CN106353756A - 基于图像匹配的下降轨聚束合成孔径雷达定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像匹配的下降轨聚束合成孔径雷达定位方法。其技术方案是：1.以地面点目标T为原点，建立北天东坐标系下雷达定位的几何构型，得到目标点T在成像平面的SAR成像图；2.利用成像平面与地平面间的几何失真校正映射函数，得到SAR成像匹配图；3.通过图像匹配算法，得到P个匹配点和SAR成像匹配图与设定SAR成像基准图之间的仿射变换矩阵，利用该仿射变换矩阵，得到目标点T和视线点C的距离；4.根据设定的采样频率，得到雷达分别到目标点T和视线点C的距离；5.根据步骤3和4得到的结果，计算得到雷达实际位置A的坐标值。本发明能实现对大斜视聚束SAR的精确定位，可用于为雷达平台修偏提供准确的位置信息。

Description

基于图像匹配的下降轨聚束合成孔径雷达定位方法

技术领域

本发明属于雷达图像目标定位技术领域，特别涉及一种下降轨聚束合成孔径雷达定位方法，适用于为雷达平台修偏提供准确的位置信息。

背景技术

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备，其原理是雷达设备发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离分辨率、方位、高度等消息。雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力，因此，它在社会经济发展，如气象预报、资源探测、环境监测等和科学研究如天体研究、大气物理、电离层结构研究等的各个方面都得到了广泛应用。

现有的雷达平台在末端定位阶段因惯导误差导致雷达的实际位置和惯导指示位置存在较大偏差，影响了雷达平台对目标的准确定位，无法满足传统雷达平台在末端定位阶段的交接班精度要求，降低了雷达平台的精确定位性能。合成孔径雷达SAR在下降段采用聚束SAR成像模式，通过对目标场景进行高分辨率二维聚焦成像，实时获取目标场景的SAR成像，并和设定的SAR基准图像进行匹配定位，为雷达平台修偏提供准确的目标场景与雷达实际位置信息，从而解决传统雷达平台在末端定位阶段的交接班精度不满足要求的问题。

燕英等人在文献“弹载合成孔径雷达成像处理及定位误差分析”中提到基于惯导数据的SAR平台定位方法，该方法利用惯导数据中的斜视角和俯仰角进行SAR平台定位，其方法虽然简单，但国内使用的惯导数据误差普遍较大，导致SAR平台定位精度较低。

李亚超等人在2004年遥测遥控期刊上发表的文献“SAR末制导中导弹定位方法及分析”中提到利用导弹在末制导中不同的三个固定目标场景以及有关该三个固定目标场景各自的斜距和地距的已知参数对导弹弹体进行定位；该方法虽然分析了导弹规则飞行和导弹不规则飞行对定位精度的影响，但是该定位方法只适用于SAR平台工作在正侧视条带模式的情况，对于大斜视聚束模式，该方法并不适用。

李亚超等人在“高精度景象匹配下的高速SAR平台定位和测速可行性研究”中提到一种基于景象匹配的斜视SAR平台定位算法，该定位算法通过景象匹配，再利用数字地图高精度配准对斜视SAR平台进行定位与测速；虽然该方法的定位精度较高，但是仍然会受到地面匹配点位置的影响，当配准误差及估计误差确定，或地面匹配点位置较近时，也会使得对斜视SAR平台的定位精度下降。

杨立波等人在2010年系统工程与电子技术上发表的文献“合成孔径雷达景象匹配中制导导弹定位”中提出了基于匹配点距离差和多普勒差的定位模型，对于下降轨聚束SAR而言，它的弹道倾角不为零，则下降轨的速度矢量和中心斜距矢量的夹角与速度矢量和瞬时斜距矢量的夹角不在同一平面上，也就是说下降轨聚束模式下，不能利用距离差和多普勒差的定位模型进行测角定位。此外，聚束模式下采用极坐标格式算法PFA进行SAR成像时，得到的斜平面SAR成像为二维波数域图，使得多普勒测角公式不能直接使用，也限制了该方法的应用范围。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于图像匹配的下降轨聚束合成孔径雷达定位方法，以解决上述现有技术存在的SAR平台定位精度较低，不能实现对大斜视聚束合成孔径雷达定位的问题，为雷达平台修偏提供准确的目标场景与雷达实际位置信息。

本发明的技术思路是：运用图像间高精度仿射变换关系获取目标点与视线点的实际地理坐标信息，并通过构建几何模型实现对目标高精度定位，其实现步骤包括如下：

(1)以地面点目标T为原点，并基于合成孔径雷达的下降轨建立北天东坐标系下雷达平台定位的几何构型，得到地面点目标T在成像平面的SAR成像图；

(2)利用成像平面与地平面之间的几何失真校正映射函数，将地面点目标T在成像平面的SAR成像图投影到地平面，得到SAR成像匹配图M₁；

(3)设定SAR成像基准图M₀，并在M₀中设定视线点C，将M₁和M₀进行图像匹配，得到P个匹配点，再根据该P个匹配点，得到M₁与M₀之间的仿射变换矩阵T_A；

(4)在成像基准图M₀中分别选取地面点目标T和视线点C各自对应的位置点，并利用仿射变换矩阵T_A得到地面点目标T和视线点C分别在成像匹配图M₁中对应的位置点坐标(x_t,y_t,z_t)和(x_c,y_c,z_c)，通过这两个位置坐标(x_t,y_t,z_t)、(x_c,y_c,z_c)，求出线段CT的长度S；

(5)分别设定合成孔径雷达的采样频率f_s和距离采样单元数k，根据采样频率f_s和距离采样单元数k，得到雷达实际位置点A分别到目标点T的距离R₁和到视线点C的距离R₂；

(6)根据步骤4和步骤5的结果，计算得到合成孔径雷达实际位置点A的精确坐标(x,y,z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{R_{1}cos\mathrm{\β}}{S}{x}_c\\ y=\frac{R_{1}cos\mathrm{\β}}{S}{y}_c\\ z=R_1\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

其中β为AT与地面的夹角：

$cos\mathrm{\β}=\frac{{R_1}^2+S^2-{R_2}^2}{2R_{1}S}.$

本发明的有益效果：

第一，本发明通过图像匹配算法得到的高精度仿射变换矩阵和基于图像的雷达测距，保证了两点定位几何构型中各点的位置精度；同时，本发明利用图像匹配获取地面点目标的高精度相对位置信息和合成孔径雷达到各点目标的高精度斜距信息，再通过构建两点定位几何构型，解算出以地面点目标为原点构建的北天东坐标系下的雷达平台实际位置信息，提高了雷达平台的定位精度；

第二，本发明方法只需要单幅匹配图就能够实现高精度定位，不需要多幅图进行数据融合提高精度，降低了运算复杂度；同时，本发明方法不依赖惯导数据，因此对惯导精度没有要求，具有较好的应用价值；

第三，本发明方法只需要确定视线点的位置信息，其误差大小不会影响定位精度，能够有效降低图像匹配的要求，进一步提高了北天东坐标系下雷达定位几何构型的鲁棒性；

第四，本发明采用两点定位的几何构型，适用于小场景定位，解决了现有技术中雷达末制导定位中需要大场景聚束成像这一不足之处；

第五，本发明基于地面点目标为原点建立北天东坐标系，使得合成孔径雷达实际位置点输出的是雷达三维位置信息，有效减少了坐标转换的步骤，并可以直接传给雷达平台的控制系统进行雷达平台位姿调整。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的实现流程图；

图2是雷达平台定位几何构型示意图。

具体实施方式：

参照图1，本发明的实现步骤包括如下：

步骤1，以地面点目标T为原点，建立北天东坐标系下雷达定位几何构型图。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

取坐标系原点作为地面点目标T，设X轴正向指向北，Y轴正向指向天，Z轴正向指向东，建立北天东的X-Y-Z三维坐标系；

取X-Y-Z三维坐标系上的任一点作为合成孔径雷达的实际位置点A，并将合成孔径雷达的实际位置点A投影到地面上得到位置点O，其坐标为(x,y,0)；

取雷达与地面点目标的斜距AT在地面投影线OT上任一点作为视线点C；

将O点投影到Y坐标轴上得到F点，再将视线点C分别投影到X轴、Y轴上得到G点、H点，最后，延长视线点C与X轴之间的距离CG与雷达的实际位置点A与Y轴距离在地面上的投影OF相交于E点，完成雷达定位几何构型的建立。

步骤2，根据雷达的实际位置点A，合理调整北天东坐标系的位置。

通过上述定位模型可知，建立的北天东坐标系是可调整的，为了降低合成孔径雷达的定位误差，应尽可能地保证雷达实际位置点A与地面点目标T的斜距AT在地面上的投影OT和所述北天东坐标系X轴的夹角尽量小，本实例调整该夹角为15°。

步骤3，获取地面点目标T在成像平面的SAR成像图。

采用工作在聚束模式下的合成孔径雷达对地面点目标T进行聚焦成像，得到地面点目标T在成像平面的SAR成像图。

步骤4，将地面点目标T在成像平面的SAR成像图投影到地平面，得到SAR成像匹配图M₁。

由于下降轨聚束合成孔径雷达得到的SAR成像图在斜平面上，因此根据雷达实际位置A的定位需要，利用SAR成像算法中成像平面与地平面之间的几何失真校正映射函数，将所述SAR成像图投影到地平面，就可得到SAR成像匹配图M₁。

步骤5，确定基准图中视线点C的位置。

设定SAR成像基准图M₀，选择基准图M₀中与目标点T同方位向的任一点作为视线C的位置。

步骤6，获取成像匹配图M₁与成像基准图M₀之间的仿射变换矩阵T_A。

首先，根据图像匹配算法将成像匹配图M₁与成像基准图M₀进行图像匹配，得到P个匹配点；

然后，根据获得的P个匹配点，得到成像匹配图M₁与成像基准图M₀之间的仿射变换矩阵T_A。

步骤7，计算地面点目标T与视线点C之间的距离S。

首先，在成像基准图M₀中分别选取地面点目标T和视线点C各自对应的位置点；

然后，利用成像匹配图M₁与成像基准图M₀之间的仿射变换矩阵T_A，得到地面点目标T与视线点C在匹配图M₁中各自对应的位置点坐标(x_t,y_t,z_t)和(x_c,y_c,z_c)；

最后，通过点T、C在匹配图M₁中的位置坐标，求出地面点目标T与视线点C之间的距离S：

$S=\sqrt{{(x_c-x_t)}^2+{(y_c-y_t)}^2+{(z_c-z_t)}^2}$

其中x_c、y_c、z_c为视线点C的三维坐标值，x_t、y_t、z_t为地面点目标T的三维坐标值。

步骤8，计算合成孔径雷达分别到地面点目标T的距离R₁和视线点C的距离R₂。

(8a)计算波门采样前沿R₀：

设定合成孔径雷达的距离采样频率f_s，再根据设定的距离采样频率f_s，求出波门采样前沿R₀：

$R_0=R_s-\frac{nrn}{2}*\frac{c}{2f_s},$

其中，R_s为雷达平台到场景中心的距离，nrn为采样点数，f_s为采样频率，光速c＝3×10⁸m/s；

(8b)计算地面点目标T的距离单元位置L₁和视线点C的距离单元位置L₂：

(8b1)将目标点和视线点在成像匹配图M₁中的位置逆映射回斜平面图，找到地面点目标T所在的距离采样单元数k₁和视线点C的距离采样单元数k₂；

(8b2)根据地面点目标T所在的距离采样单元数k₁和视线点C的距离采样单元数k₂，求出地面点目标T的距离单元位置L₁和视线点C的距离单元位置L₂：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1=k_1*\frac{c}{2f_s}\\ L_2=k_2*\frac{c}{2f_s}\end{array}\right.$

其中，k₁为目标点T的距离采样单元数，k₂为视线点C的距离采样单元数，f_s为距离向采样率，光速c＝3×10⁸m/s；

(8c)根据(8a)(8b)得到的结果，计算合成孔径雷达到地面点目标T的距离R₁和雷达到视线点C的距离R₂。

地面各点到雷达基于图像测距得到的距离由波门采样前沿加上各点在成像平面图像中的距离单元位置得到，其精度可以达到单个距离单元级别；并且在实际应用过程中，合成孔径雷达的实际位置点A到地面点各点的距离还需要考虑地面点的数字高程模型DEM。因此，雷达的实际位置点A到地面各点的距离近似等于基于图像测距得到的距离加上地面各点的数字高程模型值，则合成孔径雷达到地面点目标T的距离R₁和雷达到视线点C的距离R₂的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=L_1+R_0+{\mathrm{DEM}}_1\\ R_2=L_2+R_0+{\mathrm{DEM}}_2\end{array}\right.$

其中，DEM₁表示目标点T的当地数字高程模型值，DEM₂表示视线点C的当地数字高程模型值，L₁为目标点T的距离单元位置，L₂为视线点C的距离单元位置，f_s为距离向采样率，R₀为波门采样前沿。

步骤9，计算合成孔径雷达的实际位置点A的坐标值(x,y,z)。

根据合成孔径雷达实际位置点A到地面点目标T的距离R₁、A到视线点C的距离R₂，视线点C与目标点T的距离S，计算得到合成孔径雷达的实际位置点A的坐标值(x,y,z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{R_{1}cos\mathrm{\β}}{S}{x}_c\\ y=\frac{R_{1}cos\mathrm{\β}}{S}{y}_c\\ z=R_1\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

其中x_c、y_c分别是视线点C的横纵坐标，β为雷达与地面点目标的斜距AT与地面的夹角：

$cos\mathrm{\β}=\frac{{R_1}^2+S^2-{R_2}^2}{2R_{1}S}.$

本发明效果可以通过下述仿真实验进一步说明。

(一)仿真条件

SAR雷达的实际位置点与地面点目标T的斜距在地面的投影与X轴的夹角∠XTO＝10°；

设定的视线点C在X轴上的距离Δx＝9000m，设定的视线点C在Y轴上的距离Δy＝1586.9m；

匹配误差Δp＝5m，即图像匹配时判断误匹配的门限值；

测距误差ΔL_m＝6m，即合成孔径雷达实际位置点A到地面点目标T的距离R₁、A到视线点C的距离R₂，视线点C与目标点T的距离S这些数据测距误差的最大值；

设雷达位置点与地面点目标的距离R，本次实验通过观察雷达位置点与地面点目标的距离R增大后合成孔径雷达定位精度的变化确定本发明的适用性，雷达位置点与地面点目标的距离R的取值如表1中的第一列所示。

(二)仿真内容与结果

对雷达位置点与地面点目标的距离R逐渐增大，编写matlab程序计算出每一个R值对应的合成孔径雷达实际位置点的定位误差，仿真实验结果如表1中第二、三、四列所示，其中，Δx_o表示合成孔径雷达的实际位置点在X轴上的测距误差，Δy_o表示SAR雷达的实际位置点在Y轴上的测距误差，Δz_o表示SAR雷达的实际位置点在Z轴上的测距误差。

表1定位误差仿真结果及参数

仿真结果表明，将雷达的位置移动到距离目标点较远的位置后，定位精度仍小于30m，能够满足雷达定位和交接班需求。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于图像匹配的下降轨聚束合成孔径雷达定位方法，包括以下步骤：

(1)以地面点目标T为原点，并基于合成孔径雷达的下降轨建立北天东坐标系下雷达平台定位的几何构型，得到和地面点目标T在成像平面的SAR成像图；

(2)利用成像平面与地平面之间的几何失真校正映射函数，将地面点目标T在成像平面的SAR成像图投影到地平面，得到SAR成像匹配图M₁；

(3)设定SAR成像基准图M₀，并在M₀中设定视线点C，将M₁和M₀进行图像匹配，得到P个匹配点，再根据该P个匹配点，得到M₁与M₀之间的仿射变换矩阵T_A；

(4)在成像基准图M₀中分别选取地面点目标T和视线点C各自对应的位置点，并利用仿射变换矩阵T_A得到地面点目标T和视线点C分别在成像匹配图M₁中对应的位置点坐标(x_t,y_t,z_t)和(x_c,y_c,z_c)，通过这两个位置坐标(x_t,y_t,z_t)、(x_c,y_c,z_c)，求出线段CT的长度S；

(5)分别设定合成孔径雷达的采样频率f_s和距离采样单元数k，根据采样频率f_s和距离采样单元数k，得到雷达实际位置点A分别到目标点T的距离R₁和到视线点C的距离R₂；

(6)根据步骤4和步骤5的结果，计算得到合成孔径雷达实际位置点A的精确坐标(x,y,z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{R_{1}cos\mathrm{\β}}{S}{x}_c\\ y=\frac{R_{1}cos\mathrm{\β}}{S}{y}_c\\ z=R_1\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

其中β为AT与地面的夹角：

$cos\mathrm{\β}=\frac{{R_1}^2+S^2-{R_2}^2}{2R_{1}S}.$

2.如权利要求1所述的方法，步骤3中设定视线点C，只需选定与目标点T同方位向的任一点即可。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤4中计算线段CT的长度S，通过下式计算：

$S=\sqrt{{(x_c-x_t)}^2+{(y_c-y_t)}^2+{(z_c-z_t)}^2}$

其中x_c、y_c、z_c为视线点C的三维坐标值，x_t、y_t、z_t为地面点目标T的三维坐标值。

4.如权利要求1所述的方法，其中步骤5中计算雷达实际位置点A到目标点T的距离R₁，通过下式计算：

$R_1=k_1*\frac{c}{2f_s}+R_0+{\mathrm{DEM}}_1$

其中，DEM₁表示目标点T的当地数字高程模型值，f_s为距离向采样率，k₁为目标点T的距离采样单元数，R₀为波门采样前沿。

5.如权利要求1所述的方法，其中步骤5中计算雷达实际位置点A到视线点C的距离R₂，通过下式计算：

$R_2=k_2*\frac{c}{2f_s}+R_0+{\mathrm{DEM}}_2$

其中，DEM₂表示视线点C的当地数字高程模型值，f_s为距离向采样率，k₂为视线点C的距离采样单元数，R₀为波门采样前沿。