CN111650586B - 基于星载sar方位向nlcs成像的目标定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法，计算方位向NLCS成像后由扰动因子引起的方位向时间偏差；根据方位向时间偏差计算准确的方位时间轴；根据距离‑多普勒法，结合准确的方位时间，进行目标几何定位。本发明分析了方位向NLCS处理后的方位向时间偏差，计算了准确的方位时间轴，并在SAR严密几何定位模型中引入重新生成的方位时间，提高了目标几何定位的精度。

Description

基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法
技术领域
本发明涉及SAR成像技术，具体涉及一种基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)是继光学成像雷达之后又一重要的遥感观测系统，借助脉冲压缩技术和合成孔径原理同时实现距离和方位的二维高分辨率成像。相对于光学遥感技术而言，微波遥感技术具有全天候、全天时、多波段、多极化、可穿透等优点。因此，SAR被应用于军事侦察、环境保护、灾害控制、资源勘探、海洋观测、地质测绘、农业勘查等诸多方面，成为国际上应用最为广泛的航空航天对地观测途径之一。
CS算法是继RD算法之后又一个被广泛应用于星载SAR图像目标定位的经典算法，其利用线性Scaling函数对距离信号进行时域扰动，使距离线性调频信号的零频位置产生相对于参考距离呈线性关系的平移，抵消了距离徙动曲线沿距离向的线性空变性。然而，CS算法使用相同的多普勒调频率进行方位向匹配压缩，已经无法适应目前卫星分辨率、幅宽、合成孔径时间对图像处理精度的要求。方位向NLCS成像处理以传统为CS基础，在距离处理后的距离多普勒域增加一维方位时域扰动，配合时域线性距离徙动校正，对同一距离门内不同斜距目标的方位调频率进行一致化处理，消除了方位信号的方位空变特性，保证了频域方位压缩的高效性。但是，一维方位时域扰动在实现方位调频率一致化的同时，也会引起附加相位，使得多普勒中心频率平移，导致方位压缩位置发生变化。若仍然使用常规的方法进行几何校正，目标定位将出现偏差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法，以提高目标几何定位的精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法，包括如下步骤：
步骤1：计算方位向NLCS成像后由扰动因子引起的方位向时间偏差；
步骤2：根据方位向时间偏差计算准确的方位时间轴；
步骤3：根据距离-多普勒法，结合准确的方位时间，进行目标几何定位。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：分析了方位向NLCS处理后的方位向时间偏差，计算了准确的方位时间轴，并在SAR严密几何定位模型中引入重新生成的方位时间，提高了目标几何定位的精度。
附图说明
图1为本发明基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步描述本发明方案。
基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法，包括如下步骤：
步骤1：计算方位向NLCS成像后由扰动因子引起的方位向时间偏差；
1)采用局部拟合的方法求取调频率扰动函数；
对于同一距离门内的点，选择方位中心位置为参考方位位置，计算在该距离门内不同方位位置的点与参考点之间调频率的差：
Δfr(ηi)＝fr(ηi)-fr(ηref) (1)
其中，ηi:第i的点的方位时间；
ηref:中心方位时间；
fr(ηi):第i的点的方位时间对应的调频率；
fr(ηref):中心方位时间对应的调频率；
得到Δfr(ηi)和方位时间ηi的关系曲线后，采用多项式拟合的方法拟合曲线Δfr(ηi)，得到其多项式表达式
Figure BDA0002527629420000021
阶数N取大于等于3的整数。
将上述拟合多项式对方位时间进行两次积分，得到方位调频率扰动函数的相位为：
Figure BDA0002527629420000022
其中，η:方位时间；
n:拟合次数；
Pn:n次项的系数；
Figure BDA0002527629420000023
位调频率扰动函数的相位；
π：圆周率；
则扰动函数表达式为
Figure BDA0002527629420000031
由于扰动函数式Φ(η)是η的N次多项式(N≥3)，所以，在其矫正调频率变化的同时会引入一些给成像质量带来的负面影响的相位误差，并且误差大小随η变化。
对于不同方位位置的目标，在方位时刻为ηd时，在其合成孔径时间Ta内，由Φ(η)引入的相位为：
Figure BDA0002527629420000032
由于扰动函数引入线性相位
Figure BDA0002527629420000038
该相位会引起频谱偏移，偏移量为
Figure BDA0002527629420000033
从而导致聚焦后的目标在方位向上产生如下移动：
Figure BDA0002527629420000034
其中，Δy(ηd)：目标在方位向的位移；
V：雷达运动速度；
Δf(ηd)：方位频谱偏移量；
Figure BDA0002527629420000035
扰动函数的线性项；
所以，方位向扰动处理后方位向时间偏差为：
Figure BDA0002527629420000036
步骤2：根据方位向时间偏差计算准确的方位时间轴；
Figure BDA0002527629420000037
其中，η：方位时间；
Δη：方位时间偏移；
ηNLCS：考虑方位时间偏移的时间轴；
N为拟合多项式的阶数；
fr(ηref):中心方位时间对应的调频率。
步骤3：替换SAR严密几何定位模型中方位时间轴，实现精确几何定位。
合成孔径雷达卫星定位原理是利用等距离线、等多普勒线在地球等高面上的交点确定影像像元位置。距离-多普勒法完全是从SAR成像几何的角度来探讨像点与物点之间的对应关系，就是SAR的严密几何模型。为计算简单，认为运行在高空中的卫星平台，运行比较稳定，其位置的变化用加速度、速度、位置状态变量就可以比较准确的描述。图像中某一时刻下卫星的位置和速度为：
Figure BDA0002527629420000041
其中，XS、YS、ZS：卫星在X、Y、Z方向的位置；
X0、Y0、Z0：卫星在X、Y、Z方向的初始位置；
Figure BDA0002527629420000042
卫星在X、Y、Z方向的初始速度；
aX、aY、aZ：卫星在X、Y、Z方向的加速度；
VX、VY、VZ：卫星在X、Y、Z方向的速度；
η：方位时间；
在常规的几何校正中，时间η是和方位向扫描行密切相关的，即η＝y/PRF，y是图像的行数，PRF为SAR的脉冲重复频率，是一个固定的已知量。时间序列是一个线性变化的量。在方位扰动的NLCS成像处理后，方位时间轴被改变，准确的时间轴为：
Figure BDA0002527629420000051
将公式7中的η替换为ηNLCS，得到一个距离向的扫描行内，斜距图像上任意一点应该满足下列的斜距和多普勒条件：
Figure BDA0002527629420000052
式中：r0，近地点斜距；
λ，雷达波长；
MX，斜距的分辨率；
fD，多普勒中心频率；
(x,y):影像坐标；
(XP,YP,ZP):与影像点对应的物点的地面三维坐标；
上述式子组成了完备的系统，r0、λ、MX、fD在成像处理后均是已知的参数。因此已知影像坐标(x,y)的情况下，求解与影像点对应的物点的地面三维坐标(XP,YP,ZP)，也就完成了SAR图像的精确几何校正。

Claims (1)

1.基于星载SAR方位向NLCS成像的目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：计算方位向NLCS成像后由扰动因子引起的方位向时间偏差；
步骤2：根据方位向时间偏差计算准确的方位时间轴；
步骤3：根据距离-多普勒法，结合准确的方位时间，进行目标几何定位；
步骤1中，计算方位向时间偏差的方法为：
对于同一距离门内的点，选择方位中心位置为参考方位位置，计算在该距离门内不同方位位置的点与参考点之间调频率的差：
Δfr(ηi)＝fr(ηi)-fr(ηref) (1)
其中，ηi:第i的点的方位时间；
ηref:中心方位时间；
fr(ηi):第i的点的方位时间对应的调频率；
fr(ηref):中心方位时间对应的调频率；
得到Δfr(ηi)和方位时间ηi的关系曲线后，采用多项式拟合的方法拟合曲线Δfr(ηi)，得到其多项式表达式
Figure FDA0003468758850000011
N(N≥3)为拟合多项式的阶数；
将上述拟合多项式对方位时间进行两次积分，得到方位调频率扰动函数的相位为：
Figure FDA0003468758850000012
其中，η:方位时间；
n:拟合次数；
Pn:n次项的系数；
Figure FDA0003468758850000013
位调频率扰动函数的相位；
π：圆周率；
扰动函数表达式为
Figure FDA0003468758850000014
由于扰动函数式Φ(η)是η的N次多项式，所以在其矫正调频率变化的同时会引入一些给成像质量带来的负面影响的相位误差，并且误差大小随η变化；
对于不同方位位置的目标，在方位时刻为ηd时，在其合成孔径时间Ta内，由Φ(η)引入的相位为：
Figure FDA0003468758850000021
由于扰动函数引入线性相位
Figure FDA0003468758850000022
该相位会引起频谱偏移
Figure FDA0003468758850000023
从而导致聚焦后的目标在方位向上产生如下移动：
Figure FDA0003468758850000024
其中，Δy(ηd)：目标在方位向的位移；
V：雷达运动速度；
Δf(ηd)：方位频谱偏移量；
Figure FDA0003468758850000025
扰动函数的线性项；
所以，方位向扰动处理后方位向时间偏差为：
Figure FDA0003468758850000026
步骤2中，计算准确的方位时间轴的方法为：
Figure FDA0003468758850000027
其中，η：方位时间；
Δη：方位时间偏移；
ηNLCS：考虑方位时间偏移的时间轴；
N为拟合多项式的阶数；
fr(ηref):中心方位时间对应的调频率；
步骤3中，进行目标几何定位的具体方法为：
距离-多普勒法中时刻与卫星位置和速度的关系为：
Figure FDA0003468758850000031
其中，XS、YS、ZS：卫星在X、Y、Z方向的位置；
X0、Y0、Z0：卫星在X、Y、Z方向的初始位置；
Figure FDA0003468758850000032
卫星在X、Y、Z方向的初始速度；
aX、aY、aZ：卫星在X、Y、Z方向的加速度；
VX、VY、VZ：卫星在X、Y、Z方向的速度；
η：方位时间，与方位向扫描行密切相关，即η＝y/PRF，y是图像的行数，PRF为SAR的脉冲重复频率，是一个固定的已知量，时间序列是一个线性变化的量；
在方位扰动的NLCS成像处理后，方位时间轴被改变，准确的时间轴为：
Figure FDA0003468758850000033
将公式7中的η替换为ηNLCS，得到一个距离向的扫描行内，斜距图像上任意一点应该满足下列的斜距和多普勒条件：
Figure FDA0003468758850000041
其中，r0:近地点斜距；
λ:雷达波长；
MX:斜距的分辨率；
fD:多普勒中心频率；
(x,y):影像坐标；
(XP,YP,ZP):与影像点对应的物点的地面三维坐标；
上述式子中，r0、λ、MX、fD在成像处理后均是已知的参数，因此已知影像坐标(x,y)的情况下，求解与影像点对应的物点的地面三维坐标(XP,YP,ZP)，也就完成了SAR图像的精确几何校正。
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