CN108333582A - 一种基于聚束模式sar的动目标速度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，包括：根据目标与平台的关系建立聚束模式下SAR成像几何模型，完成参数初始化；计算起始时刻和终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系之间的转换矩阵以及成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵，并计算起始时刻和终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；计算目标的速度矢量及目标在起始时刻和终止时刻的真实位置矢量。本发明提供的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法得到聚束模式下动目标径向速度与成像过程中方位向偏移的比例系数，可以适用于大多数聚束模式下SAR动目标速度计算问题，适用范围广，同时简化了动目标速度求解的计算方法。

Description

一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法。

背景技术

合成孔径雷达是一种主动式的微波成像系统，具有全天时、全天候、远距离成像的特点，不仅在战场侦察等军事领域具有重要的应用价值，而且逐渐成为地形测绘，环境监测等民用领域的重要手段。聚束SAR在成像过程中，通过雷达视线角的变动，使要成像的区域始终处于波束的照射之下，具有灵活性强、重访率高易于实时处理等优点，且分辨率较高，因此得到了广泛应用。考虑到很多条件下目标是运动的，无论在军事还是民用领域，对动目标成像的研究都是非常必要的。

相对于静止目标而言，运动目标成像由于运动参数的存在，成像过程中面临更加严重的距离和方位向耦合，相应的成像算法也更加复杂，但正是如此，在成像过程带来更多挑战的同时也提供了更多的信息，例如速度信息和位置信息等。动目标的速度信息在军事和民用领域有着重要的作用，如何对动目标的速度进行计算是现在的研究热点。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供了一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，解决聚束模式SAR成像过程中动目标速度计算的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，包括以下步骤：

步骤一、根据目标与平台的关系建立聚束模式下SAR成像几何模型，完成参数初始化，根据初始化的参数确定目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间；

步骤二、根据初始化的参数分别计算起始时刻和终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系之间的转换矩阵以及成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵，并计算起始时刻和终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；

步骤三、根据初始化的参数、起始时刻和终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵和成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵、起始时刻和终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数，计算目标的速度矢量及目标在起始时刻和终止时刻的真实位置矢量。

作为优选，所述初始化的参数包括平台的运动速度、平台与场景中心的最近距离、起始时刻平台与场景中心的夹角、终止时刻平台与场景中心的夹角以及目标在起始时刻和终止时刻的成像位置，并根据起始时刻和终止时刻平台与场景中心的夹角计算起始时刻和终止时刻平台与场景中心的距离；

其中，起始时刻平台与场景中心的夹角等于起始时刻目标与平台的夹角；终止时刻平台与场景中心的夹角等于终止时刻目标与平台的夹角；起始时刻平台与场景中心的距离等于起始时刻目标与平台的距离；终止时刻平台与场景中心的距离等于终止时刻目标与平台的距离。

作为优选，起始时刻平台与场景中心的距离的计算公式为：

其中，R₁为起始时刻平台与场景中心的距离；R_min为平台与场景中心的最近距离；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；

终止时刻平台与场景中心的距离的计算公式为：

其中，R₂为起始时刻平台与场景中心的距离；R_min为平台与场景中心的最近距离；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角。

作为优选，所述步骤一中，根据初始化的参数确定目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间的计算公式为：

其中，ΔT为目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间；R_min为平台与场景中心的最近距离；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角；V_a为平台的运动速度。

作为优选，所述步骤二中，起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵为：

其中，A₁为起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；

终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵为：

其中，A₂为终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角；

起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵为：

其中，B₁为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；

终止时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵为：

其中，B₂为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角；

起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数的计算公式为：

其中，k₁为起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；V_a为平台的运动速度；R₁为起始时刻平台与场景中心的距离，同时为起始时刻目标与平台的距离；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角，同时为起始时刻目标与平台的夹角；

终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数的计算公式为：

其中，k₂为终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；V_a为平台的运动速度；R₂为终止时刻平台与场景中心的距离，同时为终止时刻目标与平台的距离；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角，同时为终止时刻目标与平台的夹角。

作为优选，所述步骤三中，目标的速度矢量的计算公式为：

其中，V为目标的速度矢量；k₁为起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；k₂为终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；A₁为起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；A₂为终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；B₁为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；B₂为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；ΔT为目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间；为目标起始时刻成像位置；为终止时刻成像位置；

目标在起始时刻的真实位置矢量为：

其中，P为目标在起始时刻的真实位置矢量；A₁为起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；为目标起始时刻成像位置；k₁为起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；B₁为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；V为目标的速度矢量；

目标在终止时刻的真实位置矢量为：

其中，P为目标在起始时刻的真实位置矢量；A₂为终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；为终止时刻成像位置；k₂为终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；B₂为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；V为目标的速度矢量；ΔT为目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法推算得到聚束模式下动目标径向速度与成像过程中方位向偏移的比例系数。

2、本发明所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法适用范围较广，可以适用于大多数聚束模式下SAR动目标速度计算问题。

3、本发明所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法本发明在误差允许的情况下，简化了动目标速度求解的计算方法，仅利用目标在成像坐标系中的位置信息即可求解动目标的速度和位置信息。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法的流程框图。

图2为本发明所述的基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法采用的平台与动目标的成像几何关系图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明是基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，总流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：建立聚束模式下SAR成像几何模型，完成参数初始化。

SAR地面动目标定位求解几何关系如图2所示。定义参考坐标系为xoy，原点为O，起始时刻A和终止时刻B成像坐标系分别为x₁oy₁，x₂oy₂。在成像坐标系下，目标起始时刻成像位置记为终止时刻成像位置记为平台由A到B做匀速直线运动且速度为V_a，平台与场景中心点O最近距离记为R_min，在A点起始时刻平台与参考坐标系原点的夹角为θ₁，距离为

B点终止时刻平台与参考坐标系原点的夹角为θ₂，距离为

平台由A点到B点运动时间为

步骤二：利用成像几何参数信息，计算目标在不同坐标系下位置转换矩阵以及动目标径向速度与方位向偏移之间的比例系数。

根据目标在起始时刻和终止时刻目标和平台的夹角，计算目标在参考坐标系和成像坐标系的转换矩阵。起始时刻目标在参考坐标系和成像坐标系的转换矩阵为

终止时刻目标在参考坐标系和成像坐标系的转换矩阵为

然后计算在成像坐标系下，目标的成像位置和真实位置的转换矩阵。得到起始时刻目标成像位置与真实位置的转换矩阵为：

终止时刻目标成像位置与真实位置的转换矩阵为：

动目标在成像过程中，由目标的径向速度带来成像过程中方位向的偏移，偏移量与目标的径向速度成正比。根据目标与平台的距离，平台的运动速度以及平台与目标的夹角，计算偏移量与径向速度的比例系数。

起始时刻比例系数为：

终止时刻比例系数为：

步骤三：利用初始化参数信息、转换矩阵和比例系数，计算目标的速度矢量和真实位置矢量。

将初始化定义的成像几何各参数，计算得到的目标在参考坐标系与成像坐标系的转换矩阵和目标成像位置与真实位置的转换矩阵，以及计算求得的比例系数带入即可求得目标的速度矢量和真实位置矢量。

得到目标的速度矢量为：

目标在起始时刻的真实位置矢量为：

目标在终止时刻的真实位置矢量为：

实施例：

本发明为一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，具体实施例为：

步骤一：建立聚束模式下SAR成像几何模型，完成参数初始化。具体为：

(1)给出仿真参数如表1所示。(注：成像方位角度间隔应大于30°，目标在图像中位置读取应对SAR图像进行100倍插值)

表1初始化参数

雷达平台速度(m/s)	300
		平台与场景中心最近距离(m)	10000
起始时刻方位角度(°)	15
		终止时刻方位角度(°)	55
目标在SAR图像起始位置(m)	(-225.42，0)
		目标在SAR图像终止位置(m)	(62.19，9.94)

(2)计算起始时刻和终止时刻平台与场景中心的距离R₁，R₂

(3)计算成像时间ΔT

步骤二：利用成像几何参数信息，计算目标在不同坐标系下位置转换矩阵以及动目标径向速度与方位向偏移之间的比例系数。

(1)计算目标在参考坐标系与成像坐标系的转换矩阵。

分别将目标在起始时刻和终止时刻目标和平台的夹角带入(4)和(5)，得到目标在参考坐标系和成像坐标系的转换矩阵为：

(2)计算目标成像位置和真实位置的转换矩阵。

分别将目标在起始时刻和终止时刻目标和平台的夹角带入(6)和(7)，得到目标在参考坐标系和成像坐标系的转换矩阵为：

(3)计算目标径向速度与方位向偏移之间的比例系数。

将目标与平台的距离，平台的运动速度以及平台与目标的夹角带入(8)(9)，计算偏移量与径向速度的比例系数为：

步骤三：利用初始化参数信息、转换矩阵和比例系数，计算目标的速度矢量和真实位置矢量。

将前两步得到的初始化参数、转换矩阵和比例系数带入(10)、(11)和(12)，得到目标的速度矢量为：

进而得到目标在参考坐标系下起始时刻和终止时刻的位置矢量分别为：

本发明的目的是解决聚束模式SAR成像过程中动目标速度计算的问题。通过分析聚束模式下动目标成像的原理，基于成像过程中目标的径向速度带来成像过程中方位向的偏移，首先根据目标与平台的关系建立聚束模式下SAR成像几何模型，完成目标与平台的速度位置等参数的初始化设置。然后，利用建立的SAR成像几何关系，分别计算成像坐标系和参考坐标系之间的转换矩阵，以及成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵，并根据目标与平台的距离和平台运动速度，计算目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数。最后，利用前面求得的成像几何中初始化参数信息，转换矩阵以及比例系数，计算目标在参考坐标系下的速度矢量和真实位置矢量。图1是本发明提供方法的流程框图，图2是本发明具体实施方式采用的平台与目标的成像几何关系图。通过实例分析，进一步详细阐述了本发明方法的完整实施过程，验证了本方法的合理性与正确性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据目标与平台的关系建立聚束模式下SAR成像几何模型，完成参数初始化，根据初始化的参数确定目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间；

步骤二、根据初始化的参数分别计算起始时刻和终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系之间的转换矩阵以及成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵，并计算起始时刻和终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；

步骤三、根据初始化的参数、起始时刻和终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵和成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵、起始时刻和终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数，计算目标的速度矢量及目标在起始时刻和终止时刻的真实位置矢量。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，其特征在于，所述初始化的参数包括平台的运动速度、平台与场景中心的最近距离、起始时刻平台与场景中心的夹角、终止时刻平台与场景中心的夹角以及目标在起始时刻和终止时刻的成像位置，并根据起始时刻和终止时刻平台与场景中心的夹角计算起始时刻和终止时刻平台与场景中心的距离；

其中，起始时刻平台与场景中心的夹角等于起始时刻目标与平台的夹角；终止时刻平台与场景中心的夹角等于终止时刻目标与平台的夹角；起始时刻平台与场景中心的距离等于起始时刻目标与平台的距离；终止时刻平台与场景中心的距离等于终止时刻目标与平台的距离。

3.根据权利要求2所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，其特征在于，起始时刻平台与场景中心的距离的计算公式为：

其中，R₁为起始时刻平台与场景中心的距离；R_min为平台与场景中心的最近距离；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；

终止时刻平台与场景中心的距离的计算公式为：

其中，R₂为起始时刻平台与场景中心的距离；R_min为平台与场景中心的最近距离；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角。

4.根据权利要求3所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，其特征在于，所述步骤一中，根据初始化的参数确定目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间的计算公式为：

其中，ΔT为目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间；R_min为平台与场景中心的最近距离；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角；V_a为平台的运动速度。

5.根据权利要求4所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，其特征在于，所述步骤二中，起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵为：

其中，A₁为起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；

终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵为：

其中，A₂为终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角；

起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵为：

其中，B₁为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角；

终止时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵为：

其中，B₂为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角；

起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数的计算公式为：

其中，k₁为起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；V_a为平台的运动速度；R₁为起始时刻平台与场景中心的距离，同时为起始时刻目标与平台的距离；θ₁为起始时刻平台与场景中心的夹角，同时为起始时刻目标与平台的夹角；

终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数的计算公式为：

其中，k₂为终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；V_a为平台的运动速度；R₂为终止时刻平台与场景中心的距离，同时为终止时刻目标与平台的距离；θ₂为终止时刻平台与场景中心的夹角，同时为终止时刻目标与平台的夹角。

6.根据权利要求5所述的一种基于聚束模式SAR的动目标速度计算方法，其特征在于，所述步骤三中，目标的速度矢量的计算公式为：

其中，V为目标的速度矢量；k₁为起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；k₂为终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；A₁为起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；A₂为终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；B₁为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；B₂为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；ΔT为目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间；为目标起始时刻成像位置；为终止时刻成像位置；

目标在起始时刻的真实位置矢量为：

其中，P为目标在起始时刻的真实位置矢量；A₁为起始时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；为目标起始时刻成像位置；k₁为起始时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；B₁为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；V为目标的速度矢量；

目标在终止时刻的真实位置矢量为：

其中，P为目标在起始时刻的真实位置矢量；A₂为终止时刻目标在成像坐标系和参考坐标系的转换矩阵；为终止时刻成像位置；k₂为终止时刻目标径向速度和成像过程中方位向偏移之间的比例系数；B₂为起始时刻成像坐标系中目标成像位置和真实位置的转换矩阵；V为目标的速度矢量；ΔT为目标从起始时刻运动至终止时刻的成像时间。