CN105301570A - 一种机载顺轨干涉sar系统的外场定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，计算运动目标的径向速度及尺寸大小，在此基础上计算运动目标相对于静止目标的方位向偏移及方位向间距，根据该方位向间距布设静止目标，在外场定标时，使两个运动目标按照径向速度在定标场地道路的两端相向往复运动，采用地面GPS基站和运动目标GPS流动站记录数据，在成像处理后，进行交轨干涉定标处理及顺轨干涉定标处理。本发明考虑到了交轨干涉相位问题，满足高精度机载顺轨干涉SAR系统测速性能和运动目标定位的要求，提高了外场定标的效率。

Description

一种机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法。

背景技术

顺轨干涉合成孔径雷达(AlongTrackInterferometricSyntheticApertureRadar:ATISAR)是一种适用于测量慢速运动目标的技术。对于机载顺轨干涉SAR系统，通常利用两个沿载机飞行方向放置的天线以一定的时间间隔先后对同一场景进行成像。两个接收通道的成像结果进行干涉处理时，静止目标对应的相位相互抵消而运动目标对应的干涉相位不为零且与目标的径向速度成正比，由此可以根据干涉相位检测运动目标并估计运动目标的径向速度，然而顺轨干涉SAR的测速精度受到多种误差因素制约，包括运动目标与背景之间的信噪比，顺轨基线误差、干涉相位(顺轨干涉通道间固定相位偏差、交轨相位)误差、定标场地等，直接影响影响地面运动目标测速的准确性。

虽然国内外已开展了大量机载顺轨干涉SAR系统的实验，获取了大量的数据，但往往仅用已知速度的运动目标来检验顺轨干涉SAR的测速性能，缺乏完整的外场定标方法，具体包括以下几点不足：

(1)忽略定标中可能存在的交轨干涉相位；

(2)运动目标大小的选取及运动目标的运动状态设计考虑不全面；运动目标自身的速度和位置精度有限，难以满足高精度机载顺轨干涉SAR测速性能和运动目标定位的要求；

(3)由于载机航向与运动目标运动方向垂直，且地面难以精确获知载机何时通过运动目标区域，造成获取运动目标图像的机率较低，难以获得有效运动目标数据。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，考虑到了机载顺轨干涉SAR系统定标中可能存在的交轨干涉相位问题，满足高精度机载顺轨干涉SAR系统测速性能和运动目标定位的要求，提高了顺轨干涉SAR系统外场定标的效率。

(二)技术方案

本发明提供一种机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，包括：

步骤1，选择定标场地，并根据定标场地坐标设计定标航线；

步骤2，采用装载在车辆上的一对开口方向相反的三面角反射器及GPS接收机组成运动目标，并确定运动目标的径向速度及尺寸大小；

步骤3，根据顺轨干涉SAR系统参数和运动目标的径向速度，计算运动目标相对于静止目标的方位向偏移及方位向间距；

步骤4，根据该方位向间距，沿距离向布设多个三面角反射器，作为多个静止目标，并测量该静止目标的三维坐标；

步骤5，根据定标场地坐标，布设地面GPS基站和运动目标GPS流动站；

步骤6，使两个运动目标按照径向速度在定标场地道路的两端相向往复运动，并使顺轨干涉SAR系统载机按定标航线飞行，采用所述地面GPS基站和运动目标GPS流动站记录数据；

步骤7，对定标场地进行成像处理后，进行交轨干涉定标处理及顺轨干涉定标处理。

(三)有益效果

本发明具有以下优点：

(1)本方法给出了运动目标大小和径向速度的计算方法，满足高精度机载顺轨干涉SAR系统测速性能和运动目标定位的要求；

(2)本方法通过双向布置的运动目标，大大提高获取运动目标图像的几率，提高了顺轨干涉SAR系统外场定标的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的机载顺轨干涉SAR系统外场定标方法流程图。

图2为本发明实施例中的运动目标示意图。

图3为本发明实施例中不同信噪比条件下的顺轨干涉测速精度示意图。

具体实施方式

本发明提供一种机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，计算运动目标的径向速度及尺寸大小，在此基础上计算运动目标相对于静止目标的方位向偏移及方位向间距，根据该方位向间距布设静止目标，在外场定标时，使两个运动目标按照径向速度在定标场地道路的两端相向往复运动，采用地面GPS基站和运动目标GPS流动站记录数据，在成像处理后，进行交轨干涉定标处理及顺轨干涉定标处理。本发明考虑到了交轨干涉相位问题，满足高精度机载顺轨干涉SAR系统测速性能和运动目标定位的要求，提高了外场定标的效率。

根据本发明的一种实施方式，机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法包括：

步骤1，选择定标场地，并根据该定标场地坐标设计定标航线；

步骤2，采用装载在车辆上的一对开口方向相反的三面角反射器及GPS接收机组成运动目标，并确定运动目标的径向速度及尺寸大小；

步骤3，根据顺轨干涉SAR系统参数和运动目标的径向速度，计算运动目标相对于静止目标的方位向偏移及方位向间距；

步骤4，根据该方位向间距，沿距离向布设多个三面角反射器，作为多个静止目标，并测量该静止目标的三维坐标；

步骤5，根据定标场地坐标，布设地面GPS基站和运动目标GPS流动站；

步骤6，使两个运动目标按照径向速度在定标场地道路的两端相向往复运动，并使顺轨干涉SAR系统载机按定标航线飞行，采用所述地面GPS基站和运动目标GPS流动站记录数据；

步骤7，对定标场地进行成像处理后，进行交轨干涉定标处理及顺轨干涉定标处理。

根据本发明的一种实施方式，步骤1还包括：根据机载顺轨干涉SAR系统参数，计算测绘带宽。

根据本发明的一种实施方式，步骤2中：根据机载顺轨干涉SAR系统参数，计算顺轨干涉测量的模糊速度V_ambig：

$V_{ambig}=\frac{{\mathrm{\λV}}_P}{2B},$

其中，V_P为载机速度，λ为顺轨干涉SAR系统的工作波长，B为顺轨干涉基线长度；

根据模糊速度V_ambig，确定运动目标的径向速度V_tgt：

-V_ambig/(2sinθ)<V_tgt<V_ambig/(2sinθ)，

其中，θ为机载顺轨干涉SAR系统的视角。

根据测速精度，确定三面角反射器的直角边长a，从而确定运动目标的尺寸大小，其确定式为：

SNR＝10lg(4πa⁴/(3λ²))-clutter-10lg(r_ar_r)>15dB，

其中，SNR为运动目标的信噪比，dB为信噪比的单位，a为三面角反射器的直角边长，clutter为地物后向散射系数，r_a为SAR图像方位分辨率，r_r为SAR图像地距分辨率。

根据本发明的一种实施方式，步骤3中，方位向偏移Δx的计算式为：

$\mathrm{\&Delta;}x=-\frac{V_{tgt}}{V_P}Y,$

其中，Y为顺轨干涉SAR系统雷达天线到运动目标的地距向距离。

根据本发明的一种实施方式，步骤4中：静止目标的数量大于等于5，所述静止目标的三维坐标为WGS84坐标系下的三维坐标。

根据本发明的一种实施方式，步骤5中：地面GPS基站和运动目标GPS流动站为数据率大于10Hz的GPS接收机。

根据本发明的一种实施方式，步骤6中：在顺轨干涉SAR载机飞行前半小时打开地面GPS基站记录数据，在载机到达定标场地前半小时打开运动目标GPS流动站记录数据，载机预定通过定标场地半小时之后使运动目标停止运动，并关闭运动目标GPS流动站。

根据本发明的一种实施方式，步骤7中：利用所述静止目标的三维坐标及所述方位向间距，按照交轨干涉定标方法去除系统延时误差和交轨干涉相位误差。利用运动目标GPS流动站与地面GPS基站差分处理后的速度信息和位置信息，进行顺轨干涉定标处理。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的机载顺轨干涉SAR系统外场定标方法流程图，如图1所示，方法包括：

步骤1、根据顺轨干涉SAR雷达系统参数，计算测绘带宽，本实施例中，飞行海拔高度H为4000m，天线距离波束宽度θ_BW为20°，天线中心视角θ₀为60°，地面平均海拔高度h为500m，可计算出测绘带宽为：(4000-500)*(tan(60+10)-tan(60-10))＝5.44km。

定标场地选择道路长度接近5km、车辆较少、两旁树木及其他遮挡较少的道路作为定标场地。通过GPS测量道路两个端点A和B的坐标(纬度，经度，高度)，本实施例中，A(N34°12′03.14，E110°23′24.22，500.4m)，B(N34°08′04.01，E110°23′24.02，500.1m)，可计算道路与地理北向的夹角为180.0239°即与地理南北方向平行，由于顺轨干涉SAR测量的是目标径向运动速度，因而航线方向设计为与道路方向垂直，即270.0239°或90.0239°即由东向西飞行或西向东飞行。

步骤2、根据顺轨干涉SAR雷达系统参数，计算顺轨干涉测量的模糊速度为：其中V_ambig为模糊速度，V_P为载机速度，λ为顺轨干涉SAR工作波长，B为顺轨干涉基线长度，运动目标径向速度V_tgt无模糊测量范围为：-V_ambig/(2sinθ)<V_tgt<V_ambig/(2sinθ)，在X波段系统设计的飞行速度180m/s，顺轨基线1m，视角θ为57度时，可以计算得出不模糊测速范围约为±3.3m/s，为避免速度模糊，将运动目标径向速度设置在不模糊测速范围内，设置为半量程以上为宜，即运动目标径向速度设置为大于1.15m/s，小于3.3m/s的范围内。

下面介绍运动目标的尺寸大小确定方法，是由顺轨测速精度的要求决定的，与顺轨测速精度有关的因素包括基线长度误差，载机速度误差，顺轨干涉相位误差，运动目标自身测速误差。

由基线长度误差引入的顺轨测速误差可表示为公式(1)：

其中θ为顺轨干涉SAR系统雷达天线视角，σ_B为顺轨干涉基线误差。

由载机速度误差引入的顺轨测速误差可表示为公式(2)：

${\mathrm{\&sigma;}}_{V_{tgt}}^{Vp}=\frac{\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;{\mathrm{\&phi;}}_{tgt}}{4\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}\&CenterDot;B}\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_{V_p}---\left(2\right)$

其中为载机速度测量误差，

由顺轨干涉相位误差引入的顺轨测速误差可表示为公式(3)：

${\mathrm{\&sigma;}}_{V_{tgt}}^{{\mathrm{\&phi;}}_{tgt}}=\frac{\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;V_p}{4\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;sin\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;B}\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{\&phi;}}_{tgt}}---\left(3\right)$

其中为顺轨干涉相位误差，可进一表示为：其中N为多视数，γ为相干系数；γ由各种去相干源构成，这里考虑热噪声去相干γ_SNR和时间去相干γ_Tem，并假定两个通道的信噪比相同，可表示为公式(4)：

$\mathrm{\&gamma;}={\mathrm{\&gamma;}}_{SNR}\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_{Tem}=\frac{1}{1+{\mathrm{SNR}}^{-1}}\&CenterDot;e^{-{\left(\frac{\mathrm{\&tau;}}{{\mathrm{\&tau;}}_c}\right)}^2}---\left(4\right)$

其中τ为两天线成像延时，由飞机速度和基线长度决定，τ_c是场景相关时间，根据国际上对相关时间的研究，X波段场景去相关时间在10ms左右。

运动目标自身速度测量误差由差分GPS的测速精度决定，一般为0.03m/s，可保守估计为0.05m/s。在步骤2给出的系统参数下，假定基线长度误差为0.01m，多视数N为9。

上述公式和参数条件，可计算不同信噪比下的顺轨测速精度，如图3所示。如系统设计测速精度要求在50°-70°的天线视角范围内要求测速精度小于0.15m/s，则要求信噪比SNR大于15dB。在确定了信噪比的条件下，可按照公式(5)计算求出运动目标三面角反射器的尺寸下限：

SNR＝10lg(4πa⁴/(3λ²))-clutter-10lg(r_ar_r)>15dB(5)

其中，a三面角反射器的直角边长；

clutter为地物(杂波)后向散射系数，不同波段不同地物类型在不同入射角下的后向散射系数不同；

r_a为SAR图像方位分辨率，单位为米(m)；

r_r为SAR图像地距分辨率，单位为米(m)。

值得注意的是，在运动目标信噪比计算中，地物(杂波)后向散射系数指的是步骤3中方位向偏移位置处的地物后向散射系数，而不是运动目标所在的道路上的地物后向散射系数。

步骤3、根据顺轨干涉SAR系统参数和步骤2设置的运动目标速度，可按照公式计算运动目标在图像方位向的位置偏移。其中Δx是运动目标在图像上方位向偏移距离，V_P为顺轨干涉SAR所用的载机速度，Y为天线到运动目标的地距向距离。根据步骤1中的参数可计算Y的取值范围为[(H-h)*tan(θ_BW-θ₀),(H-h)*tan(θ_BW+θ₀)]，即Y取值在4100m到9600m之间，当运动目标的径向速度V_tgt设计为1.2m/s时，载机速度180m/s时，从而可以计算出具体运动目标在图像上的方位向偏移在27m到64m之间。因而，用作系统延时和交轨干涉定标的静止目标的位置设计上应避开这段区域，即在运动目标所在的道路两侧的27m之内或64m之外布设作为静止目标的三面角反射器。从而避免静止目标与运动目标在图像上的相互干扰。

步骤4、根据步骤三计算得到静止目标与运动目标间距的约束条件，沿距离向等间距布设不少于5个作为静止目标的三面角反射器，并测量静止目标WGS84坐标系的大地坐标。

步骤5、根据试验场地坐标，布设地面GPS基站和GPS流动站，GPS基站和流动站应选用数据率大于10Hz的GPS接收机，提高运动目标的位置和速度测量精度；地面GPS基站的位置选择上应注意保持与载机和运动目标的间距小于50km，以减小地面GPS基站与流动站通过差分方式测量运动目标的位置和速度误差。

运动目标由一对背向放置的三面角反射器和GPS流动站组成，如图2所示，其中的GPS流动站为接收天线和GPS接收电路一体的GPS接收机，实际操作中运动目标可固定在小型车辆的车顶上，背向放置的三面角反射器的两个开口方向分别指向车头和车尾。

步骤6、在顺轨干涉SAR载机飞行前半小时打开地面GPS基站记录数据，在预计载机到达试验场地前半小时开始GPS流动站记录数据，两个运动目标按照步骤2的设计速度在试验场地道路的两端相向往复运动，载机预定通过实验场地半小时之后运动目标停止运动，关闭运动目标GPS流动站。

试验场地道路长度约5km，而运动目标移动速度为1.2m/s，运动目标从道路一端到另一端需要大约69分钟，并且每个运动目标由一对角反射器组成，两个运动相向运动，在也就是说在69分钟内顺轨干涉SAR在东到西的航线或西到东的航线都可以同时看到两个目标运动，即使在无法准确预知载机通过定标场地时间的情况下，也能获取运动目标图像，从而提高了试验效率。

实际试验中，即使道路长度远小于5km，如500m，运动目标从一端到另一端耗时约7分钟，但由于是两个目标对向往复运动，只要增加往复次数，仍可以使顺轨干涉SAR在长时间内同时观测到两个运动目标，在飞行一圈时，可以双向观测两副含有运动目标的SAR图像。

用来模拟运动目标的每对背向放置的角反射器还可以选择为尺寸不同的，即代表不同的雷达截面积，使得载机飞行一圈，双向飞行，看到两对图像信号强度不一样的运动目标，验证不同信噪比条件下的顺轨干涉测速能力。

步骤7、对定标场成像处理后，首先利用静止目标三维位置按照常规交轨干涉定标方法，去除系统延时误差和交轨干涉相位误差；然后利用运动目标GPS流动站与地面基站差分处理后的获得的运动目标速度位置信息作为已知运动目标参数，进行常规顺轨干涉基线和干涉相位的定标处理。

综上所述，本发明给出了运动目标大小和径向速度的计算方法，满足高精度机载顺轨干涉SAR系统测速性能和运动目标定位的要求，并通过双向布置的运动目标，大大提高获取运动目标图像的几率，提高了顺轨干涉SAR系统外场定标的效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，包括：

步骤1，选择定标场地，并根据该定标场地坐标设计定标航线；

步骤2，采用装载在车辆上的一对开口方向相反的三面角反射器及GPS接收机组成运动目标，并确定运动目标的径向速度及尺寸大小；

步骤3，根据顺轨干涉SAR系统参数和运动目标的径向速度，计算运动目标相对于静止目标的方位向偏移及方位向间距；

步骤4，根据该方位向间距，沿距离向布设多个三面角反射器，作为多个静止目标，并测量该静止目标的三维坐标；

步骤5，根据定标场地坐标，布设地面GPS基站和运动目标GPS流动站；

步骤6，使两个运动目标按照径向速度在定标场地道路的两端相向往复运动，并使顺轨干涉SAR系统载机按定标航线飞行，采用所述地面GPS基站和运动目标GPS流动站记录数据；

步骤7，对定标场地进行成像处理后，进行交轨干涉定标处理及顺轨干涉定标处理。

2.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

根据机载顺轨干涉SAR系统参数，计算测绘带宽。

3.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤2中：

根据机载顺轨干涉SAR系统参数，计算顺轨干涉测量的模糊速度V_ambig：

$V_{ambig}=\frac{{\mathrm{\&lambda;V}}_P}{2B},$

其中，V_P为载机速度，λ为顺轨干涉SAR系统的工作波长，B为顺轨干涉基线长度；

根据所述模糊速度V_ambig，确定运动目标的径向速度V_tgt：

-V_ambig/(2sinθ)<V_tgt<V_ambig/(2sinθ)，

其中，θ为机载顺轨干涉SAR系统的视角。

4.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，其特征在于，所述步骤2中：

根据测速精度，确定三面角反射器的直角边长a，从而确定运动目标的尺寸大小，其确定式为：

SNR＝10lg(4πa⁴/(3λ²))-clutter-10lg(r_ar_r)>15dB，

其中，SNR为运动目标的信噪比，dB为信噪比的单位，a为三面角反射器的直角边长，clutter为地物后向散射系数，r_a为SAR图像方位分辨率，r_r为SAR图像地距分辨率。

5.根据权利要求3所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤3中，所述方位向偏移Δx的计算式为：

$\mathrm{\&Delta;}x=-\frac{V_{tgt}}{V_P}Y,$

其中，Y为顺轨干涉SAR系统雷达天线到运动目标的地距向距离。

6.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤4中：

所述静止目标的数量大于等于5，所述静止目标的三维坐标为WGS84坐标系下的三维坐标。

7.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤5中：

地面GPS基站和运动目标GPS流动站为数据率大于10Hz的GPS接收机。

8.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤6中：

在顺轨干涉SAR载机飞行前半小时打开地面GPS基站记录数据，在载机到达定标场地前半小时打开运动目标GPS流动站记录数据，载机预定通过定标场地半小时之后使运动目标停止运动，并关闭运动目标GPS流动站。

9.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤7中：

利用所述静止目标的三维坐标及所述方位向间距，按照交轨干涉定标方法去除系统延时误差和交轨干涉相位误差。

10.根据权利要求1所述的机载顺轨干涉SAR系统的外场定标方法，其特征在于，所述步骤7中：利用运动目标GPS流动站与地面GPS基站差分处理后的速度信息和位置信息，进行顺轨干涉定标处理。