CN109283531A - 一种双基地构型下的成像区域优化选择方法 - Google Patents

一种双基地构型下的成像区域优化选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双基地构型下的成像区域优化选择方法,应用于星载SAR、机载SAR等领域,首先构建前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括:成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离‑多普勒特性分析模块;通过建立任意构型模式斜距和回波模型,详细分析复杂构型对成像分辨率的影响,并提出了基于距离‑多普勒的成像区域选择方法。本发明结合双站SAR地面分辨单元分析,通过回波的等距离‑多普勒特性仿真分析,解决了任意构型下双基SAR的成像区域选择问题,提高了任意构型下双站SAR成像区域的筛选能力。

Description

一种双基地构型下的成像区域优化选择方法
技术领域
本发明涉及一种成像区域优化选择方法,特别是一种双基地构型下的成像区域优化选择方法。
背景技术
双站合成孔径雷达(Bi SAR)是指收发系统安装在不同平台上的合成孔径雷达系统。由于其收发分置的特性,双站SAR相对于单站SAR具有其独有的优势。但与单站SAR相比,双站SAR的几何构型更为复杂,成像区域的分辨率特性相比单基SAR更为复杂多变;成像区域的选择与成像分辨率和成像效果息息相关。目前针对双站SAR成像技术研究多是针对成像方法等问题,未考虑成像区域优化选择的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种双基地构型下的成像区域优化选择方法,解决在已知双站SAR的几何构型的条件下,如何优化选择成像区域的问题。
一种双基地构型下的成像区域优化选择方法,具体步骤为:
第一步 建立前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统
前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括:成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块。
第二步 成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何,然后根据双站成像几何建立信号模型完成前视几何构型下的双站SAR几何建模分析,建立斜距历程和公式。
第三步 双站SAR方位向多普勒分析模块首先定义飞机发射线性调频信号,将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式,得到接收平台接收的点目标回波的基频信号,然后将斜距历程和公式在零点作泰勒展开,并取到泰勒展开式的三次项,从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
第四步 双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析,求取双站SAR的地面分辨单元面积最小值,再结合双飞前视SAR的方位向多普勒公式,对其等距离-多普勒特性进行仿真分析,综合选择接收平台正前方区域,并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域,从而完成成像区域优化选择。
进一步的,所述第二步中,成像几何和信号模型模块完成前视几何构型条件下双站SAR的建模及斜距历程和公式的推导过程为:
成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何。前视几何构型条件下双站SAR由两个运动速度和运动方向都不同的发射平台和接收平台组成,发射平台和接收平台垂直飞行,成像区域在接收平台的接收机的下前方,发射平台的发射机沿与y平行的方向前进,其速度为vt,接收机在xy平面内向目标区前进,其速度为vr。接收平台处于被动工作模式,不发射信号,只接收信号。发射平台正侧视照射目标区,发射平台和接收平台的高度分别为ht和hr
然后,成像几何和信号模型模块根据双站成像几何建立信号模型,对于地平面上双站雷达波束照射范围内的任意一点P,建立P点处的斜距历程和。
对发射平台和接收平台的坐标点进行简化,令发射平台坐标为(0,0,ht),接收平台坐标为(xr,yr,hr),地面目标点P坐标为(x,y,0),则P点处的斜距历程和为:
其中:P表示目标场景中心,vt:发射平台速度矢量;vr:接收平台速度矢量,vrx为接收平台速度矢量在x方向分量,vry为接收平台速度矢量在y方向分量;ht:发射平台高度;hr:接收平台高度;tm表示慢时间。
进一步的,所述第三步中,双站SAR方位向多普勒分析模块完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导过程为:
首先,定义飞机发射线性调频信号,将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式,得到接收平台接收的点目标回波的基频信号。由于点目标斜距历程和为双根号和的形式,称为“平顶双曲线”,用驻相点法很难得到其精确的多普勒域解析表达式。因此将斜距历程和公式在零点作泰勒展开,并取到泰勒展开式的三次项,从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式f。
其中,V表示R(tm)展开式中tm的一次项;λ表示雷达载波波长;Rt表示发射平台初始斜距;Rr表示接收平台初始斜距;f表示双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
进一步的,所述第四步中,双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析,完成成像区域优化选择。
首先,分析双站SAR的地面分辨单元。在地面某处双站SAR的多普勒分辨率大小为ρd,地距分辨率为ρr,多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为则双站SAR的地面分辨单元面积为:
从双站SAR的地面分辨单元面积公式判断,当多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为90°时,则双站SAR的地面分辨单元面积取最小值,从而实现对地面的高分辨率二维成像。
根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式,对其等距离-多普勒特性进行仿真分析,所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr=vt,综合选择接收平台正前方区域,并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域。
更优的,所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr=vt=500m/s。
更优的,当成像区域内成像分辨率大小相差超过分辨率的百分之十时,进行分块处理,以满足图像的保真度。
该方法针对前视成像构型,考虑了复杂构型下的回波的方位多普勒历史;结合双站SAR地面分辨单元分析,通过回波的等距离-多普勒特性仿真分析,可实现对双基地SAR前视成像区域提供优化范围。
附图说明
图1双飞前视SAR空间几何模型示意图;
图2双基地SAR距离-多普勒分辨单元示意图;
图3发射接收任意飞行几何前视成像模式的等距离-多普勒特性示意图。
具体实施方式
一种双基地构型下的成像区域优化选择方法的具体步骤为:
第一步 建立前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统
前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括:成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块。
成像几何与信号模型建立模块的功能为:完成前视几何构型下的双站SAR几何建模分析,完成斜距历程和公式推导。
双站SAR方位向多普勒分析模块的功能为:根据建立的双基地斜距和公式,完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导。
双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块的功能为:根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式,结合双站SAR地面分辨单元分析,完成成像区域优化选择。
第二步 成像几何和信号模型模块完成前视几何构型条件下双站SAR的建模及斜距历程和公式的推导
成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何。前视几何构型条件下双站SAR由两个运动速度和运动方向都不同的发射平台和接收平台组成,发射平台和接收平台垂直飞行,成像区域在接收平台的接收机的下前方,发射平台的发射机沿与y平行的方向前进,其速度为vt,接收机在xy平面内向目标区前进,其速度为vr。接收平台处于被动工作模式,不发射信号,只接收信号。发射平台正侧视照射目标区,发射平台和接收平台的高度分别为ht和hr
然后,成像几何和信号模型模块根据双站成像几何建立信号模型。对于地平面上双站雷达波束照射范围内的任意一点P,建立P点处的斜距历程和。
对发射平台和接收平台的坐标点进行简化,令发射平台坐标为(0,0,ht),接收平台坐标为(xr,yr,hr),地面目标点P坐标为(x,y,0),则P点处的斜距历程和为:
其中:P表示目标场景中心,vt:发射平台速度矢量;vr:接收平台速度矢量,vrx为接收平台速度矢量在x方向分量,vry为接收平台速度矢量在y方向分量;ht:发射平台高度;hr:接收平台高度;tm表示慢时间。
第三步 双站SAR方位向多普勒分析模块完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导。
首先,定义飞机发射线性调频信号,将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式,得到接收平台接收的点目标回波的基频信号。由于点目标斜距历程和为双根号和的形式,称为“平顶双曲线”,用驻相点法很难得到其精确的多普勒域解析表达式。因此将斜距历程和公式在零点作泰勒展开,并取到泰勒展开式的三次项,从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
其中,V表示R(tm)展开式中tm的一次项;λ表示雷达载波波长;Rt表示发射平台初始斜距;Rr表示接收平台初始斜距;f表示双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
第四步 双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析,完成成像区域优化选择。
首先,分析双站SAR的地面分辨单元。在地面某处双站SAR的多普勒分辨率大小为ρd,地距分辨率为ρr,多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为则双站SAR的地面分辨单元面积为:
从双站SAR的地面分辨单元面积公式判断,当多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为90°时,则双站SAR的地面分辨单元面积取最小值,从而实现对地面的高分辨率二维成像。
根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式,对其等距离-多普勒特性进行仿真分析,所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr=vt=500m/s,考虑选择接收平台正前方区域,同时尽量选择图中网格均匀即空变性小、分辨率良好的区域,使得多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°,作为优化选择的成像区域。

Claims (6)

1.一种双基地构型下的成像区域优化选择方法,其特征在于具体步骤为:
第一步 建立前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统
前视几何构型下的双站SAR信号模型分析系统,包括:成像几何与信号模型建立模块、前视几何构型下的双站SAR方位向多普勒分析模块和双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块;
第二步 成像几何和信号模型建立模块首先构建双站成像几何,然后根据双站成像几何建立信号模型完成前视几何构型下的双站SAR几何建模分析,建立斜距历程和公式;
第三步 双站SAR方位向多普勒分析模块首先定义飞机发射线性调频信号,将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式,得到接收平台接收的点目标回波的基频信号,然后将斜距历程和公式在零点作泰勒展开,并取到泰勒展开式的三次项,从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式;
第四步 双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析,求取双站SAR的地面分辨单元面积最小值,再结合双飞前视SAR的方位向多普勒公式,对其等距离-多普勒特性进行仿真分析;
综合选择接收平台正前方区域,并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域,从而完成成像区域优化选择。
2.根据权利要求1所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法,其特征在于,在第二步中,成像几何和信号模型模块完成前视几何构型条件下双站SAR的建模及斜距历程和公式的推导过程为:
成像几何和信号模型模块首先构建双站成像几何;前视几何构型条件下双站SAR由两个运动速度和运动方向都不同的发射平台和接收平台组成,发射平台和接收平台垂直飞行,成像区域在接收平台的接收机的下前方,发射平台的发射机沿与y平行的方向前进,其速度为vt,接收机在xy平面内向目标区前进,其速度为vr;接收平台处于被动工作模式,不发射信号,只接收信号;发射平台正侧视照射目标区,发射平台和接收平台的高度分别为ht和hr
然后,成像几何和信号模型模块根据双站成像几何建立信号模型,对于地平面上双站雷达波束照射范围内的任意一点P,建立P点处的斜距历程和;
对发射平台和接收平台的坐标点进行简化,令发射平台坐标为(0,0,ht),接收平台坐标为(xr,yr,hr),地面目标点P坐标为(x,y,0),则P点处的斜距历程和为:
其中:P表示目标场景中心,vt:发射平台速度矢量;vr:接收平台速度矢量,vrx为接收平台速度矢量在x方向分量,vry为接收平台速度矢量在y方向分量;ht:发射平台高度;hr:接收平台高度;tm表示慢时间。
3.根据权利要求2所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法,其特征在于,在第三步中,双站SAR方位向多普勒分析模块完成双飞前视SAR的方位向多普勒公式推导过程为:
首先,定义飞机发射线性调频信号,将斜距历程和公式代入雷达回波模型公式,得到接收平台接收的点目标回波的基频信号;由于点目标斜距历程和为双根号和的形式,称为“平顶双曲线”,用驻相点法很难得到其精确的多普勒域解析表达式;因此将斜距历程和公式在零点作泰勒展开,并取到泰勒展开式的三次项,从而得到双飞前视SAR的方位向多普勒公式f;
其中,V表示R(tm)展开式中tm的一次项;λ表示雷达载波波长;Rt表示发射平台初始斜距;Rr表示接收平台初始斜距;f表示双飞前视SAR的方位向多普勒公式。
4.根据权利要求3所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法,其特征在于,在第四步中,双站SAR地面分辨单元分析及双基地SAR等距离-多普勒特性分析模块结合双站SAR地面分辨单元分析,完成成像区域优化选择;
首先,分析双站SAR的地面分辨单元;在地面某处双站SAR的多普勒分辨率大小为ρd,地距分辨率为ρr,多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为
则双站SAR的地面分辨单元面积为:
从双站SAR的地面分辨单元面积公式判断,当多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角为90°时,则双站SAR的地面分辨单元面积取最小值,从而实现对地面的高分辨率二维成像;
根据双飞前视SAR的方位向多普勒公式,对其等距离-多普勒特性进行仿真分析,所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr=vt,综合选择接收平台正前方区域,并且满足多普勒梯度与距离梯度方向之间的夹角接近90°的区域为成像区域。
5.根据权利要求4所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法,其特征在于,所述发射平台和接收平台运动方向的运动速度仿真取值为vr=vt=500m/s。
6.根据权利要求4所述的双基地构型下的成像区域优化选择方法,其特征在于,当成像区域内成像分辨率大小相差超过分辨率的百分之十时,进行分块处理。
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