CN107942332B - 一种用于飞机着陆的双基sar成像系统空间同步方法 - Google Patents

Abstract

一种用于飞机着陆的双基SAR成像系统空间同步方法，步骤1.实时读取发射机和接收机的坐标位置信息，以跑道中轴线任意点为原点建立直角坐标系，将坐标位置信息转换为直角坐标系的绝对坐标值;步骤2.根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到各个角度，调整发射机波束竖直方向上发射角度,发射机波束水平方向上发射角度；调整接收机的接收角度;根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到上述各个角度。采用本发明所述双基SAR成像系统空间同步方法，能够满足飞机降落全程中的双基SAR成像收发平台波束对准要求，实现高精度SAR成像。

Description

一种用于飞机着陆的双基SAR成像系统空间同步方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及飞行器导航技术，具体涉及一种用于飞机着陆的双基SAR成像系统空间同步方法。

背景技术

在雨、雾、霾等恶劣气象条件下，现有的机载跑道场景图像观测系统使用效能大大降低。双基SAR成像技术利用雷达波的穿透性可在此条件下完成飞机前视成像，为恶劣气象条件下飞机安全着陆提供全天候图像观测能力。

基于双基SAR技术的飞机着陆系统要求雷达波的发射平台与接收平台具备很好的空间同步性，SAR（合成孔径雷达）工作原理是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成较大的等效天线孔径的雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。双基合成孔径雷达采用了分离发射器和接收器，飞行在不同平台上实现雷达成像，利用飞行平台的特殊飞行轨迹，获得前视SAR图像。双基前视SAR成像方法中，发射机发射的雷达波必须能够被飞机上的接收机实时完整的接收，如何实现飞机在起降过程动态状态下的接收，协调发射机与接收机之间的位置关系，采用较小功率发射机在较小的雷达波照射范围内实现雷达波仍然能够被及时接收是亟需解决的技术问题。

发明内容

为使使用双基SAR技术的飞机着陆系统的雷达波发射平台与接收平台保持空间同步性，满足SAR成像的空间对准要求，本发明公开了一种双基SAR成像系统空间同步方法。

本发明所述用于飞机着陆的双基SAR成像系统空间同步方法，包括如下步骤:

步骤1.实时读取发射机和接收机的坐标位置信息，以跑道中轴线任意点为原点建立直角坐标系，将坐标位置信息转换为直角坐标系的绝对坐标值;

步骤2.根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到各个角度，调整发射机波束竖直方向上发射角度为ψ-ξ, 发射机波束水平方向上发射角度为θ，其中ξ为发射机自身竖直方向倾角, ψ为发射机与原点连线与重力方向的夹角，θ为发射机与投影点O连线和跑道中轴线在水平面上垂直线之间的夹角；

调整接收机的接收角度,在水平和竖直方向的分别偏移为(ε-δ)和(η-κ),其中ε为接收机接收波束中心点到原点连线与跑道轴向之间的夹角, η为接收波束中心点到原点连线与重力方向之间的夹角, δ和κ为飞机俯冲方向与重力方向和跑道轴向之间的夹角; 根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到上述各个角度。

优选的，还包括对于接收机接收波束中心点到原点连线与跑道轴向之间夹角ε,及接收波束中心点到原点连线与重力方向之间夹角η的修正,修正值分别为：

△w·α/W和△h·β/H;其中W和H分别为实时SAR图像以像素计算的宽度和高度，α和β分别为雷达波束宽度和高度, △w和△h分别为图像配准水平方向偏移矢量和垂直方向偏移矢量。

优选的，所述步骤2中，以发射机在跑道中轴线上的投影点O为原点建立三轴坐标系,其中X轴沿跑道轴向,Z轴为重力方向,Y轴垂直于X轴和Z轴;将发射机波束中心点T和接收机接收波束中心点R的绝对坐标值换算为三轴坐标系中坐标后计算各个角度。

采用本发明所述双基SAR成像系统空间同步方法，利用发射机与接收机及跑道路径对发射和接收角度进行调整校对，能够满足飞机起降全程中的SAR成像雷达波对准要求，实现全程SAR成像，引导飞行员在可视化图像下安全起降。

附图说明

图1为本发明所述双基SAR成像系统的实现原理示意图，图中V表示发射机在轨道上的移动速度；图2为本发明所述双基SAR成像系统空间同步方法在坐标系下的一个具体实施方式示意图，图3为本发明所述成像模板匹配的一种具体实施方式示意图，图4为本发明成像模板匹配后角度精调计算示意图，图5为本发明所述双基SAR成像系统空间同步方法的一个具体实施方式流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的具体应用基于如图1所示的场景，机场跑道附近设置有平行于机场跑道的高架轨道，高架轨道上安装有双基SAR成像系统中的雷达波发射机，对需要引导的飞行器，飞行器上安装有双基SAR成像系统中的雷达波接收机，双基SAR成像的基本原理是发射机发射的雷达波在跑道上反射后，其反射波能够被飞行器上的接收机接收，并根据反射波计算得到跑道的SAR图像。

本发明所述双基SAR成像系统空间同步方法，包括如下步骤:

以GPS作为定位系统，则在步骤1.预先测量跑道欲成像区域中心点O的GPS坐标，实时读取发射机和接收机GPS坐标，建立以O为原点的直角坐标系，计算发射机和接收机在该坐标系下的绝对坐标值;

步骤2.根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到各个角度，调整发射机波束竖直方向上发射角度为ψ-ξ, 发射机波束水平方向上发射角度为θ，其中ξ为发射机自身竖直方向倾角, ψ为发射机与原点连线与重力方向的夹角，θ为发射机与投影点O连线和跑道中轴线在水平面上垂直线之间的夹角；

调整接收机的接收角度,在水平和竖直方向的分别偏移为(ε-δ)和(η-κ),其中ε为接收机接收波束中心点到原点连线与跑道轴向之间的夹角, η为接收波束中心点到原点连线与重力方向之间的夹角, δ和κ为飞机俯冲方向与重力方向和跑道轴向之间的夹角; 根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到上述各个角度。

为更好的阐述本发明的具体实现方法，如图2所示，以建立坐标系的形式进行说明，以飞机进场初始状态为例，飞机处于跑道起始端，可以首先测定飞机上的接收机、轨道上的发射机的绝对坐标，例如利用北斗或GPS定位产生的精确经纬度值；随后建立坐标系。

对于飞机进场前的初始阶段，以机场跑道前端波束照射区域中心点为原点O，建立直角坐标系；其中X轴为沿跑道轴向,Z轴为重力方向,Y轴垂直于X轴和Z轴构成的平面

如图2所示，发射机所发射波束的中心点t到坐标系xoy平面的投影为t’，直线o t’与Y轴夹角为θ，该夹角θ等于发射波束与水平方向的夹角，ot与tt’夹角为ψ，该夹角ψ等于发射波束与竖直方向的夹角。考虑充分发挥雷达发射功率，即雷达发射机可以倾斜发射以尽可能覆盖较大的跑道面积，实际安装时发射机竖直方向会设置大小为ξ的倾角，则控制发射波速相对发射机的竖直偏移角度即发射角度在竖直面上的角度为ψ-ξ。

对于接收机，接收机波束接收中心点r到xoy平面的投影为r’，o r’与ox’夹角为ε，该夹角ε为接收波束与水平方向的夹角，or与rr’夹角为η,该夹角η为接收波束与竖直方向的夹角。考虑到飞机降落阶段将存在一定的向下俯冲角度，假定其俯冲方向与oz’的夹角为δ，与ox夹角为κ，则需要分别控制接收波束水平和竖直方向的偏移为(ε-δ)和(η-κ)。

将发射机与接收机分别按此指向跑道中心点的角度设计波束指向，即可完成发射与接收波束的对准，以实现对跑道前端雷达照射区域的SAR成像。

以上为飞机在进场时以机场跑道前端波束照射区域中心点为原点O为例进行的各个角度计算，实际过程中，随着飞机在跑道上的前进和雷达发射机在轨道上以速度V跟随飞机前进，以上坐标系的原点坐标可以不断变化以适应由于发射机功率有限造成的较小的发射覆盖范围，优选以发射机在跑道中轴线上的投影点O为原点建立三轴坐标系,其中X轴沿跑道轴向,Z轴为重力方向,Y轴垂直于X轴和Z轴;将发射机波束中心点T和接收机接收波束中心点R的绝对坐标值换算为三轴坐标系中坐标后计算各个角度；可以简单直观的表示出各个角度，并能简化前述直线o t’与Y轴夹角θ的测量和计算，在以发射机在跑道中轴线上的投影点为原点的情况下，则θ为零。

正常情况下，GPS等定位系统在民用开放的定位精度在10米左右，因此上述依赖卫星定位的空间同步方法可能无法做到波束的精确对准；虽然这种不精确并不影响SAR成像，但在完成SAR前视成像的基础上，可进一步通过基于SAR图像匹配的方法实现精确的空间同步。

如图3所示，选取飞机跑道前段标准正下视图像的显著特征，在图3中采用边缘特征制作匹配模板，边缘特征为跑道边界特征，例如两个端部直角和跑道边界处的标线、颜色与环境的差异等特征识别出跑道末端，并预先存储跑道标准几何造型作为跑道模板信息，对接收机实时SAR图像进行正射校正，即将飞机前视图像变换为正下视图像,对校正后图像进行相同图像特征的提取，将SAR图像特征与预存的跑道模板中的特征进行匹配，可以分别得到图像在水平方向和垂直方向的偏移，即通过图像配准水平方向偏移矢量和竖直方向偏移矢量通过换算，对图2中ε和η两个波束角度进行精确修正。

假设飞机姿态角图像匹配结果误差为零，SAR图像正射校正结果完全准确，图像匹配结果不存在误差。则ε和η的修正值分别为：△w·α/W和△h·β/H;其中为W和H分别为实时SAR图像以像素计算的宽度和高度，α和β分别为雷达波束宽度高度, △w和△h分别为图像配准水平方向偏移量和竖直方向偏移量。如图4所示，C点为跑道模板图中心点，C’点为SAR图像中心点，△w为C点与C’的水平偏移量，△h为C点与C’竖直偏移量。

本发明的一个典型具体实施方式流程图如图5所示。

采用本发明所述双基SAR成像系统空间同步方法，利用发射机与接收机及跑道路径对发射和接收角度进行调整校对，能够满足飞机起降全程中的SAR成像雷达波对准要求，实现全程SAR成像，引导飞行员在可视化图像下安全起降。对于成像的进一步优化，可以减小定位精度对成像的影响，更真实的模拟可视状态下的降落。

前文所述的为本发明 的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于飞机着陆的双基SAR成像系统空间同步方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤1.实时读取发射机和接收机的坐标位置信息，以跑道中轴线任意点为原点建立直角坐标系，将坐标位置信息转换为直角坐标系的绝对坐标值;

步骤2.根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到各个角度，调整发射机波束竖直方向上发射角度为ψ-ξ, 发射机波束水平方向上发射角度为θ，其中ξ为发射机自身竖直方向倾角,ψ为发射机与原点连线与重力方向的夹角，θ为发射机与投影点O连线和跑道中轴线在水平面上垂直线之间的夹角；

调整接收机的接收角度,在水平和竖直方向的分别偏移为(ε-δ)和(η-κ),其中ε为接收机接收波束中心点到原点连线与跑道轴向之间的夹角, η为接收波束中心点到原点连线与重力方向之间的夹角, δ和κ为飞机俯冲方向与重力方向和跑道轴向之间的夹角；根据步骤1得到的绝对坐标值计算得到上述各个角度；

选取飞机跑道前段标准正下视图像的边缘特征制作匹配模板，边缘特征为跑道边界特征，并预先存储跑道标准几何造型作为跑道模板信息，对接收机实时SAR图像进行正射校正，将飞机前视图像变换为正下视图像，对校正后的图像进行相同图像特征的提取，将SAR图像特征与预存的跑道模板中的特征进行匹配，可以分别得到图像在水平方向和垂直方向上的偏移,对于接收机接收波束中心点到原点连线与跑道轴向之间夹角ε, 及接收波束中心点到原点连线与重力方向之间夹角η的修正,修正值分别为：△w·α/W和△h·β/H;其中W和H分别为实时SAR图像以像素计算的宽度和高度，α和β分别为雷达波束宽度和高度, △w和△h分别为图像配准水平方向偏移矢量和垂直方向偏移矢量。

2.如权利要求1所述的双基SAR成像系统空间同步方法，其特征在于：

所述步骤2中，以发射机在跑道中轴线上的投影点O为原点建立三轴坐标系,其中X轴沿跑道轴向,Z轴为重力方向,Y轴垂直于X轴和Z轴;将发射机波束中心点T和接收机接收波束中心点R的绝对坐标值换算为三轴坐标系中坐标后计算各个角度。