一種超寬帶合成孔徑雷達實時運動補償方法
2023-05-02 14:10:41
專利名稱：一種超寬帶合成孔徑雷達實時運動補償方法
技術領域：
本發明屬於UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)SAR(Synthetic ApertureRadar, 合成孔徑雷達)信號處理技術領域，涉及一種UWB SAR實時運動補償方法，特別是使用 GPS (Globe Positioning System，全球定位系統)輸出運動參數進行UWB SAR實時運動補償的方法。
背景技術：
UffB SAR是指雷達系統信號相對帶寬大於25%的SAR，由於相對帶寬等於發射信號帶寬與雷達系統中心頻率的比值，UWB SAR通常位於UHF/VHF波段，屬於低頻段SAR，UffB SAR同時具備穿透葉簇和淺地表成像能力，是當前SAR領域的研究熱點之一。UWB SAR獲得方位高解析度需要大積累角，安裝於機載平臺上的UWB SAR，大積累角對應的合成孔徑長度可達數公裡，在一個孔徑時間內，機載平臺偏離理想勻速直線的相對運動誤差對成像質量有很大的影響，必需進行運動補償。機載平臺的運動誤差分為姿態誤差和平移誤差。姿態誤差的補償可通過接收導航系統輸出的姿態信息實時調整天線波束中心的指向(本發明中統稱視線方向)來實現，在本發明中不再討論。平移誤差會導致UWB SAR回波數據在方位向和距離向發生包絡偏移和相位誤差，造成圖像的散焦和幾何失真。僅通過調整視線方向無法消除平移誤差。由於機載UWB SAR要求具備實時成像能力，因此必需在成像過程中進行平移誤差的實時運動補償。傳統上，針對平移誤差的實時運動補償技術從實現途徑上可分為基於雷達回波數據的實時運動補償，基於運動參數測量值的實時運動補償。基於雷達回波數據的實時運動補償方法可通過自聚焦算法從原始回波或粗分辨圖像數據中估計得到運動參數來進行誤差補償。由於UWB SAR單孔徑數據量很大，採用這種方法估計運動參數所需的存儲量和運算量都很大，且大多數自聚焦算法只能估計低頻的運動誤差；此外，由於自聚焦算法多基於場景中的局部強點目標進行，估計得到的運動參數難以與SAR機載平臺的實際運動完全吻合，大面積成像時運動補償效果不佳。基於運動參數測量值的實時運動補償方法通過使用機載平臺上安裝的導航系統輸出運動參數來進行誤差補償。傳統INSanertial Navigation System，慣性導航系統)所提供的長期定位精度隨時間漂移，而GPS的短時定位精度不高，不能輸出姿態信息。組合導航技術綜合了這兩種具有互補特性的獨立信息源，利用INS提高數據的短時精度，利用GPS 保證數據的長時間穩定性，因而近年來被應用到SAR運動補償領域。據報導，目前，國外研製的UWB SAR系統多採用基於運動參數測量值的實時運動補償方法，由於補償效果主要依賴於運動參數的精度，需要在機載平臺上額外加裝昂貴的高精度導航系統，如高精度INS/ 差分GPS，定位精度達到0. 1米，測速精度高於0. 03米/秒，這種方法已經成功應用在美國 Lynx SAR系統中，獲得了高解析度的UWB SAR圖像。高精度INS價格昂貴，同樣存在長時間的定位漂移；差分GPS作用距離受限，易受幹擾。在我國，機載平臺上配備的INS/GPS組合導航系統定位精度普遍偏低，INS輸出值在
5100秒內的漂移達數十米，GPS輸出數據率多為l-2Hz且存在位置跳變誤差。對UWB SAR來說，由於實現高解析度成像所需的孔徑長達數公裡，上述測量誤差的影響大，基於機載INS/ GPS組合導航系統進行UWB SAR實時運動補償的效果不佳。正因為存在上述問題，利用基於單點GPS輸出運動參數進行UWB SAR實時運動補償的方法，對單點GPS運動參數處理後將其用於UWB SAR的實時運動補償中，可彌補原有機載INS/GPS組合導航系統的不足，提高UWBSAR成像的質量。這種方法目前未見文獻有具體報導。
發明內容
發明目的為了彌補現有UWB SAR實時運動補償方法的不足，本發明提供了一種基於單點GPS的UWB SAR實時運動補償方法。這種方法彌補了機載平臺原有組合導航系統定位精度低的缺陷，並具有運算量小的優點，適於機載UWB SAR的實時運動補償。與基於雷達回波數據的實時運動補償方法相比，僅需對導航系統的輸出數據進行信息處理，無需進行運動參數估計，大大節省了存儲空間和運算量，大面積成像補償精度更高。與基於高精度 INS/差分GPS的實時運動補償方法相比，這種方法僅需加裝一個單點GPS，通過數據處理方法有效地提高了導航系統的相對定位精度，且成本較低，易於實現。本發明的技術方案是一種超寬帶合成孔徑雷達實時運動補償方法，其特徵在於， 使用單點GPS輸出的運動參數進行UWB SAR成像的實時運動補償，包括設單點GPS的數據更新周期TePS，在時刻t輸出的運動參數包括機載平臺的經度 λ (t)、緯度識⑴和高度h(t)；以及機載平臺的速度在東北天坐標系中的東向速度Ve(t)， 北向速度1(0和天向速度vz(t)。設機載平臺在東北天坐標系中的加速度門限值、= [γΕ, ΥΝ, Y z]。設UWB SAR的一次成像孔徑時間Ta。在UWB SAR成像過程中，將飛行時間按Ta分段，等效於把航跡按照一次成像的孔徑長度分段。在任意一段飛行時間內，對任意時刻t e [nQ · Ta, (n0+l) · Ta)，nQ > 1且nQ為整數，進行下述處理步驟第一種情況時，如果t = Iitl · Ta,則建立成像坐標系，包括下述步驟利用下式計算當前時刻t對應的理想航跡角β ref和理想航速VMf
權利要求
1. 一種超寬帶合成孔徑雷達實時運動補償方法，其特徵在於，使用單點GPS(Globe Positioning System，全球定位系統)輸出的運動參數進行UWB SARUffB (Ultra Wide Band, 超寬帶)SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達)成像的實時運動補償，包括設單點GPS的數據更新周期TePS，在時刻t輸出的運動參數包括機載平臺的經度 λ (t)、緯度識⑴和高度h(t)；以及機載平臺的速度在東北天坐標系中的東向速度Ve(t)， 北向速度1(0和天向速度Vz(t)；設機載平臺在東北天坐標系中的加速度門限值Y = [γΕ, Υν, Yz]；設UWB SAR的一次成像孔徑時間Ta ； 在UWB SAR成像過程中，將飛行時間按Ta分段；在任意一段飛行時間內，對任意時刻t e [n0 - Ta, (n0+l) · Ta)，Iitl > 1且Iitl為整數，進行下述處理步驟如果t = Iitl · Ta，則建立成像坐標系，包括下述步驟 利用下式計算當前時刻t對應的理想航跡角β ref和理想航速Vref
全文摘要
本發明提供一種超寬帶合成孔徑雷達實時運動補償方法，其特徵在於，使用單點GPS輸出的運動參數進行UWB SAR成像的實時運動補償。將飛行時間按Ta分段，如果當前時刻是成像合成孔徑的起始點，則建立成像坐標系，如果不是，則進行下述步驟第一步，消除單點GPS位置跳變誤差；第二步，根據單點GPS定位信息計算平移運動誤差；第三步，計算航向速度誤差；第四步，計算視線方向運動誤差，對機載UWB SAR的視線方向運動誤差補償。本發明僅需對導航系統的輸出數據進行信息處理，無需進行運動參數估計，節省了存儲空間和運算量，大面積成像補償精度高。並且成本較低，易於實現。
文檔編號G01S13/90GK102288962SQ20111019509
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月13日 優先權日2011年7月13日
發明者嚴少石, 周智敏, 安道祥, 朱國富, 李建陽, 李悅麗, 黃曉濤, 黎向陽 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學