CN105676221B - 一种机载sar成像角实时估计方法 - Google Patents
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Abstract
本专利属于合成孔径雷达成像技术领域，涉及一种机载合成孔径雷达成像角实时估计方法。该技术方案的主要特征在于，首先以上一帧数据的载机平均航迹角作为空域稳定和信号处理的基准，按当前帧成像角进行信号处理，接着对运动补偿后的数据进行多普勒中心估计，用于估计成像角误差进行修正，用于下一帧处理，后续帧如此迭代处理，使得SAR成像中心位于波束中心，图像居于方位向中间。该技术方案提高了雷达成像角的估计准确度。
Description
技术领域
本专利属于合成孔径雷达成像技术领域，涉及一种机载合成孔径雷达成像角实时估计方法。
背景技术
合成孔径雷达成像要求载机进行匀速直线飞行，实际飞行中，载机不可避免受到大气紊流的干扰，存在偏流、俯仰和横滚姿态变化以及东、北、天三向位置变化。为了得到高质量的SAR图像，合成孔径雷达实时补偿载机运动误差对SAR成像的影响，一方面，采取空域稳定措施，隔离载机的姿态变化，控制雷达天线波束始终指向稳定系下的成像角；另一方面，在成像信号处理过程中融入运动补偿步骤，去除载机位置误差对高分辨率SAR成像的影响。在上述运动补偿过程中，最重要的两个参数是载机航迹角θ_track和成像角θ_s。在雷达实时处理中，空域稳定采用的航迹角为上一帧数据的载机平均航迹角，减小天线波束指向变化对回波幅度的调制；成像角为设定指令值。成像信号处理用到的航迹角与空域稳定的一致，成像角方面，由于雷达天线安装角误差、波束指向误差等的影响，使得实际波束指向角与指令角不一致，采取从回波数据中估计成像角，以得到聚焦良好的高分辨率SAR图像。
在SAR成像实时运动补偿处理中，成像角估计(多普勒中心估计)的关键在于如何合理地嵌入SAR成像处理流程，使得估计值能准确反映真实情况，满足运动补偿要求。大多数实时SAR成像处理的多普勒中心估计在原始数据域，在成像的开始阶段对原始数据进行多普勒中心估计(成像角估计)，后续的成像处理均用该估计值，流程简洁，处理速度快。(参见文献：1、汪亮，禹卫东，机载SAR实时多普勒中心估计原理及硬件实现，系统工程与电子技术，第28卷第2期，2006年2月；2、郭庆，机载SAR实时信号处理研究，西安电子科技大学，硕士论文，2007年；3、刘波，王贞松等，一种新的多普勒中心频率实时估计算法，计算机研究与发展，第42卷第11期，2005年。)
但从原始数据中估计的多普勒中心频率是安装角误差Δθf、指向角误差Δθp和载机运动误差多个因素综合作用的结果：
Δfdc＝Δfdf+Δfdp+Δfdv
式中Δv为载机非理想运动导致的视线速度误差。
其中，载机运动误差导致多普勒中心频率变化，但不影响波束指向角改变。因为雷达实时处理时，对天线采取空域稳定措施，一帧积累时间内用同一航迹角为基准，实时控制天线波束指向，始终指向稳定系下同一角度，使得载机运动误差并没有影响波束指向改变。因此，通过直接从原始数据中估计多普勒中心频率来估算成像角是有误差的，会使SAR图像发生方位向偏移，影响图像显示以及图像的定位。运动误差越大，采用此方法估计的角度误差越大，尤其在中小型飞机平台上，甚至导致SAR成像中心在非波束覆盖区，图像中没有场景信息。
现有技术存在的缺点：
在雷达天线实施空域稳定的情况下，现有SAR成像角实时估计方法主要存在以下缺点：
主要缺点一：直接从原始数据中利用多普勒中心频率估计成像角，未考虑后续运动补偿已去除的多普勒中心频率，导致图像方位向偏移，影响整个试飞架次的SAR图像。
主要缺点二：运动误差对成像角估计的准确度影响很大，运动误差越大，角度偏移越大，尤其在中小型飞机平台上。
主要缺点三：未考虑后续运动补偿处理对多普勒中心频率的补偿作用。
主要缺点四：无法对天线安装角误差进行有效估计。
发明内容
本发明的目的为：提供一种能够准确估计天线波束的实际指向角的方法。
本发明的技术方案为：所述的估计方法包括如下步骤：
步骤一，计算某一帧数据的平均航迹角，并将该帧的平均航迹角应用于下一帧的数据成像处理和波束指向空域稳定；
步骤二，利用运动补偿后的回波数据，并根据以下公式对某一帧的多普勒中心频率进行估计，
其中：Φ为方位相邻单元的相位差，s为经过运动补偿的回波数据，m为方位积累脉冲数，M为用于估计的脉冲积累总数，n为距离采样单元，N为用于估计的距离单元总数，PRF为脉冲重复频率，△fdc多普勒中心频率；
步骤三，利用多普勒中心频率，根据以下公式对某一帧的成像角度误差进行估计，
其中：va为载机速度，λ为信号波长，θs为第n帧采用的成像角，△θn为角度误差；
步骤四，利用某一帧的成像角和估计出的角度误差，并根据以下公式修正下一帧的成像角，
θs_n+1＝θs_n-△θn
其中θs_n为某一帧的成像角，θs_n+1为下一帧的成像角。
本发明的有益效果为：a.本发明在运动补偿后估计多普勒中心频率，提取角度误差，准确估计实际波束指向，解决SAR图像方位向偏移问题，提高图像质量。
b.本发明在运动补偿去除了载机运动误差对多普勒中心频率的影响后再进行成像角度误差估计，能对天线安装角误差进行有效估计，在无法进行天线安装校靶的情况下，能通过该发明估计安装角误差并进行有效补偿，提高天线指向精度。
c.本发明不受载机运动误差大小的影响，均能有效估计波束指向角，适用性广。
具体实施方式
为了得到聚焦良好位置准确的SAR图像，关键的要求是使SAR成像中心位于实际波束指向中心，其中两个重要的角度参数：航迹角和成像角，需要进行准确估计与匹配使用。
对于实时处理，天线空域稳定和成像处理采用上一帧数据的平均航迹角θtrack，天线空域稳定的成像角是指令角θs，理论上成像处理也应该采用指令角，但由于天线实际的安装角误差和波束指向误差等因素，需要对成像角进行有效估计。
步骤一：航迹角计算
惯导测量的载机参数通过总线传输给雷达，雷达计算第n帧脉冲积累时间内的载机平均航迹角，用于第n+1帧的SAR成像实时处理和天线空域稳定控制。第n帧用第n-1帧的计算结果。
式中θtrack_n为第n帧的载机平均航迹角，Na为脉冲积累总数，θn,i为每个脉冲时刻的载机航迹角。
以上一帧数据的载机平均航迹角应用于空域稳定波束指向和成像处理，因为在中小型飞机平台或者直升机平台上，载机的瞬时航迹角变化很大，实时处理中采用平均处理，并一帧用同一个参数，降低指向变化对回波幅度调制影响。
步骤二：多普勒中心频率估计
第n帧原始回波数据经过SAR成像的运动补偿后，用于多普勒中心频率估计。多普勒中心频率估计采用相关函数法，因为该方法精度高，并且避免了对回波信号功率谱的计算，降低了运算量，便于实时处理。
Φ为方位相邻单元的相位差，s为经过运动补偿的回波数据，m为方位积累脉冲数，M为用于估计的脉冲积累总数，n为距离采样单元，N为用于估计的距离单元总数。对多个方位单元和距离单元的信号增量矢量进行平均，得到很好的估计结果。
多普勒中心频率偏移为其中PRF为脉冲重复频率。
步骤三：角度误差估计
利用多普勒中心频率公式，推导第n帧的角度误差为
式中va为载机速度，λ为信号波长，θs为第n帧采用的成像角。
步骤四：成像角修正
根据第n帧的成像角θs_n和步骤三估计的角度误差△θn，第n+1帧的成像为
θs_n+1＝θs_n-△θn
当前帧修正后的成像角用于下一帧成像处理。第一帧SAR成像采用指令角，根据第一帧估计的角度误差对成像指令角进行修正，用于第二帧SAR成像处理，第二帧的成像角并结合第二帧估计的角度误差，继续修正后用于第三帧成像角，以此迭代。
经过三帧左右的迭代处理，波束指向角收敛为某一稳定角度，即天线波束实际指向角,与指令角的偏差主要为安装角误差，波动主要是天线指向误差。
Claims (1)
1.一种机载SAR成像角实时估计方法，其特征为：所述的估计方法包括如下步骤：
步骤一，计算某一帧数据的平均航迹角，并将该帧的平均航迹角应用于下一帧的数据成像处理和波束指向空域稳定；
步骤二，利用运动补偿后的回波数据，并根据以下公式对某一帧的多普勒中心频率进行估计，
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其中：Φ为方位相邻单元的相位差，s为经过运动补偿的回波数据，m为方位积累脉冲数，M为用于估计的脉冲积累总数，n为距离采样单元，N为用于估计的距离单元总数，PRF为脉冲重复频率，△fdc多普勒中心频率；
步骤三，利用多普勒中心频率，根据以下公式对某一帧的成像角度误差进行估计，
<mrow>
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其中：va为载机速度，λ为信号波长，θs_n为第n帧采用的成像角，△θn为角度误差；
步骤四，利用某一帧的成像角和估计出的角度误差，并根据以下公式修正下一帧的成像角，
θs_n+1＝θs_n-△θn
其中θs_n为第n帧采用的成像角，θs_n+1为n+1帧的成像角。
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