SAR同时具备穿透叶簇和浅地表成像能力，是当前SAR领域的研究热点之一。UWB SAR获得方位高分辨率需要大积累角，安装于机载平台上的UWB SAR，大积累角对应的合成孔径长度可达数公里，在一个孔径时间内，机载平台偏离理想勻速直线的相对运动误差对成像质量有很大的影响，必需进行运动补偿。机载平台的运动误差分为姿态误差和平移误差。姿态误差的补偿可通过接收导航系统输出的姿态信息实时调整天线波束中心的指向(本专利技术中统称视线方向)来实现，在本专利技术中不再讨论。平移误差会导致UWB SAR回波数据在方位向和距离向发生包络偏移和相位误差，造成图像的散焦和几何失真。仅通过调整视线方向无法消除平移误差。由于机载UWB SAR要求具备实时成像能力，因此必需在成像过程中进行平移误差的实时运动补偿。传统上，针对平移误差的实时运动补偿技术从实现途径上可分为基于雷达回波数据的实时运动补偿，基于运动参数测量值的实时运动补偿。基于雷达回波数据的实时运动补偿方法可通过自聚焦算法从原始回波或粗分辨图像数据中估计得到运动参数来进行误差补偿。由于UWB SAR单孔径数据量很大，采用这种方法估计运动参数所需的存储量和运算量都很大，且大多数自聚焦算法只能估计低频的运动误差；此外，由于自聚焦算法多基于场景中的局部强点目标进行，估计得到的运动参数难以与SAR机载平台的实际运动完全吻合，大面积成像时运动补偿效果不佳。基于运动参数测量值的实时运动补偿方法通过使用机载平台上安装的导航系统输出运动参数来进行误差补偿。传统INSanertial Navigation System，惯性导航系统)所提供的长期定位精度随时间漂移，而GPS的短时定位精度不高，不能输出姿态信息。组合导航技术综合了这两种具有互补特性的独立信息源，利用INS提高数据的短时精度，利用GPS 保证数据的长时间稳定性，因而近年来被应用到SAR运动补偿领域。据报道，目前，国外研制的UWB SAR系统多采用基于运动参数测量值的实时运动补偿方法，由于补偿效果主要依赖于运动参数的精度，需要在机载平台上额外加装昂贵的高精度导航系统，如高精度INS/ 差分GPS，定位精度达到0. 1米，测速精度高于0. 03米/秒，这种方法已经成功应用在美国 Lynx SAR系统中，获得了高分辨率的UWB SAR图像。高精度INS价格昂贵，同样存在长时间的定位漂移；差分GPS作用距离受限，易受干扰。在我国，机载平台上配备的INS/GPS组合导航系统定位精度普遍偏低，INS输出值在5100秒内的漂移达数十米，GPS输出数据率多为l-2Hz且存在位置跳变误差。对UWB SAR来说，由于实现高分辨率成像所需的孔径长达数公里，上述测量误差的影响大，基于机载INS/ GPS组合导航系统进行UWB SAR实时运动补偿的效果不佳。正因为存在上述问题，利用基于单点GPS输出运动参数进行UWB SAR实时运动补偿的方法，对单点GPS运动参数处理后将其用于UWB SAR的实时运动补偿中，可弥补原有机载INS/GPS组合导航系统的不足，提高UWBSAR成像的质量。这种方法目前未见文献有具体报道。
技术实现思路
专利技术目的为了弥补现有UWB SAR实时运动补偿方法的不足，本专利技术提供了一种基于单点GPS的UWB SAR实时运动补偿方法。这种方法弥补了机载平台原有组合导航系统定位精度低的缺陷，并具有运算量小的优点，适于机载UWB SAR的实时运动补偿。与基于雷达回波数据的实时运动补偿方法相比，仅需对导航系统的输出数据进行信息处理，无需进行运动参数估计，大大节省了存储空间和运算量，大面积成像补偿精度更高。与基于高精度 INS/差分GPS的实时运动补偿方法相比，这种方法仅需加装一个单点GPS，通过数据处理方法有效地提高了导航系统的相对定位精度，且成本较低，易于实现。本专利技术的技术方案是，其特征在于， 使用单点GPS输出的运动参数进行UWB SAR成像的实时运动补偿，包括设单点GPS的数据更新周期TePS，在时刻t输出的运动参数包括机载平台的经度 λ (t)、纬度识⑴和高度h(t)；以及机载平台的速度在东北天坐标系中的东向速度Ve(t)， 北向速度1(0和天向速度vz(t)。设机载平台在东北天坐标系中的加速度门限值、= 。设UWB SAR的一次成像孔径时间Ta。在UWB SAR成像过程中，将飞行时间按Ta分段，等效于把航迹按照一次成像的孔径长度分段。在任意一段飞行时间内，对任意时刻t e [nQ · Ta, (n0+l) · Ta)，nQ > 1且nQ为整数，进行下述处理步骤第一种情况时，如果t = Iitl · Ta,则建立成像坐标系，包括下述步骤利用下式计算当前时刻t对应的理想航迹角β ref和理想航速VMf 权利要求1. ，其特征在于，使用单点GPS(Globe Positioning System，全球定位系统)输出的运动参数进行UWB SARUffB (Ultra Wide Band, 超宽带)SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像的实时运动补偿，包括设单点GPS的数据更新周期TePS，在时刻t输出的运动参数包括机载平台的经度 λ (t)、纬度识⑴和高度h(t)；以及机载平台的速度在东北天坐标系中的东向速度Ve(t)， 北向速度1(0和天向速度Vz(t)；设机载平台在东北天坐标系中的加速度门限值Y = ；设UWB SAR的一次成像孔径时间Ta ； 在UWB SAR成像过程中，将飞行时间按Ta分段；在任意一段飞行时间内，对任意时刻t e [n0 - Ta, (n0+l) · Ta)，Iitl > 1且Iitl为整数，进行下述处理步骤如果t = Iitl · Ta，则建立成像坐标系，包括下述步骤 利用下式计算当前时刻t对应的理想航迹角β ref和理想航速Vref 全文摘要本专利技术提供，其特征在于，使用单点GPS输出的运动参数进行UWB SAR成像的实时运动补偿。将飞行时间按Ta分段，如果当前时刻是成像合成孔径的起始点，则建立成像坐标系，如果不是，则进行下述步骤第一步，消除单点GPS位置跳变误差；第二步，根据单点GPS定位信息计算平移运动误差；第三步，计算航向速度误差；第四步，计算视线方向运动误差，对机载UWB SAR的视线方向运动误差补偿。本专利技术仅需对导航系统的输出数据进行信息处理，无需进行运动参数估计，节省了存储空间和运算量，大面积成像补偿精度高。并且成本较低，易于实现。文档编号G01S13/90GK102288962SQ20111019509公开日2011年12月21日 申请日本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种超宽带合成孔径雷达实时运动补偿方法，其特征在于，使用单点ＧＰＳ（Ｇｌｏｂｅ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ，全球定位系统）输出的运动参数进行ＵＷＢ　ＳＡＲＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ　Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄ，超宽带）ＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｒａｄａｒ，合成孔径雷达）成像的实时运动补偿，包括：设单点ＧＰＳ的数据更新周期ＴＧＰＳ，在时刻ｔ输出的运动参数包括：机载平台的经度λ（ｔ）、纬度和高度ｈ（ｔ）；以及机载平台的速度：在东北天坐标系中的东向速度Ｖｅ（ｔ），北向速度Ｖｎ（ｔ）和天向速度Ｖｚ（ｔ）；设机载平台在东北天坐标系中的加速度门限值γ＝［γＥ，γＮ，γＺ］；设ＵＷＢ　ＳＡＲ的一次成像孔径时间Ｔａ；在ＵＷＢ　ＳＡＲ成像过程中，将飞行时间按Ｔａ分段；在任意一段飞行时间内，对任意时刻ｔ∈［ｎ０·Ｔａ，（ｎ０＋１）·Ｔａ），ｎ０＞１且ｎ０为整数，进行下述处理步骤：如果ｔ＝ｎ０·Ｔａ，则建立成像坐标系，包括下述步骤：利用下式计算当前时刻ｔ对应的理想航迹角βｒｅｆ和理想航速Ｖｒｅｆ：（ｍａｔｈ）??（ｍｆｅｎｃｅｄｏｐｅｎ＝＇｛＇ｃｌｏｓｅ＝＇＇）?（ｍｔａｂｌｅ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｂｅｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｒｅｆ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＆Ｉｎｔｅｇｒａｌ；（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）＆ｂｅｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｄｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｐ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｒｅｆ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）＆Ｉｎｔｅｇｒａｌ；（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｖ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）ｄｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｐ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（／ｍｔａｂｌｅ）?（／ｍｆｅｎｃｅｄ）?（／ｍａｔｈ）其中，β（ｔ′）和Ｖ（ｔ′）分别是时刻ｔ′机载平台的瞬时航迹角和沿航迹角方向的瞬时航速，并且β（ｔ′）＝ａｒｃｔｇ［Ｖｎ（ｔ′）／Ｖｅ（ｔ′）］，Ｔ∈［Ｔａ／３，２Ｔａ］；以时刻ｎ０·Ｔａ时，机载平台所在的位置为原点，以βｒｅｆ的指向为Ｘ轴，水平面上垂直于βｒｅｆ的方向为Ｙ轴，天向为Ｚ轴建立机载ＵＷＢ　ＳＡＲ的成像坐标系；如果ｔ≠ｎ０·Ｔａ，设ｔ＝ｎ０·Ｔａ＋ｔ０，ｔ０∈（０，Ｔａ），则基于上述成像坐标系对机载ＵＷＢＳＡＲ进行运动补偿，具体包括下述步骤：第一步，消除单点ＧＰＳ位置跳变误差；利用下式计算当前时刻ｔ在东北天坐标系中机载平台的等效速度：其中，为在时刻ｎ０Ｔａ机载平台的纬度，ａ为平均赤道半径，ｅ为地球偏心率；利用下式计算等效速度差值：ΔＶ（ｔ）＝［ＶＥ（ｔ）－ＶＥ（ｔ－ＴＧＰＳ），ＶＮ（ｔ）－ＶＮ（ｔ－ＴＧＰＳ），ＶＺ（ｔ）－ＶＺ（ｔ－ＴＧＰＳ）］利用下式判断定位信息中是否出现位置跳变误差：ΔＶ（ｔ）＞γ·ＴＧＰＳ　　　　（公式一）如果公式一成立，则出现位置跳变误差，按照下式修正当前时刻ｔ单点ＧＰＳ的定位信息：将修正的经纬高值替换ｔ时刻的测量值即得到去除位置跳变误差后的定位信息；如果公式一不成立，则未出现位置跳变误差，无需进行修正；第二步，根据单点ＧＰＳ定位信息计算平移运动误差利用下式，将去跳变后当前时刻ｔ的单点ＧＰＳ定位信息，从ＷＧＳ－８４坐标系转换到地心地固直角坐标系：接着，利用下式将定位信息从地心地固直角坐标系转换到东北天坐标系：其中，（ｘｅ０，ｙｅ０，ｚｅ０）是时刻ｎ０·Ｔａ时ＵＷＢ　ＳＡＲ的成像坐标系原点在东北天坐标系中的坐标；利用下式将定位信息再从东北天坐标系转换到成像坐标系中：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｆｅｎｃｅｄｏｐｅｎ＝＇［＇ｃｌｏｓｅ＝＇］＇）?（ｍｔａｂｌｅ）?（ｍｔｒ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李悦丽，周智敏，黎向阳，黄晓涛，朱国富，严少石，李建阳，安道祥，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43