CN105929400B - 基于精确测量的恒定prf下变航速机载sar数据补偿方法 - Google Patents

基于精确测量的恒定prf下变航速机载sar数据补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，包括：1)输入POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)和原始数据矩阵A0；2)对POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)进行坐标转换；3)在成像坐标系下执行距离空不变运动补偿和距离向压缩，得到矩阵A0′；4)对航速变化进行运动补偿，得到重采样后的POS测量数据和原始数据矩阵A1′；5)在成像坐标系下对矩阵A1′执行距离空变运动补偿和方位压缩，得到SAR图像矩阵A1。本发明有益效果：运动补偿中参考航迹的高度轴实际为曲线，同所测绘地区的地球曲面一致，确保运动补偿时参考地表和参考航迹一致性，提高径向运动补偿精度；空间重采样实现过程以参考航迹空间等间隔采样时间为基准，以确保重采样后POS测量数据和回波数据的时间同步。

Description

基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体来说，涉及一种基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法。
背景技术
机载SAR(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)具有高分辨率优势，使目标的形状和精细结构在图像中更清晰地呈现出来，能够有力促进SAR图像的应用研究。机载SAR平台受大气扰动等因素影响，天线相位中心(Antenna Phase Center,简称APC)无法满足理想SAR成像的匀速直线运动要求，必须在标准SAR成像算法基础上集成运动补偿处理。随着导航精度的提高，如今POS系统绝对定位精度在5厘米以内，能够精确测量SAR天线的航迹和姿态信息，采用基于精确测量的运动数据对SAR回波进行运动补偿，补偿精度高，便于业务化实现，同时也推动了干涉SAR测绘等科学应用的发展。
雷达回波数据运动补偿的目的是对真实情况下非理想航迹下获得的回波数据进行校正，使其等效为载机匀速直线飞行得到的数据，以便利用标准成像方法如频率变标方法、距离多普勒方法等完成SAR成像。机载SAR运动补偿分为径向运动补偿和航向运动补偿。径向运动补偿用于补偿雷达距离向的运动误差，具体包括距离向空不变运动补偿和距离向空变运动补偿，使补偿后的回波数据等效于SAR天线沿直线飞行时获得，这在许多文献中已有公开介绍。航向运动补偿用于补偿载机速度变化导致的空间不等间隔采样，使补偿后的回波数据等效于SAR天线匀速运动时获得，为此，SAR较多使用地速跟踪系统，根据载机速度实时调整雷达系统的PRF，从而达到空间等间隔采样的目的，但该方法增加了雷达设备的复杂度。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，能够提高径向运动补偿的精度，降低了SAR系统的设计复杂度。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1，输入POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)和原始数据矩阵A0；
步骤S2，对POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)进行坐标转换；
步骤S3，在成像坐标系下，对原始数据矩阵A0执行距离空不变运动补偿和距离向压缩，得到矩阵A0′；
步骤S4，对航速变化进行运动补偿，得到重采样后的POS测量数据和原始数据矩阵A1′；
步骤S5，在成像坐标系下对矩阵A1′执行距离空变运动补偿和方位压缩，得到SAR图像矩阵A1。
进一步的，步骤S2包括：
(1)将POS测得的大地坐标系数据(Bi，Li，Hi)转换至地心直角坐标系数据(Xi，Yi，Zi)，
其中，式中：n为该点的卯酉圈曲率半径；e2＝(a2-b2)/a2，a、b、e分别为该大地坐标系对应参考椭球的长半轴、短半轴和第一偏心率；
(2)将地心直角坐标系下的POS数据(Xi，Yi，Zi)转换至东北天坐标系数据(xh，i，yh，i，zh，i)，
以航迹第一点作为东北天坐标系的原点，以通过坐标原点且指向天顶的法线为z轴，以子午线方向为y轴，x轴指向东，且与y、z轴垂直。对地心直角坐标系进行平移和旋转，得到东北天坐标系，坐标转换关系如下，
(3)将东北天坐标系下的POS数据(xh,i,yh,i,zh,i)转换至成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)，
第一步，建立等间隔时间序列ti，i＝1，2，...，N,ti+1-ti＝1/PRF；
第二步，将曲线(ti，xh，i)和曲线(ti，yh，i)分别利用最小二乘拟合方法得到直线，并求取直线上的采样点(ti，x′h，i)和(ti，y′h，i)；
第三步，求取直线(x′h，i，y′h，i)的斜率k和截距b；
第四步，根据k计算东北天坐标系到成像坐标系的旋转角θ，
θ＝atan(k)，其中，如果xhN＜0，θ＝θ+π；
第五步，将东北天坐标系平移至(0,b,0)，而后逆时针旋转θ角，得到成像坐标系，将(xh，i，yh，i，zh，i)进行坐标变换得到(x0，i，y0，i，z0，i)，
(4)将成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)下z坐标取作POS数据(xh,i,yh,i,zh,i)在大地坐标系的高度值，
第一步，对z0，i进行校正，令z0，i＝H0，i，i＝1，2，...，N；
第二步，在成像坐标系下，真实航迹为(x0，i，y0，i，z0，i)，参考航迹为其中，
进一步的，步骤S2的POS测量数据是指SAR获取一帧数据过程中测得的POS数据序列，其表征SAR天线在获取该帧回波时间段内的三维航迹曲线；POS数据元素为大地坐标系下的经度、纬度和高度数据Bi，Li，Hi，其中，i表示POS数据序号，i＝1，2，...，N,N表示序列长度，B表示经度，L表示纬度，H表示高度。
进一步的，步骤S4包括：
(1)确定每个PRF时刻载机的位置，在空间上沿x轴不等间隔采样，在时间上沿x轴等间隔，采样时间记作t0，i＝(i-1)/PRF，i＝1，…N；
(2)求取天线沿航向在空间上等间隔采样对应的时间，等间隔采样的空间间隔为δx＝PRF·(x0，N-x0，1)/(N-1)，据此得到新的沿x轴等间隔采样，其x轴坐标为x1，i＝δx(i-1)，i＝1，…N。利用三次样条插值，求取x1，i对应的时间点t1，i，i＝1，…N，t1，i为不等间隔时间采样；
(3)以t0，i为基准，对y0，i，z0，i序列分别执行三次样条插值，求取其在t1，i时刻对应的坐标值y1，i，z1，i，构建得到重采样后的POS数据(x1，i，y1，i，z1，i)；
(4)以t0，i为基准，对初级运动补偿后的矩阵A0′的每条方位线执行sinc函数插值，求取每条方位线在t1，i时刻对应的采样点值，构建得到重采样后的回波数据矩阵A1′；
进一步的，在步骤S4中，空间重采样实现过程以参考航迹空间等间隔采样时间为基准，以确保重采样后POS测量数据和回波数据的时间同步。
进一步的，步骤S5包括：
定义(x1，i，y1，i，z1，i)为重采样后的真实航迹，为重采样后的参考航迹，对重采样后的回波数据A1′执行距离空变运动补偿和方位压缩，得到A1。
本发明的有益效果：运动补偿中参考航迹的高度轴实际为一曲线，同所测绘地区的地球曲面一致，确保了运动补偿时参考地表和参考航迹的一致性，提高了径向运动补偿的精度；设计了恒定PRF下机载SAR航速发生变化情况下完整的空间重采样方法，以参考航迹空间等间隔采样时间为基准，确保了重采样后POS测量数据和回波数据的时间同步，同时避免为机载SAR安装地速跟踪系统，降低了SAR系统的设计复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法的流程框图；
图2是本发明实施例的POS数据重采样的实现过程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，根据本发明实施例所述的一种基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1，输入POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)和原始数据矩阵A0；
步骤S2，对POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)进行坐标转换；
步骤S3，在成像坐标系下，对原始数据矩阵A0执行距离空不变运动补偿和距离向压缩，得到矩阵A0′；
步骤S4，对航速变化进行运动补偿，得到重采样后的POS测量数据和原始数据矩阵A1′；
步骤S5，在成像坐标系下对矩阵A1′执行距离空变运动补偿和方位压缩，得到SAR图像矩阵A1。
其中，步骤S2进一步包括：
(1)将POS测得的大地坐标系数据(Bi，Li，Hi)转换至地心直角坐标系数据(Xi，Yi，Zi)，
其中，式中：n为该点的卯酉圈曲率半径；e2＝(a2-b2)/a2，a、b、e分别为该大地坐标系对应参考椭球的长半轴、短半轴和第一偏心率；
(2)将地心直角坐标系下的POS数据(Xi，Yi，Zi)转换至东北天坐标系数据(xh，i，yh，i，zh，i)，
以航迹第一点作为东北天坐标系的原点，以通过坐标原点且指向天顶的法线为z轴，以子午线方向为y轴，x轴指向东，且与y、z轴垂直。对地心直角坐标系进行平移和旋转，得到东北天坐标系，坐标转换关系如下，
(3)将东北天坐标系下的POS数据(xh,i,yh,i,zh,i)转换至成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)，
第一步，建立等间隔时间序列ti，i＝1，2，...，N,ti+1-ti＝1/PRF；
第二步，将曲线(ti，xh，i)和曲线(ti，yh，i)分别利用最小二乘拟合方法得到直线，并求取直线上的采样点(ti，x′h，i)和(ti，y′h，i)；
第三步，求取直线(x′h，i，y′h，i)的斜率k和截距b；
第四步，根据k计算东北天坐标系到成像坐标系的旋转角θ，
θ＝atan(k)，其中，如果xhN＜0，θ＝θ+π；
第五步：将东北天坐标系平移至(0,b,0)，而后逆时针旋转θ角，得到成像坐标系，将(xh，i，yh，i，zh，i)进行坐标变换得到(x0，i，y0，i，z0，i)，
(4)将成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)下z坐标取作POS数据(xh,i,yh,i,zh,i)在大地坐标系的高度值，
第一步，对z0，i进行校正，令z0，i＝H0，i，i＝1，2，...，N；
第二步：在成像坐标系下，真实航迹为(x0，i，y0，i，z0，i)，参考航迹为其中，
以上坐标转换完成后，便可得到SAR天线真实航迹在成像坐标系下的三维坐标，而SAR天线参考航迹是同成像坐标系统的x轴平行的一条直线，成像坐标系在空间是三维直角坐标系。实际上，雷达在空中获取数据时，载机沿地球的椭圆表面飞行，航迹本身在空中表现为一条椭圆弧线，因此，本文为了提高飞行航迹和地表形态的一致性，在成像坐标系下，将SAR天线真实航迹高度取做POS测得的海拔高度，参考直线航迹的高度为POS测量的平均海拔高度。该处理方法使得参考航迹在成像坐标系下为一条直线，实际在空中表现为一条椭圆弧线。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S2的POS测量数据是指SAR获取一帧数据过程中测得的POS数据序列，其表征SAR天线在获取该帧回波时间段内的三维航迹曲线；POS数据元素为大地坐标系下的经度、纬度和高度数据Bi，Li，Hi，其中，i表示POS数据序号，i＝1，2，...，N,N表示序列长度，B表示经度，L表示纬度，H表示高度。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S4进一步包括：
(1)确定每个PRF时刻载机的位置，在空间上沿x轴不等间隔采样，在时间上沿x轴等间隔，采样时间记作t0，i＝(i-1)/PRF，i＝1，…N；
(2)求取天线沿航向在空间上等间隔采样对应的时间，等间隔采样的空间间隔为δx＝PRF·(x0，N-x0，1)/(N-1)，据此得到新的沿x轴等间隔采样，其x轴坐标为x1，i＝δx(i-1)，i＝1，…N。利用三次样条插值，求取x1，i对应的时间点t1，i，i＝1，…N，t1，i为不等间隔时间采样；
(3)以t0，i为基准，对y0，i，z0，i序列分别执行三次样条插值，求取其在t1，i时刻对应的坐标值y1，i，z1，i，构建得到重采样后的POS数据(x1，i，y1，i，z1，i)；
(4)以t0，i为基准，对初级运动补偿后的矩阵A0′的每条方位线执行sinc函数插值，求取每条方位线在t1，i时刻对应的采样点值，构建得到重采样后的回波数据矩阵A1′；
在本发明的一个具体实施例中，在步骤S4中，空间重采样实现过程以参考航迹空间等间隔采样时间为基准，以确保重采样后POS测量数据和回波数据的时间同步。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S5包括：
定义(x1，i，y1，i，z1，i)为重采样后的真实航迹，为重采样后的参考航迹，对重采样后的回波数据A1′执行距离空变运动补偿和方位压缩，得到A1。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，根据本发明所述的一种基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，机载SAR系统在恒定PRF下采集地面回波数据，只需依靠POS系统精确测量的SAR天线位置信息，数据处理过程中，通过对POS数据和SAR回波数据进行空间重采样，将时间上等间隔采样、空间上不等间隔采样的数据变为空间上等间隔采样、时间上不等间隔数据，便可完成机载SAR系统的航向运动补偿。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，输入POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)和原始数据矩阵A0；
步骤S2，对POS测量数据序列(Bi，Li，Hi)进行坐标转换；
步骤S3，在成像坐标系下，对原始数据矩阵A0执行距离空不变运动补偿和距离向压缩，得到矩阵A0′；
步骤S4，对航速变化进行运动补偿，得到重采样后的POS测量数据和原始数据矩阵A1′；
步骤S5，在成像坐标系下对矩阵A1′执行距离空变运动补偿和方位压缩，得到SAR图像矩阵A1；
其中.步骤S2进一步包括：
(1)将POS测得的大地坐标系数据(Bi，Li，Hi)转换至地心直角坐标系数据(Xi，Yi，Zi)，
其中，式中：n为该点的卯酉圈曲率半径；e2＝(a2-b2)/a2，a、b、e分别为该大地坐标系对应参考椭球的长半轴、短半轴和第一偏心率；
(2)将地心直角坐标系下的POS数据(Xi，Yi，Zi)转换至东北天坐标系数据(xh，i，yh，i，zh，i)，以航迹第一点作为东北天坐标系的原点，以通过坐标原点且指向天顶的法线为z轴，以子午线方向为y轴，x轴指向东，且与y、z轴垂直，对地心直角坐标系进行平移和旋转，得到东北天坐标系，坐标转换关系如下，
(3)将东北天坐标系下的POS数据(xh,i,yh,i,zh,i)转换至成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)；
(4)将成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)下z坐标取作POS数据(xh,i,yh,i,zh,i)在大地坐标系的高度值；
所述的将东北天坐标系下的POS数据(xh,i,yh,i,zh,i)转换至成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)，进一步包括：
第一步，建立等间隔时间序列ti，i＝1，2，...，N,ti+1-ti＝1/PRF；
第二步，将曲线(ti，xh，i)和曲线(ti，yh，i)分别利用最小二乘拟合方法得到直线，并求取直线上的采样点(ti，x′h，i)和(ti，y′h，i)；
第三步，求取直线(x′h，i，y′h，i)的斜率k和截距b；
第四步，根据k计算东北天坐标系到成像坐标系的旋转角θ，
θ＝atan(k)，其中，如果xhN＜0，θ＝θ+π；
第五步，将东北天坐标系平移至(0,b,0)，而后逆时针旋转θ角，得到成像坐标系，将(xh，i，yh，i，zh，i)进行坐标变换得到(x0，i，y0，i，z0，i)，
所述的将成像坐标系数据(x0，i，y0，i，z0，i)下z坐标取作POS数据(xh,i,yh,i,z,h)在大地坐标系的高度值，进一步包括：
第一步，对z0，i进行校正，令z0，i＝H0，i，i＝1，2，...，N；
第二步，在成像坐标系下，真实航迹为(x0，i，y0，i，z0，i)，参考航迹为其中，
步骤S4进一步包括：
(1)确定每个PRF时刻载机的位置，在空间上沿x轴不等间隔采样，在时间上沿x轴等间隔，采样时间记作t0，i＝(i-1)/PRF，i＝1，…N；
(2)求取天线沿航向在空间上等间隔采样对应的时间，等间隔采样的空间间隔为δx＝PRF·(x0，N-x0，i)/(N-1)，据此得到新的沿x轴等间隔采样，其x轴坐标为x1，i＝δx(i-1)，i＝1，…N，利用三次样条插值，求取x1，i对应的时间点t1，i，i＝1，…N，t1，i为不等间隔时间采样；
(3)以t0，i为基准，对y0，i，z0，i序列分别执行三次样条插值，求取其在t1，i时刻对应的坐标值y1，i，z1，i，构建得到重采样后的POS数据(x1，i，y1，i，z1，i)；
(4)以t0，i为基准，对初级运动补偿后的矩阵A0′的每条方位线执行sinc函数插值，求取每条方位线在t1，i时刻对应的采样点值，构建得到重采样后的回波数据矩阵A1′。
2.根据权利要求1所述的基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，其特征在于：
所述POS测量数据是指SAR获取一帧数据过程中测得的POS数据序列，其表征SAR天线在获取该帧回波时间段内的三维航迹曲线；POS数据元素为大地坐标系下的经度、纬度和高度数据Bi，Li，Hi，其中，i表示POS数据序号，i＝1，2，...，N,N表示序列长度，B表示经度，L表示纬度，H表示高度。
3.根据权利要求1所述的基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，其特征在于，在步骤S4中，空间重采样实现过程以参考航迹空间等间隔采样时间为基准，以确保重采样后POS测量数据和回波数据的时间同步。
4.根据权利要求1所述的基于精确测量的恒定PRF下变航速机载SAR数据补偿方法，其特征在于，步骤S5包括：
定义(x1，i，y1,i，z1，i)为重采样后的真实航迹，为重采样后的参考航迹，对重采样后的回波数据A1′执行距离空变运动补偿和方位压缩，得到A1。
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