CN111596272A - 基于角反射器的机载多极化sar系统外定标方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，包括：步骤S1：定标实验前准备工作；步骤S2：飞行航线规划及雷达系统参数设定；步骤S3：进行角反射器布设与测量；以及步骤S4：角反射器回波数据获取、处理与定标指标评估。通过合理设计航线及布设角反射器，能够一次实现包括图像质量、辐射、极化及几何在内的机载多极化SAR系统性能的高效率标定，操作简便，工程实用。

Description

基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法
技术领域
本发明涉及机载合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)技术领域，尤其涉及一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，其适用于具有多极化成像能力的机载雷达系统。
背景技术
SAR是一种全天时全天候微波成像雷达，利用脉冲压缩技术实现距离向高分辨率，利用合成孔径技术实现方位向高分辨率，军事领域主要用于对地海面目标的侦察，民用领域主要用于农业、林业、测绘、海洋、减灾等。SAR的搭载平台包括有人机、无人机、卫星、浮空器等。SAR具有多种工作模式，其中成像模式主要包括条带模式和聚束模式。条带模式以正侧视或斜侧视方式工作，地面被照射区域成条带形状。
评估多极化SAR系统性能的主要指标包括：反映图像质量的分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度指标，反映辐射测量性能的相对辐射精度、绝对辐射精度指标，反映极化测量性能的极化隔离度、极化不平衡度(相位和幅度)指标，反映几何测量性能的相对定位精度、绝对定位精度指标等。通过外定标方法可实现对以上性能指标的测量与标定，通过外定标能够进行定量化遥感数据应用。然而，现有技术中一次外定标只对图像质量、辐射、极化及几何性能中的一两类指标进行标定，针对大测绘带宽条件定标器不能在距离向近远端布设满问题没有很好的解决方法，以及定标方法复杂、操作不便、成本较高。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，以缓解现有技术中一次外定标只对图像质量、辐射、极化及几何性能中的一两类指标进行标定，效率较低，大测绘带宽条件下定标器不能在距离向近远端布设满，以及定标方法复杂、操作不便、成本较高等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，包括：
步骤S1：定标实验前准备工作；
步骤S2：飞行航线规划及雷达系统参数设定；
步骤S3：进行角反射器布设与测量；以及
步骤S4：角反射器回波数据获取、处理与定标指标评估。
在本公开实施例中，步骤S1，包括：
子步骤S11：根据定标实验对载机能力的要求，同时考虑雷达系统装机条件，选择定标实验载机；以及
子步骤S12：选择适合的外定标场。
在本公开实施例中，定标实验载机要求飞行高度在2000～10000米之间；飞行速度在200～800公里/小时之间；续航时间2～4小时；定标场距离向尺寸应不小于3000米，方位向尺寸应不小于400米。
在本公开实施例中，步骤S2包括：
子步骤S21：飞行航线规划；包括：飞行方向，飞行高度，飞行航线数，飞行航线间距；以及
子步骤S22：雷达系统参数设定。
在本公开实施例中，飞机飞行方向应与定标场长度方向垂直；设天线距离向波束宽度对应测绘带宽为Sw，定标场长度为Lfield，飞行航线数为N，N≥1，相邻飞行航线间距为Dair，则：
Figure BDA0002518418500000021
Dair＝Lfield；
多条平行等高飞行航线中的中间位置航线距离定标场的地面距离为雷达距离向波束中心地面距离。
在本公开实施例中，采用N条与定标场距离不等且雷达工作参数相同的平行等高度航线来获取覆盖整个测绘带宽的角反射器图像数据。
在本公开实施例中，步骤S3包括：
子步骤S31：选定所需角反射器种类；
所需角反射器种类包括二面角反射器和三面角反射器；
子步骤S32：确定角反射器尺寸；
满足二面角反射器的边长及三面角反射器的直角边长，不小于分辨率指标的一半；
子步骤S33：确定角反射器数量；以及
子步骤S34：进行角反射器的位置、朝向及仰角的选定及测量。
在本公开实施例中，用于相对辐射精度和绝对辐射精度指标定标的辐射定标角反射器在外定标场方位向中间沿距离向等间隔布设；用于极化测量性能的极化隔离度、极化不平衡度指标定标的极化定标，需要采用多组二面角反射器和三面角反射器组成的角反射器组。
在本公开实施例中，每组所述角反射器组需至少包括一个三面角反射器，两个二面角反射器，其中两个二面角反射器的角度一个设置为0度，另一个设置为22.5度或45度；上述3个角反射器间距需大于10倍分辨率。
在本公开实施例中，步骤S4，包括获取角反射器回波数据，多极化数据成像处理，以及角反射器图像数据处理、分析与指标评估；其中，根据图像质量定标、辐射定标、极化定标及几何定标方法，对成像处理得到的角反射器图像进行数据处理、分析，分别评估定标指标的性能，所述定标指标包括：分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度、相对辐射精度、绝对辐射精度、极化隔离度、极化不平衡度、相对定位精度以及绝对定位精度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够一次实现包括图像质量、辐射、极化及几何在内的SAR系统性能的高效率标定；
(2)通过合理设计多条平行等高飞行航线，解决大测绘带宽条件下角反射器沿距离向不能充满整个测绘带的问题；
(3)操作简便，工程实用，成本较低。
附图说明
图1为本公开实施例基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法流程框图。
图2为本公开实施例基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法中的飞行航线示意图。
图3为本公开实施例基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法中的定标场角反射器布设方案示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，根据图像质量定标、辐射定标、极化定标及几何定标的各自特点，通过科学合理布设角反射器及设计航线，能够一次实现包括图像质量、辐射、极化及几何在内的SAR系统性能的高效标定；操作简便，工程实用。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，以机载S波段多极化SAR系统为例进行说明，本实施例所要标定的技术指标包括反映图像质量的分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度指标，反映辐射测量性能的相对辐射精度、绝对辐射精度指标，反映极化测量性能的极化隔离度、极化不平衡度指标，反映几何测量性能的相对定位精度、绝对定位精度指标等。在本实施例中，提供一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，结合图1至图3所示，所述外定标方法，包括：
步骤S1：定标实验前准备工作；
步骤S1，包括：
子步骤S11：根据定标实验对载机能力的要求，同时考虑雷达系统装机条件，选择定标实验载机；以及
子步骤S12：选择适合的外定标场；
所需设备包括机载多极化SAR系统及地面数据处理服务器。在本公开实施例中选用机载S波段多极化SAR系统，天线一般多安装在舱外机腹下。地面数据处理服务器，配套运行S波段雷达数据处理软件，用于雷达回波数据的成像处理，定标器图像数据处理、分析与各性能指标评估。
选择的载机需能够满足雷达系统设备重量、尺寸、功耗等装机条件，且能够满足飞行高度、速度、续航时间等实验条件。根据作用距离和测绘带宽等性能要求，S波段SAR系统对载机能力的要求条件如下：
1)飞行高度：2000～10000米；
2)飞行速度：200～800公里/小时；
3)续航时间：2～4小时。
根据实验对载机能力的要求，同时考虑雷达系统设备重量、尺寸及功耗等装机条件，选择奖状II飞机作为定标实验的载机。
如果雷达作用距离较近、测绘带宽较窄，对载机飞行高度要求为2000～5000米时，可以选择塞斯纳或运-12等飞机。
地面定标场要求选取后向散射系数较小的场地，例如柏油路面、水泥路面、低矮平整草地、低矮平整农作物等。地形无明显起伏，且应该在一定时间内不发生显著变化。含农作物的场地需要局部可平整。由于需要进行辐射定标，要求地面定标场距离向长度较长。综合考虑雷达工作模式的测绘带宽及实际可满足实验条件的定标场地长度，定标场距离向(长度)尺寸应不小于3000米，方位向尺寸(宽度)应不小于400米。可用于作为实验定标场的场地一般包括机场、农田、海边沙地等。在本实施例中，地面定标场的场地尺寸在3000米(距离向)×400米(方位向)左右；本实施例选择机场作为定标场开展实验。
步骤S2：飞行航线规划及雷达系统参数设定；
步骤S2包括：
子步骤S21：飞行航线规划；包括飞行方向，飞行高度，飞行航线数，飞行航线间距等。以及
子步骤S22：雷达系统参数设定。
根据SAR辐射定标原理，用于辐射定标的角反射器需沿定标场较长的方向布设，即选择机场跑道长度方向布设，同时飞机航线方向应与机场跑道长度方向垂直。
综合考虑作用距离及飞行空域高度限制，确定飞行高度，本实施例选择飞行高度为6700米。
根据载机飞行高度，天线法向安装视角，天线距离向波束宽度，得到测绘带宽Sw。在本公开实施例中，天线法向安装视角为60度，距离向波束宽度18度，测绘带宽为9公里，波束中心地面距离12公里。
由于实验中多个性能指标外定标需要角反射器沿距离向充满整个距离向测绘带，要寻找到长度为Sw的满足实验要求的场地很困难，因此，本发明设计多条与定标场距离不等且雷达工作参数相同的平行等高度航线来获取覆盖整个测绘带宽的角反射器图像数据。设定标场长度为Lfield，飞行航线数为N，N≥1，相邻飞行航线间距为Dair，则：
Figure BDA0002518418500000061
Dair＝Lfield；
多条平行等高飞行航线中的中间位置航线距离定标场的地面距离为雷达距离向波束中心地面距离。要寻找到长度为9公里、宽度为400米的满足实验要求的场地很困难，因此，根据定标场地尺寸3000米(距离向)×400米(方位向)与SAR条带工作模式9公里的测绘带宽，设计采用相邻航线间距3公里的3条平行航线获取覆盖整个测绘带宽的角反射器图像数据。飞行航线示意图如图2所示。
根据机载多极化SAR系统设计方法开展雷达系统参数设计，参数包括波段、极化、分辨率、测绘带宽、作用距离、中心视角、信号带宽、脉冲宽度、脉冲重复频率(PRF)、采样起始、采样点数等。保证系统灵敏度(NESZ)、距离模糊度、方位模糊度、数据率、功耗等满足使用要求及约束限制条件。在本实施例中，雷达系统参数设计如下：
波段：S波段；
中心频率：3.2GHz；
极化方式：HH、HV、VH、VV；
天线尺寸：0.72m(长)×0.26m(高)；
距离向波束宽度：18°；
方位向波束宽度：6.6°；
中心视角：60°；
分辨率：1m(方位)×1m(距离)，方位2视处理；
测绘带宽：9km；
中心作用距离：13.4km；
信号带宽：300MHz；
采样频率：400MHz；
脉冲宽度：20μs；
脉冲重复频率：2000Hz；
采样起始：71.3μs；
采样点数：29696。
步骤S3：进行角反射器布设与测量；包括角反射器种类、尺寸及数量选择，角反射器安装测量辅助设备，角反射器位置、朝向及仰角设计，角反射器布设，角反射器位置、朝向及仰角测量。
步骤S3包括：
子步骤S31：选择角反射器种类；
子步骤S32：确定角反射器尺寸；
子步骤S33：确定角反射器数量；以及
子步骤S34：进行角反射器的位置、朝向及仰角的选定及测量。
反映图像质量的分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度指标，反映辐射测量性能的相对辐射精度、绝对辐射精度指标，反映几何测量性能的相对定位精度、绝对定位精度指标，需要采用三面角反射器；反映极化测量性能的极化隔离度、极化不平衡度(相位和幅度)指标，需要采用二面角反射器和三面角反射器组成的角反射器组。因此，机载多极化SAR外定标实验需要二面角反射器和三面角反射器。
关于角反射器尺寸，即二面角反射器的边长及三面角反射器的直角边长，一般选为不小于分辨率指标的一半。本实施例分辨率指标为1米，二面角反射器的边长及三面角反射器的直角边长选为0.6米。
根据极化定标原理，每组所述角反射器组需至少包括一个三面角反射器，两个二面角反射器，其中两个二面角角度一般设置方法为：一个设为0度，一个设为22.5度或45度。
关于角反射器位置：在外定标场方位向中间沿距离向(垂直于航线方向)等间隔布设的三面角反射器(T1～T7)用于相对辐射精度和绝对辐射精度指标定标，即辐射定标。用于极化定标的每组角反射器需至少包括一个三面角反射器，两个二面角反射器，其中两个二面角角度一般设置方法为：一个设为0度，一个设为22.5度或45度。(T12，D1_A，D1_B)，(T13，D2_A，D2_B)，(T14，D3_A，D3_B)三组角反射器用于定标场近端、中心、远端的极化隔离度和极化不平衡度指标定标，其中T12～T14为三面角反射器，D1_A，D1_B，D2_A，D2_B，D3_A，D3_B为二面角反射器。在外定标场距离向中间沿方位向等间隔布设的三面角反射器(T8～T11)连同三面角反射器T1～T7和T12～T14，即T1～T14用于定标场距离向近端、中心、远端和方位向左边、中心、右边的分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度、相对定位精度、绝对定位精度指标定标。用于图像质量定标、辐射定标和几何定标的角反射器之间距离要足够大，以免互相干扰；用于极化定标的组内3个角反射器间距需大于10倍分辨率。定标场角反射器布设方案示意图如图3所示。
用于图像质量定标、辐射定标和几何定标的角反射器之间距离要足够大，以免互相干扰，l1＝500m，l2＝100m；用于极化定标的组内3个角反射器间距需大于10倍分辨率，l3＝20m。
关于角反射器朝向及仰角选定，角反射器口面朝向飞机航线方向，口面法向与航线垂直。调整角反射器仰角，使得角反射器口面法线与雷达视线在一条线上，保证角反射器能向雷达反射最多的电磁波。
关于角反射器安装测量辅助设备，其包括：GPS，高精度罗盘经纬仪，水平仪等。GPS位置测量精度优于1米，用于测量角反射器布设位置；高精度罗盘经纬仪角度测量精度优于0.05度，用于测量角反射器朝向；水平仪角度测量精度优于0.1度，用于测量角反射器仰角。
关于角反射器布设，角反射器位置、朝向及仰角测量，根据定标场角反射器布设方案，使用角反射器布设测量辅助设备，对角反射器进行布设和测量。
步骤S4：角反射器回波数据获取、处理与定标指标评估：
包括获取测绘带内角反射器回波数据，多极化数据成像处理，角反射器图像数据处理、分析与指标评估。
关于飞行实验实施，测绘带内角反射器回波数据获取：按规划的飞行航线及飞行高度，实施外定标飞行实验，机载S波段多极化SAR按设计的雷达系统参数开机工作，获取测绘带内定标场角反射器多极化回波数据。
关于多极化数据成像处理，飞行结束后，首先将雷达回波数据回放到地面硬盘存储阵列，使用运行在数据处理服务器上的机载S波段多极化SAR数据处理软件，进行雷达回波数据的成像处理。
关于角反射器图像数据处理、分析与指标评估，根据图像质量定标、辐射定标、极化定标及几何定标方法，对成像处理得到的角反射器图像进行数据处理、分析，分别评估分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度、相对辐射精度、绝对辐射精度、极化隔离度、极化不平衡度、相对定位精度、绝对定位精度等定标指标的性能。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，在SAR装机设备、数据处理软硬件、载机及定标场等准备工作完成后，规划飞行航线，设计雷达系统参数；在定标场内完成角反射器的布设与测量；实施飞行实验，获取测绘带内角反射器图像数据，处理评估性能指标，完成图像质量定标，辐射定标，极化定标及几何定标。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，包括：
步骤S1：定标实验前准备工作；
步骤S2：飞行航线规划及雷达系统参数设定；
步骤S3：进行角反射器布设与测量；以及
步骤S4：角反射器回波数据获取、处理与定标指标评估。
2.根据权利要求1所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，步骤S1，包括：
子步骤S11：根据定标实验对载机能力的要求，同时考虑雷达系统装机条件，选择定标实验载机；以及
子步骤S12：选择适合的外定标场。
3.根据权利要求2所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，定标实验载机要求飞行高度在2000～10000米之间；飞行速度在200～800公里/小时之间；续航时间2～4小时；定标场距离向尺寸应不小于3000米，方位向尺寸应不小于400米。
4.根据权利要求1所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，步骤S2包括：
子步骤S21：飞行航线规划；包括：飞行方向，飞行高度，飞行航线数，飞行航线间距；以及
子步骤S22：雷达系统参数设定。
5.根据权利要求4所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，飞机飞行方向应与定标场长度方向垂直；设天线距离向波束宽度对应测绘带宽为Sw，定标场长度为Lfield，飞行航线数为N，N≥1，相邻飞行航线间距为Dair，则：
Figure FDA0002518418490000011
Dair＝Lfield；
多条平行等高飞行航线中的中间位置航线距离定标场的地面距离为雷达距离向波束中心地面距离。
6.根据权利要求5所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，采用N条与定标场距离不等且雷达工作参数相同的平行等高度航线来获取覆盖整个测绘带宽的角反射器图像数据。
7.根据权利要求1所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，步骤S3包括：
子步骤S31：选定所需角反射器种类；
所需角反射器种类包括二面角反射器和三面角反射器；
子步骤S32：确定角反射器尺寸；
满足二面角反射器的边长及三面角反射器的直角边长，不小于分辨率指标的一半；
子步骤S33：确定角反射器数量；以及
子步骤S34：进行角反射器的位置、朝向及仰角的选定及测量。
8.根据权利要求7所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，用于相对辐射精度和绝对辐射精度指标定标的辐射定标角反射器在外定标场方位向中间沿距离向等间隔布设；用于极化测量性能的极化隔离度、极化不平衡度指标定标的极化定标，需要采用多组二面角反射器和三面角反射器组成的角反射器组。
9.根据权利要求8所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，每组所述角反射器组需至少包括一个三面角反射器，两个二面角反射器，其中两个二面角反射器的角度一个设置为0度，另一个设置为22.5度或45度；上述3个角反射器间距需大于10倍分辨率。
10.根据权利要求1所述的基于角反射器的机载多极化SAR系统外定标方法，步骤S4，包括获取角反射器回波数据，多极化数据成像处理，以及角反射器图像数据处理、分析与指标评估；其中，根据图像质量定标、辐射定标、极化定标及几何定标方法，对成像处理得到的角反射器图像进行数据处理、分析，分别评估定标指标的性能，所述定标指标包括：分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、系统灵敏度、相对辐射精度、绝对辐射精度、极化隔离度、极化不平衡度、相对定位精度以及绝对定位精度。
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