CN110488233A - 一种基于雷达坐标系的船载x波段导航雷达运动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，用于船载X波段雷达浪流反演前的数据预处理。选取X波段雷达极坐标图像，并将该图像转换到直角坐标系；以雷达图像时间序列中的第一帧图像为基准，先在第一帧雷达图像上选取一浪流反演区域，反演区域在雷达直角坐标系中的坐标用(x，y，z)表示，其中，z为雷达的高度，船只升沉的影响包含在z中。通过包含偏航、俯仰、翻滚、航行等船只运动状态参数的坐标变换，可以获得第一帧图像中的反演区域在后续雷达图像中的位置，从而避免了反演区域受船只运动的影响而不能反映既定地点的问题。本发明基于雷达坐标系进行船载X波段导航雷达运动补偿，无需船只地理坐标，具有简单易用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种雷达图像运动补偿方法，具体是一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法。
背景技术
X波段导航雷达探测海面时，会获得海杂波图像。海杂波包含着丰富的海浪信息，通过处理海杂波图像时间序列就可以获得浪流参数。因此，基于岸基和船基的X波段导航雷达已被用来实时监测海况，实现海面浪流的海态参数的实时快速获取。相对于岸基X波段导航雷达，船载X波段导航雷达可以在船只航行过程中实时进行浪流探测，提高了岸基雷达探测的灵活性，扩大了岸基X波段导航雷达海态探测的范围，适用性更强。
但船载平台自身平动及受海浪影响所导致的偏航、俯仰、滚动以及上下起伏等运动会对获取的雷达图像产生影响，使得每帧图像所覆盖的实际区域产生变化，即不同帧的雷达图像显示的不是地理坐标下的同一区域，从而雷达图像不能反映既定地点的浪流信息。这将导致浪流等海洋动力学参数反演结果出现偏差。因此，船载X波段导航雷达在浪流的走航观测中，对雷达海杂波图像进行运动补偿，消除船只运动对反演浪流信息的影响，是船载X波段雷达准确获取海洋动力学环境参数的重要前提。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，选取X波段雷达图像极坐标图像，对该图像进行坐标转换，转换到直角坐标系。
作为本发明进一步的方案：在浪流反演时，一般在图像中选取一块作为反演区域。以第一帧图像为基准，先在第一帧雷达图像上选取一反演区域，反演区域在雷达坐标系中的坐标用(x，y，z)表示，其中，z为雷达的高度，船只升沉的影响包含在z中。
作为本发明再进一步的方案：结合船上的惯导系统，确定后续图像对应的偏航、俯仰、翻滚等角度相对于第一帧图像的变化分别为θ、α和
作为本发明再进一步的方案：针对三种角振荡偏航、俯仰、翻滚单独存在时，其余两个保持不变的情况，获取图像间的坐标转换矩阵。考虑只有偏航角变化时，坐标的转换矩阵可表示为：
在只有俯仰状态存在时，坐标的转换矩阵为：
在只有翻滚角变化时，坐标的转矩阵表示为：
作为本发明再进一步的方案：三种姿态综合在一起考虑的坐标转换矩阵表示为：
作为本发明再进一步的方案：设船速为v，各帧图像的时间间隔为Δt，则后续帧图像的反演区域所对应的坐标(X，Y，Z)可表示为：
作为本发明再进一步的方案：由此可得，第一帧图像中反演区域在各帧雷达图像中的坐标，使得所有雷达图像中反演区域都对应地理坐标系下的同一实际区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于雷达坐标系进行船载X波段导航雷达运动补偿，无需船只地理坐标，具有简单易用的优点，本发明提出的方法可以用于解决船载X波段雷达在运动状态下的图像补偿问题，为船载X波段雷达浪流等海态参数的精确反演提供前提保障。
附图说明
图1为基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法中第一帧图像的示意图。
图2为基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法中船只航速为10节，直线运动情况下第六十四帧图像的示意图。
图3为基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法中船只航速为10节，偏航角向右变化为30度，俯仰角和翻滚角变化为5度后，第六十四帧的图像的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，步骤1：选取X波段雷达图像极坐标图像，对该图像进行坐标转换，转换到直角坐标系。
步骤2：在浪流反演时，一般在图像选取一块作为反演区域，如图1中小正方形区域，以第一帧图像为基准，先在第一帧雷达图像上选取一反演区域，反演区域在雷达坐标系中的坐标用(x，y，z)表示，其中，z为雷达的高度，船只升沉的影响包含在z中。
步骤3：结合船上的惯导系统，确定后续图像对应的偏航、俯仰、翻滚等角度相对于第一帧图像的变化分别为θ、α和
步骤4：针对三种角振荡偏航、俯仰、翻滚单独存在时，其余两个保持不变的情况，获取图像间的坐标转换矩阵。考虑只有偏航角变化时，坐标的转换矩阵可表示为：
在只有俯仰状态存在时，坐标的转换矩阵为：
在只有翻滚角变化时，坐标的转换矩阵表示为：
步骤5：三种姿态综合在一起考虑的坐标转换矩阵表示为：
步骤6：设船速为v，各帧图像的时间间隔为Δt，则后续帧图像的反演区域所对应的坐标(X，Y，Z)可表示为：
步骤7：通过求解(5)式可以获得第一帧图像反演区域所对应的实际区域在后续帧雷达图像中的坐标，如船速是10节，X波段雷达相邻两帧图像的时间间隔约为1.43秒，天线高度为20米，设偏航、俯仰、翻滚、船只升沉都没有变化，则第六十四帧图像中的反演区域如图2小正方形区域所示，即此反演区域与第一帧反演区域对应的地理坐标下的实际区域是一致的；设偏航角向右变化为30度，俯仰角和翻滚角变化为5度，得到的第六十四帧的图像中反演区域如图3的小正方形区域所示。可见，本方法能够获得船只走航状态下实际反演区域在不同帧雷达图像中的位置。
本发明的工作原理是：
本发明涉及一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，综上所述，本发明基于雷达坐标系进行船载X波段导航雷达运动补偿，能够获得实际反演区域在不同帧雷达图像所对应的位置，从而避免了雷达反演图像受船只运动的影响而不能反映既定地点的问题。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取X波段雷达图像极坐标图像，对该图像进行坐标转换，转换到直角坐标系；
2)在图像中选取一块作为反演区域，以第一帧图像为基准，先在第一帧雷达图像上选取一反演区域，反演区域在雷达直角坐标系中的坐标用(x，y，z)表示，其中，z为雷达的高度，船只升沉的影响包含在z中；
3)结合船上的惯导系统，确定后续图像对应的偏航、俯仰、翻滚等角度相对于第一帧图像的变化分别为θ、α和
4)针对三种角振荡参数偏航角、俯仰角、翻滚角单独存在时，其余两个保持不变的情况，获取图像间的坐标转换矩阵；
5)三种姿态综合在一起考虑时，需要使用坐标转换矩阵；
6)设船速为v，则后续帧图像的反演区域所对应的坐标(X，Y，Z)可用最终公式具体表示；
7)由此可得，第一帧图像中的反演区域在后续各帧雷达图像中的坐标，使得所有雷达图像中的反演区域都对应地理坐标系下的同一实际区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，其特征在于，所述步骤4)中，考虑只有偏航角变化时，坐标转换矩阵可表示为：
3.根据权利要求1所述的一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，其特征在于，所述步骤4)中，在只有俯仰角变化时，坐标转换矩阵为：
4.根据权利要求1所述的一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，其特征在于，所述步骤4)中，只有翻滚角变化时，坐标转换矩阵表示为：
5.根据权利要求1所述的一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，其特征在于，所述步骤5)中，三种姿态综合在一起考虑的坐标转换矩阵表示为：
6.根据权利要求1所述的一种基于雷达坐标系的船载X波段导航雷达运动补偿方法，其特征在于，所述步骤6)中，设船速为v，各帧图像的时间间隔为Δt，则后续帧图像的反演区域所对应的坐标(X，Y，Z)可表示为：
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