CN102331576A - 一种sar聚束工作模式的瞄准点的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SAR聚束工作模式的瞄准点的获取方法，包括以下几个步骤：(1)获取雷达飞行轨迹数据及接收信号功率数据，初始化瞄准点中心坐标及距离范围，构建二维搜索点矩阵。(2)获取接收信号功率误差平方和。(3)获取瞄准点坐标。本发明提供的方法可以在瞄准点位置未知情况下，通过测量接收雷达发射信号功率来得出SAR聚束模式瞄准点坐标位置。本发明提供的方法可以通过迭代，从而获取较为精确的SAR聚束模式瞄准点坐标。

Description

一种SAR聚束工作模式的瞄准点的获取方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体地说，是指一种合成孔径雷达(简称SAR)聚束工作模式的瞄准点的获取方法。

背景技术

合成孔径雷达是一种利用微波成像的对地观测系统，是一种高分辨成像系统。合成孔径雷达广泛应用于灾害接侧，资源勘探，海洋研究，军事侦查等诸多领域。SAR成像的几种模式包括条带(stripmap)模式，聚束(spotlight)波模式和扫描(scan)模式。聚束模式SAR一般用于分辨率较高的场合。在这种成像模式中，当雷达平台掠过目标时，波束指向随之变动，并始终指向目标。

但对于SAR而言，工作在聚束模式下时，瞄准点坐标是一项重要参数，但直接测量聚束模式下的瞄准点坐标较为困难，因此，如何在聚束模式下得到较为精确的瞄准点坐标，成为一个需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种SAR聚束工作模式的瞄准点的获取方法，根据连续变化的SAR发射脉冲信号以及飞行轨迹信息反演SAR聚束模式下瞄准点坐标参数，通过得到的瞄准点坐标参数，用于雷达定标，标校雷达天线指向及波控规律。

本发明的一种SAR聚束工作模式的瞄准点的获取方法，包括以下几个步骤：

(1)获取雷达飞行轨迹数据及接收信号功率数据，初始化瞄准点中心坐标及距离范围，构建二维搜索点矩阵。

(2)获取接收信号功率误差平方和。

(3)获取瞄准点坐标。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的方法可以在瞄准点位置未知情况下，通过测量接收雷达发射信号功率来得出SAR聚束模式瞄准点坐标位置；

(2)本发明提供的方法可以通过迭代，从而获取较为精确的SAR聚束模式瞄准点坐标。

附图说明

图1为本发明的聚束工作模式反演算法的步骤流程图。

图2为本发明的几何关系示意图。

图3本发明的实施例中，地面接收信号功率数组Pm_k。

图4本发明的实施例中，地面接收站接收距离序列R_k。

图5本发明的实施例中，第二次迭代结果，方位向离轴角序列θ_k(51，51)。

图6本发明的实施例中，第二次迭代结果，距离向离轴角序列

图7本发明的实施例中，第二次迭代结果，接收信号功率数组Pr_k(51，51)。

图8本发明的实施例中，经过5次迭代后的到的瞄准点信号功率误差平方和。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种SAR聚束工作模式的瞄准点的获取方法，参考三维直角坐标系定义为：XOY平面为地平面，雷达飞行轨迹方向在地平面投影为X轴方向，地平面垂线为Z轴方向。流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一、获取雷达飞行轨迹数据及接收信号功率数据，初始化瞄准点中心坐标及距离范围，构建二维搜索点矩阵。

具体为：

(a)设定地面接收站R点坐标为(Xr，Yr，0)，其中，Xr表示R点X轴坐标，Yr表示R点Y轴坐标，(Xr＞0，Yr＞0)。根据采样时间间隔划分得到采样时间序列t_k，k为正整数，k＝1、2…N。获取雷达飞行轨迹数据，得到对应于采样时间序列t_k的雷达P点坐标(Xp_k，Yp_k，Zp_k)，其中，Xp_k表示P点在t_k时刻X轴坐标，Yp_k表示P点在t_k时刻Y轴坐标，Zp_k表示P点在t_k时刻Z轴坐标，获取对应于采样时间序列t_k的接收信号功率数组Pm_k。

(b)设定迭代次数，并初始化迭代计数器。

(c)初始化瞄准点中心坐标和距离范围，将地面接收站R点坐标值设为瞄准点中心坐标初始值(Xc，Yc，0)，其中，Xc表示瞄准点中心X轴坐标，Yc表示瞄准点中心Y轴坐标，并且，设定距离范围初始值为d。

(d)在XOY平面中，将X轴方向上点(Xc-d/2)至点(Xc+d/2)之间的距离等分为(M-1)份，得到M个X轴上坐标点，将Y轴方向上点(Yc-d/2)至点(Yc+d/2)之间的距离等分为(M-1)份，得到M个Y轴上坐标点，M个X轴上坐标点和M个Y轴上坐标点组成M×M个搜索坐标点T(Xt_i，Yt_j，0)，i，j为正整数，i，j＝1、2…M，Xt_i为T点X轴坐标，Yt_j为T点Y轴坐标。

步骤二、获取接收信号功率误差平方和；

逐步调整瞄准点坐标，遍历M×M个搜索坐标点T(Xt_i，Yt_j，0)，由几何关系和雷达方程得到信号功率理论数据和实际接收机信号功率比较，获取其误差平方和，具体为：

(a)获取地面接收站的接收距离，地面接收站的接收距离序列R_k为：

$R_k=\sqrt{{(\mathrm{Xr}-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{(\mathrm{Yr}-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(1\right)$

(b)如图2所示，设辅助点E坐标为(Xr，Yt_j，0)，辅助点F坐标为(Xt_i，Yr，0)，在每一个设定的瞄准点T坐标(Xt_i，Yt_j，0)下，获取对应雷达天线方位向离轴角序列θ_k(i，j)，距离向离轴角序列

具体如下所示：

${a1}_k(i,j)=\sqrt{{{(\mathrm{Xt}}_i-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{({\mathrm{Yt}}_j-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(2\right)$

${b1}_k(i,j)=\sqrt{(\mathrm{Xr}{-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{({\mathrm{Yt}}_j-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(3\right)$

c1_k(i，j)＝|Xt_i-Xr|                        (4)

式中：a1_k(i，j)为PT两点间距离，b1_k(i，j)为PE两点间距离，c1_k(i，j)为ET两点间距离。

${a2}_k(i,j)=\sqrt{{{(\mathrm{Xt}}_i-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{({\mathrm{Yt}}_j-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(5\right)$

${b2}_k(i,j)=\sqrt{{{(\mathrm{Xt}}_i-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{(\mathrm{Yr}-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(6\right)$

c2_k(i，j)＝|Yt_j-Yr|                        (7)

式中：a2_k(i，j)为PT两点间距离，b2_k(i，j)为PF两点间距离，c2_k(i，j)为FT两点间距离。

${\mathrm{\θ}}_k(i,j)={\cos }^{-1}\frac{({a1}_k{(i,j)}^2+{b1}_k{(i,j)}^2-{c1}_k{(i,j)}^2)}{2\·{a1}_k(i,j)\·{b1}_k(i,j)}---\left(8\right)$

(c)根据功率方向增益图及离轴角序列θ_k(i，j)，

得到雷达在PR方向上的增益G_k(i，j)，，通过式(10)得到接收信号功率数组Pr_k(i，j)：

${\mathrm{Pr}}_k(i,j)=\mathrm{Pt}\·G_k(i,j)\·\frac{1}{4\mathrm{\π}{R_k}^2}\·\frac{{\mathrm{\λ}}^2\·\mathrm{Gr}}{4\mathrm{\π}}\·\frac{1}{L}---\left(10\right)$

式中：Pt为雷达发射功率，Gr接收天线增益，λ为雷达波长，L为系统损耗。

(d)将M×M个搜索坐标点中每个点的接收信号功率数组和地面接收信号功率数组比较，获取每个搜索坐标点接收信号功率误差平方和δ(i，j)：

$\mathrm{\δ}(i,j)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{|{\mathrm{Pr}}_k(i,j)-{\mathrm{Pm}}_k|}^2---\left(11\right)$

步骤三、获取瞄准点坐标；

逐个搜索M×M个搜索坐标点中，得到误差平方和最小值对应的坐标点即为雷达聚束模式瞄准点，更新迭代参数，获取新的瞄准点坐标，进行迭代，当达到迭代次数后，所得到的瞄准点坐标即为最终的瞄准点坐标。

具体为：

(a)逐个搜索M×M个搜索坐标点，得到误差平方和δ(i，j)的最小值，记为δ_min，并根据搜索坐标点的坐标(i，j)，确定对应的瞄准点坐标为(Xt，Yt，0)。

(b)更新迭代参数，迭代计数器加1，将上步中得到的坐标值(Xt，Yt，0)代入(Xc，Yc，0)，并将距离范围d值减半。

(c)判断迭代次数，若未到预设迭代次数，转到步骤一(d)。若已达到预设迭代次数，得到坐标(Xt，Yt，0)为瞄准点坐标。

本发明中得到的瞄准点坐标用于雷达定标，标校雷达天线指向及波控规律。

实施例

针对一个理想飞行机载SAR雷达聚束工作模式获取瞄准点坐标。

如图2所示，本实施例中坐标单位为m，机载SAR雷达工作模式为聚束模式，瞄准点T坐标为(5432，4323，0)。雷达发射功率Pt为1000W，雷达天线方位向尺寸D1为1m，距离向尺寸D2为0.5m，Gt为中心指向增益28dB。

发射功率离轴角方向增益为G_k(i，j)，

雷达工作频率为f＝3GHz，可得波长λ＝0.1m，飞行轨迹为XOZ平面内以5000m高度沿X轴方向飞行，飞行速度为200m/s。地面接收站R点坐标为(5000，5000，0)，接收天线增益为20dB，系统损耗L为3dB。

令机载雷达到达地面接收站相同X坐标点时间为0s，取脉冲重复频率PRF＝200Hz为采样频率，取采样数N＝4001，采样序列中心为0s时间，得到采样时间序列t_k(k为正整数1～4001)，并计算出对应的飞行轨迹坐标序列，由几何关系及雷达方程仿真得出地面接收信号功率数组Pm_k，如图3所示。

具体通过以下步骤：

步骤一、获取雷达飞行轨迹数据及接收信号功率数据，初始化瞄准点中心坐标及距离范围，构建二维搜索点矩阵。

(a)已知地面接收站R坐标(Xr，Yr，0)为(5000，5000，0)，根据采样时间间隔划分得到采样时间序列t_k，k为正整数，1～4001。输入雷达飞行轨迹，获得对应于采样时间序列的雷达坐标数组P_k(Xp_k，Yp_k，Zp_k)。并由接收机获取对应于采样时间序列的接收信号功率序列Pr_k。

(b)设定迭代次数为5，并初始化迭代计数器为0。

(c)初始化瞄准点中心和距离范围，将接收站R点坐标值(5000，5000，0)设为瞄准点坐标中心初始值(Xc，Yc，0)，并设距离范围d初始值为4000m。

(d)在XOY平面中，X轴方向上，将(Xc-d/2)～(Xc+d/2)等分为100个值，Y轴方向上，将(Yc-d/2)～(Yc+d/2)等分为100个值，将X轴方向和Y轴方向上这些坐标值组成101×101个搜索坐标点T点(Xt_i，Yt_j，0)，i，j为正整数，i，j＝1、2…101，Xt_i为T点X轴坐标，Yt_j为T点Y轴坐标。

步骤二、获取接收信号功率误差平方和；

(a)接收距离计算，根据公式(1)计算地面接收站接收距离序列R_k，如图4。

(b)如图2所示，在每一个设定的瞄准点坐标(Xt_i，Yt_j，0)下，根据公式(2)～(9)，计算对应雷达天线方位向离轴角序列θ_k(i，j)，距离向离轴角序列

取第二次迭代结果，i＝51，j＝51为例，此时搜索坐标点坐标为(5440，4360)得到方位向离轴角序列θ_k(51，51)，结果如图5，距离向离轴角序列

图6所示。

(c)根据公式(12)及离轴角序列θ_k(i，j)，

计算得到发射功率离轴角方向增益G_k(i，j)，并由公式(10)计算出接收信号功率数组Pr_k(i，j)，取第二次迭代结果，i＝51，j＝51为例，得到搜索坐标下，接收信号功率数组Pr_k(51，51)，如图7所示。

(d)由公式(11)，将每个设定坐标点的接收信号功率数组和地面接收数据数组比较，计算其误差平方和δ(i，j)并存入。

步骤三、瞄准点搜索：

(a)搜索所有设定的瞄准点信号功率误差平方和δ(i，j)的最小值，记为δ_min，并根据(i，j)确定对应瞄准点坐标为(Xt，Yt，0)。图8为经过5次迭代后，对应于搜索点坐标的信号功率误差平方和结果。

(b)更新迭代参数，迭代计数器加1，将上步中得到的坐标值(Xt，Yt，0)代入(Xc，Yc，0)，并将距离范围d值减半。

(c)判断迭代次数，若未到预设迭代次数，转到步骤一(d)。若已达到预设迭代次数，得到坐标(Xt，Yt，0)为瞄准点坐标。

迭代结束后，得到瞄准点搜索结果如表1：

表1  瞄准点搜索结果

迭代次数	1	2	3	4	5
						Xt	5440	5440	5440	5430	5432.5
Yt	4360	4360	4360	4315	4325

取5次迭代后输出结果(5432.5，4325，0)与预设真实坐标值(5432，4323，0)比较，X方向误差为0.5m，Y方向误差为2m。

Claims (2)

1.一种SAR聚束工作模式的瞄准点的获取方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一、获取雷达飞行轨迹数据及接收信号功率数据，初始化瞄准点中心坐标及距离范围，构建二维搜索点矩阵；

具体为：

(a)设定地面接收站R点坐标为(Xr，Yr，0)，其中，Xr表示R点X轴坐标，Yr表示R点Y轴坐标，Xr＞0，Yr＞0，根据采样时间间隔划分得到采样时间序列t_k，k为正整数，k＝1、2…N；获取雷达飞行轨迹数据，得到对应于采样时间序列t_k的雷达P点坐标(Xp_k，Yp_k，Zp_k)，其中，Xp_k表示P点在t_k时刻X轴坐标，Yp_k表示P点在t_k时刻Y轴坐标，Zp_k表示P点在t_k时刻Z轴坐标，获取对应于采样时间序列t_k的接收信号功率数组Pm_k；

(b)设定迭代次数，并初始化迭代计数器；

(c)初始化瞄准点中心坐标和距离范围，将地面接收站R点坐标值设为瞄准点中心坐标初始值(Xc，Yc，0)，其中，Xc表示瞄准点中心X轴坐标，Yc表示瞄准点中心Y轴坐标，并且，设定距离范围初始值为d；

(d)在XOY平面中，将X轴方向上点(Xc-d/2)至点(Xc+d/2)之间的距离等分为(M-1)份，得到M个X轴上坐标点，将Y轴方向上点(Yc-d/2)至点(Yc+d/2)之间的距离等分为(M-1)份，得到M个Y轴上坐标点，M个X轴上坐标点和M个Y轴上坐标点组成M×M个搜索坐标点T(Xt_i，Yt_j，0)，i，j为正整数，i，j＝1、2…M，Xt_i为T点X轴坐标，Yt_j为T点Y轴坐标；

步骤二、获取接收信号功率误差平方和；

具体为：

(a)获取地面接收站的接收距离，地面接收站的接收距离序列R_k为：

$R_k=\sqrt{{(\mathrm{Xr}-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{(\mathrm{Yr}-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(1\right)$

(b)设辅助点E坐标为(Xr，Yt_j，0)，辅助点F坐标为(Xt_i，Yr，0)，在每一个设定的瞄准点T坐标(Xt_i，Yt_j，0)下，获取对应雷达天线方位向离轴角序列θ_k(i，j)，距离向离轴角序列具体如下所示：

${a1}_k(i,j)=\sqrt{{{(\mathrm{Xt}}_i-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{({\mathrm{Yt}}_j-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(2\right)$

${b1}_k(i,j)=\sqrt{(\mathrm{Xr}{-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{({\mathrm{Yt}}_j-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(3\right)$

c1_k(i，j)＝|Xt_i-Xr|                      (4)

式中：a1_k(i，j)为PT两点间距离，b1_k(i，j)为PE两点间距离，c1_k(i，j)为ET两点间距离；

${a2}_k(i,j)=\sqrt{{{(\mathrm{Xt}}_i-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{({\mathrm{Yt}}_j-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(5\right)$

${b2}_k(i,j)=\sqrt{{{(\mathrm{Xt}}_i-{\mathrm{Xp}}_k)}^2+{(\mathrm{Yr}-{\mathrm{Yp}}_k)}^2+{{\mathrm{Zp}}_k}^2}---\left(6\right)$

c2_k(i，j)＝|Yt_j-Yr|                    (7)

式中：a2_k(i，j)为PT两点间距离，b2_k(i，j)为PF两点间距离，c2_k(i，j)为FT两点间距离；

${\mathrm{\θ}}_k(i,j)={\cos }^{-1}\frac{({a1}_k{(i,j)}^2+{b1}_k{(i,j)}^2-{c1}_k{(i,j)}^2)}{2\·{a1}_k(i,j)\·{b1}_k(i,j)}---\left(8\right)$

(c)根据功率方向增益图及离轴角序列θ_k(i，j)，

得到雷达在PR方向上的增益G_k(i，j)，，通过式(10)得到接收信号功率数组Pr_k(i，j)：

${\mathrm{Pr}}_k(i,j)=\mathrm{Pt}\·G_k(i,j)\·\frac{1}{4\mathrm{\π}{R_k}^2}\·\frac{{\mathrm{\λ}}^2\·\mathrm{Gr}}{4\mathrm{\π}}\·\frac{1}{L}---\left(10\right)$

式中：Pt为雷达发射功率，Gr接收天线增益，λ为雷达波长，L为系统损耗；

(d)将M×M个搜索坐标点中每个点的接收信号功率数组和地面接收信号功率数组比较，获取每个搜索坐标点接收信号功率误差平方和δ(i，j)：

$\mathrm{\δ}(i,j)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{|{\mathrm{Pr}}_k(i,j)-{\mathrm{Pm}}_k|}^2---\left(11\right)$

步骤三、获取瞄准点坐标；

逐个搜索M×M个搜索坐标点中，得到误差平方和最小值对应的坐标点即为雷达聚束模式瞄准点，更新迭代参数，获取新的瞄准点坐标，进行迭代，当达到迭代次数后，所得到的瞄准点坐标即为最终的瞄准点坐标。

2.根据权利要求1所属的一种SAR聚束工作模式的瞄准点的获取方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：

(1)逐个搜索M×M个搜索坐标点，得到误差平方和δ(i，j)的最小值，记为δ_min，并根据搜索坐标点的坐标(i，j)，确定对应的瞄准点坐标为(Xt，Yt，0)；

(2)更新迭代参数，迭代计数器加1，将上步中得到的坐标值(Xt，Yt，0)代入(Xc，Yc，0)，并将距离范围d值减半。

(3)判断迭代次数，若未到预设迭代次数，转到步骤一(d)。若已达到预设迭代次数，得到坐标(Xt，Yt，0)为瞄准点坐标。

Images