CN110187345B - 基于梯度理论的双基前视sar发射机飞行轨迹设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于梯度理论的双基前视SAR发射机飞行轨迹设计方法，用于解决现有技术中存在的飞机与高速平台协同双基构型下成像分辨率低进而导致对目标的定位精度差的问题。实现步骤为：建立双基前视SAR空间几何模型；通过梯度理论计算发射机的飞行高度；计算发射机初始斜视角的投影角；计算初始双基投影角；确定发射机的初始位置；通过梯度理论计算地距分辨率和多普勒分辨率在xoy平面的投影；确定发射机与接收机的轨道偏移角；获取双基前视SAR发射机飞行轨迹参数。本发明设计的发射机飞行轨迹有效的提高了飞机和高速平台协同双基构型下的成像分辨率，可适用于目标检测中的精确定位。

Description

基于梯度理论的双基前视SAR发射机飞行轨迹设计方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，特别涉及一种双基前视SAR发射机飞行轨迹设计方法，适用于目标检测中的精确定位。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种具有高分辨率的成像雷达，其基本原理是利用载体平台与目标的相对运动来合成等效的虚拟长天线孔径，从而获得方位向高分辨率的雷达图像。单基SAR是一种发射机和接收机处于同一空间位置的成像雷达，单基SAR在前视工作状态下，由于二维分辨率方向的重合，导致无法对正前方目标进行二维高分辨探测。在高速平台陡降时采用光学制导的末制导技术无法实现全天时、全天候的工作模式，一般的单脉冲雷达体制在面对复杂的背景情况下也无法实现对目标的有效分离。双基前视SAR是一种发射机和接收机处于不同的空间位置，飞机作为发射机斜视照射，高速平台作为接收机前视接收的工作模式。该模式不仅实现了前视二维高分辨成像，突破了单基SAR的固有缺陷，而且接收机的静默接收使得高速平台具备了抗干扰和低截获率特性，是未来多平台进行目标检测的重要发展趋势。作为接收机的高速平台在陡降段根据接收到的目标回波信息对目标进行二维高分辨率成像、目标识别及定位，因而作为发射机的飞机的飞行轨迹将直接影响双基成像分辨率，制约着高速平台在陡降段对目标的识别和定位精度，因此对发射机的飞行轨迹进行设计十分必要。

现有技术只考虑距离分辨率的影响对发射机的飞行轨迹进行设计，导致在飞机和高速平台协同双基构型下成像分辨率低，例如授权公告号为CN103901430B，名称为“双基前视SAR俯冲段雷达发射机轨道设计方法”的中国专利，公开了一种基于线性衰减模型的雷达发射机轨道设计方法，该方法对雷达发射机瞬时偏移角采用了线性衰减的设计方法，在弹载平台上对发射机飞行轨迹进行设计，克服了以往设计双基雷达发射机轨道不能机动调整的缺陷。该模型有利于双基构型下的制导控制，但却忽略了方位分辨率对发射机飞行轨迹的影响，由于飞机和高速平台速度差异较大，使得在飞机和高速平台协同双基构型下该方法成像分辨率低，进而导致对目标的定位精度差。

发明内容

本发明目的在于针对以上方法存在的不足，提出一种基于梯度理论的双基前视SAR发射机飞行轨迹设计方法，用以解决现有技术中在飞机和高速平台协同双基构型下成像分辨率低进而导致对目标的定位精度差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)建立双基前视SAR空间几何模型：

按照右手螺旋定则，以接收机星下点为坐标原点，建立双基前视SAR空间三维直角坐标系xyoz，其中，接收机从坐标原点正上方出发在yoz平面内做陡降运动，发射机在与xoy平面垂直的平面内沿直线运动，目标点P位于y轴上；接收机与xoy平面的距离为H_R，与目标点P的直线距离为R_R，接收机和目标点P的连线与z轴的夹角为θ_R；发射机与目标点P的直线距离为R_T，与接收机的轨道偏移角为Ψ，与xoy平面的距离为H_T，发射机斜视角为θ_T，发射机斜视角的投影角为θ_TG，双基角为φ；

(2)通过梯度理论计算发射机的飞行高度H_T：

其中，P_r表示地距分辨率，K₂表示地距分辨率系数，R_RG表示接收机与目标点P的直线距离在xoy平面的投影，φ_max表示双基投影角的最大值，φ_max≥α_max，α_max表示发射机的最大目标偏移角，

k₁为常系数，S_T表示发射机在接收机陡降段的飞行距离，R表示发射机与目标点P的最近距离；

(3)计算发射机初始斜视角的投影角θ_TG0：

其中，R_TG表示发射机与目标点P的直线距离在xoy平面的投影，θ_T0表示发射机初始斜视角，其取值范围为[0°,0.5°]；

(4)计算初始双基投影角φ₀：

φ₀＝90°-Ψ_min-θ_TG0

其中，Ψ_min表示轨道偏移角Ψ的最小值，Ψ_min≥90°-θ_TG0-φ_max+α_max；

(5)确定发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)：

X_t＝y_P-Rcosφ₀

Y_t＝Rsinφ₀

Z_t＝H_T

其中，X_t表示发射机初始位置在x轴方向的坐标值，Y_t表示发射机初始位置在y轴方向的坐标值，Z_t表示发射机初始位置在z轴方向的坐标值，y_P表示目标点P在y轴方向的坐标值；

(6)通过梯度理论计算接收机和目标点P的各个单位距离下的地距分辨率P_r和多普勒分辨率在xoy平面的投影P_a；

(7)确定发射机与接收机的轨道偏移角Ψ：

确定初始状态下发射机与接收机的轨道偏移角Ψ的取值范围，Ψ_min≤Ψ≤90°，同时计算目标点P的二维分辨率夹角β，并绘制Ψ与β的关系图，然后选取关系图上P_r和P_a同时小于m米的轨道偏移角Ψ，0≤m≤2；

(8)获取双基前视SAR发射机飞行轨迹参数：

对发射机的飞行高度H_T、发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)和发射机与接收机的轨道偏移角Ψ进行整合，得到双基前视SAR发射机飞行轨迹参数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明通过梯度理论计算得到双基前视SAR发射机飞行轨迹参数：发射机的飞行高度H_T、发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)、发射机与接收机的轨道偏移角Ψ，弥补了现有技术在飞机和高速平台协同双基构型下成像分辨率低进而导致对目标的定位精度差的缺陷，有效提升了高速平台系统的目标识别能力和抗干扰能力。

第二，与弹载双基和机载双基相比，飞机和高速平台双平台不仅降低了成本，而且飞机的灵活机动，更是提供了丰富的成像构型。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明的双基前视SAR空间几何模型图；

图3是对本发明设计的整条轨迹二维分辨率仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)建立双基前视SAR空间几何模型：

按照右手螺旋定则，将右手背对屏幕放置，拇指即指向x轴的正方向，伸出食指和中指，食指指向y轴的正方向，中指所指的方向即是z轴的正方向。以接收机星下点为坐标原点，建立双基前视SAR空间三维直角坐标系xyoz，其中，接收机从坐标原点正上方出发在yoz平面内做陡降运动，发射机在与xoy平面垂直的平面内沿直线运动，目标点P位于y轴上；接收机与xoy平面的距离为H_R，与目标点P的直线距离为R_R，接收机和目标点P的连线与z轴的夹角为θ_R；发射机与目标点P的直线距离为R_T，与接收机的轨道偏移角为Ψ，Ψ是接收机飞行轨迹在xoy平面的投影与发射机飞行轨迹在地面的投影之间的夹角，发射机与xoy平面的距离为H_T，发射机斜视角为θ_T，θ_T是发射机和目标点P的连线与发射机飞行轨迹之间夹角的余角，发射机斜视角的投影角为θ_TG，θ_TG是发射机斜视角θ_T在xoy平面的投影，双基角为φ，φ是发射机和目标点P的连线与接收机和目标点P的连线之间的夹角；

步骤2)通过梯度理论计算发射机的飞行高度H_T：

步骤2a)目标偏移角α表示发射机在初始位置与目标点P的连线与发射机在结束位置与目标点P的连线之间的夹角，在整个发射机陡降阶段，当发射机沿着与接收机轨迹平行的路线飞行时，得到发射机的最大目标偏移角α_max：

其中，k₁为常系数，S_T表示发射机在接收机陡降段的飞行距离，R表示发射机与目标点P的最近距离；

步骤2b)由双基投影角的最大值φ_max大于发射机的最大目标偏移角α_max，得到双基投影角的最大值φ_max：

φ_max≥α_max

步骤2c)由上述得到的双基投影角的最大值φ_max可计算得到发射机的飞行高度H_T：

步骤2c1)计算回波时延t：

其中，C表示光速；

步骤2c2)对回波时延t求梯度：

其中，R_RG表示接收机与目标点P的直线距离在xoy平面的投影；

步骤2c3)计算发射机的飞行高度H_T：

其中，P_r表示地距分辨率，K₂表示地距分辨率系数；

步骤3)计算发射机初始斜视角的投影角θ_TG0：

在确定发射机的初始斜视角的投影角θ_TG0之前，需要确定发射机的初始斜视角θ_T0，因为在接收机距离目标较远阶段时，为获得较高的方位分辨率，接收机的初始斜视角通常保持在较小的数值，一般为零点几度，在这里综合预设的接收机标准轨迹和接收机与目标的最近距离，取发射机初始斜视角θ_T0＝0.5°；

通过下式，计算发射机初始斜视角的投影角θ_TG0：

其中，R_TG表示发射机与目标点P的直线距离在xoy平面的投影；

步骤4)计算初始双基投影角φ₀：

φ₀＝90°-Ψ_min-θ_TG0

其中，Ψ_min表示轨道偏移角Ψ的最小值，Ψ_min≥90°-θ_TG0-φ_max+α_max；

步骤5)确定发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)：

由步骤2、步骤3和步骤4分别所得的发射机的飞行高度H_T，发射机初始斜视角的投影角θ_TG0，初始双基投影角φ₀构型参数，计算出发射机的初始位置：

X_t＝y_P-R_TG cosφ₀

Y_t＝R_TG sinφ₀

Z_t＝H_T

其中，X_t表示发射机初始位置在x轴方向的坐标值，Y_t表示发射机初始位置在y轴方向的坐标值，Z_t表示发射机初始位置在z轴方向的坐标值，y_P表示目标点P在y轴方向的坐标值，R_TG表示发射机与目标点P的直线距离在xoy平面的投影；

步骤6)通过梯度理论计算接收机和目标点P的各个单位距离下的地距分辨率P_r和多普勒分辨率在xoy平面的投影P_a：

步骤6a)计算接收机和目标点P的各个单位距离下的地距分辨率P_r：

步骤6a1)计算回波时间延迟T：

其中，V_TG表示发射机速度矢量在xoy平面的投影，V_RG表示接收机速度矢量在xoy平面的投影，t_m表示发射机任意时刻的飞行时间，Ψ表示发射机和接收机的轨道偏移角，X_R表示接收机在x轴方向的坐标值，Y_R表示接收机在y轴方向的坐标值，

表示双基前视SAR空间三维直角坐标系中x轴的单位向量，

表示双基前视SAR空间三维直角坐标系中y轴的单位向量；

步骤6a2)对回波时间延迟T求梯度：

其中，|R_T|表示R_T的模值，|R_R|表示R_R的模值；

步骤6a3)计算接收机和目标点P的各个单位距离下的地距分辨率P_r：

步骤6b)计算接收机和目标点P的各个单位距离下的多普勒分辨率在xoy平面的投影P_a:

步骤6b1)计算多普勒频率f：

步骤6b2)对多普勒频率f求梯度：

其中，

表示对多普勒频率求梯度后在xoy平面的投影，f_c表示雷达发射的线性调频信号的载频，θ_TG表示发射机斜视角在xoy平面的投影，θ_RG表示接收机下视角在xoy平面的投影，

表示发射机角度速在xoy平面投影的单位矢量，

表示接收机角度速在xoy平面投影的单位矢量；

步骤6b3)计算接收机和目标点P的各个单位距离下的多普勒分辨率在xoy平面的投影P_a:

其中，F表示多普勒间隔；

步骤7)确定发射机与接收机的轨道偏移角Ψ：

确定初始状态下发射机与接收机的轨道偏移角Ψ的取值范围，Ψ_min≤Ψ≤90°，同时计算目标点P的二维分辨率夹角β，并绘制Ψ与β的关系图，然后选取关系图上P_r和P_a同时小于m米的轨道偏移角Ψ，0≤m≤2：

若二维分辨率夹角β过小，会导致分辨单元面积过大，故将初始β范围规定在[50°,100°]，选取满足二维分辨率的发射机与接收机的轨道偏移角Ψ，在双基前视构型下，由于二维分辨率方向无法一直保持正交，因此，需要针对发射机与接收机的轨道偏移角Ψ进行合理规划，即选择能使发射机多普勒分量增大的发射机与接收机的轨道偏移角Ψ，以满足双基前视SAR高分辨率成像要求；

通过下式，计算二维分辨率夹角β：

步骤8)获取双基前视SAR发射机飞行轨迹参数：

对发射机的飞行高度H_T、发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)和发射机与接收机的轨道偏移角Ψ进行整合，得到双基前视SAR发射机飞行轨迹参数：

发射机从距离xoy平面飞行高度H_T的发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)出发，并沿着发射机与接收机的轨道偏移角Ψ进行飞行，得到发射机飞行轨迹。

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件

仿真实验参数如表1所示，其中，f_c为发射的线性调频信号的载频，B为发射的线性调频信号的带宽，T_s为合成孔径时间，θ为波束宽度，T俯冲段的总时间，T₁为高速平台的飞行时间，V为飞机的飞行速度，R为飞机与目标的最近距离。

表1仿真系统参数

2、仿真内容

用本发明方法对整条飞行轨迹二维分辨率仿真，当发射机初始斜视角的投影角变化时，接收机与目标点P的直线距离与二维分辨率的变化关系，结果如图3，其中：

图3(a)表示增大发射机初始斜视角的投影角时，接收机与目标点P的直线距离与二维分辨率的关系曲线；

图3(b)表示增大发射机初始斜视的投影角时，接收机与目标点P的直线距离与分辨单元面积的关系曲线。

由图3可知，方位分辨率和距离分辨率均满足2m的指标要求，并且随接收机与目标点P的直线距离减小，距离分辨率逐渐增大，方位分辨率逐渐减小。分辨单元面积在距离目标4.3km处，出现临界值，但仍满足指标要求。

Claims (2)

1.一种基于梯度理论的双基前视SAR发射机飞行轨迹设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立双基前视SAR空间几何模型：

按照右手螺旋定则，以接收机星下点为坐标原点，建立双基前视SAR空间三维直角坐标系xyoz，其中，接收机从坐标原点正上方出发在yoz平面内做陡降运动，发射机在与xoy平面垂直的平面内沿直线运动，目标点P位于y轴上；接收机与xoy平面的距离为H_R，与目标点P的直线距离为R_R，接收机和目标点P的连线与z轴的夹角为θ_R；发射机与目标点P的直线距离为R_T，与接收机的轨道偏移角为Ψ，与xoy平面的距离为H_T，发射机斜视角为θ_T，发射机斜视角的投影角为θ_TG，双基角为φ；

(2)通过梯度理论计算发射机的飞行高度H_T：

其中，P_r表示地距分辨率，K₂表示地距分辨率系数，R_RG表示接收机与目标点P的直线距离在xoy平面的投影，φ_max表示双基投影角的最大值，φ_max≥α_max，α_max表示发射机的最大目标偏移角，

k₁为常系数，S_T表示发射机在接收机陡降段的飞行距离，R表示发射机与目标点P的最近距离；

(3)计算发射机初始斜视角的投影角θ_TG0：

其中，R_TG表示发射机与目标点P的直线距离在xoy平面的投影，θ_T0表示发射机初始斜视角，其取值范围为[0°,0.5°]；

(4)计算初始双基投影角φ₀：

φ₀＝90°-Ψ_min-θ_TG0

其中，Ψ_min表示轨道偏移角Ψ的最小值，Ψ_min≥90°-θ_TG0-φ_max+α_max；

(5)确定发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)：

X_t＝y_P-Rcosφ₀

Y_t＝Rsinφ₀

Z_t＝H_T

其中，X_t表示发射机初始位置在x轴方向的坐标值，Y_t表示发射机初始位置在y轴方向的坐标值，Z_t表示发射机初始位置在z轴方向的坐标值，y_P表示目标点P在y轴方向的坐标值；

(6)通过梯度理论计算接收机和目标点P的各个单位距离下的地距分辨率P_r和多普勒分辨率在xoy平面的投影P_a：

其中，C表示光速，

表示对时间延迟求梯度后在xoy平面的投影，

V_TG表示发射机速度矢量在xoy平面的投影，t_m表示发射机任意时刻的飞行时间，X_R表示接收机在x轴方向的坐标值，Y_R表示接收机在y轴方向的坐标值，|R_T|表示R_T的模值，|R_R|表示R_R的模值，R_T表示发射机与目标点P的直线距离，

R_R表示接收机与目标点P的直线距离，

Z_R表示接收机在z轴方向的坐标值，

分别表示双基前视SAR空间三维直角坐标系中x轴、y轴、z轴的单位向量，F表示多普勒间隔，

表示对多普勒频率求梯度后在xoy平面的投影，

f_c表示雷达发射的线性调频信号的载频，θ_TG表示发射机斜视角在xoy平面的投影，θ_RG表示接收机下视角在xoy平面的投影，

表示发射机角度速在xoy平面投影的单位矢量，

表示接收机角度速在xoy平面投影的单位矢量，V_RG表示接收机速度矢量在xoy平面的投影；

(7)确定发射机与接收机的轨道偏移角Ψ：

确定初始状态下发射机与接收机的轨道偏移角Ψ的取值范围，Ψ_min≤Ψ≤90°，同时计算目标点P的二维分辨率夹角β，并绘制Ψ与β的关系图，然后选取关系图上P_r和P_a同时小于m米的轨道偏移角Ψ，0≤m≤2；

(8)获取双基前视SAR发射机飞行轨迹参数：

对发射机的飞行高度H_T、发射机的初始位置(X_t,Y_t,Z_t)和发射机与接收机的轨道偏移角Ψ进行整合，得到双基前视SAR发射机飞行轨迹参数。

2.根据权利要求1所述的基于梯度理论的双基前视SAR发射机飞行轨迹设计方法，其特征在于，步骤(7)中所述的计算目标点P的二维分辨率夹角β，计算公式为：

其中，P_r表示在接收机和目标点P的各个单位距离下的地距分辨率，P_a表示在接收机和目标点P的各个单位距离下的多普勒分辨率在xoy平面的投影，|P_r|表示P_r的模值，|P_a|表示P_a的模值。

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