CN113917418B - 一种用于斜视星载sar地平面二维分辨率评估方法 - Google Patents

一种用于斜视星载sar地平面二维分辨率评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于斜视星载SAR地平面二维分辨率评估方法，包括如下步骤：步骤1、根据卫星俯仰向视角和方位向视角确定成像时的地面瞄准点的三维坐标；步骤2、根据成像起止时刻的卫星轨道信息和地面瞄准点坐标，建立斜距平面的法向矢量；步骤3、在地面瞄准点处，根据地球椭球模型建立局部切平面，该切平面即为在常规SAR成像中斜距‑地距转化的地平面；步骤4、根据照射中心时间的卫星位置和瞄准点坐标，构建斜距矢量；步骤5、根据成像几何得到斜距矢量在地平面上的投影，将投影矢量与斜距矢量求幅度之比得距离向分辨率的投影因子；步骤6、根据斜距平面法向矢量和斜距矢量得到斜距平面的方位分辨单元矢量，计算得到方位向分辨率的投影因子。

Description

一种用于斜视星载SAR地平面二维分辨率评估方法
技术领域
本发明涉及雷达测量领域，尤其是一种星载合成孔径雷达 (Synthetic ApertureRadar, SAR)斜视成像几何下的地平面二维分辨率评估。
背景技术
随着星载SAR技术的不断发展，星载SAR图像的分辨率与成像幅宽不断提升，并在地球环境监测、军/民目标监测、分类与识别等领域发挥了重大作用。近年来，随着星载SAR天线技术的快速发展、星载SAR应用不断提升，星载SAR的成像模式从传统的波束固定模式发展到二维波束扫描。从传统的正侧视成像模式向斜视成像模式发展，基于星载SAR方位扫描能力的发展，将逐步演变出斜视条带、多角度聚束、多角度滑聚及马赛克等成像模式，卫星的观测能力将大幅提升。
然而，星载SAR在斜视成像模式下面临着许多新的问题，其中地平面的二维分辨率是斜视模式星载SAR系统设计的一个基础问题。在斜距成像平面，二维旁瓣在正侧视及斜视条件下均是正交的。然而将目标投影到地平面后，一方面，二维旁瓣的方向将不再正交，且旁瓣夹角随着斜视角的增加而增加；另一方面，在正侧视条件下，方位向分辨单元从斜距平面投影到地平面时分辨率不会损失。而在斜视条件下，方位向分辨单元从斜距平面投影到地平面时分辨率将会下降，即斜距平面到地平面的方位向投影因子大于1。对于距离向分辨单元，地平面视线方向分辨率会随着局部入射角的变化而变化。在二维扫描情况下，由斜距平面到地距平面投影的距离向分辨率投影因子和方位向分辨率投影因子将会是空变的。不同俯仰向视角和方位向扫描角下的距离和方位投影因子在星载SAR斜视成像模式的系统设计中具有重要的作用，对于指导星载SAR系统成像带宽设计、合成孔径时间设计等具有重要的指导意义。传统基于回波数据的评估方法和基于模糊函数的评估方法所需计算量大，无法在短时间内得到二维变化的距离向和方位向分辨率投影因子。由此，为提升系统设计效率，有必要研究星载SAR斜视成像模式下的地平面二维分辨率评估方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种斜视星载SAR地平面二维分辨率评估方法，能够快速且精确的计算星载SAR在斜视成像模式下的距离向和方位向投影因子。本发明根据卫星俯仰向视角和方位向视角确定地面瞄准点的三维坐标；根据波束照射时间内的卫星轨道和瞄准点坐标建立斜距平面的法向矢量；在瞄准点处，根据地球椭球模型建立局部切平面（该切平面即为在常规SAR成像中斜距-地距转化的地平面）；求解距离向投影因子：根据照射中心时间的卫星位置和瞄准点坐标，构建斜距矢量；根据成像几何得到斜距矢量在地平面上的投影，将投影矢量与斜距矢量求幅度之比得距离向分辨率的投影因子；求解方位投影因子：根据斜距平面法向矢量和斜距矢量得到斜距平面的方位分辨单元矢量，进而得到该矢量在地平面的投影矢量，将方位投影矢量与斜距平面内的方位分辨单元矢量求幅度之比得方位向分辨率的投影因子；对于不同的俯仰角和方位角可计算得到全部视角内的二维分辨率在地平面内的变化规律，从而为星载SAR的系统设计提供指导。
本发明的技术方案具体为：一种用于斜视星载SAR地平面二维分辨率评估方法，包括如下步骤：
步骤1、根据卫星俯仰向视角和方位向视角确定成像时的地面瞄准点的三维坐标；
步骤2、根据成像起止时刻的卫星轨道信息和地面瞄准点坐标，建立斜距平面的法向矢量；
步骤3、在地面瞄准点处，根据地球椭球模型建立局部切平面，该切平面即为在常规SAR成像中斜距-地距转化的地平面；
步骤4、根据照射中心时间的卫星位置和瞄准点坐标，构建斜距矢量；
步骤5、根据成像几何得到斜距矢量在地平面上的投影，将投影矢量与斜距矢量求幅度之比得距离向分辨率的投影因子；
步骤6、根据斜距平面法向矢量和斜距矢量得到斜距平面的方位分辨单元矢量，进而得到该方位分辨单元矢量在地平面的投影矢量，即方位投影矢量，将方位投影矢量与斜距平面内的方位分辨单元矢量求幅度之比得方位向分辨率的投影因子。
有益效果：
对于星载SAR分辨率的评估问题，不同的成像模式、场景大小等因素都会导致分辨率评估方法的复杂性。常规的分辨率评估方法包括基于回波仿真并二维聚焦的方法、基于二维模糊函数的方法。而基于回波仿真的方法需要模拟雷达回波数据并进行成像处理，运算量大、时间复杂度高，且无法获得整个场景的地距分辨率变化。其次，基于二维模糊函数的方法虽能获取整个场景的地距分辨率，但其时间消耗大，在实际工程参数优化过程中，需要大量的时间。本方法基于几何成像关系计算二维地距分辨率，能在短时间内获得整个成像场景的二维分辨率变化，效率与准确度高。
附图说明
图1为斜视星载SAR地平面二维分辨率评估流程框图；
图2为星载SAR成像几何模型；
图3为距离分辨率投影因子计算几何；
图4为一组实例斜视星载SAR方位向分辨率投影因子；
图5为一组实例斜视星载SAR距离向分辨率投影因子。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，如图1所示，为一种用于斜视星载SAR地平面二维分辨率评估方法的流程图，包括如下步骤：
步骤1、根据卫星俯仰向视角和方位向视角确定成像时的地面瞄准点的三维坐标；
步骤2、根据成像起止时刻的卫星轨道信息和地面瞄准点坐标，建立斜距平面的法向矢量；
步骤3、在地面瞄准点处，根据地球椭球模型建立局部切平面，该切平面即为在常规SAR成像中斜距-地距转化的地平面；
步骤4、根据照射中心时间的卫星位置和瞄准点坐标，构建斜距矢量；
步骤5、根据成像几何得到斜距矢量在地平面上的投影，将投影矢量与斜距矢量求幅度之比得距离向分辨率的投影因子；
步骤6、根据斜距平面法向矢量和斜距矢量得到斜距平面的方位分辨单元矢量，进而得到该方位分辨单元矢量在地平面的投影矢量，即方位投影矢量，将方位投影矢量与斜距平面内的方位分辨单元矢量求幅度之比得方位向分辨率的投影因子。
具体的，所述步骤1、根据轨道信息和卫星的俯仰、方位扫描角得到成像时的地面瞄准点坐标。具体如下：根据卫星的轨道历程
Figure 961715DEST_PATH_IMAGE001
（其中N a 表示N a 个脉冲发射时刻）或轨道根数，Xs、Ys、Zs为卫星三维位置坐标，星载SAR平台视角θ、方位向扫描角φ等，采用零多普勒姿态导引方法，得到对应于成像时间的地面瞄准点，记为
Figure 809585DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 469236DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 427965DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 223883DEST_PATH_IMAGE005
为地面瞄准点位置三维位置坐标。
所述步骤2中，根据成像起止时刻的卫星轨道信息和地面瞄准点坐标，建立斜距平面的法向矢量；具体为：
卫星对地面瞄准点的成像起始和终止时刻位置分别记为
Figure 242654DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 389602DEST_PATH_IMAGE007
，从而得到星载地面瞄准点到上述两个位置的矢量：
Figure 135710DEST_PATH_IMAGE008
(1)
利用矢量
Figure 317293DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 241386DEST_PATH_IMAGE010
得到斜距平面的法向矢量
Figure 875630DEST_PATH_IMAGE011
，即：
Figure 176161DEST_PATH_IMAGE012
(2)
其中‘×’表示矩阵叉乘。
所述步骤3、在地面瞄准点处，根据地球椭球模型建立局部切平面具体为：
设地球的赤道和极半径分别为a e 和a p ，根据局部切平面方程，得到瞄准点处的局部切平面的法向矢量，记为
Figure 212250DEST_PATH_IMAGE013
。
所述步骤4、根据照射中心时间的卫星位置和瞄准点坐标，构建斜距矢量，具体为：设成像中心时刻t 0对应的卫星位置记为
Figure 307245DEST_PATH_IMAGE014
。根据该位置
Figure 428785DEST_PATH_IMAGE014
和瞄准点
Figure 782275DEST_PATH_IMAGE015
，构建得到斜距矢量
Figure 407291DEST_PATH_IMAGE016
Figure 204346DEST_PATH_IMAGE017
(3)
步骤5、根据成像几何得到斜距矢量在地平面上的投影，将投影矢量与斜距矢量求幅度之比得距离向分辨率的投影因子；如图3所示为距离向分辨率由斜距平面到地平面的投影几何。设斜距矢量在地平面的投影为
Figure 547603DEST_PATH_IMAGE018
，则该投影
Figure 455516DEST_PATH_IMAGE019
可通过如下矢量计算得到：
Figure 200618DEST_PATH_IMAGE020
(4)
其中，k为常数。根据地平面投影矢量
Figure 902995DEST_PATH_IMAGE021
与切平面法向矢量垂直的关系，可得：
Figure 733548DEST_PATH_IMAGE022
(5)
其中，‘· ’表示矢量点乘。从而可解算常数k为：
Figure 179572DEST_PATH_IMAGE023
(6)
完成系数k解算，即可得到地平面投影矢量
Figure 44760DEST_PATH_IMAGE024
。则距离向投影因子为：
Figure 167306DEST_PATH_IMAGE025
(7)
所述步骤6、根据斜距平面法向矢量和斜距矢量得到斜距平面的方位分辨单元矢量，进而得到该方位分辨单元矢量在地平面的投影矢量，即方位投影矢量，将方位投影矢量与斜距平面内的方位分辨单元矢量求幅度之比得方位向分辨率的投影因子。具体为：
在斜距平面内，方位向分辨单元矢量与斜距矢量垂直，同时与斜距平面的法向矢量垂直，从而方位向分辨单元矢量
Figure 485155DEST_PATH_IMAGE026
可通过矢量叉乘得到，即：
Figure 469291DEST_PATH_IMAGE027
(8)
在地平面，方位分辨单元的投影矢量
Figure 188986DEST_PATH_IMAGE028
同样可表示为
Figure 233165DEST_PATH_IMAGE029
(9)
同样根据方位分辨单元的投影矢量
Figure 38310DEST_PATH_IMAGE028
与切平面的法向矢量相垂直的新质，可得：
Figure 826137DEST_PATH_IMAGE030
(10)
从而可得到公式(9)中的常数系数为：
Figure 665917DEST_PATH_IMAGE031
(11)
从而，从斜距平面到地平面转化过程中，方位分辨单元的投影因子为：
Figure 880998DEST_PATH_IMAGE032
。
实施例1
本处采用一个典型的星载SAR斜视成像模式验证本发明的技术方案的有效性。
如图2所示，卫星沿轨道ACB运行，其中C点为轨迹中心点，x-y-z组成场景的地距平面坐标系，x’-y’-z’组成斜平面坐标系。
图3为距离分辨率投影因子计算几何；如图3所示，在斜距平面中，方位向分辨单元矢量和距离向分辨单元矢量相互垂直，投影矢量的方向为斜平面的法向方向，将上述两个分辨单元矢量投影到地距平面坐标系，此时，两个方向的分辨单元大小将发生变化。
图4为一组实例斜视星载SAR方位向分辨率投影因子；
图5为一组实例斜视星载SAR距离向分辨率投影因子。图4和图5所示的两个方向的分辨率投影因子表示了二维分辨率从斜距平面到地距平面的变换系数。以某一个方位扫描角和视角为例，假设斜距平面的方位向和距离向分辨率分别为ρ a 、ρ b ，投影因子分别为a和b，那么对应的地距平面分辨率则为a·ρ a ，b·ρ b ，在系统迭代优化的过程中，加快了二维分辨率计算效率。
以上所述，仅为本发明的一个实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种用于斜视星载SAR地平面二维分辨率评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据卫星俯仰向视角和方位向视角确定成像时的地面瞄准点的三维坐标；
步骤2、根据成像起止时刻的卫星轨道信息和地面瞄准点坐标，建立斜距平面的法向矢量；
步骤3、在地面瞄准点处，根据地球椭球模型建立局部切平面，该切平面即为在常规SAR成像中斜距-地距转化的地平面；
步骤4、根据照射中心时间的卫星位置和瞄准点坐标，构建斜距矢量；
步骤5、根据成像几何得到斜距矢量在地平面上的投影，将投影矢量与斜距矢量求幅度之比得距离向分辨率的投影因子；
步骤6、根据斜距平面法向矢量和斜距矢量得到斜距平面的方位分辨单元矢量，进而得到该方位分辨单元矢量在地平面的投影矢量，即方位投影矢量，将方位投影矢量与斜距平面内的方位分辨单元矢量求幅度之比得方位向分辨率的投影因子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，根据轨道位置信息和卫星的俯仰、方位扫描角得到成像时的地面瞄准点坐标，具体为：
根据给定的轨道根数或卫星定轨信息和卫星的俯仰、方位扫描角，采用星载SAR系统中的零多普勒姿态导引方法，得到卫星成像时刻的地面瞄准点，记为
Figure 854001DEST_PATH_IMAGE001
；x0、y0、z0为三维点坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，根据成像起止时刻的卫星轨道信息和地面瞄准点坐标，建立斜距平面的法向矢量；
卫星对该地面瞄准点成像的起始和终止时刻位置分别记为
Figure 535649DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 179120DEST_PATH_IMAGE003
，则利用矢量
Figure 45445DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 508787DEST_PATH_IMAGE005
得到斜距平面的法向矢量，记为
Figure 118760DEST_PATH_IMAGE006
。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3、在地面瞄准点处，根据地球椭球模型建立局部切平面具体为：
设地球的赤道和极半径分别为a e 和a p ，根据局部切平面方程，得到瞄准点处的局部切平面的法向矢量，记为
Figure 741372DEST_PATH_IMAGE007
。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4、根据照射中心时间的卫星位置和瞄准点坐标，构建斜距矢量，具体为：
设成像中心时刻t 0的卫星位置记为
Figure 778598DEST_PATH_IMAGE008
，根据该位置
Figure 729236DEST_PATH_IMAGE008
和瞄准点
Figure 877321DEST_PATH_IMAGE009
，构建得到斜距矢量
Figure 495384DEST_PATH_IMAGE010
Figure 578878DEST_PATH_IMAGE011
(3) 。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤 5、根据成像几何得到斜距矢量在地平面上的投影，将投影矢量与斜距矢量求幅度之比得距离向分辨率的投影因子；具体为：
选择成像照射时间范围的中心时刻t 0，其对应的卫星位置记为
Figure 282391DEST_PATH_IMAGE008
，根据该位置
Figure 968588DEST_PATH_IMAGE008
和瞄准点
Figure 441157DEST_PATH_IMAGE009
，构建得到斜距矢量
Figure 820186DEST_PATH_IMAGE010
；根据几何关系进行矢量运算，得到斜距矢量
Figure 745417DEST_PATH_IMAGE010
在地平面的投影矢量，记为
Figure 359938DEST_PATH_IMAGE012
；从而得到从斜距平面到地平面转化过程中，距离向分辨率投影因子，即
Figure 952593DEST_PATH_IMAGE013
。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6、根据斜距平面法向矢量和斜距矢量得到斜距平面的方位分辨单元矢量，进而得到该方位分辨单元矢量在地平面的投影矢量，即方位投影矢量，将方位投影矢量与斜距平面内的方位分辨单元矢量求幅度之比得方位向分辨率的投影因子，具体为：
在斜距平面内，方位分辨单元矢量和斜距矢量垂直，据此，利用斜距矢量
Figure 236944DEST_PATH_IMAGE014
和斜距平面的法向矢量
Figure 915050DEST_PATH_IMAGE006
，通过矢量运算，得到斜距平面内的方位分辨单元矢量，记为
Figure 83994DEST_PATH_IMAGE015
；进而利用投影关系得到斜距平面内的方位分辨单元矢量在地平面的投影矢量，记为
Figure 531156DEST_PATH_IMAGE016
；那么，从斜距平面到地平面转化过程中，方位分辨单元的投影因子，通过计算得到
Figure 251987DEST_PATH_IMAGE017
。
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