CN117075076B - 一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，属于合成孔径雷达成像技术领域，包括：进行基于静止目标假设的聚焦成像；采用恒虚警方法进行舰船检测；采用距离多普勒定位算法进行地理定位；进行舰船切片；对舰船切片进行方位逆成像处理；提取时域舰船增益曲线；对方位增益曲线进行多项式拟合，进行取峰值操作；对舰船的距离压缩数据变换至多普勒域；对距离多普勒数据进行幅值检波操作；对多普勒增益曲线进行多项式拟合，进行取峰值操作；对运动舰船进行径向速度估计；计算舰船方位位置偏移，完成运动舰船定位。本发明能够提高雷达探测模式下海域运动舰船的地理定位精度。
Description
技术领域
本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，具体涉及一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法。
背景技术
SAR图像定位是雷达摄影测量领域的重要研究内容之一，基本原理是利用图像中目标的像点坐标和SAR系统参数，根据星地成像几何模型，测定感兴趣的目标在实际场景中的经纬度坐标。精确的地理位置信息对SAR图像的理解与应用具有非常重要的意义，在军事侦察、地形测绘等领域具有非常重要的应用价值，海域舰船目标的地理定位信息获取对海洋监视、导引、救援等工作具有重要意义。总体来讲，SAR图像定位方法可以分为两类：有地面控制点的定位方法和无地面控制点的定位方法。地面控制点即为位置精确已知的地面特征点，基本思路为通过多个地理位置已知的地面控制点以及待定位目标与地面控制点相对位置关系，确定待定位目标的地理位置，可结合计算与插值进行。地面控制点要求位置固定、特征明显、在SAR图像中易于识别。针对海洋探测应用，绝大多数情况下无稳定控制点，必须研究无控制点地理定位方法。
如图1所示，针对相对地球静止目标的地理定位，目前最常用的方法是距离多普勒（RD）方法定位。其主要思路是通过联立地球椭球方程、SAR多普勒方程和SAR斜距方程，直接求解目标的地理位置。当场景中存在运动目标，根据目标运动方向的不同主要带来两个方面的问题：垂直航迹方向（径向）运动造成回波一阶多普勒历程（多普勒中心）改变，进一步导致运动目标的成像位置在航迹向偏离真实位置；沿航迹方向匀速运动导致回波二阶多普勒历程（多普勒调频率）改变，造成方位向匹配滤波器失配，调频率偏差过大将导致运动目标明显散焦。
目前针对运动舰船地理定位，技术路线主要可以分为基于方位多通道和单通道两类。方位多通道类方法通过引入额外的空间自由度，在同一时刻获得多个回波脉冲，通过沿航迹干涉或者空时自适应方法求解运动舰船的径向速度分量。多通道系统的主要缺点是天线等设备均要具备多通道能力，导致SAR系统复杂度提高。基于单通道SAR的运动目标速度估计，主要利用运动目标与静止场景在多普勒中心方面的差异，其主要缺点是当运动目标速度较低时，运动目标和静止目标的多普勒中心无明显差异，该方法失效。针对海面舰船定位，有学者提出利用舰船线性距离走动提取径向速度信息，该方案的前提是对舰船有较长的观测时间，在观测时间内舰船的距离走动信息明显。
受限于星载SAR最小天线面积、信号收发时序等因素，星载SAR成像性能往往在高分辨率和大幅宽之间折衷。针对海面舰船监视应用，理想的观测方法是首先采用低分辨率普查方式对广域海面进行探测搜索，锁定舰船位置，其次采用高分辨率小幅宽详查方式对舰船进行高分辨率成像。在探测模式下，天线波束周期性从后向前渐进扫描，通过扫描缩短单点目标合成孔径时间，省出的时间用于其他临近区域的成像，即以牺牲方位分辨率为代价以换取大的监视范围。针对运动舰船定位应用来讲，在较短的合成孔径时间内，舰船运动范围可能未超过一个像素单元，导致传统的基于线性距离单元走动提取的单通道SAR运动舰船速度估计算法失效。而运动舰船径向速度的精确估计是高精度定位的前提，如图2所示。
如上述分析，针对陆地静止目标和海面快速运动舰船，学者提出RD定位方法、基于多普勒中心分离和基于线性距离走动的径向速度估计方法。在探测模式下，合成孔径时间非常短，运动舰船在短时间内径向移动距离可能小于一个距离分辨单元，导致已有的径向速度估计方法失效。
发明内容
为解决单通道星载SAR短合成孔径时间条件下运动舰船径向速度分量和方位位置偏移估计问题，本发明提供一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，以提高海域运动舰船的地理定位精度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，包括如下步骤：
步骤1、对雷达回波数据进行基于静止目标假设的聚焦成像，获得初步聚焦成像结果；
步骤2、基于初步聚焦成像结果，采用恒虚警方法进行舰船检测；
步骤3、针对检测到的舰船，基于静止假设，采用距离多普勒定位算法进行地理定位；
步骤4、进行舰船切片；
步骤5、对舰船切片进行方位逆成像处理；
步骤6、提取舰船的方位增益曲线；
步骤7、对方位增益曲线进行多项式拟合，获得平滑的多项式曲线，并且对平滑的多项式曲线进行取峰值操作；
步骤8、对舰船的距离压缩数据进行方位向快速傅里叶变换操作，将数据变换至多普勒域，获得距离多普勒数据；
步骤9、对距离多普勒数据进行幅值检波操作，得到舰船的多普勒增益曲线；
步骤10、对多普勒增益曲线进行多项式拟合，获得平滑的多项式曲线，并且对平滑的多项式曲线进行取峰值操作；
步骤11、对运动舰船进行径向速度估计；
步骤12、基于得到的运动舰船的径向速度的分量计算舰船方位位置偏移，完成运动舰船定位。
有益效果：
1、针对星载SAR探测模式下运动舰船地理定位，目前文献中并无有效解决思路，传统的针对陆地静止目标和快速运动舰船的定位方法均失效，本发明提出一种探测成像星载SAR运动舰船定位方法。
2、已有文献针对运动舰船的定位方法，需要利用长合成孔径时间内舰船移动航迹信息，在探测模式下，舰船移动航迹信息并不显著。本发明创造性提出利用天线方向图增益特点提取运动舰船的运动特性。
附图说明
图1为星载SAR对海舰船探测成像示意图；
图2为星载SAR探测模式天线扫描示意图；
图3 为本发明的一种探测成像合成孔径雷达运动舰船定位方法的流程图；
图4为目标坐标位置示意图；
图5为验证定位精度海面SAR图像；
图6为舰船检测结果图；
图7为舰船切片图；
图8为方位向逆成像处理图；
图9为时域方位增益曲线图；
图10为多普勒域方位增益曲线图；
图11为精确定位后舰船位置图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。
如图3所示，本发明的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法包括如下步骤：
步骤1：基于静止目标假设的聚焦成像。
星载SAR获取对海探测原始回波，/>表示距离时间，/>表示方位时间，从回波中无法确定探测场景中是否存在舰船，同样未知舰船运动特点。在探测模式下，合成孔径时间短，方位分辨率通常为百米量级，因此卫星与舰船之间斜距变化产生的距离徙动量可忽略，为提升处理效率，本发明直接进行二维匹配滤波。
首先构建距离匹配滤波器：
，
其中，表示发射脉冲调频斜率，exp（）表示指数函数；j表示虚数。
距离匹配滤波过程为对海探测原始回波与距离匹配滤波器进行卷积：
，
其中，表示卷积，/>表示距离压缩后信号的时域表达式；
其次构建方位匹配滤波器：
，
其中，表示多普勒调频斜率。
方位匹配滤波过程为对海探测原始回波与方位匹配滤波器进行卷积：
，
其中，表示方位匹配滤波后信号的时域表达式。
至此可获得初步聚焦成像结果，由于未进行精确的距离徙动校正和考虑舰船运动特性的补偿处理，舰船可能处于散焦状态，但是并不影响舰船检测、舰船切片获取以及运动参数提取。
步骤2：舰船检测。
基于初步聚焦成像结果，采用恒虚警方法（CFAR）进行舰船检测。由于CFAR方法为舰船检测的经典算法，在大量科技文献中均有详细阐述，不作为本发明创新点。完成舰船检测后，标注其在图像坐标系中的位置。图像坐标系如图4所示，定义X轴方向为航迹方向，Y轴方向为远离斜距远端方向，原点设置在图像中心，x表示舰船位置沿X轴方向的坐标，y表示舰船位置沿Y轴方向的坐标。
步骤3：针对检测到的舰船目标，基于静止假设，采用距离多普勒定位算法进行地理定位。距离多普勒算法是针对地表静止目标开发的星载SAR地理定位方法，在公开参考文献中已有详细描述，不作为本发明创新点。
步骤4：舰船切片。设定最大舰船尺寸，在军民应用中，以集装箱船和航母为最大舰船尺寸，典型值为400米。基于舰船目标对应波束下视角确定最大舰船尺寸对应的最大舰船像素数，以最大舰船像素数作为舰船切片尺寸。
设舰船目标对应波束下视角为，最大舰船尺寸对应的最大舰船像素数/>表示为：
，
其中，为信号采样率，/>为光速。
步骤5：对舰船切片进行方位逆成像处理。
针对得到的舰船切片数据，即以舰船切片尺寸从中获得的舰船切片，进行方位向逆匹配滤波处理，方位向逆匹配滤波函数采用方位匹配滤波器的共轭项进行处理：
，
方位向逆匹配滤波之后的数据记为距离压缩数据，方位向逆匹配滤波过程为与相应匹配滤波函数的卷积操作：
，
步骤6：方位增益曲线提取。
对距离压缩数据进行幅值检波操作：
，
其中，表示取实部操作，/>表示取虚部操作。
对幅值检波结果沿距离向进行平均操作，得到舰船的方位增益曲线：
，
其中，表示舰船切片距离向像素数量，i表示距离向像素索引值。
步骤7：对方位增益曲线进行多项式拟合，获得平滑的多项式曲线，并且对平滑的多项式曲线进行取峰值操作：
，
其中，表示取最大值操作，/>表示多项式拟合操作，/>表示寻找符合要求序列索引操作。/>即为天线方向图遍历舰船对应的时域多普勒中心；
步骤8：对舰船的距离压缩数据进行方位向快速傅里叶变换（FFT）操作，将数据变换至多普勒域，记为距离多普勒数据/>；
，
其中，表示沿方位向FFT操作，/>表示多普勒频率；
步骤9：对距离多普勒数据进行幅值检波操作：
，
对幅值检波结果沿距离向进行平均操作，得到舰船的多普勒增益曲线：
，
步骤10：对多普勒增益曲线进行多项式拟合，获得平滑的多项式曲线，并且对平滑的多项式曲线进行取峰值操作：
，
其中，即为舰船对应的多普勒域多普勒中心；
步骤11：对运动舰船进行径向速度估计。
多普勒域能量峰值与时域能量峰值之差，表示舰船运动径向速度分量引起的多普勒偏移，据此计算舰船径向速度分量；
，
其中，表示载波波长。
步骤12：基于得到的运动舰船的径向速度的分量计算舰船方位位置偏移，完成运动舰船定位；
，
其中，表示运动舰船由于径向运动导致位置在方位向的偏移，/>表示卫星速度，/>表示舰船与卫星之间的最近斜距。
实施例：
采用高分三号SAR卫星数据进行定位精度验证，系统参数如表1：
表1
，
首先对接收到的SAR回波数据进行二维聚焦处理，得到海面图像如图5所示。
其次进行基于CFAR的舰船检测，以下白框标注的为检测出的海面舰船，分别标记舰船在图像中位置，如图6所示。
接下来基于舰船静止假设，通过距离多普勒定位算法，对检测的舰船进行地理定位。以其中一艘典型舰船为例，定位结果为27.981446°N, 121.719380°E。接下来对舰船进行切片，如图7所示；
对方位向进行逆成像处理，结果如图8所示。
接下来进行方位增益曲线提取，如图9中的粗曲线所示，细曲线为多项式拟合曲线，取其曲线峰值为；
通过方位向FFT将信号变换到距离多普勒域，进行方位增益曲线提取，如图10中的粗曲线所示，细曲线为多项式拟合曲线，取其曲线峰值为；
统计图9，图10的峰值位置差异，通过多普勒中心差值计算得到运动目标径向速度分量约为2.6m/s。
如图11所示为经过精确定位之后舰船位置结果，可见舰船位于尾迹的顶端，证明定位结果可靠。
以上所述，仅为本发明的一个实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对雷达回波数据进行基于静止目标假设的聚焦成像，获得初步聚焦成像结果；
步骤2、基于初步聚焦成像结果，采用恒虚警方法进行舰船检测；
步骤3、针对检测到的舰船，基于静止假设，采用距离多普勒定位算法进行地理定位；
步骤4、进行舰船切片；
步骤5、对舰船切片进行方位向逆成像处理；
步骤6、提取舰船的方位增益曲线；
步骤7、对方位增益曲线进行多项式拟合，获得平滑的多项式曲线，并且对平滑的多项式曲线进行取峰值操作；
步骤8、对舰船的距离压缩数据进行方位向快速傅里叶变换操作，将数据变换至多普勒域，获得距离多普勒数据；
步骤9、对距离多普勒数据进行幅值检波操作，得到舰船的多普勒增益曲线；
步骤10、对多普勒增益曲线进行多项式拟合，获得平滑的多项式曲线，并且对平滑的多项式曲线进行取峰值操作；
步骤11、对运动舰船进行径向速度估计；
步骤12、基于得到的运动舰船的径向速度的分量计算舰船方位位置偏移，完成运动舰船定位。
2.根据权利要求1所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤1包括：
星载SAR获取对海探测原始回波，/>表示距离时间，/>表示方位时间；
首先构建距离匹配滤波器：
，
其中，表示发射脉冲调频斜率，exp（）表示指数函数；j表示虚数；
距离匹配滤波过程为：
，
其中，表示卷积；/>表示距离压缩后信号的时域表达式；
其次构建方位匹配滤波器：
，
其中，表示多普勒调频斜率；
方位匹配滤波过程为：
，
其中，表示方位匹配滤波后信号的时域表达式；
至此获得初步聚焦成像结果。
3.根据权利要求2所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤4包括：
设定最大舰船尺寸，基于舰船目标对应波束下视角确定最大舰船尺寸对应的最大舰船像素数，以最大舰船像素数作为舰船切片尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤5包括：
对以舰船切片尺寸从方位匹配滤波后信号的时域表达式中获得的舰船切片进行方位向逆匹配滤波处理；方位向逆匹配滤波之后的数据记为距离压缩数据，方位向逆匹配滤波的过程为方位匹配滤波后信号的时域表达式/>与方位匹配滤波器的共轭项的卷积操作。
5.根据权利要求4所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤6包括：
对距离压缩数据进行幅值检波操作；
对幅值检波操作的结果沿距离向进行平均操作，得到舰船的方位增益曲线。
6.根据权利要求5所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤8中：
所述距离多普勒数据表示为：
，
其中，表示沿方位向傅里叶变换操作，其中/>表示多普勒频率。
7.根据权利要求6所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤9中，所述多普勒增益曲线表示为：
，
其中，表示舰船切片距离向像素数量，i表示距离向像素索引值。
8.根据权利要求7所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤11中，多普勒域能量峰值与时域能量峰值之差表示舰船运动径向速度分量引起的多普勒偏移，据此计算舰船的径向速度的分量；
，
其中，表示载波波长，/>为天线方向图遍历舰船对应的时域多普勒中心，/>为舰船对应的多普勒域多普勒中心。
9.根据权利要求8所述的一种利用探测成像合成孔径雷达的运动舰船定位方法，其特征在于，所述步骤12中，通过下式完成运动舰船定位：
，
其中，表示运动舰船由于径向运动导致位置在方位向的偏移，/>表示卫星速度，表示舰船与卫星之间的最近斜距。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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