[发明专利]一种基于SAR三维成像的自旋式飞行器测高方法

摘要

本发明提出了一种基于SAR三维成像的自旋式飞行器测高方法，它是将自旋式飞行器天线相位中心轨迹等效为天线面阵，通过等效面阵天线对目标场景三维成像，将飞行器测高问题转化为对三维成像场景中心点高度的求解，通过对目标场景高精度三维成像，完成对自旋式飞行器的测高。在成像过程中，本发明提供了三维BP算法，该算法能适用于等效天线面阵非均匀分布的情况。利用自旋式飞行器运动过程中形成的等效天线阵列，结合自旋式飞行器三维SAR的系统参数和观测场景目标参数，通过在时域对有散射点的场景单元格补偿时延相位，完成了对目标场景的三维成像。本发明具有对于变加速、非直线运动的自旋式飞行器能成像优点。

主权项

一种基于SAR三维成像的自旋式飞行器测高方法，其特征是它包括如下步骤： 步骤1、初始化自旋式飞行器SAR成像系统各参数 初始化自旋式飞行器SAR成像系统参数包括：飞行器水平高度，记做H，飞行器半径，记做r，飞行器飞行速度，记做v，最大加速度，记做a，自旋角频率，记做ω，由v、a、ω决定的飞行器速度矢量，记做雷达系统工作的信号波长，记做λ，雷达发射线性调频信号的载频，记做fc，线性调频信号的调频斜率，记做fdr，雷达平台天线发射信号带宽，记做B，雷达平台天线发射脉冲时宽，记做Tr，雷达平台接收系统采样频率，记做Fs，雷达发射脉冲重复频率，记做prf，光在空气中的传播速度，记做C，第t个慢时刻，记做t，t=1，2...T,T为慢时刻总数，雷达平台天线相位中心位置矩阵，记做APC，沿航迹向分辨率，记做ρa，切航迹向分辨率，记做ρ_b，高度向分辨率，记做ρ_r，接收波门相对发射信号延时T_d，距离门位置记做Ic；上述参数均为阵列SAR系统标准参数，其中雷达发射线性调频信号的载频fc，雷达载频波长λ，雷达发射基带信号的信号带宽B，雷达发射信号脉冲宽度Tp，雷达发射信号调频斜率f_dr，雷达接收系统的采样频率Fs，雷达系统的脉冲重复频率prf，光在空气中的传播速度C，雷达系统的脉冲重复时间PRI和雷达接收系统接收波门相对于发射信号发散波门的延迟TD，均在三维SAR系统设计过程中已经确定；飞行器飞行高度H，飞行器半径r，飞行器速度v，加速度a，自旋角频率ω，平台速度矢量沿航迹向分辨率ρ_a，切航迹向分辨率ρ_b，高度向分辨率ρ_r，雷达平台天线相位中心位置矩阵APC，均在自旋式飞行器三维SAR观测方案设计中已经确定；根据三维SAR雷达系统方案和三维SAR雷达成像观测方案，以上基于三维成像的自旋式飞行器测高系统参数均为已知；步骤2：初始化阵列三维SAR的观测场景目标空间 初始化阵列三维SAR的观测场景目标空间参数，包括：以雷达波束照射场区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的空间直角坐标作为阵列三维SAR的观测场景目标空间Ω；将三维SAR观测场景目标空间Ω均匀划分成大小相等的立体单元网格(亦称为分辨单元)，立体单元网格在水平横向、水平纵向和高度向边长分别记为dx、dy和dz，立体单元网格的每一对水平横向、水平纵向所对应高度单元格中，只有一个有点目标散射体，立体单元网格大小选择为阵列SAR系统传统理论成像分辨率的二分之一，初始化数字高程模型（DEM）数据，其中，场景沿航迹总的散射点数，记做sx，场景切航迹向总的散射点数，记做sy，场景沿航迹向上的第x0个散射点序号，记做x0，x₀=1,2,...s_x，场景沿航迹向上的第y0个散射点序号，记做y₀，y₀=1,2,...s_y，沿航迹向散射点位置x₀与切航迹向散射点位置y₀所唯一确定的目标散射点的高度，记做z(x₀,y₀)；观测场景目标空间Ω中第m个散射点的坐标矢量，记做m表示第m个目标散射点，m=1,2,...M，M为观测场景目标空间Ω中的目标散射点总数，构成观测场景目标矩阵P_n，矩阵P_n的单个元素为P_n(l₀,m)，l₀=1,2,3，l₀代表空间三维坐标；m=1,2,...M,代表第m个目标散射点；观测场景目标空间Ω在阵列SAR成像方案设计中已经确定；利用传统的合成孔径雷达原始回波仿真方 法产生阵列SAR的原始回波数据，经过相参积累得到的雷达回波数据帧数为K，K帧回波数据中第ü帧回波数据记做sⁱⁱ(ü=1,2...K)，初始化T行M列测量矩阵ψ，用于存放经残余相位补偿后的回波数据；步骤3：初始化天线相位中心轨迹 自旋式飞行器雷达的天线收发模式，初始化天线相位中心轨迹的具体步骤如下： 步骤3.1初始化步骤1中的雷达平台天线相位中心位置矩阵APC，矩阵APC的第一行代表自旋式飞行器沿航迹向坐标，第二行代表自旋式飞行器切航迹向坐标，第三行代表自旋式飞行器高度向坐标；矩阵APC的每个元素为APC(l,t)，（l=1,2,3,代表空间坐标的3个维度；t=1,2....T,代表第t个慢时刻，T为步骤1中定义的为慢时刻总数），APC(1:3,t)代表第t个慢时刻所对应的天线相位中心坐标；初始化慢时刻t，令t=1，代表第1个慢时刻； 步骤3.2令若APC(3,t)＞H,令其中，v、ω、a、r、H、prf分别为步骤1中定义的飞行器飞行速度、飞行器自旋角速度、飞行器飞行加速度、飞行器自旋半径、飞行器水平高度、雷达系统的脉冲重复频率；步骤3.3令t=t+1，若t<T+1，转步骤3.2，否则，存储雷达平台天线相位中心位置矩阵APC，转步骤4； 步骤4：观测场景目标空间序列化 观测场景目标空间序列化处理步骤如下： 步骤4.1初始化步骤2中的观测场景目标矩阵P_n，P_n第一行代表目标沿航迹向坐标，第二行代表目标切航迹向坐标，第三行为由沿航迹与切航迹向坐标所决定的高度坐标；P_n的单个元素为P_n(l₀,m)，l₀=1,2,3，l₀代表空间三个维度的坐标；m=1,2....M,代表第m个目标散射点，M代表观测场景目标空间Ω中的目标散射点总数，P_n(1:3,m)代表第m个目标空间Ω中的目标散射点； 步骤4.2令x=1，y=1，m=1,观测场景目标空间Ω中，x代表场景沿航迹向散射点序号，y代表场景切航迹向散射点序号，m表示第m个目标散射点，z(x,y)表示步骤2中由沿航迹向散射点序号与切航迹向散射点序号共同确定的目标散射点的高度；转步骤4.3； 步骤4.3观测场景目标矩阵P_n，矩阵第一行第二行第三行P_n (3,m)=round(z(x,y))×ρ_r，其中，s_x为场景沿航迹散射点总数，s_y为场景切航迹散射点总数，ρ_a为沿航迹向分辨率，ρ_b为切航迹向分辨率，ρ_r为高度向分辨率，转步骤4.4；步骤4.4令x=x+1，m=m+1，若x<s_x+1，转步骤4.3，否则，转步骤4.5； 步骤4.5令x=1，y=y+1，若m<M+1，转步骤4.3，否则，转步骤5； 步骤5：用后像投影算法进行相参积累 后像投影方法步骤如下： 步骤5.1取出步骤2中的K帧原始回波数据； 首先，对K帧回波数据s¹,s²...s^K的高度向采用传统的匹配滤波压缩算法进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的K帧回波数据矩阵x¹,x²...x^K，匹配滤波的参考函数为： H(t₀)=exp(‑jπf_drt₀²) 其中，exp(·)表示e指数运算符号，f_dr为步骤1种初始化的线性调频信号的调频斜率，t₀为时间变量，T_r为步骤1中初始化的雷达平台天线发射脉冲时宽；然后，对脉冲压缩后的K帧回波数据矩阵x¹,x²...x^K进行辛格插值，得到扩展为对应到T个慢时刻所对应的M列（M代表观测场景目标空间Ω中的目标散射点总数）场景目标向量其中，为第1个慢时刻点所对应的目标散射点回波数据，为第2个慢时刻点所对应的目标散射点回波数据，为第T个慢时刻点所对应的目标散射点回波数据，(t=1,2...T，t为第t个慢时刻，T为步骤1中定义的慢时刻总数)的每一个元素对应着场景目标散射点的回波；最后，将T个慢时刻所对应的场景目标向量存储到计算机中，转步骤5.2；步骤5.2令t=1，t代表第t个慢时刻，1≤t≤T，T为步骤1中定义的慢时刻总数，初始化迭代变量m=0，m代表第m个目标散射点，1≤m≤M，M为步骤1中定义的目标散射点总数，转步骤5.3； 步骤5.3令m=m+1，计算第m个目标散射点P_n(1:3,m)到的第t个慢时刻的天线相位中心APC(1:3,t)的距离，记为R_m： 所以，第t个慢时刻到第m个目标散射点的回波延时： APC为步骤3中得到的雷达平台天线相位中心位置矩阵，雷达平台天线相位中心位置矩阵APC的每列（APC(1:3,t)）代表一个慢时刻点，P_n为步骤4中的序列化后的观测场景目标矩阵，矩阵P_n的每1列代表1个目标散射点的坐标，转步骤5.4； 步骤5.4计算得到观测场景目标空间Ω中第m个目标散射点与第t个慢时刻对应的时延函数，记为公式为：(m=1,2...M) 其中，exp(·)表示e指数运算符号，f_c为步骤1中初始化得到的雷达工作中心频率，τ(t,m)为步骤5.3得到的第t个慢时刻到第m个目标散射点的回波延时，f_dr为步骤1中初始化得到的发射信号调频斜率，j为虚数单位(即‑1的开平方根)，若迭代变量m<M+1，转步骤5.3，否则，转步骤5.5； 步骤5.5取出步骤5.1得到的第t个慢时刻所对应的场景目标向量其中，的第m个元素为a_t(m)，所以，将a_t(m)与步骤5.4得到的进行共轭相乘后得到经残余相位补偿后的回波数据存入步骤2中的测量矩阵ψ的第t行m列；当m=M时，令t=t+1，m=0；若t=T+1，转步骤5.6，否则，转步骤5.3；步骤5.6输出测量矩阵ψ，ψ为经残余相位补偿后的测量矩阵，矩阵的每个元素对应一个散射点的回波数据φ_t(m)，记测量矩阵ψ的第t行所代表的第t个慢时刻所对应的场景目标向量为β_t，ψ化简为： 其中，φ₁(1)为观测场景目标空间Ω中第1个散射点在第1个慢时刻点所测得的回波函数，φ₁(2)为观测场景目标空间Ω中第2个散射点在第1个慢时刻点所测得的回波函数，φ₁(M)为观测场景目标空间Ω中第M个散射点在第1个慢时刻点所测得的回波函数；φ₂(1)为观测场景目标空间Ω中第1个散射点在第2个慢时刻点所测得的回波函数，φ₂(2)为观测场景目标空间Ω中第2个散射点在第2个慢时刻点所测得的回波函数；φ₂(M)为观测场景目标空间Ω中第M个散射点在第2个慢时刻点所测得的回波函数；φ_T(1)为观测场景目标空间Ω中第1个散射点在第T个慢时刻点所测得的回波函数，φ_T(2)为观测场景目标空间Ω中第2个散射点在第T个慢时刻点所测得的回波函数，φ_T(M)为观测场景目标空间Ω中第M个散射点在第T个慢时刻点所测得的回波函数；β₁为与第1个慢时刻点对应的场景目标回波向量，β₂为与第2个慢时刻点对应的场景 目标回波向量，β_T为与第T个慢时刻点对应的场景目标回波向量，三维SAR的测量矩阵ψ为T行M列的二维矩阵； 步骤5.6取出步骤5.5中的场景目标向量β₁，β₂......β_T，将向量β₁，β₂......β_T相加，得到T个慢时刻相参积累后的三维空间成像场景向量：（t为第t个慢时刻），σ中每个元素的绝对值对应一个目标散射点的高度；步骤6、输出飞行器测量高度 取出步骤5中对T个慢时刻相参积累后的三维空间成像场景向量σ，由σ的生成过程可知，的绝对值为飞行器天底点高度，即为测得的飞行器对地相对高度高度，其中round为定义的取整运算符，H为步骤1中初始化的飞行器飞行高度，M为观测场景目标空间Ω中散射点总数。