CN106556835A - 基于双基前视sar图像的目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双基前视SAR图像的目标定位方法，以解决现有技术在广阔海域背景下，无法提取出具有标志性匹配点，最终导致匹配定位失效的问题。其实现方案是：利用相邻两合成孔径中心时刻接收机和发射机平台与目标的几何关系进行数学建模；根据模型寻找场景中心点的距离历程与接收机和发射机的几何关系，并结合校正到地平面的SAR图像得到目标与场景中心的精确位置关系，解算出目标相对接收机的位置信息，实现对目标的精确定位。本发明避免了从场景中提取参考点的操作，可实现在宽广海域背景下舰船目标的精确定位。

Description

基于双基前视SAR图像的目标定位方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种前视SAR图像的目标定位方法，可用于对海面上舰船目标SAR成像制导。

背景技术

合成孔径雷达SAR成像制导技术已经广泛应用于目标定位中，对于SAR目标定位技术的研究最早的研究工作可追溯到第二次世界大战以后，当时已有文献显示雷达图像作为定位的一种信息源。目前，实现SAR图像的目标定位的算法，主要有以下几种：

1.多项式对应关系的方法

该方法的原理是在SAR的测绘区域中找出一些位置确知的参考点，通过建立多项式图像相应点之间的坐标关系来预测图像上其他任意像素的地理位置。由于SAR图像的集合变形由多种因素引起，其变化规律十分复杂。为此，把SAR图像的总体变形看作是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果，难以用严格的数字表达式来描述，而是用一个适当的多项式来描述校正前后。该方法对各种类型传感器图像的校正都是适用的，对参加计算的同名点的要求为在影像上为明显的地物点，易于判读，均匀分布。

这种方法的优点是操作简单且原理清晰，缺点是此方法回避了SAR成像的空间几何过程，直接对图像变形的本身进行数字模拟，在实际应用上具有内在的明显局限性，特别是在如海面、沙漠这些宽阔的场景背景下，很难找到用于图像定位的可靠参考点，无法取得匹配点。

2.空空定位理论

SAR的目标定位技术发展的第二阶段是在八十年代，在这一阶段SAR目标图像的集合构想数学模型，即共线方程模型，以该模型进行像素定位。他是建立在图像坐标与地面坐标的严格数学变换关系的基础上的，是对成像空间几何形态的直接描述。该方法的定位过程需要有地面高程信息，可以改正因地形起伏而引起的投影差。

该方法的优点是精度比多项式对应关系方法高，但是缺点也十分明显，共线方程需要数字高程信息，计算量比较大。利用共线方程还必须知道SAR平台的姿态参数等外方位元素，而这些参数是不稳定的，他们是时间的若干阶函数，这会导致该方法对目标的定位精度下降。可以看出，共线方程需要的数据量和数据类别很复杂，而且对于SAR成像而言，共线方程也只是一个虚构的中心投影构想模型，并没有利用SAR成像图像，并不能真实的反映出SAR的距离投影的集合形态，若再增加附加的约束条件，将使方程的可计算性变得很差。

上述提及的两种定位算法都通过对目标区域的图像进行参考点提取，与先前得到的基准图进行匹配得到匹配点，进而通过数学模型进行数字模拟反解出雷达平台与目标的相对位置，为平台轨迹修正提供参量。但当定位目标为宽广海面上的舰船时，图像背景被广阔海域占据，很难提取目标区域的参考点，进而无法提取匹配点，最终导致根据匹配点的定位失效。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于双基前视SAR图像几何定位方法，以解决上述现有技术在广阔海域背景下，无法提取出具有标志性匹配点，导致匹配定位失效的问题。

本发明的技术方案是：利用双基前视SAR在相邻两个合成孔径中心时刻的平台坐标与场景中心点的相对位置关系，进行几何建模，寻找场景中心点的距离历程与接收机和发射机平台的几何关系。并利用双基各平台的波束指向角，解算出场景中心距接收机的距离。根据得到的地距SAR图像，求解出目标与场景中心点的相对位置关系，建立起目标与接收机的几何关系，实现接收机对目标的定位。其实现步骤如下：

(1)根据双基前视SAR在相邻两个合成孔径中心时刻的平台坐标与场景中心点S的相对位置关系，建立双基平台与场景中心的几何模型；

(2)根据步骤(1)建立的几何模型，并利用双基收发平台的波束指向角和双基收发平台与场景中心点S的三角关系，解算得到B_r时刻接收机平台与场景中心点S的距离R_rb；

(3)根据步骤(1)建立的几何模型，求解目标点P与场景中心点S的距离向距离Δx和方位向距离Δy；

(4)在步骤(1)建立的几何模型中设置辅助点G并结合步骤(2)的结果，计算辅助点G与接收机的距离R_rg；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)的结果，求解目标点P相对于接收机的位置信息，即目标点P距接收机的距离R_rp，目标点距接收机的方位角θ，目标点距接收机的俯仰角φ：

本发明具有如下优点：

本发明通过建立前后相邻两个合成孔径中心时刻接收机和发射机的实际运行轨迹与目标点P、场景中心点S、辅助点G之间的几何模型，可得到目标点P相对接收机的距离、方位角和俯仰角，实现目标定位。

本发明的定位方法由于有SAR平台运行轨迹的介入，具有较好的实际意义，并且避免了从场景中提取参考点的操作，可在成像背景为宽广海面等难以提取参考点的场景中，对目标进行全程定位，弥补了利用场景参考点进行目标定位方法的不足。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中建立的双基雷达定位模型图；

图3是本发明中的接收机相对目标点的几何关系示意图；

图4是本发明仿真使用的场景布置图；

图5是用本发明在接收机距目标的不同处仿真定位误差结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下:

步骤1，建立接收机、发射机与场景中心点S的几何模型。

以目标场景中心点S为原心，建立北天东坐标系，如图2所示，其中x轴正方向指向正北方向，y轴正方向指向正东方向，z轴正方向指向垂直于地面方向；设接收机沿y轴正向从第一合成孔径中心A_r运动到第二合成孔径中心B_r，与场景中心S构成了三角形ΔSA_rB_r，为接收机在A_r时相对场景中心点S的擦地角，表示接收机在B_r时相对场景中心点S的擦地角；同时发射机沿着与y轴不同指向的y'轴正向从第一合成孔径中心A_t运动到第二合成孔径中心B_t，与场景中心点S构成了三角形ΔSA_tB_t，设α'为角∠B_tA_tS，β'为角∠A_tB_tS。接收机在A_r时接收机与场景中心点S的距离为R_ra，接收机在B_r时接收机与场景中心点S的距离R_rb，发射机在A_t时发射机与场景中心点S的距离R_ta，发射机在B_t时发射机与场景中心点S的距离为R_tb。

步骤2，求解当接收机位于B_r时，接收机与场景中心点S的距离R_rb。

(2a)设R_ra，R_ta之和为R_a；R_rb，R_tb之和为R_b，即：

R_a＝R_ra+R_ta <1>

R_b＝R_rb+R_tb <2>

(2b)利用接收机在A_r、B_r位置与场景中心点S构成的三角形ΔSA_rB_r的正弦性质和余弦性质，得到关系式:

在<1>、<2>、<3>、<4>四个方程式中，R_a、R_b、α'、β'、为已知量，可通过几何校正后的SAR图像得到，v为接收机的运行速度，Δt_m为相邻合成孔径中心的时间差，由雷达平台技术参数确定为已知量；R_ra、R_ta、R_rb、R_tb为未知量。

(2c)根据多项式理论，通过联立式<1>、式<2>、式<3>和式<4>这四个方程，求解出所述的四个未知量，得到接收机与场景中心点S的距离R_rb。

步骤3，确定目标点P与场景中心点S的位置关系。

(3a)从几何校正后的SAR图像中分别得到方位向分辨率ρ_a和目标点P相对场景中心点S的方位向间隔x_n，计算目标点P相对于场景中心点S的方位向距离：Δx＝ρ_a×x_n；

(3b)从几何校正后的SAR图像中分别得到距离向分辨率ρ_r和目标点P相对场景中心点S的距离向间隔y_n，计算目标点P相对于场景中心点S的距离向距离:Δy＝ρ_r×y_n。

步骤4，计算目标点P相对接收机的位置信息R_rp、θ和φ。

(4a)在几何校正后的SAR图像中按距离向和方位向按一定得间隔划出距离线和方位线，设置目标点P所在距离线与场景中心点S所在方位线的交点G作为辅助点，则G具有目标点P的距离向信息和场景中心点S的方位向信息；

(4b)利用辅助点G、目标点P和接收机第二合成孔径中心B_r，构造三角形ΔPGB_r利用三角形ΔPGB_r的余弦性质得到辅助点G相对接收机的距离：

(4c)利用上述计算得到的R_rb、Δx、Δy和R_rg结果，结合图3所示的三角形ΔPGB_r和三角形ΔSGB_r，根据正弦性质和余弦性质，计算目标点P相对接收机的位置信息：

其中，R_rp是目标点P距接收机的距离，θ是目标点距接收机的方位角，φ是目标点距接收机的俯仰角。

本发明的效果通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件

1.1)设置仿真实验参数,如表1所示

表1接收机与发射机的雷达信息和运动参数

1.2)设置目标点P距场景中心点S的方位向距离Δx和距离向距离Δy均为100m如图4所示。

2.仿真实验：

仿真一：在不考虑双基“空间误差”等外部误差的情况下，验证本发明理论模型的正确性:

选取目标点P与接收机的几个典型距离进行模型验证，将利用模型计算的目标点P与接收机的距离结果与实际距离对比，距离误差为实际距离的10^-9数量级，即成功验证本发明理论模型的正确性，结果如表2所示。

表2典型距离接收机对目标测距结果

实际接收机目标距离	测得的接收机目标距离	距离误差
			69.062km	69.062km	-0.0724m
49.772km	49.772km	-0.1004m
			35.035km	35.035km	-0.1426m
19.625km	19.625km	-0.2542m
			9.9171km	9.9165km	-0.5017m
4.3782km	4.377km	-1.1308m

从表2可见，在不考虑外部误差的影响下，本方法能够对目标进行全程定位，辅助惯性导航系统INS进行制导。

仿真二：考虑空间同步问题，在表1的数据中加入(±50m,±50m)的地平面

SAR图像空间误差，进一步验证本发明模型的有效性:

选取目标点P与接收机实际距离分别为69.06km、35.02km、9.90km、4.30km处进行仿真，结果如图5，其中：

图(5a)是接收机距目标69.02km处定位误差仿真结果图；

图(5b)是接收机距目标35.02km处定位误差仿真结果图；

图(5c)是接收机距目标9.90km处定位误差仿真结果图；

图(5d)是接收机距目标4.30km处定位误差仿真结果图。

从图5可见，各个仿真距离处的最大距离定位误差均不超过±50m，且随着目标点P与接收机距离越来越小，测量距离误差成收敛趋势；俯仰角和方位角误差均在10^-3到10^-2数量级，且随着目标点P与接收机距离越来越小，俯仰角和方位角的误差最大值仍不超过0.02度，满足精确定位精度要求，进一步说明了本方法的有效性。

Claims (5)

1.一种基于双基前视SAR图像的目标定位方法，包括如下步骤：

(1)根据双基前视SAR在相邻两个合成孔径中心时刻的平台坐标与场景中心点S的相对位置关系，建立双基平台与场景中心的几何模型；

(2)根据步骤(1)建立的几何模型，并利用双基收发平台的波束指向角和双基收发平台与场景中心点S的三角关系，解算得到B_r时刻接收机与场景中心点S的距离R_rb；

(3)根据步骤(1)建立的几何模型，求解目标点P与场景中心点S的距离向距离Δx和方位向距离Δy；

(4)在步骤(1)建立的几何模型中设置辅助点G并结合步骤(2)的结果，计算辅助点G与接收机的距离R_rg；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)的结果，求解目标点P相对于接收机的位置信息，即目标点P距接收机的距离R_rp，目标点距接收机的方位角θ，目标点距接收机的俯仰角φ：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}=arctan\frac{\mathrm{\&Delta;}x}{R_{rg}}\\ R_{rp}=\sqrt{{\mathrm{\&Delta;x}}^2+R_{rg}^2}\\ \mathrm{\&phi;}=\arccos \left(\frac{R_{rb}^2+R_{rg}^2-{\mathrm{\&Delta;y}}^2}{2R_{rb}{R}_{rg}}\right)\end{array}\right..$

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中建立双基平台与场景中心的几何模型，按以下步骤进行：

(1a)是以目标场景中心点S为原心，建立北天东坐标系，即x轴正方向指向正北方向，y轴正方向指向正东方向，z轴正方向指向垂直于地面方向；

(1b)设接收机平台沿y轴正向运动，接收机相邻两个合成孔径中心为A_r和B_r，发射机平台沿着与y轴不同指向的y'轴正向运动，发射机相邻两个合成孔径中心为A_t和B_t；接收机在A_r且发射机在A_t时，SAR平台与场景中心点S的距离和为R_a，接收机在B_r且发射机在B_t时，SAR平台与场景中心点S的距离和为R_b。

3.根据权利要求1的方法，其中步骤(2)中解算B_r时刻接收机与场景中心点S的距离R_rb，是通过如下方程组进行：

其中，R_ra表示接收机在A_r时接收机与场景中心点S的距离，R_ta表示发射机在A_t时发射机与场景中心点S的距离，A_r表示第一合成孔径中心时刻接收机的位置，A_t表示第一合成孔径中心时刻发射机的位置，R_a为R_ra与R_ta之和；R_rb表示接收机在B_r时接收机与场景中心点S的距离，R_tb表示发射机在B_t时发射机距场景中心点S的距离，B_r表示第二合成孔径中心时刻接收机的位置，B_t表示第二合成孔径中心时刻发射机的位置，R_b为R_rb与R_tb之和；为接收机在A_r时相对场景中心点S的擦地角，表示接收机在B_r时相对场景中心点S的擦地角，v为接收机的运行速度，Δt_m为相邻合成孔径中心的时间差；α为∠B_tA_tS，β为∠A_tB_tS。

4.根据权利要求1的方法，其中步骤(3)求解目标点P与场景中心点S的方位向距离Δx和距离向距离Δy，通过下式得到:

Δx＝ρ_a×x_n，Δy＝ρ_r×y_n

其中，ρ_a表示方位向分辨率，ρ_r表示距离向分辨率，x_n表示目标点P相对场景中心点S的方位向间隔，y_n表示目标点P相对场景中心点S的距离向间隔。

5.根据权利要求1的方法，其中步骤(4)计算辅助点G与接收机的距离R_rg，按如下步骤进行：

(4a)设置目标点P所在距离线与场景中心点S所在的方位线的交点G作为辅助点，构造三角形ΔPGB_r，其中B_r表示第二合成孔径中心时刻接收机的位置；

(4b)利用三角形ΔPGB_r的余弦性质得到：

其中，Δy表示目标点P与场景中心点S的距离向距离，R_rb表示接收机在B_r时接收机与场景中心点S的距离，表示接收机在B_r时相对场景中心点S的擦地角。