CN102305929A - 机载合成孔径雷达杠杆臂误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机载SAR杠杆臂误差补偿方法。技术方案包括以下步骤：步骤1，建立杠杆臂误差补偿的坐标系；步骤2，在机体坐标系中计算杠杆臂矢量；步骤3，在东北天坐标系中计算杠杆臂矢量；步骤4，在成像坐标系中计算杠杆臂矢量；步骤5，补偿杠杆臂误差的方位向分量；步骤6，补偿杠杆臂误差的距离向分量。本发明计算杠杆臂矢量在机载SAR成像坐标系中的前向分量，由前向分量校正载机前向速度，通过脉冲重复频率调整补偿杠杆臂误差的方位向分量；由侧向和法向分量校正传感器测量的载机侧向和法向运动误差，补偿杠杆臂误差的距离向分量。利用本发明可提高机载SAR运动补偿的精度。

Description

机载合成孔径雷达杠杆臂误差补偿方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达信号处理技术领域，提出一种机载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)杠杆臂误差补偿方法，以提高机载SAR运动补偿的精度。

背景技术

SAR是一种主动式微波成像雷达，它具有分辨率高、作用距离远、测绘带宽和全天候工作的特点，在军、民用领域发挥了巨大的作用，而机载SAR是合成孔径雷达发展的重要方面。机载SAR成像要求载机按预定的直线航迹匀速运动，但是受气流等因素的影响，载机存在运动误差，包括：偏离直线航迹的误差和非匀速运动误差。运动误差严重降低了机载SAR的成像质量，为了实现高分辨成像，需要运动补偿消除载机非理想运动的影响，而运动补偿的精度直接影响最终的成像质量。

为了补偿载机的运动误差，需要高精度的传感器测量载机的位置和速度。一般情况下，传感器的安装位置和机载SAR天线的安装位置是不重合的，造成传感器测量得到的运动参数与机载SAR天线相位中心的实际运动参数不符，二者之间的误差称杠杆臂误差(或杠臂误差)。杠杆臂误差用机载SAR天线相位中心到传感器安装位置的矢量来表示，称为杠杆臂矢量。随着载机姿态的变化，杠杆臂矢量在机载SAR天线波束瞄准线方向的投影和载机前进方向的投影会发生变化，使得传感器测量的运动参数中包含时变的杠杆臂误差。用含杠杆臂误差的传感器测量参数进行运动补偿，会降低机载SAR运动补偿的精度，因此需要补偿杠杆臂误差。

机载SAR杠杆臂误差补偿是机载SAR运动补偿处理中的重要一环，关于杠杆臂误差的分析和处理如文献：张澄波，“综合孔径雷达：原理、系统分析与应用”，科学出版社，1989，304～305页。该文献分析了SAR运动补偿处理中杠杆臂误差校正的要求，指明了杠杆臂误差补偿的基本原理和基本分析方法。但是，该文献只分析了杠杆臂误差的距离向分量对机载SAR运动补偿精度的影响，没有考虑杠杆臂误差的方位向分量；其次，只给出了杠杆臂误差的近似分析方法，没有给出杠杆臂误差补偿的具体实施方法。

发明内容

本发明提出一种机载SAR杠杆臂误差补偿方法，提高机载SAR运动补偿的精度。

本发明的基本思路是：首先，计算杠杆臂矢量在机载SAR成像坐标系中的前向、侧向和法向分量。然后由前向分量校正载机前向速度，通过脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，简称PRF)调整补偿杠杆臂误差的方位向分量。最后，由侧向和法向分量校正传感器测量的载机侧向和法向运动误差，补偿杠杆臂误差的距离向分量。

本发明的技术方案是，一种机载SAR杠杆臂误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立杠杆臂误差补偿的坐标系。

杠杆臂误差补偿涉及到三个右手直角坐标系：机体坐标系、东北天坐标系和成像坐标系：

a)建立机体坐标系(下标为b)：以机载SAR天线的相位中心为原点Q₃、Y_b轴为机首正方向、X_b轴为右侧机翼正方向、垂直于X_bY_b且竖直向上的方向为法向轴Z_b建立机体坐标系。

b)建立东北天坐标系(下标为g)：以机载SAR开始成像时的航迹起始点O₁为原点建立直角坐标系，三条坐标轴X_g、Y_g和Z_g分别指向东向、北向和天向。

c)建立成像坐标系(下标为i)：成像坐标系的原点与东北天坐标系的原点重合，记为O₂，表示天向的Z_i轴与东北天坐标系的Z_g轴重合，以预定航迹方向为Y_i，垂直Y_iZ_i的方向为侧向轴X_i建立成像坐标系，预定航迹与北向的夹角α_ref称为预定航迹角。

步骤2，在机体坐标系中计算杠杆臂矢量。

由于传感器和机载SAR天线的安装位置已经固定，在不考虑机体形变的前提下，杠杆臂矢量在机体坐标系中是固定的。

用长度测量仪器测量杠杆臂误差在机体坐标系中的值，得到杠杆臂矢量：

$\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_b}={\left[{\mathrm{Vx}}_b{\mathrm{Vy}}_b{\mathrm{Vz}}_b\right]}^T$ (公式一)

其中Vx_b、Vy_b、Vz_b为传感器在机体坐标系中的位置。

步骤3，在东北天坐标系中计算杠杆臂矢量。

按如下公式计算东北天坐标系中的杠杆臂矢量：

$\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_g}=T_{\mathrm{bg}}\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_b}$ (公式二)

其中，坐标变换矩阵T_bg为：

(公式三)

上式中，α_g，

θ_g为当前时刻载机的航向角、俯仰角和横滚角。

步骤4，在成像坐标系中计算杠杆臂矢量。

按如下公式计算成像坐标系中的杠杆臂矢量：

$\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_i}={\left[{\mathrm{Vx}}_i{\mathrm{Vy}}_i{\mathrm{Vz}}_i\right]}^T=T_{\mathrm{gi}}\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_g}$ (公式四)

其中，Vx_i、Vy_i与Vz_i分别为杠杆臂误差的前向、侧向和法向分量

(公式五)

坐标变换矩阵T_gi为：

$T_{\mathrm{gi}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ \sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ (公式六)

步骤5，补偿杠杆臂误差的方位向分量。

通过校正传感器测量的载机前向速度，然后实时调整雷达脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency)PRF，补偿杠杆臂误差的方位向分量。

对杠杆臂误差矢量的前向分量Vy_i对当前时刻求导，求出其对应的前向速度误差

${\mathrm{VV}}_a=\frac{\mathrm{dV}{y}_i}{\mathrm{dt}}$ (公式七)

利用下式对传感器测量的当前时刻载机前向速度V_a进行校正，得到校正后的载机前向速度V为

V＝V_a+VV_a    (公式八)

利用机载SAR的实时PRF调整系统补偿杠杆臂误差的方位向分量，PRF调整的关系为：

$\mathrm{PRF}=\frac{V}{V_0}g{\mathrm{PRF}}_0$ (公式九)

其中，V₀和PRF₀为载机预定的飞行速度和雷达的预定PRF。

步骤6，补偿杠杆臂误差的距离向分量。

通过校正传感器测量的载机侧向和法向运动误差，补偿杠杆臂误差的距离向分量。当前时刻传感器测量的载机侧向和法向运动误差为x_i和z_i，经过校正后的载机侧向和法向运动误差为x和z：

x＝x_i-Vx_i    (公式十)

z＝z_i-Vz_i

然后，利用常规运动补偿算法补偿杠杆臂误差的距离向分量。

本发明的有益效果是：

本发明通过计算成像坐标系中的杠杆臂矢量，补偿了杠杆臂误差在方位向和距离向的分量，从而提高了机载SAR运动补偿的精度。

附图说明

图1为机载SAR杠杆臂误差补偿的流程图；

图2为机载SAR杠杆臂误差补偿的坐标系；

图3某机载SAR杠杆臂误差补偿前后，同一地区成像结果对比。

具体实施方式

如图1，机载SAR杠杆臂误差补偿方法分为六个步骤，下面以某型机载SAR杠杆臂误差补偿实例对本发明进行进一步解释，步骤如下：

步骤1，建立杠杆臂误差补偿的坐标系。

如图2，以O₃为原点，X_b、Y_b和Z_b为轴建立机体坐标系；以O₁为原点，X_g、Y_g和Z_g为轴建立东北天坐标系；以O₂为原点，X_i、Y_i和Z_i为轴建立成像坐标系。

步骤2，在机体坐标系中计算杠杆臂矢量。

如图2，机载SAR天线的相位中心在O₃处，运动传感器沿载机轴线安装在载机背部M处，

为杠杆臂矢量，测量得到机体坐标系中的杠杆臂矢量为

$\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_b}={[0-32.2]}^T$

步骤3，在东北天坐标系中计算杠杆臂矢量。

由载机的姿态数据构造变换矩阵T_bg，在东北天坐标系中计算杠杆臂矢量。

步骤4，在成像坐标系中计算杠杆臂矢量。

由预定航迹角α_ref构造变换矩阵T_gi，在成像坐标系中计算杠杆臂矢量。

步骤5，补偿杠杆臂误差的方位向分量。

用杠杆臂误差矢量的前向分量校正传感器测量的载机前向速度，然后实时调整雷达PRF，补偿杠杆臂误差的方位向分量。

步骤6，补偿杠杆臂误差的距离向分量。

用杠杆臂误差矢量的侧向和法向分量校正传感器测量的侧向和法向运动误差，经常规运动补偿处理补偿杠杆臂误差的距离向分量。具体运动补偿方法见文献：G.FORNARO，“Trajectory Deviations in Airborne SAR：Analysis andCompensation”，IEEE Trans on A.E.S.Vol.35 No.3 July 1999.

图3(a)为杠杆臂误差补偿之前的成像结果，图3(b)为杠杆臂误差补偿之后的成像结果，可见杠杆臂误差补偿后，图像聚焦质量明显提高，表明本文方法可提高机载SAR运动补偿精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种机载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)杠杆臂误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立杠杆臂误差补偿的坐标系；

a)建立机体坐标系：以机载SAR天线的相位中心为原点O₃、Y_b轴为机首正方向、X_b轴为右侧机翼正方向、垂直于X_bY_b且竖直向上的方向为法向轴Z_b建立机体坐标系；

b)建立东北天坐标系：以机载SAR开始成像时的航迹起始点O₁为原点建立直角坐标系，三条坐标轴X_g、Y_g和Z_g分别指向东向、北向和天向；

c)建立成像坐标系：成像坐标系的原点与东北天坐标系的原点重合，记为O₂，表示天向的Z_i轴与东北天坐标系的Z_g轴重合，以预定航迹方向为Y_i，垂直Y_iZ_i的方向为侧向轴X_i建立成像坐标系，预定航迹与北向的夹角α_ref称为预定航迹角；

步骤2，在机体坐标系中计算杠杆臂矢量；

用长度测量仪器测量杠杆臂误差在机体坐标系中的值，得到杠杆臂矢量：

$\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_b}={\left[{\mathrm{Vx}}_b{\mathrm{Vy}}_b{\mathrm{Vz}}_b\right]}^T$ (公式一)

其中Vx_b、Vy_b、Vz_b为传感器在机体坐标系中的位置；

步骤3，在东北天坐标系中计算杠杆臂矢量；

按如下公式计算东北天坐标系中的杠杆臂矢量：

$\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_g}=T_{\mathrm{bg}}\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_b}$ (公式二)

其中，坐标变换矩阵T_bg为：

(公式三)

上式中，α_g，

θ_g为当前时刻载机的航向角、俯仰角和横滚角；

步骤4，在成像坐标系中计算杠杆臂矢量；

按如下公式计算成像坐标系中的杠杆臂矢量：

$\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_i}={\left[{\mathrm{Vx}}_i{\mathrm{Vy}}_i{\mathrm{Vz}}_i\right]}^T=T_{\mathrm{gi}}\stackrel{\mathrm{uuu}}{{\mathrm{Vu}}_g}$ (公式四)

其中，Vx_i、Vy_i与Vz_i分别为杠杆臂误差的前向、侧向和法向分量，

(公式五)

坐标变换矩阵T_gi为：

$T_{\mathrm{gi}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& -\sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ \sin {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& \cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ (公式六)

步骤5，补偿杠杆臂误差的方位向分量；

杠杆臂误差矢量的前向分量Vy_i对当前时刻求导，求出其对应的前向速度误差

${\mathrm{VV}}_a=\frac{\mathrm{dV}{y}_i}{\mathrm{dt}}$ (公式七)

利用下式对传感器测量的当前时刻载机前向速度V_a进行校正，得到校正后的载机前向速度V为

V＝V_a+VV_a    (公式八)

利用机载SAR的实时PRF(Pulse Repetition Frequency，脉冲重复频率)调整系统补偿杠杆臂误差的方位向分量，PRF调整的关系为：

$F=\frac{V}{V_0}g{F}_0$ (公式九)

其中，V₀和F₀为载机预定的飞行速度和雷达的预定PRF，F为调整后的PRF；

步骤6，补偿杠杆臂误差的距离向分量；

当前时刻传感器测量的载机侧向和法向运动误差为x_i和z_i，经过校正后的载机侧向和法向运动误差为x和z：

x＝x_i-Vx_i

            (公式十)

z＝z_i-Vz_i

然后，利用常规运动补偿算法补偿杠杆臂误差的距离向分量。

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