一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線的獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線的獲取方法，包括步驟如下：根據(jù)圓跡合成孔徑雷達(dá)待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達(dá)收發(fā)天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機(jī)平臺(tái)平均速度，獲得圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機(jī)的飛行高度、載機(jī)橫滾角；根據(jù)俯仰向波束中心入射角和載機(jī)橫滾角計(jì)算合成孔徑雷達(dá)收發(fā)天線俯仰向安裝角；在圓形航跡的圓心位置和載機(jī)姿態(tài)上加入誤差，仿真計(jì)算全方位觀測的波束照射區(qū)域；對波束照射區(qū)域是否包含于待觀測場景區(qū)進(jìn)行判斷；對包含于待觀測場景區(qū)的波束照射區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，獲取圓形航跡所需的八個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)及八個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)切入和切出圓形軌跡時(shí)的直線航跡。
【專利說明】一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)(SAR)航跡設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圓跡合成孔徑雷達(dá)(Circular SAR, CSAR)是20世紀(jì)90年代提出的一種SAR工作模式，其通過SAR平臺(tái)在空中作圓軌跡運(yùn)動(dòng)，并控制波束使波束中心始終指向同一場景中心，來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行360°全方位觀測。與傳統(tǒng)直線SAR相比，圓跡SAR對目標(biāo)的觀測具有更大的相干積累角，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率；且不同于傳統(tǒng)直線SAR斜平面成像幾何，圓跡SAR具有對場景區(qū)進(jìn)行三維重建的能力；此外，圓跡SAR的全方位觀測能夠有效減小常規(guī)SAR固有的陰影現(xiàn)象，并且對于獲取目標(biāo)隨方位角變化的后向散射信息具有重要意義。
[0003]2004年開始，法宇航、瑞典國防研究院、德宇航以及中科院電子所等研究機(jī)構(gòu)相繼利用機(jī)載試驗(yàn)平臺(tái)開展了圓跡SAR飛行試驗(yàn)。2011年7月，德國宇航局(DLR)在IGARSS會(huì)議上首次展示了利用E-SAR機(jī)載系統(tǒng)獲取的360°全方位高分辨圓跡SAR圖像(L波段全極化)。2011年8月，中科院電子所微波成像技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用自主研制的機(jī)載SAR系統(tǒng)，開展了國內(nèi)首次圓跡SAR飛行試驗(yàn)，成功獲取了 P波段全極化360°全方位高分辨圓跡SAR圖像。試驗(yàn)結(jié)果初步展示了圓跡SAR在高精度測繪、災(zāi)害評估和精細(xì)資源管理等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
[0004]鑒于機(jī)載圓跡SAR和傳統(tǒng)直線SAR觀測幾何的不同，機(jī)載圓跡SAR的航跡設(shè)計(jì)也有別于直線SAR。直線SAR主要由俯仰向波束寬度決定測繪區(qū)寬度，測繪區(qū)長度則隨著飛行軌跡的增長而變長。圓跡SAR中，要實(shí)現(xiàn)對場景的全方位觀測，除了需要確定圓形軌跡的半徑和高度等位置因素，又要考慮實(shí)際飛行時(shí)無法形成一個(gè)完整閉合圓軌跡，同時(shí)載機(jī)的姿態(tài)也需要精確控制。載機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)對載機(jī)姿態(tài)要求較高，而姿態(tài)又會(huì)影響到波束指向，最終影響圓跡SAR波束照射區(qū)，嚴(yán)重時(shí)不能獲得場景的全方位觀測數(shù)據(jù)，無法驗(yàn)證和發(fā)揮圓跡SAR在獲取目標(biāo)隨方位角變化的后向散射信息的能力，也無法使場景的圓跡SAR圖像達(dá)到最佳分辨率。由于國內(nèi)機(jī)載圓跡SAR實(shí)驗(yàn)開展還不夠深入，目前還未見針對機(jī)載圓跡SAR進(jìn)行航跡設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]為了解決現(xiàn)有機(jī)載圓跡SAR飛行軌跡難以閉合、全方位360°照射區(qū)域較小的問題，本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)載圓跡SAR航跡設(shè)計(jì)方法。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線的獲取方法的步驟如下:[0009]步驟S1:根據(jù)圓跡合成孔徑雷達(dá)待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達(dá)收發(fā)天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機(jī)平臺(tái)平均速度，獲得圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機(jī)的飛行高度、載機(jī)橫滾角；
[0010]步驟S2:根據(jù)俯仰向波束中心入射角和載機(jī)橫滾角計(jì)算合成孔徑雷達(dá)收發(fā)天線俯仰向安裝角Θ ;
[0011]步驟S3:在圓形航跡的圓心位置和載機(jī)姿態(tài)上加入誤差，仿真計(jì)算全方位觀測的波束照射區(qū)域；對波束照射區(qū)域是否包含于待觀測場景區(qū)進(jìn)行判斷，如果波束照射區(qū)域包含于待觀測場景區(qū)，則執(zhí)行步驟S4 ;如果波束照射區(qū)域不包含于待觀測場景區(qū)，則執(zhí)行步驟SI ；
[0012]步驟S4:對包含于待觀測場景區(qū)的波束照射區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，獲取圓形航跡所需的八個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)及八個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)切入和切出圓形軌跡時(shí)的直線航跡。
[0013](三)有益效果
[0014]本發(fā)明針對圓跡SAR圓形軌跡不易閉合、全方位360°照射區(qū)域較小的缺點(diǎn)，提出一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航跡設(shè)計(jì)方法，有利于實(shí)現(xiàn)圓跡合成孔徑雷達(dá)按照閉合圓軌跡飛行的目標(biāo)，保證圓跡合成孔徑雷達(dá)能夠完整獲取觀測場景目標(biāo)的全方位后向散射特性信
肩、O
[0015]本發(fā)明提出了利用控制點(diǎn)及時(shí)矯正航跡的方法，同時(shí)通過仿真計(jì)算圓跡SAR360。照射區(qū)域，確定飛行半徑和高度，本發(fā)明能夠解決機(jī)載圓跡SAR飛行軌跡難以閉合的問題，從而保證圓跡SAR能夠完整獲得待觀測場景的全方位后向散射特性，為后續(xù)圓跡SAR成像和目標(biāo)特性分析提供數(shù)據(jù)支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明中機(jī)載圓跡SAR航跡設(shè)計(jì)方法的總流程圖
[0017]圖2是本發(fā)明的圓跡SAR觀測幾何示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明的圓跡SAR波束照射區(qū)示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明中圓形航跡控制點(diǎn)設(shè)計(jì)的示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0021]如圖1示出本發(fā)明中一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航跡設(shè)計(jì)方法的總流程圖，該方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0022]步驟S1:根據(jù)圓跡合成孔徑雷達(dá)待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達(dá)收發(fā)天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機(jī)平臺(tái)平均速度，計(jì)算圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機(jī)的飛行高度和載機(jī)橫滾角。
[0023]如圖2為本發(fā)明的圓跡SAR觀測幾何示意圖，圖2中示出Z為垂直向上的坐標(biāo)軸，代表高度向坐標(biāo)，z=0高度為零的平面，假設(shè)測繪場景為一中心坐標(biāo)為0，航跡半徑R，圓形航跡的圓心O'，俯仰向波束中心入射角為α，收發(fā)天線的俯仰向波束寬度為Θ，載機(jī)的飛行高度H，待觀測場景的半徑為r的圓形區(qū)域，待觀測場景的平均高程為h，圓形航跡的圓心(V設(shè)計(jì)在O點(diǎn)正上方H-h處，z=0。為了使俯仰向波束能夠覆蓋測繪區(qū)，載機(jī)的飛行高度H和航跡半徑R必須滿足:
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線的獲取方法，其特征在于，該方法包括步驟如下: 步驟S1:根據(jù)圓跡合成孔徑雷達(dá)待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達(dá)收發(fā)天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機(jī)平臺(tái)平均速度，獲得圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機(jī)的飛行高度、載機(jī)橫滾角； 步驟S2:根據(jù)俯仰向波束中心入射角和載機(jī)橫滾角計(jì)算合成孔徑雷達(dá)收發(fā)天線俯仰向安裝角； 步驟S3:在圓形航跡的圓心位置和載機(jī)姿態(tài)上加入誤差，仿真計(jì)算全方位觀測的波束照射區(qū)域；對波束照射區(qū)域是否包含于待觀測場景區(qū)進(jìn)行判斷，如果波束照射區(qū)域包含于待觀測場景區(qū)，則執(zhí)行步驟S4 ;如果波束照射區(qū)域不包含于待觀測場景區(qū)，則執(zhí)行步驟SI ； 步驟S4:對包含于待觀測場景區(qū)的波束照射區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，獲取圓形航跡所需的八個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)及八個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)切入和切出圓形軌跡時(shí)的直線航跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，所述載機(jī)的飛行高度滿足以下條件:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，所述航跡半徑滿足以下條件R = (H-h) *tan α，R為航跡半徑,H為載機(jī)的飛行高度,h為待觀測場景的平均高程，α為俯仰向波束中心入射角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，由于圓跡合成孔徑雷達(dá)不同于直線合成孔徑雷達(dá)，需要使載機(jī)一直處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，因此載機(jī)需要調(diào)整橫滾角以達(dá)到需要的飛行航跡半徑，所以載機(jī)橫滾角需滿足以下條件:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，所述仿真計(jì)算全方位觀測的波束照射區(qū)域的步驟包括: 步驟S31:在理想圓形航跡和載機(jī)姿態(tài)上加入誤差，作為實(shí)際飛行時(shí)載機(jī)位置和姿態(tài)的仿真參數(shù)；加入誤差后的載機(jī)姿態(tài)包括:加入誤差后的俯仰角、加入誤差后的偏航角和加入誤差后的載機(jī)橫滾角； 步驟S32:計(jì)算圓跡合成孔徑雷達(dá)在方位向每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行一次信號(hào)收發(fā)時(shí)天線波束的橢圓照射區(qū)域； 步驟S33:取所述橢圓擬合波束的照射區(qū)域的交集作為圓跡合成孔徑雷達(dá)360°全方位照射的區(qū)域；步驟S34:若360°全方位觀測區(qū)域包含于待觀測區(qū)域中，則保持理想圓形航跡和載機(jī)姿態(tài)參數(shù)不變，若360°全方位觀測區(qū)域未包含于待觀測區(qū)域，則增大載機(jī)的飛行高度H，重復(fù)步驟S31至步驟S33。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，獲取所述橢圓照射區(qū)域的步驟如下:以圓跡合成孔徑雷達(dá)的方位向?yàn)檩d機(jī)沿圓形航跡的行進(jìn)方向，以波束中心在場景平面的投影點(diǎn)坐標(biāo)(xpc，ypc)為原點(diǎn)，以俯仰向波束內(nèi)側(cè)和外側(cè)在場景平面的投影點(diǎn)坐標(biāo)(xpin,ypin)和(χρ_ ypj、以方位向波束前側(cè)和后側(cè)在場景平面的投影點(diǎn)坐標(biāo)(xpfMnt，yPfront)和(xPbac；k，yPtocJ為四個(gè)頂點(diǎn)，以最小二乘法為準(zhǔn)則進(jìn)行擬合，得到波束的橢圓照射區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，計(jì)算波束中心在場景平面的投影點(diǎn)坐標(biāo)(Xpc，ypc)表示如下:
8.根據(jù)權(quán)利要 求6所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，計(jì)算俯仰向波束內(nèi)側(cè)和外側(cè)在場景平面投影點(diǎn)坐標(biāo)(xpin, ypin)和(XPrat, ypj:
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，計(jì)算方位向波束前側(cè)和后側(cè)在場景平面投影點(diǎn)坐標(biāo)(xpfMn, ypfMnt)和(xpbaek，ypbaek):
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載圓跡合成孔徑雷達(dá)航線設(shè)計(jì)的方法，其特征在于，在所述圓形航跡上設(shè)置控制點(diǎn)是首先在圓形航跡上設(shè)置八個(gè)控制點(diǎn)，平均分割圓弧，計(jì)算并提供八個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)；選取任意一個(gè)控制點(diǎn)作為切入點(diǎn)，并沿著與圓軌跡相切于切入點(diǎn)的直線飛行一段距離，當(dāng)?shù)竭_(dá)切入點(diǎn)時(shí)開始轉(zhuǎn)彎并朝下一個(gè)控制點(diǎn)以弧線飛行，同時(shí)切入點(diǎn)也是切出點(diǎn)，是最后一個(gè)控制點(diǎn)，當(dāng)飛完整個(gè)圓形軌跡后飛行員仍以直線切出，如此即完成一次圓軌跡飛行和數(shù)據(jù)采集。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK103760562SQ201410040276
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】林赟, 郭振宇, 譚維賢, 王彥平, 洪文, 吳一戎 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所