CN105404712A - 机动平台双基前视sar发射站轨迹边界设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种机动平台双基前视SAR发射站轨迹边界设计方法。基于双基前视SAR成像分辨率理论，在已知雷达接收站平台运动轨迹和发射站基准轨迹的前提下，利用分段轨迹空间坐标的网格划分和双基前视SAR成像分辨率的空间分布特性，设计满足成像分辨率限制条件下各分段的发射站轨迹边界。本发明方法在求取轨迹边界的过程中不仅考虑了分辨率限制，而且加入了成像条件约束，使得求取的轨迹边界更加准确；本方法在求取过程中无需迭代计算，有效地简化了发射站轨迹边界的设计过程；并且可根据实际成像质量需要调节成像约束条件，使得本发明的方法更加灵活、适用性更强。
Description
技术领域
本发明属于雷达成像技术领域，具体涉及雷达成像领域中机动平台双基前视合成孔径雷达运动轨迹的边界设计。
背景技术
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)是一种全天候、全天时的高分辨率成像雷达，广泛应用于战场感知侦察、地理信息采集、农林环境监测、地质地貌勘探、海洋资源利用等领域，具有极高的应用价值。双基前视SAR是一种新体制成像雷达，其发射站和接收站分置于不同的平台上，通过特定的几何配置和成像处理，可以实现接收站正前方的高分辨率成像。收发分置的特点使其具有作用距离远、抗干扰能力强、获取信息丰富等优点品牌明年机动平台双基前视SAR除了具有全天时全天候正前视高分辨成像特性外，还具有更高的机动性能和更强的突防能力，在雷达成像和目标识别等领域具有重要的研究价值和应用前景。
与匀速直线运动机载和星载平台双基前视SAR相比，机动平台双基前视SAR具有高机动自主飞行的特点，其运动轨迹更加复杂。雷达运动轨迹会直接影响双基前视SAR的成像分辨能力。在实际应用中，雷达接收站轨迹往往根据实际任务需求而固定，不会做较大的调整，因此，合理设计雷达发射站的轨迹边界十分重要。
文献“谢华英,范红旗,赵宏钟,等.SAR成像导引头的弹道设计与优化[J].系统工程与电子技术,2010,32(2):332-337.”中建立了机动平台飞行约束，构造了与方位分辨率和波束驻留时间相关的目标函数，利用遗传算法进行寻优求解，得到SAR平台的优化轨迹。然而，该方法只考虑了单基SAR平台的轨迹设计，没有考虑雷达平台收发分置条件下的几何构型。因此，该方法不能用于机动平台这样的花双基前视SAR的轨迹边界设计。
专利“双基前视SAR俯冲段雷达发射机轨道设计方法”(申请号201410163746)中公开了一种俯冲段中双基前视SAR发射站轨迹设计方法，该方法根据雷达发射站轨迹线性衰减模型，在满足分辨率要求的前提下得到发射站的飞行轨迹。但是该方法在生成轨迹过程中需要不断迭代求解，计算复杂，而且，在求取过程中没有考虑能否成像的条件限制，不利于轨迹规划设计。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出一种机动平台双基前视SAR发射站轨迹边界设计方法，在已知雷达接收站平台运动轨迹和发射站基准轨迹的前提下，设计满足成像分辨率限制条件下各时刻的发射站轨迹边界。
本发明的技术方案为：机动平台双基前视SAR发射站轨迹边界设计方法，包括以下步骤：
S1：以雷达成像场景中心点为坐标原点，建立机动平台双基前视SAR轨迹空间三维直角坐标系；
S2：设置雷达接收站轨迹的平面，以及雷达接收站轨迹的运动趋势；并确定雷达发射站基准轨迹范围；
S3：以其中一个轴为基准，将雷达接收站轨迹和发射站基准轨迹以垂直于该轴进行均匀分段；
S4：对于步骤S3划分得到的雷达发射站基准轨迹中的各分段，以垂直于选定轴方向建立平面，在该平面上划分发射站基准轨迹沿另外两轴的坐标变化网格；
S5：对发射站基准轨迹中的各段，设置与各坐标变化网格对应的夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵；
S6：分别计算发射站轨迹坐标变化网格中每一个坐标点对应地面成像场景各点等距离线梯度和等多普勒线梯度间的夹角矩阵、成像距离分辨率矩阵、成像方位分辨率矩阵；
S7：设置梯度夹角约束区间、距离向分辨率指标和方位向分辨率指标；对夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中的元素取值进行判断；若梯度夹角矩阵中所有元素值在梯度夹角约束区间之内，则夹角二值矩阵对应元素取值为1，否则夹角二值矩阵对应元素取值为0；若距离分辨率矩阵中所有元素值小于或等于距离向分辨率指标，则距离分辨率二值矩阵元素对应取值为1，否则距离分辨率二值矩阵对应元素取值为0；若方位分辨率矩阵中所有元素值小于或等于方位向分辨率指标，则方位分辨率二值矩阵对应元素取值为1，否则方位分辨率二值矩阵对应元素取值为0；完成夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中的所有元素取值，执行步骤S8；
S8：将夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中对应位置元素相乘，得到各坐标变化网格对应的新的二值矩阵，取各个新的二值矩阵中值为1的元素位置为发射站轨迹对应分段的边界坐标，从而得到发射站轨迹边界。
进一步地，所述步骤S3以秒为单位进行均匀分段。
进一步地，步骤S5所述坐标变化网格大小与需求精度相同。
本发明的有益效果：本发明的机动平台双基前视SAR发射站轨迹边界设计方法，利用了分段轨迹空间坐标的网格划分，结合机动平台的轨迹特性和双基前视SAR成像分辨率的空间分布特性，建立边界约束模型，设计得到满足成像分辨率限制条件下各分段的发射站轨迹边界。本发明在求取轨迹边界的过程中加入边界约束模型，使得求取的轨迹边界更加准确。在求取过程中无需迭代计算，有效地简化了发射站轨迹边界的设计过程，具有准确、简单和高效的优点。并且可以根据实际分辨率需要进行设定，适用性更强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的雷达接收站轨迹和发射站基准轨迹空间分布图。
图2为本发明实施例提供的坐标变化网格划分的示意图。
图3为本发明实施例提供的得到的发射站轨迹部分分段的边界；
其中，图3a为第24秒发射站轨迹边界；图3b为第34秒发射站轨迹边界；图3c为第40秒发射站轨迹边界；图3d为第50秒发射站轨迹空间边界。
具体实施方式
为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释：
术语1：双基前视SAR
双基前视SAR指系统发射站和接收站分置于不同平台上的SAR系统，其中至少有一个平台为运动平台，且接收站正前视成像，在概念上属于双基地雷达。详见文献“YangJ,HuangY,YangH,etal.Afirstexperimentofairbornebistaticforward-lookingSAR-Preliminaryresults[C].GeoscienceandRemoteSensingSymposium(IGARSS),2013IEEEInternational.IEEE,2013:4202-4204.”
术语2：机动平台
机动平台指的是运动过程中具有高效机动能力的雷达系统承载平台。详见文献“徐国亮,张逊,王勇.高速机动反舰导弹防御技术[J].指挥控制与仿真,2011,33(1):1-5.”
在已知雷达接收站平台运动轨迹和发射站基准轨迹的前提下，本发明机动平台双基前视合成孔径雷达发射站轨迹边界设计方法的具体实施过程如下：
S1：建立机动平台双基前视SAR轨迹空间三维直角坐标系，具体为：以雷达成像场景中心点为坐标原点，建立机动平台双基前视SAR轨迹空间三维直角坐标系；在本实施例中，结合图1，对本发明中的雷达接收站轨迹和发射站基准轨迹空间分布进行初始化：根据右手螺旋定则建立机动平台双基前视SAR轨迹空间三维直角坐标系O-XYZ，本申请仅以右手螺旋定则为例，并不局限于此。
S2：确定轨迹范围，具体为：设置雷达接收站轨迹的平面，以及雷达接收站轨迹的运动趋势；并确定雷达发射站基准轨迹范围；具体为：结合图1，以o表示雷达接收站轨迹，*表示发射站基准轨迹。雷达接收站轨迹位于YOZ平面内，在本实施例中设定雷达接收站轨迹位于YOZ平面内，但是本发明并不局限于这一种方式，也可以将雷达接收站轨迹设置位于XOZ或XOY平面内；本申请以雷达接收站轨迹位于YOZ平面内为例进行说明，且本申请设定雷达接收站轨迹运动方向指向坐标原点O，但不局限于这一设定，也可指向其他方向。同时本申请设定雷达发射站基准轨迹位于X≥0，Z≥0和Y≤0的空间中，但不局限于这一设定。
S3：雷达接收站轨迹和发射站基准轨迹分段处理，具体为：以其中一个轴为基准，将雷达接收站轨迹和发射站基准轨迹以垂直于该轴进行均匀分段；例如，平台运动过程历时60秒。以Y轴坐标为基准，以秒为单位将雷达接收站轨迹和发射站基准轨迹平均分成60段：k＝1,2,…,60，初始化k＝1。
S4：划分坐标变化网格，具体为：对于步骤S3划分得到的雷达发射站基准轨迹中的各分段，以垂直于选定轴方向建立平面，在该平面上划分发射站基准轨迹沿另外两轴的坐标变化网格；根据实际需要的精度确定坐标变化网格的大小；如图2所示为本发明实施例提供的坐标变化网格划分的示意图，在本实施例中，所需要的精度是500米，则对于发射站基准轨迹中的第k段，划分平行于XOZ平面的轨迹空间X轴和Z轴的坐标变化网格Δk＝[Δxki,Δzkj]，0≤Δxki≤50000m，0≤Δzkj≤50000m，i＝1,2,…,100，j＝1,2,…,100。即划分100个网格，如图2所示每个网格的△x＝500m，△z＝500m。
S5：设置二值矩阵，具体为：对发射站基准轨迹中的各段，设置与各坐标变化网格对应的夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵；例如，对于轨迹中的第k段，设置与坐标变化网格对应的夹角二值矩阵Bθk＝[Bθk(i,j)]100×100、距离分辨率二值矩阵Brk＝[Brk(i,j)]100×100和方位分辨率二值矩阵Bak＝[Bak(i,j)]100×100，i＝1,2,…,100，j＝1,2,…,100。初始化i＝1，j＝1。
S6：计算夹角矩阵、成像距离分辨率矩阵、成像方位分辨率矩阵，具体为：分别计算发射站轨迹坐标变化网格中每一个坐标点对应地面成像场景各点等距离线梯度和等多普勒线梯度间的夹角矩阵、成像距离分辨率矩阵、成像方位分辨率矩阵；详细步骤如下：
A)设置成像场景大小：-100m≤x≤100m，-100m≤y≤100m。计算发射站轨迹坐标变化网格Δk中每一个坐标点(Δxki，Δzkj)对应地面成像场景各点(x,y,0)等距离线梯度和等多普勒线梯度间的夹角矩阵夹角矩阵中各元素的计算公式为：
其中，为成像场景点(x,y,0)处的等距离线梯度，为成像场景点(x,y,0)处的等多普勒线梯度，运算符i表示向量的点乘运算，||表示向量的模值，cos-1表示反余弦运算。和的计算公式为：
其中，(xr,yr,zr)为接收站位置坐标，(Δxki,yt,Δzkj)为发射站位置坐标，(Vrx,Vry,Vrz)为接收站速度分量坐标，(Vtx,Vty,Vtz)为发射站速度分量坐标，发射信号波长λ＝1×10-2米，ix和iy分别为X轴和Y轴的单位向量。
B)计算发射站坐标变化网格Δk中每一个坐标点(Δxki,Δzkj)对应地面成像场景各点(x,y,0)成像距离分辨率矩阵成像距离分辨率矩阵中各元素的计算公式为：
其中，c为光速，且c＝3×108m/s，Br为发射信号带宽，且Br＝200MHz。
C)计算发射站坐标变化网格Δk中每一个坐标点(Δxki,Δzkj)对应地面成像场景各点(x,y,0)成像方位分辨率矩阵成像方位分辨率矩阵中各元素的计算公式为：
其中，T为合成孔径时间。
S7：设置约束条件，确定二值矩阵中的元素值，具体为：设置梯度夹角约束区间、距离向分辨率指标和方位向分辨率指标；对夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中的元素取值进行判断；若梯度夹角矩阵中所有元素值在梯度夹角约束区间之内，则夹角二值矩阵对应元素取值为1，否则夹角二值矩阵对应元素取值为0；若距离分辨率矩阵中所有元素值小于或等于距离向分辨率指标，则距离分辨率二值矩阵元素对应取值为1，否则距离分辨率二值矩阵对应元素取值为0；若方位分辨率矩阵中所有元素值小于或等于方位向分辨率指标，则方位分辨率二值矩阵对应元素取值为1，否则方位分辨率二值矩阵对应元素取值为0；完成夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中的所有元素取值，执行步骤S8；具体为：
设置梯度夹角限制范围[30°,150°]，在这一范围内可实现较好的成像效果，距离向分辨率指标ρr＝3m和方位向分辨率指标ρa＝3m。根据步骤4、步骤5和步骤6得到的成像场景梯度夹角矩阵成像场景距离分辨率矩阵和成像场景方位分辨率矩阵分别判断夹角二值矩阵距离分辨率二值矩阵和方位分辨率二值矩阵中元素的取值：若梯度夹角矩阵则Bθk(i,j)＝1，否则Bθk(i,j)＝0；若距离分辨率矩阵则Brk(i,j)＝1，否则Brk(i,j)＝0；若方位分辨率矩阵则Bak(i,j)＝1，否则Bak(i,j)＝0，i＝1,2,…,100，j＝1,2,…,100。
执行i＝i+1，j＝j+1。若i≤100且j≤100，则返回步骤S6，否则执行步骤S8。
S8：计算发射站轨迹边界，具体为：将夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中对应位置元素相乘，得到各坐标变化网格对应的新的二值矩阵，取各个新的二值矩阵中值为1的元素位置为发射站轨迹对应分段的边界坐标，从而得到发射站轨迹边界。
具体为：将二值矩阵Bθk＝[Bθk(i,j)]、Brk＝[Brk(i,j)]和Bak＝[Bak(i,j)]中对应元素相乘：Bk＝Bθk·Brk·Bak，则对于轨迹中的第k段，所得二值矩阵Bk中值为1的元素位置即为对应的坐标变化网格Δk＝[Δxki，Δzkj]中满足条件的发射站边界坐标。
执行k＝k+1。若k≤60，则返回步骤S3，否则结束。
图3为实施例中采用本发明得到的发射站轨迹部分分段的边界，图中白色区域为满足条件的发射站轨迹边界区域。从结果中可以看出，本发明可以在已知雷达接收站平台运动轨迹和发射站基准轨迹的前提下，实现成像分辨率限制条件下各时刻的发射站轨迹边界的设计。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.机动平台双基前视SAR发射站轨迹边界设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：以雷达成像场景中心点为坐标原点，建立机动平台双基前视SAR轨迹空间三维直角坐标系；
S2：设置雷达接收站轨迹的平面，以及雷达接收站轨迹的运动趋势；并确定雷达发射站基准轨迹范围；
S3：以其中一个轴为基准，将雷达接收站轨迹和发射站基准轨迹以垂直于该轴进行均匀分段；
S4：对于步骤S3划分得到的雷达发射站基准轨迹中的各分段，以垂直于选定轴方向建立平面，在该平面上划分发射站基准轨迹沿另外两轴的坐标变化网格；
S5：对发射站基准轨迹中的各段，设置与各坐标变化网格对应的夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵；
S6：分别计算发射站轨迹坐标变化网格中每一个坐标点对应地面成像场景各点等距离线梯度和等多普勒线梯度间的夹角矩阵、成像距离分辨率矩阵、成像方位分辨率矩阵；
S7：设置梯度夹角约束区间、距离向分辨率指标和方位向分辨率指标；对夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中的元素取值进行判断；若梯度夹角矩阵中所有元素值在梯度夹角约束区间之内，则夹角二值矩阵对应元素取值为1，否则夹角二值矩阵对应元素取值为0；若距离分辨率矩阵中所有元素值小于或等于距离向分辨率指标，则距离分辨率二值矩阵元素对应取值为1，否则距离分辨率二值矩阵对应元素取值为0；若方位分辨率矩阵中所有元素值小于或等于方位向分辨率指标，则方位分辨率二值矩阵对应元素取值为1，否则方位分辨率二值矩阵对应元素取值为0；完成夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中的所有元素取值，执行步骤S8；
S8：将夹角二值矩阵、距离分辨率二值矩阵以及方位分辨率二值矩阵中对应位置元素相乘，得到各坐标变化网格对应的新的二值矩阵，取各个新的二值矩阵中值为1的元素位置为发射站轨迹对应分段的边界坐标，从而得到发射站轨迹边界。
2.根据权利要求1所述的机动平台双基前视SAR发射站轨迹边界设计方法，其特征在于，所述步骤S3以秒为单位进行均匀分段。
3.根据权利要求1所述的机动平台双基前视SAR发射站轨迹边界设计方法，其特征在于，步骤S5所述坐标变化网格大小与需求精度相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |