一种超宽带合成孔径雷达实时运动补偿方法

摘要

本发明提供一种超宽带合成孔径雷达实时运动补偿方法，其特征在于，使用单点GPS输出的运动参数进行UWB SAR成像的实时运动补偿。将飞行时间按Ta分段，如果当前时刻是成像合成孔径的起始点，则建立成像坐标系，如果不是，则进行下述步骤：第一步，消除单点GPS位置跳变误差；第二步，根据单点GPS定位信息计算平移运动误差；第三步，计算航向速度误差；第四步，计算视线方向运动误差，对机载UWB SAR的视线方向运动误差补偿。本发明仅需对导航系统的输出数据进行信息处理，无需进行运动参数估计，节省了存储空间和运算量，大面积成像补偿精度高。并且成本较低，易于实现。

主权项

1.一种超宽带合成孔径雷达实时运动补偿方法，其特征在于，使用单点GPS(Globe Positioning System，全球定位系统)输出的运动参数进行UWB SARUWB(Ultra Wide Band，超宽带)SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像的实时运动补偿，包括：设单点GPS的数据更新周期T_GPS，在时刻t输出的运动参数包括：机载平台的经度λ(t)、纬度和高度h(t)；以及机载平台的速度：在东北天坐标系中的东向速度V_e(t)，北向速度V_n(t)和天向速度V_z(t)；设机载平台在东北天坐标系中的加速度门限值γ＝[γ_E，γ_N，γ_Z]；设UWB SAR的一次成像孔径时间T_a；在UWB SAR成像过程中，将飞行时间按T_a分段；在任意一段飞行时间内，对任意时刻t∈[n₀·T_a，(n₀+1)·T_a)，n₀＞1且n₀为整数，进行下述处理步骤：如果t＝n₀·T_a，则建立成像坐标系，包括下述步骤：利用下式计算当前时刻t对应的理想航迹角β_ref和理想航速V_ref：$\left\{\begin{array}{c}{\beta }_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{T}{\int }_{t-T}^t\beta \left(t^{\prime }\right){\mathrm{dt}}^{\prime }\\ V_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{T}{\int }_{t-T}^{t}V\left(t^{\prime }\right){\mathrm{dt}}^{\prime }\end{array}\right.$其中，β(t′)和V(t′)分别是时刻t′机载平台的瞬时航迹角和沿航迹角方向的瞬时航速，并且β(t′)＝arctg[V_n(t′)/V_e(t′)]，T∈[T_a/3，2T_a]；以时刻n₀·T_a时，机载平台所在的位置为原点，以β_ref的指向为X轴，水平面上垂直于β_ref的方向为Y轴，天向为Z轴建立机载UWB SAR的成像坐标系；如果t≠n₀·T_a，设t＝n₀·T_a+t₀，t₀∈(0，T_a)，则基于上述成像坐标系对机载UWBSAR进行运动补偿，具体包括下述步骤：第一步，消除单点GPS位置跳变误差；利用下式计算当前时刻t在东北天坐标系中机载平台的等效速度：其中，为在时刻n₀T_a机载平台的纬度，a为平均赤道半径，e为地球偏心率；利用下式计算等效速度差值：ΔV(t)＝[V_E(t)-V_E(t-T_GPS)，V_N(t)-V_N(t-T_GPS)，V_Z(t)-V_Z(t-T_GPS)]利用下式判断定位信息中是否出现位置跳变误差：ΔV(t)＞γ·T_GPS    (公式一)如果公式一成立，则出现位置跳变误差，按照下式修正当前时刻t单点GPS的定位信息：将修正的经纬高值替换t时刻的测量值即得到去除位置跳变误差后的定位信息；如果公式一不成立，则未出现位置跳变误差，无需进行修正；第二步，根据单点GPS定位信息计算平移运动误差利用下式，将去跳变后当前时刻t的单点GPS定位信息，从WGS-84坐标系转换到地心地固直角坐标系：接着，利用下式将定位信息从地心地固直角坐标系转换到东北天坐标系：其中，(x_e0，y_e0，z_e0)是时刻n₀·T_a时UWB SAR的成像坐标系原点在东北天坐标系中的坐标；利用下式将定位信息再从东北天坐标系转换到成像坐标系中：$\left[\begin{array}{c}{x}_i\left(t\right)\\ y_i\left(t\right)\\ z_i\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\cos \beta }_{\mathrm{ref}}& -\sin {\beta }_{\mathrm{ref}}& 0\\ \sin {\beta }_{\mathrm{ref}}& \cos {\beta }_{\mathrm{ref}}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_g\left(t\right)\\ y_g\left(t\right)\\ z_g\left(t\right)\end{array}\right]$利用下式求得成像坐标系内三个坐标轴方向的平移运动误差分别为：$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Delta x}\left(t\right)=x_i\left(t\right)-V_{\mathrm{ref}}·\left({t-n}_0{T}_a\right)\\ \mathrm{\Delta y}\left(t\right)=y_i\left(t\right)\\ \mathrm{\Delta z}\left(t\right)=z_i\left(t\right)\end{array}\right.$第三步，计算航向速度误差；利用下式计算当前时刻t机载平台沿理想航迹方向的航速V_a(t)：V_a(t)＝V(t)·cos[β(t)-β_ref]然后，计算V_a(t)与V_ref之间的相对误差V_err(t)：V_err(t)＝V_a(t)-V_ref按照相对误差V_err(t)调整UWB SAR的脉冲重复间隔(Pulse Repeat Interval，简称PRI)，保证UWB SAR能够实现沿理想航迹方向的均匀采样；第四步，计算视线方向运动误差；设在当前时刻t的成像区域中某点与理想航迹的最近斜距为R_B，按照下式计算该点对应的视线方向运动误差为：Δr(R_B，t)＝Vx(t)cos[Ψ(R_B)]-Vz(t)sin[Ψ(R_B)]上式中，Ψ(R_B)为R_B对应的俯视角；按照下式计算UWB SAR的距离空不变视线误差Δr(R_S，t)：Δr(R_S，t)＝Vx(t)cos[Ψ(R_S)]-Vz(t)sin[Ψ(R_S)]上式中，R_S为当前时刻t测绘带中心线到UWB SAR的参考斜距；按照下式计算UWB SAR的距离空变视线误差为Δr_II(R_B，t)：Δr_II(R_B，t)＝Δr(R_B，t)-Δr(R_s，t)利用距离空不变视线误差Δr(R_S，t)和距离空变视线误差Δr_II(R_B，t)，生成误差的补偿函数，实现当前时刻t对机载UWB SAR的视线方向运动误差补偿。