CN107092014A - 一种弹载双基前视sar舰船目标定位的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，思路为：确定弹载双基前视SAR平台，弹载双基前视SAR平台检测范围内存在目标，将目标所在场景记为目标场景，所述弹载双基前视SAR平台包括发射机和接收机；发射机向目标场景发射信号，接收机接收目标场景反射的回波信号后分别进行距离向和方位向的采样，得到采样后的信号；对采样后的信号依次进行匹配滤波和成像处理，得到双基前视SAR图像；确定目标场景中心点，计算接收机到目标场景中心点的距离；对双基前视SAR图像进行图像几何校正并投影到地距平面，得到地距SAR图像；根据接收机到目标场景中心点的距离，得到弹载双基前视SAR舰船目标的定位信息。

Description

一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法
技术领域
本发明属于雷达图像目标定位技术领域，特别涉及一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，适用于得到弹载双基前视SAR舰船目标相对接收机的位置信息，并能够基于误差对MBLF—SAR成像的影响给出满足精度的约束要求。
背景技术
弹载双基前视SAR(missile-borne bistatic forword-looking syntheticaperture radar,MBFL-SAR)成像技术弥补了单基前视SAR二维高分辨成像的空缺，并通过此成像技术实现了多弹头弹道导弹的全程高分辨SAR成像制导；但针对海面上的舰船目标和航母编队时，无法通过与基准图匹配得到特征点，进而对目标和弹体进行定位，导致攻击弹末段的定位算法失效。
张红敏等人在文献“SAR图像高清定位技术研究”中提到一种基于DEM和图像仿真的单幅SAR图像无控制定位方法，该方案基于SRTM DEM仿真SAR图像，并通过仿真SAR图像与实际SAR图像匹配来提取控制点坐标，实现定向参数的精确计算，在DEM的支持下实现精确定位，但是该方案主要基于机载SAR以及在斜视情况下误差小，不具备广泛的用途。
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，讨论了雷达回波信号模型和成像过程，针对成像过程中，最大、最小方位角与载体速度的测量误差对于定位的影响进行了定量分析。单位该文献未对弹载雷达所关心的运动误差进行分析，并未给出满足精度要求的约束条件。
李亚等人在“基于双基SAR的目标定位算法研究”中介绍了基于LRD成像算法处理后的双基SAR系统的目标定位方法并研究分析了双基SAR系统中的运动参数误差对目标成像以及定位精度的影响。但为针对真实运动情况下带来的时间频率或者相位误差进行分析。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明目的在于提出一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，该种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法是一种针对弹载双基前视构型下的全新定位方法，通过双基前视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。然后，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，建立起目标相对接收机的几何关系，最终求解得到目标相对接收机的位置信息。同时分析空时频同步误差和平台运动误差对定位精度的影响。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，包括以下步骤：
步骤1，确定弹载双基前视SAR平台，弹载双基前视SAR平台检测范围内存在目标，所述目标为舰船目标，将目标所在场景记为目标场景，所述弹载双基前视SAR平台包括发射机和接收机；
发射机向目标场景发射信号，接收机接收目标场景反射的回波信号，并对回波信号分别进行距离向和方位向的采样后得到采样后的信号，然后对采样后的信号依次进行匹配滤波和成像处理，最终得到双基前视SAR图像；
步骤2，确定目标场景中心点，然后计算得到接收机到目标场景中心点的距离；
步骤3，对双基前视SAR图像进行图像几何校正并投影到地距平面，得到地距SAR图像；然后根据接收机到目标场景中心点的距离，计算得到弹载双基前视SAR舰船目标的定位信息。
本发明的有益效果：
第一，本发明方法是基于传统的单基定位方法提出的一种针对弹载双基前视构型的全新定位技术，在末段距离很近时，导弹处于目标的正前方，仍具有二维高分辨能力；
第二，本发明方法针对当目标为海面上舰船时，图像背景被广阔海域占据，使得没有基准图可以与之配准，进一步导致根据匹配点的定位算法失效，提出通过双基前视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。然后，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，建立起目标相对接收机的几何关系，最终求解得到目标相对接收机的位置信息，具有较高的定位精度；
第三，本发明方法是针对收发平台的时序对准问题，针对空时频同步误差对定位的影响进行了详细的理论分析，并考虑实际情况下弹体在飞行过程中速度和加速度较大，受大气气流扰动以及飞控系统的误差等均使其不在沿理想航迹运动，且由于收发平台分置，使得系统运动误差较单平台更大，更具有随机性，所以针对MBFL-SAR构型下的运动误差对定位的影响进行分析。
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是本发明的一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法流程图；
图2是弹载双基前视SAR雷达平台的目标定位模型示意图；
图3是接收机所在平台相对于目标点P的几何关系示意图，其中G点为辅助点；
图4是图2中添加弹载双基前视SAR平台理想运动轨迹后得到的弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型示意图；其中虚线表示弹载双基前视SAR平台沿理想轨迹运动，实线表示弹载双基前视SAR平台沿实际轨迹运动；
图5是空间同步误差对定位的影响结果示意图；
图6(a)是两平台的波束中心偏差与接收平台对目标测距误差的关系示意图；
图6(b)是两平台的波束中心偏差与俯仰角的定位误差的关系示意图；
图6(c)是两平台的波束中心偏差与方位角的定位误差的关系示意图；
图6(d)是两平台的波束中心偏差与目标点相距场景中心点距离向距离的关系；
图6(e)是两平台的波束中心偏差与目标点相距场景中心点方位向距离的关系示意图；
图7是固定时间误差量与距离向偏移的关系示意图；
图8(a)是固定时间误差与接收平台对目标测距误差的关系示意图；
图8(b)是固定时间误差与俯仰角的定位误差的关系示意图；
图8(c)是固定时间误差与方位角的定位误差的关系示意图；
图8(d)是固定时间误差与目标点相距场景中心点的距离向距离的关系示意图；
图8(e)是固定时间误差与目标点相距场景中心点的方位向距离的关系示意图；
图9(a)是距离向偏移引起的误差与接收品台对目标测距误差的关系示意图；
图9(b)是距离向偏移引起的误差与俯仰角的定位误差的关系示意图；
图9(c)是距离向偏移引起的误差与方位角的定位误差的关系示意图；
图9(d)是距离向偏移引起的误差与北天东坐标系中X方位向偏差的关系示意图；
图9(e)是距离向偏移引起的误差与北天东坐标系中Y方位向偏差的关系示意图；
图10(a)是方位向偏移引起的误差与接收品台对目标测距误差的关系示意图；
图10(b)是方位向偏移引起的误差与俯仰角的定位误差的关系示意图；
图10(c)是方位向偏移引起的误差与方位角的定位误差的关系示意图；
图10(d)是方位向偏移引起的误差与北天东坐标系中X方位向偏差的关系示意图；
图10(e)是方位向偏移引起的误差与北天东坐标系中Y方位向偏差的关系示意图。
具体实施方式：
参照图1，为本发明的一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法流程图；其中所述弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，包括以下步骤：
步骤1，确定弹载双基前视SAR平台，弹载双基前视SAR平台检测范围内存在目标，所述目标为舰船目标，将目标所在场景记为目标场景，所述弹载双基前视SAR平台包括发射机和接收机，发射机和接收机分别为前视成像模式，建立弹载双基前视SAR雷达平台的目标定位模型，如图2所示，图2为弹载双基前视SAR雷达平台的目标定位模型示意图；以目标场景中心点为原点O建立北天东坐标系xyy'Oz，将接收机的初始合成孔径中心记为Ar，与Ar对应的擦地角记为将接收机运动后的合成孔径中心记为Br，与Br对应的擦地角记为Ar和Br为接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心，将接收机的运动轨迹记为曲线将发射机的初始合成孔径中心记为At，将发射机运动后的合成孔径中心记为Bt，将发射机的运动轨迹记为曲线At和Bt为发射机成像中的相邻合成孔径中心；发射机在与y轴形成设定夹角的y'Oz平面沿曲线运动，所述设定夹角不大于90度；接收机在yOz平面沿曲线运动，发射机在初始位置处的波束与曲线的夹角为α，发射机运动到Bt时刻时所处位置的波束与曲线的夹角记为β，接收机在初始位置处的波束与地面的夹角记为接收机运动到Br时刻时所处位置的波束与地面的夹角记为将弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心与地面的交点记为目标场景中心点S；接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心分别为Ar和Br，目标场景中心点S与Ar和Br对应的擦地角分别为和发射机成像中的相邻合成孔径中心分别为At和Bt，发射机发射的波束视线与发射机自身航迹夹角为α和β；弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心(图2中的阴影部分)与地面的交点为目标场景中心点S，S在北天东坐标系中的位置为(xs,ys,0)，xs表示两平台波束照射的场景中心与地面的交点在x轴的坐标，ys表示两平台波束照射的场景中心与地面的交点在y轴的坐标。
进而分别计算得到Ar时刻和At时刻对应的目标场景中心距离和Ra，以及Br时刻和Bt时刻对应的目标场景中心距离和Rb，其表达式分别为：
其中，Rra表示Ar时刻接收机与目标场景中心点的距离，Rta表示At时刻发射机与目标场景中心点的距离，Rrb表示Br时刻接收机与目标场景中心点的距离，Rtb表示Bt时刻发射机与目标场景中心点的距离。
对于弹载双基前视SAR平台来说，发射机向目标场景发射信号，接收机接收目标场景反射的回波信号，并对回波信号分别进行距离向和方位向的采样后得到采样后的信号，然后对采样后的信号依次进行匹配滤波和成像处理，最终得到双基前视SAR图像，所述双基前视SAR图像为距离向-方位向的二维矩阵；为了求解出目标场景中心点与接收机的相对距离关系，Ra和Rb分别从双基前视SAR图像中获取，其原理是发射机发射线性调频信号，接收机接收线性调频信号的回波信号后并进行脉冲压缩处理，得到目标信号，所述目标信号位于接收机接收线性调频信号的回波信号中心点处。
步骤2，将双基前视SAR图像距离向第i个像素单元的斜距记为Ri：
其中，i∈{1,2,…,M}，M表示双基前视SAR图像的距离向包含的像素点单元个数，M为大于0的正整数；R0为双基前视SAR图像的距离向进行采样的时间起点对应的距离；c为光速；Fs为距离向采样频率；根据公式可知计算精度能够达到单个像素点距离单元级别。
结合弹载双基前视SAR平台的高机动特点，该弹载双基前视SAR平台的合成孔径积累时间较短，弹载双基前视SAR平台的运动轨迹可近似等效为一条直线，那么接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心与S构成接收三角形△ArBrS，发射机成像中的相邻合成孔径中心与S构成发射三角形△AtBtS，根据三角形几何性质有：
其中，v表示弹载双基前视SAR平台的运动速度，△tm表示弹载双基前视SAR平台的运动时间，cos表示求余弦操作，sin表示求正弦操作，Rra表示Ar时刻接收机与目标场景中心点的距离，Rta表示At时刻发射机与目标场景中心点的距离，Rrb表示Br时刻接收机与目标场景中心点的距离，Rtb表示Bt时刻发射机与目标场景中心点的距离，Ar和Br为接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心，At和Bt为发射机成像中的相邻合成孔径中心。
通过联立式，计算得到Br时刻接收机到目标场景中心点的距离Rrb，
其中，
其中，△R表示接收机所在平台的运动距离，表示与Ar对应的擦地角，表示与Br对应的擦地角，α表示发射机在初始位置处的波束与曲线的夹角，β表示发射机运动到Bt时刻时所处位置的波束与曲线的夹角，Ra表示Ar时刻和At时刻对应的目标场景中心距离和，Rb表示Br时刻和Bt时刻对应的目标场景中心距离和，表示接收机的运动轨迹，表示发射机的运动轨迹，Ar和Br为接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心，At和Bt为发射机成像中的相邻合成孔径中心。
步骤3，首先，对双基前视SAR图像进行图像几何校正并投影到地距平面，得到地距SAR图像；然后，对地距SAR图像通过目标识别得到目标场景中心点与弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心的相对位置信息，几何关系如图3所示。
具体地，选取目标场景中心点S中的任意一个点目标，记为目标点P；然后如图3所示，在三维坐标系XYZ中，选取地距SAR图像中与目标场景中心点S位于同一个方位向像素单元，且与目标点P位于同一个距离向像素单元的点，记为辅助点G；△x为目标点P相距弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心的距离向偏移，△y为目标点P相距弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心的方位向偏移，Br为接收机所在平台在三维坐标系XYZ中的位置，Br的坐标为(x,y,h)，x表示接收机在三维坐标系XYZ中X轴的坐标，y表示接收机在三维坐标系XYZ中Y轴的坐标，h表示接收机在三维坐标系XYZ中的高度；φ为目标点P相对于接收机的俯仰角，θ为目标点P相对于接收机的方位角，Rrb为弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心相对于接收机的距离，Rrp为目标点P相对于接收机的距离，Rrg为辅助点G相对于接收机的距离，为弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心相对于接收机的俯仰角，H为弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心相对于目标场景中心点S的边缘点，F为弹载双基前视SAR平台的波束在方向的投影点。
计算得到辅助点G相对于接收机的距离Rrg，则
其中，m为地距SAR图像的距离向采样点数，n为地距SAR图像的方位向采样点数；△r为地距SAR图像中距离向的分辨率；△a为地距SAR图像中方位向的分辨率；Rrp表示目标点P相对接收机的距离，θ表示目标点P相对接收机的方位角，φ表示目标点P相对接收机的俯仰角。
将目标点P相对接收机的距离Rrp、目标点P相对接收机的方位角θ和目标点P相对接收机的俯仰角φ，记为目标点P相对接收机的位置信息，其中目标点P为弹载双基前视SAR舰船目标；进而得到弹载双基前视SAR舰船目标的定位信息，其包括弹载双基前视SAR舰船目标相对接收机的距离、弹载双基前视SAR舰船目标相对接收机的方位角和弹载双基前视SAR舰船目标相对接收机的俯仰角。
步骤4，对目标点P相对接收机的位置信息进行误差分析；由于弹载双基前视SAR平台的收发平台分置，因此需要分析空时频误差和目标点P的运动误差，进而分析所述运动误差对目标点P相对接收机的位置信息获得达到精度的约束需求。
(1)空间同步误差：
空间同步误差是由于弹载双基前视SAR平台与地平面的交点未重合，即与目标定位模型上的目标场景中心点S未重合，弹载双基前视SAR平台的收发平台在相邻合成孔径中心时刻与波束中心构成三角形△ArBrS和△AtBtS不再具备公共顶点，导致后续计算结果具有误差，其中收发平台为发射机所在平台和接收机所在平台。
假设以接收机波束中心与地面的交点为基准，则在实际过程中，弹载双基前视SAR平台的空间同步误差将以发射机所在平台的α和β误差形式引入到舰船目标的定位算法中；故为提高定位精度需对此进行严格要求，其具体要求在后续仿真提出。
其中，α表示发射机在初始位置处的波束与曲线的夹角，β表示发射机运动到Bt时刻时所处位置的波束与曲线的夹角，表示接收机的运动轨迹，表示发射机的运动轨迹，Ar和Br为接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心，At和Bt为发射机成像中的相邻合成孔径中心。
(2)时间同步误差
时间同步误差是由于弹载双基前视SAR平台的时钟源不稳定导致，也就是收发平台的脉冲重复频率PRF不同步，其具体可分为弹载双基前视SAR平台的脉冲重复频率触发不同引入的固定时间误差△τ0、随时间变化的线性时间误差△τ(tm)，以及发射机所在平台不稳定导致的抖动随机误差△τrand，即时间同步误差模型为△τ：
△τ＝△τ0+△τ(tm)+△τrand
其中，△τrand为服从均值为0、方差为σ2的正态分布的随机变量，即△τrand～N(0,σ2)。
根据时间同步误差模型△τ计算得到双基前视SAR的回波信号
其中，wr[]表示发射机发射信号的距离窗函数，wa()表示发射机发射信号的方位窗函数，表示距离快时间，tm表示方位慢时间，γ表示发射机发射信号的调频频率，Rrp表示目标点P相对于接收机的距离，fc表示发射机发射信号的中心频率，c表示光速，exp为指数函数操作。
忽略双基前视SAR的回波信号的包络，去载频并转换到距离多普勒域，分析时间同步误差对相位的影响，得到双基前视SAR的距离多普勒域回波信号s(fr,tm)：
其中，Rbf(tm)表示接收机与发射机分别到目标点P的距离和，λ表示发射机发射信号的波长，△τ表示时间同步误差模型；基于双基前视SAR的距离多普勒域回波信号s(fr,tm)的表达式可知，固定时间误差△τ0会造成误差相位，得到误差相位
其中，fr表示双基前视SAR的距离多普勒域回波信号的距离向频率，第一个误差相位exp[-j2πfrΔτ0]，造成目标点P聚焦位置在距离向发生偏移，使目标点P与目标场景中心点的位置关系发生改变，且与固定时间误差△τ0成正比；第二个误差相位exp[j2πfcΔτ0]为常数项，对目标点P的成像和定位结果均不产生影响。
线性时间误差△τ(tm)造成的相位误差为
第一个误差相位exp[-j2πfrΔτ(tm)]会导致目标点P的距离历程产生误差，聚焦位置发生一定的偏移，使得目标点P与目标场景中心点的位置关系发生改变；严重时导致后续目标点P的成像处理过程中的去耦滤波器失效，聚焦效果严重降低，无法识别目标点P；第二个误差相位exp[j2πfcΔτ(tm)]为方位向时域线性误差相位，使得目标点P的方位向频谱发生偏移，其偏移量为 为线性时间误差系数。
通过分析可知，线性时间误差主要会影响目标点P在地距SAR图像中的位置发生，进而导致目标点P的测距以及图像几何校正过程产生误差。
随机时间误差△τrand造成的相位误差为
对于随机误差相位，其影响主要体现在所采集的信号在时间上有抖动，使得方位向的调频性能下降，造成目标点P的副瓣抬高，聚焦性能变差；因此只要将随机误差限制在成像允许的范围内，其对目标点P的定位结果将无直接影响。
(3)频率同步误差
频率同步误差是由于发射机的载频信号与接收机的本振信号间存在频率误差和不稳定性，即双基前视SAR回波信号间存在相位误差，其具体可分为固定频率偏差△f0、随时间变化的线性频率偏差△aftm，以及随机频率偏差△frand，△af表示加速度误差；其中，随机频率偏差△frand定义为满足均值为0、方差为σ2的正态随机变量；则在一个合成孔径时间内，频率同步误差将在目标点P的成像算法中引入的相位误差
其中，第一个误差相位2π△f0tm为固定频差在方位时域引入的线性相位，与线性时间误差的影响结果一致；第二个误差相位为线性频差引入的二次相位，主要影响方位向的聚焦效果，使其方位向主瓣展宽和副瓣升高；第三个误差相位△frand为随机频差引入的相位误差，会造成方位向旁瓣抬高；第二个误差相位和第三个误差相位均是对成像引入的聚焦误差，只要能够保证目标识别的前提下，其对定位结果无直接影响。
步骤5，首先建立收发平台运动误差几何模型，如图4所示，图4为图2中添加弹载双基前视SAR平台理想运动轨迹后得到的弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型示意图，图4中的虚线表示弹载双基前视SAR平台理想运动轨迹，实线表示弹载双基前视SAR平台沿实际轨迹运动；在实际弹载双基前视SAR雷达平台下，一个合成孔径时间内，实际弹载双基前视SAR雷达平台具有较高的三维速度和加速度；故以此为依据，建立弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型。
以北天东坐标系中的X方位为例：
其中，△x'T(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位发射机的固定误差，△xR(tm)表示弹载双基前视SAR平台在距离向的误差，△xR表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位的接收机距离固定误差，△x'T表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位的接收机方位固定误差，△vRx表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位的接收机速度误差系数，△v'Tx表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位的发射机速度误差系数，△aRx表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位的接收机加速度误差系数，△a'Tx表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位的发射机加速度误差系数，rand(tm)为随机误差，tm表示方位慢时间。
目标点P的坐标为(xp,yp,0)，以目标点P为例，在tm时刻，在具有运动误差情况下，接收机与发射机分别到目标点P的距离和为Rbf(tm)：
进而得到接收机与发射机分别到目标点P的近似距离和
其中：
其中，R'T(tm)表示发射机到目标点P的距离，RR(tm)表示接收机到目标点P的距离，x'T(tm)表示北天东坐标系中X方位的发射机到目标点P的距离，△x'T(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位发射机的固定误差，x'p表示北天东坐标系中X方位的目标点P到发射机的距离，y'T(tm)表示北天东坐标系中Y方位的发射机到目标点P的距离，△y'T(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中Y方位发射机的固定误差，y'p表示北天东坐标系中Y方位的目标点P到发射机的距离，zT(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中Z方位的发射机到目标点P的距离，△zT(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中Z方位发射机的固定误差，zp表示北天东坐标系中Z方位的目标点P到发射机的距离，xR(tm)表示北天东坐标系中X方位的接收机到目标点P的距离，△xR(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中X方位接收机的固定误差，xp表示北天东坐标系中X方位的目标点P到接收机的距离，yR(tm)表示北天东坐标系中Y方位的接收机到目标点P的距离，△yR(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中Y方位接收机的固定误差，yp表示北天东坐标系中Y方位的目标点P到接收机的距离，zR(tm)表示北天东坐标系中Z方位的接收机到目标点P的距离，△zR(tm)表示弹载双基前视SAR平台在北天东坐标系中Z方位接收机的固定误差，zp表示北天东坐标系中Z方位的目标点P到接收机的距离，RT(tm)表示发射机到目标场景中心的距离。
从上式可以看出，弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型将对距离历程产生固定、线性、二次误差，为了便于后续的分析及仿真，将运动误差模型重新整合，得到目标点P相对于接收机的误差斜距R'bf(tm)：
其中，△R'表示弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型引入的固定误差，△vtm表示弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型引入的线性误差，表示弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型引入的二次误差。在运动误差情况下，得到目标点P的双基前视SAR的回波信号为
将目标点P的双基前视SAR的回波信号转化到距离频域-方位时域，得到目标点P的双基前视SAR的距离频域-方位时域回波信号
其中，wr[]表示发射机发射信号的距离窗函数，wa()表示发射机发射信号的方位窗函数，表示距离快时间，tm表示方位慢时间，γ表示发射机发射信号的调频频率，fr表示双基前视SAR的距离多普勒域回波信号的距离向频率。
对上式进行整理，通过误差相位便可分析目标点P的双基前视SAR的距离频域-方位时域回波信号驻定相位点的变化，所述目标点P的双基前视SAR的距离频域-方位时域回波信号驻定相位点为目标点P的双基前视SAR的距离频域-方位时域回波信号相位导数为0的点；进而得到弹载双基前视SAR平台的运动误差几何模型对目标点P的定位影响规律，包括以下三个误差：
(1)固定误差：
距离向带来的线性误差相位：目标场景中心点的测距将直接受到影响，与固定时间误差的影响结果一致，即对定位算法中Ar时刻和At时刻对应的目标场景中心距离和Ra，以及Br时刻和Bt时刻对应的目标场景中心距离和Rb各自的测量存在误差，其固定误差造成的偏移量为△R，△R表示接收机所在平台的运动距离；且由于地距SAR图像在距离向的整体偏移，导致“斜投地”的结果存有误差，直接对目标点P的定位结果造成误差；其中，fr表示双基前视SAR的距离多普勒域回波信号的距离向频率，c为光速。
(2)线性误差即速度误差：
方位向造成的线性误差相位：造成目标点P在方位向发生偏移，使得通过地距SAR图像测得的目标点P距离具有误差，同时，在地距SAR图像“斜投地”的过程中，对定位算法中的Ra、Rb、△x和△y的测量都会产生误差，△x为目标点P相距弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心的距离向偏移，△y为目标点P相距弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心的方位向偏移，Ra为Ar时刻和At时刻对应的目标场景中心距离和，Rb为Br时刻和Bt时刻对应的目标场景中心距离和；其中，fc表示发射机发射信号的中心频率，△v表示弹载双基前视SAR平台的运动速度误差，tm表示方位慢时间。
(3)二次误差即加速度误差：
将造成二次误差相位：加速度误差将造成Ra和Rb在方位向的聚焦效果降低，主瓣展宽和旁瓣抬高；当误差较大时，会造成地距SAR图像散焦、出现虚假目标等现象，故该项在保证质量的前提下，不会引起目标点P定位误差，△a表示弹载双基前视SAR平台的加速度误差，tm表示方位慢时间。
通过下述仿真实验对本发明效果作进一步验证说明。
(一)仿真条件
SAR雷达参数及运动参数如下表所示：
表1雷达平台参数和运动参数
载频fc/GHz 15 波长/m 0.02
Tp/us 2 带宽/MHz 100
采样频率/MHz 150 两平台轨道夹角/° 20
场景中心点/m (0,10000,0) 目标点坐标/m (-100,10100,0)
接收机坐标/m (0,0,17000) 发射机坐标/m (15000,0,18000)
接收机所在平台速度m/s (0,1750,-500) 发射机平台速度m/s (0,1050,-350)
接收机所在平台加速度m/s2 (0,-30,10) 发射机平台加速度m/s2 (0,-20,10)
首先，以空时频同步误差与平台运动误差对目标定位的影响结果进行分类，如表2所示：
表2系统误差对定位的影响结果
从表2可知，除空间同步外，其他误差均会导致图像目标点位置的偏移，且引起一定的测距误差；故分别针对上述影响结果进行仿真。
(二)仿真内容
(1)空间同步对定位结果的影响
以接收机平台波束中心与地面的交点为基准，发射机平台的波束指向存在偏差，导致二者在地面的交点不重合，即存在空间同步误差。在实际过程中，其误差将以发射机平台波束指向α、β的形式引入到定位算法中。但由于α、β角为空间角，相同的一个α角度会产生多组α、β的组合，为了更准确表示空间同步误差对定位算法的影响。下面以两平台的波束中心指向在地面的交点偏差为误差输入，并对影响结果进行仿真。
(2)目标点距离向偏移对定位结果的影响
引起目标距离向的偏移主要由三种情况，分别为时间同步的固定误差、线性误差以及平台运动的固定误差，固定时间误差△τ0引起的图像目标点的偏移，将对距离的测量将产生△R0＝C·△τ0的误差量，并通过仿真进行验证，其结果如图7所示，理论值与实际值重合，即对定位中的Ra、Rb产生△R0的计算误差。
(3)目标方位向偏移对定位结果的影响
引起目标方位向的偏移主要有三种情况，分别为时间同步的线性误差、频率同步的固定频差以及平台运动的线性误差。三者均通过在方位向频域引入偏移量，导致目标点在成像域发生偏移，进而使斜投地产生误差。
(4)目标聚焦效果对定位结果的影响
频率同步的线性误差和平台运动的二次误差均对图像方位向聚焦效果产生影响。当图像聚焦效果下降时，一方面在确定攻击目标点时，产生一定量的偏移误差；另一方面，使得目标识别成功率下降，导致后续无法进行定位。当攻击的目标点产生偏移时，与图像的偏移影响结果相一致，故不再阐述。
(三)结果分析
图5给出波束中心点偏差±50m时，对定位结果的影响。从图5中可以看出，同样的波束中心点偏差会产生不同的波束指向误差，但其导致的最大测距误差均小于其波束中线点偏差。为了更好的表征空间同步误差对定位精度影响，在构型不变的情况下，输入多组同步误差，并求得其导致的最大误差。
如图6(a)-图6(e)所示，误差输入量从0m递增到500m；图6(a)-图6(e)表示定位精度，接收机所在平台对目标点测距误差随着两平台的波束中心误差的增大成线性增长，但其最大测距误差小于波束中心点偏差；俯仰角和方位角的定位误差分别与波束中心点偏差呈三次关系和线性关系，在不考虑目标识别误差前提下，将其定位按照几何关系转换到地面坐标系中，与实际目标点位置偏差不超过±5m。表明该定位算法对空间同步误差有一定的包容性。
固定时间误差△τ0引起的图像目标点的偏移，将对距离的测量将产生△R0＝C·△τ0的误差量，如图7所示，平台运动的固定误差同样造成△R的误差量，与固定时间相一致，而时间的线性同步误差，其数量级在1ns到10ns级别，对图像距离向的偏移可忽略。在只考虑Ra、Rb的误差时，仿真结果如图8(a)-图8(e)所示，时间固定误差输入量从0ns递增到500ns，对应平台的固定运动误差为0m到150m；图8(a)-图8(e)表示定位精度，接收平台对目标测距误差和方位角误差随固定时间误差呈线性增长；俯仰角定位误差随固定时间误差先减小后增长。将其定位按几何关系转换到地面坐标系中，与实际目标点位置偏差不超过±1m。
可以得出，单一的Ra、Rb误差对定位结果影响较小，与空间同步结果相一致。在单一Ra、Rb误差下，研究不同的△x、△y误差对定位影响，其仿真结果如图9(a)-图9(e)所示，在仿真条件中加入150ns的固定延时，即Ra、Rb存在45m的测距误差；同时，引入△x、△y的0到100m的投影偏差。
从图9(a)-图9(e)的仿真结果可以看出，图像偏移导致的投影偏差将全部体现在地平面的定位结果中，且会对其测距产生较大影响。故图像目标点的距离向偏移对定位带来的影响，主要体现在目标点的投影误差。若定位精度为50m，则应根据平台构型和与目标的相对位置关系，保证图像偏移导致的投影误差小于50m。
引起目标方位向的偏移主要有三种情况，分别为时间同步的线性误差、频率同步的固定频差以及平台运动的线性误差。三者均通过在方位向频域引入偏移量，导致目标点在成像域发生偏移，进而使斜投地产生误差，图10(a)-图10(e)是仿真条件为△x、△y引入0到50m的投影偏差。
从图10(a)-图10(e)仿真结果可以看出，图像方位向偏移导致的投影偏差会对其测距产生影响，且将全部体现在地距平面的定位结果中。故图像目标点的方位向偏移对定位带来的影响，主要体现在目标点的投影误差。若定位精度为50m，则应根据平台构型和与目标的相对位置关系，保证图像偏移导致的投影误差小于50m。
频率同步的线性误差和平台运动的二次误差均对图像方位向聚焦效果产生影响：当图像聚焦效果下降时，一方面在确定攻击目标点时，产生一定量的偏移误差；另一方面，使得目标识别成功率下降，导致后续无法进行定位。当攻击的目标点产生偏移时，与图像的偏移影响结果相一致，故不再阐述。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定弹载双基前视SAR平台，弹载双基前视SAR平台检测范围内存在目标，所述目标为舰船目标，将目标所在场景记为目标场景，所述弹载双基前视SAR平台包括发射机和接收机；
发射机向目标场景发射信号，接收机接收目标场景反射的回波信号，并对回波信号分别进行距离向和方位向的采样后得到采样后的信号，然后对采样后的信号依次进行匹配滤波和成像处理，最终得到双基前视SAR图像；
步骤2，确定目标场景中心点，然后计算得到接收机到目标场景中心点的距离；
步骤3，对双基前视SAR图像进行图像几何校正并投影到地距平面，得到地距SAR图像；然后根据接收机到目标场景中心点的距离，计算得到弹载双基前视SAR舰船目标的定位信息。
2.如权利要求1所述的一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，其特征在于，在步骤1中，所述弹载双基前视SAR平台和所述目标场景，还包括：
建立弹载双基前视SAR雷达平台的目标定位模型，以目标场景中心点为原点O建立北天东坐标系xyy'Oz，将接收机的初始合成孔径中心记为Ar，与Ar对应的擦地角记为将接收机运动后的合成孔径中心记为Br，与Br对应的擦地角记为Ar和Br为接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心，将接收机的运动轨迹记为曲线将发射机的初始合成孔径中心记为At，将发射机运动后的合成孔径中心记为Bt，将发射机的运动轨迹记为曲线At和Bt为发射机成像中的相邻合成孔径中心；
发射机在与y轴形成设定夹角的y'Oz平面沿曲线运动；接收机在yOz平面沿曲线运动，发射机在初始位置处的波束与曲线的夹角为α，发射机运动到Bt时刻时所处位置的波束与曲线的夹角记为β，接收机在初始位置处的波束与地面的夹角记为接收机运动到Br时刻时所处位置的波束与地面的夹角记为
将弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心与地面的交点记为目标场景中心点S；接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心分别为Ar和Br，目标场景中心点S与Ar和Br对应的擦地角分别为和发射机成像中的相邻合成孔径中心分别为At和Bt，发射机发射的波束视线与发射机自身航迹夹角为α和β；弹载双基前视SAR平台的波束照射场景中心与地面的交点为目标场景中心点S，S在北天东坐标系中的位置为(xs,ys,0)，xs表示两平台波束照射的场景中心与地面的交点在x轴的坐标，ys表示两平台波束照射的场景中心与地面的交点在y轴的坐标，两平台指发射机所在平台和接收机所在平台；
进而分别计算得到Ar时刻和At时刻对应的目标场景中心距离和Ra，以及Br时刻和Bt时刻对应的目标场景中心距离和Rb，其表达式分别为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>R</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，Rra表示Ar时刻接收机与目标场景中心点的距离，Rta表示At时刻发射机与目标场景中心点的距离，Rrb表示Br时刻接收机与目标场景中心点的距离，Rtb表示Bt时刻发射机与目标场景中心点的距离。
3.如权利要求2所述的一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，其特征在于，在步骤2中，所述接收机到目标场景中心点的距离，具体为Br时刻接收机到目标场景中心点的距离Rrb，其表达式为：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>q</mi> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <mi>b</mi> <mo>&amp;PlusMinus;</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>4</mn> <msup> <mi>ac</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，△R表示接收机所在平台的运动距离，表示与Ar对应的擦地角，表示与Br对应的擦地角，α表示发射机在初始位置处的波束与曲线的夹角，β表示发射机运动到Bt时刻时所处位置的波束与曲线的夹角，Ra表示Ar时刻和At时刻对应的目标场景中心距离和，Rb表示Br时刻和Bt时刻对应的目标场景中心距离和，表示接收机的运动轨迹，表示发射机的运动轨迹，Ar和Br为接收机成像过程中的相邻两个合成孔径中心，At和Bt为发射机成像中的相邻合成孔径中心。
4.如权利要求3所述的一种弹载双基前视SAR舰船目标定位的优化方法，其特征在于，在步骤3中，所述弹载双基前视SAR舰船目标的定位信息，其得到过程为：
选取目标场景中心点中的任意一个点目标，记为目标点P；选取地距SAR图像中与目标场景中心点位于同一个方位向像素单元，且与目标点P位于同一个距离向像素单元的点，记为辅助点G；然后计算得到辅助点G相对于接收机的距离Rrg，
进而得到：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>r</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>a</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>&amp;Delta;x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>g</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>x</mi> </mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>=</mo> <mi>arccos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>b</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>g</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;Delta;y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，m为地距SAR图像的距离向采样点数，n为地距SAR图像的方位向采样点数；△r为地距SAR图像中距离向的分辨率；△a为地距SAR图像中方位向的分辨率；Rrp表示目标点P相对接收机的距离，θ表示目标点P相对接收机的方位角，φ表示目标点P相对接收机的俯仰角；
将目标点P相对接收机的距离Rrp、目标点P相对接收机的方位角θ和目标点P相对接收机的俯仰角φ，记为目标点P相对接收机的位置信息，其中目标点P为弹载双基前视SAR舰船目标；进而得到弹载双基前视SAR舰船目标的定位信息，其包括弹载双基前视SAR舰船目标相对接收机的距离、弹载双基前视SAR舰船目标相对接收机的方位角和弹载双基前视SAR舰船目标相对接收机的俯仰角。
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