CN117934617A - 一种星载sar实时处理快速几何定位方法 - Google Patents

一种星载sar实时处理快速几何定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明给出了一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，属于星载SAR实时处理技术领域，首先对场景中心点坐标进行求解，然后构建成像坐标系和成像几何。计算待定位像素点与场景中心点在成像坐标系下的三轴偏差，经过简单运算即可得到该点精确坐标。本发明没有对待定位像素点构建经典R‑D方程组后迭代求解，避免了图像边缘点迭代次数多导致的硬件顺序执行、处理延迟大的问题。本发明原理简单，计算复杂度低，更适用于星载SAR实时处理。

Description

一种星载SAR实时处理快速几何定位方法
技术领域
本发明属于星载SAR实时处理技术领域，具体涉及一种星载SAR实时处理快速几何定位方法。
背景技术
SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）是一种主动式遥感载荷，相比可见光、激光等穿透云雾能力更强，具有全天时、全天候的性能优势。星载SAR是天基侦察体系的核心手段，已被世界各国竞相布局。星载SAR获取原始数据后下传到地面接收站，地面完成数据处理后获得目标信息，整个流程耗时小时级，难以满足灾害救援、目标监视等场景的应用需求。近年来随着数字处理芯片性能的大幅提升，星载SAR实时处理系统有能力在轨实现SAR成像、目标检测与识别、目标特征提取等处理流程，逐渐成为星载SAR载荷的标配产品。星载SAR实时处理系统在轨处理数据与分发信息，极大提升了信息获取时效性。
SAR图像像素点的几何定位是星载SAR实时处理流程中的关键环节，当前普遍采用R-D（Range-Doppler，距离-多普勒）模型进行实现，示意图如图4所示。其中：飞行轨迹代表雷达移动的轨迹，星下点代表雷达与地球球心的连线和地球表面的交点，星下点轨迹代表星下点移动的轨迹，等距离线代表地球表面与雷达距离相等的点的集合，等多普勒线代表地球表面与雷达多普勒相等的点的集合。R-D模型对待定位像素点的空间坐标构建非线性方程组，分别为距离方程、多普勒方程和地球椭球方程。该方程组不具备解析解，因此普遍采用迭代法进行求解，其效率取决于迭代初始值的设置。初始值距离真实值越远，迭代次数越多。
星载SAR实时处理通常需要对SAR图像多个像素点分别进行空间坐标的求解。如果逐点进行R-D方程组的迭代求解，使用场景中心点作为迭代初始值会导致图像边缘点的迭代次数过多，严重降低运算效率，增加总的处理延迟。现有其他技术使用间接法进行求解，首先构建粗像素网格，然后对网格点坐标通过低阶拟合等方式计算三轴变化规律，最后计算待定位像素点与参考点的坐标差进行求解。该技术需要逐点求解粗像素网格坐标，运算量过大，不适用于星载SAR实时处理。
随着SAR图像幅宽不断增大，对场景边缘点定位求解时迭代次数将高达数十次。迭代流程决定了硬件平台只能串行处理而无法并行加速，单像素点求解处理延迟将达到毫秒级别。如果待定位像素点数较多，总延迟将达秒级，无法接受。星载SAR实时处理快速几何定位的关键在于避免迭代，设计处理流程更为简单、适于硬件加速的定位方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，首先求解场景中心点空间坐标，然后构建星载SAR成像坐标系与成像几何，通过计算待定位像素点与场景中心点的三轴坐标偏差，最后精确求解该像素点空间坐标。本发明在星载SAR 100km幅宽下，计算的图像边缘像素点坐标相较经典R-D模型计算结果，误差优于1m，同时无需迭代处理，更加适于硬件平台快速实现。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，包括如下步骤：
步骤1、进行回波数据的参数计算，拟合得到各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列和雷达速度序列，获得方位中心时刻对应的地心地固坐标系下的雷达位置与雷达速度；回波数据的参数包括雷达位置和雷达速度；
步骤2、根据步骤1得到的方位中心时刻对应的地心地固坐标系下的雷达位置与雷达速度，对场景中心点定位，获得场景中心点坐标；
步骤3、根据步骤1得到的各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列和步骤2中的场景中心点坐标，获得东北天坐标系下的雷达位置序列，构建基于东北天坐标系的成像坐标系；
步骤4：根据步骤3得到的东北天坐标系下的雷达位置序列和构建的基于东北天坐标系的成像坐标系，构建成像几何；
步骤5：对于SAR图像的任意像素点，根据步骤4中的成像几何计算与场景中心点的三轴坐标偏差，得到成像坐标系下的粗坐标，然后计算成像坐标系下的精确坐标，最终得到经纬高坐标系下的精确坐标。
有益效果：
星载SAR实时处理具有对图像多个像素点进行几何定位的需求。现有方法逐点进行R-D方程迭代求解，图像边缘像素点迭代次数多，硬件顺序执行导致总处理延迟大，无法满足实时处理低延迟的需求。本发明求取像素点坐标时，根据构建的成像坐标系与成像几何确定该点与场景中心点的三轴偏差，仅通过简易的数学运算即可精确实现坐标求取。本发明只对场景中心点使用了迭代处理，求解其余像素点时仅为常规乘加运算，FPGA等硬件平台可消耗少量硬件资源实现并行处理。相比现有逐点迭代处理方法，本发明可在更少的时钟周期得到结果，处理延迟显著降低，更好的满足星上处理低处理延迟需求。
附图说明
图1为本发明的一种星载SAR实时处理快速几何定位方法的流程图；
图2为方位中心时刻投影示意图；
图3为成像坐标系示意图；
图4为经典R-D模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
当前SAR图像定位广泛采用R-D（Range-Doppler，距离-多普勒）模型，需对三元二次方程组进行求解。该方程组无解析解，普遍采用迭代法求解，但迭代次数过多时运算量较大。当图像中待定位像素点较多时，逐点迭代处理的延迟无法接受。为提高星载SAR实时处理图像定位的实现效率，本发明提供一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，构建一种新的图像定位方法。
本发明的一种星载SAR实时处理快速几何定位方法中，首先求解场景中心点空间坐标，然后构建成像坐标系与成像几何，通过计算待定位像素点与参考点的三轴坐标偏差，精确求解该像素点的空间坐标。具体地，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1、进行回波数据的参数计算，拟合得到各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列和雷达速度序列，获得方位中心时刻对应的地心地固坐标系下的雷达位置与雷达速度；回波数据的参数包括雷达位置和雷达速度：
回波数据中的雷达位置与雷达速度均位于地心地固坐标系下，每秒更新一次。提取回波辅助数据中个整秒时刻对应的雷达位置/>、雷达速度和UTC（Universal Time Coordinated,协调世界时间）时间，其中：/>、/>、/>分别代表在第/>个整秒时刻提取的地心地固坐标系下的雷达位置向量、地心地固坐标系下的雷达速度向量和UTC时间，代表提取的整秒时刻总个数，/>代表第/>个整秒时刻。将雷达位置向量/>与雷达速度向量/>沿UTC时间拟合，分别得到拟合系数。
解析回波数据中的星上时间，得到各帧回波数据对应的真实时间序列，其中：/>代表第/>帧回波对应的真实时间，/>代表第/>帧回波，/>代表回波总帧数。由拟合系数计算各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列/>与雷达速度序列/>，其中：和/>分别代表第/>帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置向量和雷达速度向量。
步骤2、根据步骤1得到方位中心时刻对应的地心地固坐标系下的雷达位置与雷达速度，对场景中心点定位，获得场景中心点坐标：
方位中心时刻的雷达波束在地球表面的投影点即为SAR图像的场景中心点，投影示意如图2所示。其中：飞行轨迹代表雷达移动的轨迹，地球表面代表地球的表面，球心代表地球球心，投影点代表波束中心与地球表面的交点，即场景中心点。记场景中心点在地心地固坐标系下的坐标为：
（1）
其中：、/>和/>分别代表场景中心点在地心地固坐标系下的/>位置、/>位置和/>位置，上标/>表示矩阵的转置。
使用经典R-D模型构建三元二次方程组，分别为距离约束方程、多普勒约束方程、地球椭球约束方程，联立如下：
（2）
其中：和/>分别代表第/>帧回波对应的地心地固坐标系下的雷达位置向量和雷达速度向量，/>代表多普勒中心频率，/>和/>分别代表地球的赤道半径和地球的极地半径，/>代表方位中心时刻雷达与场景中心点的斜距，可根据回波数据中的采样起始等参数计算得到：
（3）
其中：为光速，/>为采样起始，/>为距离向采样点数，/>为采样率。
采用牛顿迭代法求解得到地心地固坐标系下的场景中心点坐标，并将转换至经纬高坐标系下的坐标/>。
步骤3、根据步骤1得到的各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列和步骤2中场景中心点坐标，获得东北天坐标系下的雷达位置序列，构建基于东北天坐标系的成像坐标系：
将地心地固坐标系下的雷达位置序列转换为以场景中心点为原点的东北天坐标系下的雷达位置序列/>：
（4）
其中：、/>和/>分别为第/>帧回波对应的东北天坐标系下的雷达/>位置、/>位置和/>位置。
基于以场景中心点为原点的东北天坐标系，构建成像坐标系。首先，以东北天坐标系轴作为成像坐标系/>轴：
（5）
其中：代表成像坐标系/>轴的单位向量。
然后，计算东北天坐标系下第1帧雷达位置与第帧雷达位置构成的向量在平面上的投影向量/>：
（6）
其中：和/>分别代表第1帧回波数据对应的东北天坐标系下雷达的/>位置和/>位置，/>和/>分别代表第/>帧回波数据对应的东北天坐标系下雷达的/>位置和/>位置。以投影向量/>的单位向量作为成像坐标系轴：
（7）
其中：代表成像坐标系/>轴的单位向量。
最后，根据右手准则得到轴，即得到了成像坐标系，如图3所示。其中：飞行轨迹代表雷达移动的轨迹，星下点代表雷达与地球球心的连线和地球表面的交点，星下点轨迹代表星下点移动的轨迹，波束中心代表雷达天线波束的几何中心。
该成像坐标系是将东北天坐标系沿轴旋转/>得到的：
（8）
旋转矩阵表示如下：
（9）
相反的，成像坐标系转换到东北天坐标系的旋转矩阵如下：
（10）
步骤4、根据步骤3得到的东北天坐标系下的雷达位置序列和构建的基于东北天坐标系的成像坐标系，构建成像几何：
将东北天坐标系下的雷达位置序列转换为成像坐标系下的雷达位置序列/>：
（11）
其中：、/>和/>分别代表第/>帧回波数据对应的成像坐标系下雷达的/>位置、/>位置和/>位置。
则方位中心时刻雷达位置三轴坐标分别为、/>和，即方位中心时刻雷达相对于成像坐标系原点的三轴偏移/>、/>和/>分别如下：
（12）
斜视角计算如下：
（13）
由于星载SAR轨道的弯曲特性，雷达运动轨迹在成像坐标系下不是直线，成像场景在成像坐标系下也不是平面。SAR成像幅宽越大，这种问题越严重。如图3所示，点和/>点在成像坐标系下的/>轴坐标均为负。
步骤5、对于SAR图像的任意像素点，根据步骤4中的成像几何计算与场景中心点的三轴坐标偏差，得到成像坐标系下粗坐标，然后计算成像坐标系下的精确坐标，最终得到经纬高坐标系下的精确坐标：
进行SAR图像像素点选取，包括：
选取SAR图像某像素点，其在距离向和方位向上的像素点位置分别为/>和，则其对应的距离向斜距/>和方位向时刻/>计算如下：
（14）
其中：为脉冲重复频率。
获得成像坐标系下的粗坐标，包括：
根据所述步骤4中构建的成像几何，粗略计算该点在成像坐标系下的坐标，其中三轴坐标分别为/>、/>和/>，如下：
（15）
其中：为雷达波束在地球表面的移动速度，其沿距离向空变。/>可在成像过程中提前精确求取，因而/>是精准的。但由步骤4所述，成像坐标系下卫星轨迹为曲线，成像平面为曲面。此处使用方位中心时刻的几何关系代替成像场景其余点的几何关系是有一定误差的，因此需要精确计算/>和/>的值。
获得成像坐标系下的精确坐标，包括：
将成像坐标系下的粗坐标转回到东北天坐标系，得到东北天坐标系下的粗坐标/>：
（16）
将东北天坐标系粗坐标转换到经纬高坐标系，得到经纬高坐标系下的粗坐标/>，其三轴坐标分别为/>、/>和/>。
成像坐标系下的粗坐标中/>，由于成像面为曲面，因此经纬高坐标系中/>。考虑到成像场景大小相较斜距/>可忽略，可直接使用经纬高坐标系下的/>替换成像坐标系下的/>坐标。则可重新计算得到成像坐标系下的精确坐标/>，其三轴坐标分别为/>、/>和/>，计算如下：
（17）
其中：、/>和/>分别代表第/>帧回波数据对应的成像坐标系下的雷达/>位置、/>位置和/>位置。
获得经纬高坐标系下的精确坐标，包括：
将成像坐标系下的精确坐标转换到东北天坐标系，得到东北天坐标系下的精确坐标/>：
（18）
将东北天坐标系下的精确坐标转换到经纬高坐标系，得到经纬高坐标系下的精确坐标/>。
上文求解场景中心点坐标的过程中，使用了经典的迭代法进行求解。当然使用其它方法如近似解析法也是可以的。
实施例：
对上述发明进行仿真实验，使用真实星载SAR参数，成像场景约100km100km。
对SAR图像边缘点使用上述方法进行定位，求得经纬高坐标系下坐标为[3.8616361°, 29.4558487°, 0.064m]，使用经典R-D模型求解结果为[3.8616300°，29.4558492°, 3.445e-08m]，三轴误差约为[-6.1421432e-06°, 4.5462384e-07°, -0.064m]，误差在1m以内。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、进行回波数据的参数计算，拟合得到各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列和雷达速度序列，获得方位中心时刻对应的地心地固坐标系下的雷达位置与雷达速度；回波数据的参数包括雷达位置和雷达速度；
步骤2、根据步骤1得到的方位中心时刻对应的地心地固坐标系下的雷达位置与雷达速度，对场景中心点定位，获得场景中心点坐标；
步骤3、根据步骤1得到的各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列和步骤2中的场景中心点坐标，获得东北天坐标系下的雷达位置序列，构建基于东北天坐标系的成像坐标系；
步骤4：根据步骤3得到的东北天坐标系下的雷达位置序列和构建的基于东北天坐标系的成像坐标系，构建成像几何；
步骤5：对于SAR图像的任意像素点，根据步骤4中的成像几何计算与场景中心点的三轴坐标偏差，得到成像坐标系下的粗坐标，然后计算成像坐标系下的精确坐标，最终得到经纬高坐标系下的精确坐标。
2.根据权利要求1所述的一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，其特征在于，所述步骤1包括：
回波数据中的雷达位置与雷达速度均位于地心地固坐标系下，每秒更新一次；提取回波数据中个整秒时刻对应的雷达位置/>、雷达速度和UTC时间/>，其中：、/>、/>分别代表在第/>个整秒时刻提取的地心地固坐标系下的雷达位置向量、地心地固坐标系下的雷达速度向量、UTC时间，/>代表提取的整秒时刻总个数，/>代表第/>个整秒时刻；将雷达位置向量/>与雷达速度向量/>沿UTC时间拟合，分别得到拟合系数；
解析回波数据中的星上时间，得到各帧回波数据对应的真实时间序列，其中：/>代表第/>帧回波对应的真实时间，/>代表第/>帧回波，/>代表回波总帧数；由拟合系数计算各帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置序列/>与雷达速度序列，其中：/>和/>分别代表第/>帧回波数据对应的地心地固坐标系下的雷达位置向量和雷达速度向量。
3.根据权利要求2所述的一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，其特征在于，所述步骤2包括：
方位中心时刻的雷达波束在地球表面的投影点即为SAR图像的场景中心点，该场景中心点在地心地固坐标系下的坐标为；使用经典的R-D模型构建三元二次方程组，分别为距离约束方程、多普勒约束方程和地球椭球约束方程，其中距离向约束方程中的方位中心时刻雷达与场景中心点的斜距/>根据回波数据中的采样起始计算得到；采用牛顿迭代法，计算得到场景中心点在地心地固坐标系下的坐标/>，并将其转换为经纬高坐标系下的坐标/>。
4.根据权利要求3所述的一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，其特征在于，所述步骤3包括：
将地心地固坐标系下的雷达位置序列转换为以场景中心点为原点的东北天坐标系下的雷达位置序列；
以场景中心点为原点，基于东北天坐标系构建成像坐标系：以东北天坐标系轴作为成像坐标系/>轴；计算东北天坐标系下的第1帧雷达位置与第/>帧雷达位置构成的向量在/>平面上的投影向量/>，以投影向量/>的单位向量为/>轴；根据右手准则得到/>轴；
该成像坐标系是将东北天坐标系沿轴旋转/>得到的：
（8）
其中：表示旋转角度，/>和/>分别代表第1帧回波数据对应的东北天坐标系下雷达的/>位置和/>位置，/>和/>分别代表第/>帧回波数据对应的东北天坐标系下雷达的/>位置和/>位置；继而求得东北天坐标系至成像坐标系的旋转矩阵/>和成像坐标系至东北天坐标系的旋转矩阵/>。
5.根据权利要求4所述的一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，其特征在于，所述步骤4包括：
将东北天坐标系下的雷达位置序列转换为成像坐标系下的雷达位置序列/>：
（11）
其中：、/>和/>分别代表第/>帧回波对应的成像坐标系下雷达的/>位置、/>位置和/>位置，上标/>表示矩阵的转置；
则方位中心时刻的雷达位置三轴坐标分别为、/>和，即方位中心时刻雷达相对于成像坐标系原点的三轴偏移/>、/>和分别如下：
（12）
斜视角计算如下：
（13）。
6.根据权利要求5所述的一种星载SAR实时处理快速几何定位方法，其特征在于，所述步骤5包括：
进行SAR图像像素点选取，包括：
选取SAR图像某像素点，其在距离向和方位向上的像素点位置分别为/>和/>，则其对应的距离向斜距/>和方位向时刻/>计算如下：
（14）
其中：为光速，/>为采样起始时刻，/>为距离向采样率，/>为脉冲重复频率；
获得成像坐标系下的粗坐标，包括：
根据所述步骤4中构建的成像几何，粗略计算选取的像素点在成像坐标系下的坐标，其中三轴坐标分别为/>、/>和/>，如下：
（15）
其中：为雷达波束在地球表面的移动速度；
获得成像坐标系下的精确坐标，包括：
将成像坐标系下的粗坐标转回到东北天坐标系，得到东北天坐标系下的粗坐标/>：
（16）
将东北天坐标系下的粗坐标转换到经纬高坐标系，得到经纬高坐标系下的粗坐标/>，其三轴坐标分别为/>、/>和/>；
将经纬高坐标系下的粗坐标的/>替换成像坐标系下的/>坐标，重新计算得到成像坐标系下的精确坐标/>，其三轴坐标分别为/>、/>和，计算如下：
（17）
其中：、/>和/>分别代表第/>帧回波数据对应的成像坐标系下的雷达/>位置、/>位置和/>位置；
获得经纬高坐标系下的精确坐标，包括：
将成像坐标系下的精确坐标转换到东北天坐标系，得到东北天坐标系下的精确坐标/>：
（18）
将东北天坐标系下的精确坐标转换到经纬高坐标系，得到经纬高坐标系下的精确坐标/>。
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