本发明公开了一种弹载SAR运动误差图像定位方法,包括步骤一、根据弹载SAR平台与目标位置、速度关系建立俯冲模型下的直角坐标系,获取起始时刻雷达平台和目标点的位置坐标、雷达平台三个方向的运动速度分量,设定位置误差和速度误差,获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值;步骤二、建立SAR定位多普勒方程组,通过步骤一中得到的位置坐标、速度值以及几何关系,得到SAR图像的几何定位误差的显示解,根据该显示解,对图像几何误差进行校正,从而完成对SAR运动误差的图像定位。本发明中给出了两种运动误差因子产生图像几何定位误差的显示解,更全面的反映平台位置和速度测量误差对SAR图像几何定位的影响。
1.一种弹载SAR运动误差图像定位方法,其特征在于,包括以下几个步骤:步骤一、根据弹载SAR平台与目标位置、速度关系建立俯冲模型下的直角坐标系,获取起始时刻雷达平台和目标点的位置坐标、雷达平台三个方向的运动速度分量,设定位置误差和速度误差,获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值;步骤二、根据等距离、等多普勒原理,建立SAR定位多普勒方程组,通过步骤一中得到的位置坐标、速度值以及几何关系,得到SAR图像的几何定位误差的显示解,根据该显示解,对图像几何误差进行校正,从而完成对SAR运动误差的图像定位。
2.根据权利要求1所述的一种弹载SAR运动误差图像定位方法,其特征在于,所述的步骤一具体为:(a)根据弹载SAR平台与目标位置、速度关系建立俯冲模型下的直角坐标系,获取起始时刻雷达平台和目标点的位置坐标、雷达平台三个方向的运动速度分量;以目标所在的地平面为XOZ平面建立直角坐标系,X轴指向正北方向,Z轴指向正东方向,Y轴垂直地平面向上;设定起始时刻t=0时,雷达平台位置A点坐标为(0,H,0),目标点P坐标为(x₀,0,z₀),P点位于雷达波束指向地面的环形区域内;假设雷达平台在成像时间内沿ABC直线运动,B点是t时刻雷达平台所处的位置,C点为雷达平台运动方向和地平面XOZ的交点,雷达平台速度矢量为ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="316"/>其中,V_x、V_y、V_z分别表示雷达平台速度矢量在x,y,z方向的分量,t=0时刻,雷达平台对应的斜距为r₀,入射角为θ_L,等效锥角为xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="61"/>θ为波束指向地面投影与X轴夹角;(b)设定位置误差和速度误差;设雷达平台定位置误差为ds=[dxxa0dyxa0dz],雷达平台速度误差为ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="429"/>其中,dx、dy、dz分别表示雷达平台在三个方向上的位置误差,dV_x、dV_y、dV_z分别表示雷达平台在三个方向上的速度误差;(c)获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值;获取雷达平台位置A点加入误差后的雷达位置点坐标A′,A′的坐标为(dx,H+dy,dz),目标点P的成像结果被认为是位于p′的成像结果,p′的坐标为(x₀+Δx,0,z₀+Δz),其中,Δx、Δz分别为x向和z向的畸变量;加入雷达平台速度误差后的雷达平台速度矢量记做xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="79"/>表示为:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>。
3.根据权利要求1所述的一种弹载SAR运动误差图像定位方法,其特征在于,所述的步骤二具体为:(a)根据SAR成像过程中等距离、等多普勒原理,建立SAR定位多普勒方程组,表示xa0为:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>其中,xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="69"/>表示起始时刻,雷达平台到目标点的距离矢量,xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="101"/>表示加入误差后的距离矢量,λ为雷达信号波长;(b)将步骤一中得到的加入误差后的位置坐标和速度带入公式(2)、(3)中,获取SAR图像的几何定位误差的显示解,表示为:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>其中a=(V_x+dV_x)²+(V_z+dV_z)²xa0xa0xa0xa0xa0xa0(6)b=2x₀(V_z+dV_z)²-2z₀(V_x+dV_x)(V_z+dV_z)-(7)2(V_x+dV_x)[HdV_y+dy(V_y+dV_y)-x₀dV_x-z₀dV_z]c=[HdV_y+dy(V_y+dV_y)-x₀dV_x-z₀dV_z]²+(dy²+2Hdy)(V_z+dV_z)²+(8)2z₀(V_z+dV_z)[HdV_y+dy(V_y+dV_y)-x₀dV_x-z₀dV_z]由步骤二(b)得到相应的几何定位误差显示解准确给出SAR图像的几何偏移量,偏移量为图像定位提供初始输入量,对图像的几何误差进行校正,从而完成对SAR运动误差的图像定位。xa0技术领域
本发明涉及雷达技术领域,具体地说,是指一种弹载合成孔径雷达(简称SAR)的运动误差图像定位方法。
背景技术
合成孔径雷达的平台运动误差是弹载SAR图像几何定位的重要影响因素。准确的运动误差定位计算和分析能够为弹载SAR系统设计提供定量的平台参数约束,具有重要的工程参考价值。经典的机载或星载SAR系统往往工作在正侧视状态,载体平台相对于地面目标作水平匀速直线运动,但是对于一些特殊的应用领域,SAR载体平台(如战斗机俯冲、导弹载入)无法做水平匀速直线运动,并且平台具有一定的垂直速度运动。这种俯冲模式下的SAR成像过程中,运动误差产生的图像定位误差除常规条带模式下产生的定位误差外,还有高度和俯冲速度引起的定位误差,因此产生了针对俯冲模型的运动误差图像定位分析方法。常规的定位误差分析方法一般分为两步,首先讨论平台位置误差和速度误差对多普勒参数的影响,其次根据多普勒参数讨论图像几何误差。常规定位误差分析方法在推导过程中引入部分近似,这种近似对于分辨率较低的成像图像可以容忍。但由于弹载SAR的应用往往对SAR图像的几何关系要求更为苛刻,此时如果仍然使用常规方法近似,则定位分析将产生较大误差。因此,需要更加精确的定量几何定位分析方法,更全面、更准确地反映平台位置和速度误差对SAR图像几何定位的影响,这对于工程应用尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决弹载SAR应用对俯冲模型几何关系的特殊要求,避免先讨论平台位置和速度误差对多普勒参数的影响,再根据多普勒参数讨论图像几何误差的常规操作中所导致的近似误差,在给定初始位置坐标、速度和运动误差的条件下,直接从SAR定位多普勒方程组出发,对方程组进行数学求解,得到几何校正后SAR图像的几何定位误差的显示解,根据该显示解得到的图像运动误差几何偏移量可以为SAR图像定位提供初始输入量,从而实现新的一种弹载SAR运动误差图像定位方法。一种弹载SAR运动误差图像定位方法,包括以下几个步骤:步骤一、根据弹载SAR平台与目标位置、速度关系建立俯冲模型下的直角坐标系,获取起始时刻雷达平台和目标点的位置坐标、雷达平台三个方向的运动速度分量,设定位置误差和速度误差,获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值;步骤二、根据等距离、等多普勒原理,建立SAR定位多普勒方程组,通过步骤一中得到的位置坐标、速度值以及几何关系,得到SAR图像的几何定位误差的显示解,根据该显示解,对图像几何误差进行校正,从而完成对SAR运动误差的图像定位。本发明的优点在于:(1)本发明直接根据SAR定位多普勒原理,联立弹载SAR俯冲模型定位方程组求出SAR图像几何定位误差显示解,避免了常规定位误差分析方法中采用的近似操作,能得到更准确的图像定位误差;(2)本发明中给出了两种运动误差因子产生图像几何定位误差的显示解,更全面的反映平台位置和速度测量误差对SAR图像几何定位的影响。
附图说明
图1是本发明的方法流程图;图2是本发明的弹载SAR俯冲模型几何关系示意图;图3是本发明的平台移动示意图;
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种弹载SAR运动误差图像定位方法,流程如图1所示,包括以下几个步骤:步骤一、根据弹载SAR平台与目标位置、速度关系建立俯冲模型下的直角坐标系,获取起始时刻雷达平台和目标点的位置坐标、雷达平台三个方向的运动速度分量,设定位置误差和速度误差,获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值。具体为:(a)根据弹载SAR平台与目标位置、速度关系建立俯冲模型下的直角坐标系,获取起始时刻雷达平台和目标点的位置坐标、雷达平台三个方向的运动速度分量;如图2所示,以目标所在的地平面为XOZ平面建立直角坐标系,X轴指向正北方向,Z轴指向正东方向,Y轴垂直地平面向上。设定起始时刻t=0时,雷达平台位置A点坐标为(0,H,0),目标点P坐标为(x₀,0,z₀),P点位于雷达波束指向地面的环形区域内。假设雷达平台在成像时间内沿ABC直线运动,B点是t时刻雷达平台所处的位置,C点为雷达平台运动方向和地平面XOZ的交点,雷达平台速度矢量为 V → = V x V y V z , ]]>其中,V_x、V_y、V_z分别表示雷达平台速度矢量在x,y,z方向的分量,t=0时刻,雷达平台对应的斜距为r₀,入射角为θ_L,等效锥角为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="61"/>θ为波束指向地面投影与X轴夹角;(b)设定位置误差和速度误差;设雷达平台定位置误差为ds=[dxxa0dyxa0dz],雷达平台速度误差为 d V → = dV x d V y d V z , ]]>其中,dx、dy、dz分别表示雷达平台在三个方向上的位置误差,dV_x、dV_y、dV_z分别表示雷达平台在三个方向上的速度误差。(c)获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值;给出存在位置误差和速度误差时的几何关系图,如图3所示,获取雷达平台位置A点加入误差后的雷达位置点坐标A′,A′的坐标为(dx,H+dy,dz),目标点P的成像结果被认为是位于P′的成像结果,P′的坐标为(x₀+Δx,0,z₀+Δz),其中,Δx、Δz分别为x向和z向的畸变量;加入雷达平台速度误差后的雷达平台速度矢量记做ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="79"/>表示为: V ′ → = V → + d V → = V x + d V x V y + d V y V z + d V z - - - ( 1 ) ]]>步骤二、根据等距离、等多普勒原理,建立SAR定位多普勒方程组,通过步骤一周得到的位置坐标、速度值以及几何关系,得到SAR图像的几何定位误差的显示解,根据该显示解,对图像几何误差进行校正,从而完成对SAR运动误差的图像定位。(a)根据SAR成像过程中等距离、等多普勒原理,建立SAR定位多普勒方程组,表示为:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="74"/>表示起始时刻,雷达平台到目标点的距离矢量,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="106"/>表示加入误差后的距离矢量,λ为雷达信号波长;(b)将步骤一中得到的加入误差后的位置坐标和速度带入公式(2)、(3)中,获取SAR图像的几何定位误差的显示解,表示为: Δx = dy ( V y + dV y ) + Hd V y - x 0 d V x - z 0 d V z V x + d V x + dx V z + dV z = 0 - b - b 2 - 4 ac 2 a + dx V z + d V z ≠ 0 - - - ( 4 ) ]]> Δz = - z 0 + z 0 2 - ( dx - Δx ) 2 + 2 x 0 ( dx - Δx ) - dy 2 - 2 Hdy + dz V z + d V z = 0 Hd V y + dy ( V y + d V y ) - x 0 d V x - z 0 d V z - ( V x + d V x ) ( Δx - dx ) V z + d V z + dz V z + d V z ≠ 0 - - - ( 5 ) ]]>其中a=(V_x+dV_x)²+(V_z+dV_z)²xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(6)b=2x₀(V_z+dV_z)²-2z₀(V_x+dV_x)(V_z+dV_z)-(7)2(V_x+dV_x)[HdV_y+dy(V_y+dV_y)-x₀dV_x-z₀dV_z]c=[HdV_y+dy(V_y+dV_y)-x₀dV_x-z₀dV_z]²+(dy²+2Hdy)(V_z+dV_z)²+(8)2z₀(V_z+dV_z)[HdV_y+dy(V_y+dV_y)-x₀dV_x-z₀dV_z]由步骤二(b)得到相应的几何定位误差显示解可以准确给出SAR图像的几何偏移量,该量可以为图像定位提供初始输入量,对图像的几何误差进行校正并提高后处理的速度和精度。实施例:步骤一、根据弹载SAR平台与目标位置、速度关系建立俯冲模型下的直角坐标系,获取起始时刻雷达平台和目标点的位置坐标、雷达平台三个方向的运动速度分量,设定位置误差和速度误差,获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值;(a)建立弹载SAR俯冲模型的直角坐标系,设定雷达平台速度矢量 V → = 1500 - 1000 200 ]]>(单位:m/s),起始时刻平台位置A点坐标为(0,20000,0)(单位:m),目标点P坐标为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="391"/>(单位:m)。(b)设定位置误差和速度误差;设定位置误差ds=[10xa010xa010](单位:m),速度误差 d V → = - 2.5 - 2.5 - 2.5 ]]>(单位:m/s);(c)获取加入误差后的位置坐标和各方向的速度值;加入位置误差后的起始位置点记做A",其坐标为(10,20010,10)(单位:m),目标点P的成像结果被认为是位于ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="647"/>(单位:m)的成像结果,Δx、Δz分别为x向和z向的畸变量;加入速度误差后的速度矢量记做ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="74"/>求得 V ′ → = V → + d V → = 1497.5 - 1002.5 197.5 ]]>(单位:m/s);步骤二、根据等距离、等多普勒原理,建立SAR定位多普勒方程组,通过步骤一中得到的位置坐标、速度值以及几何关系,得到SAR图像的几何定位误差的显示解。根据该显示解,对图像几何误差进行校正,从而完成对SAR运动误差的图像定位。(a)根据SAR成像过程中等距离、等多普勒原理,建立SAR定位多普勒方程组,方程由公式(2)、(3)给出;(b)根据公式(2)、(3)和各位置点坐标关系,可求得定位误差的显示解:Δx=17.63m,Δz=-5.97m由步骤二(b)得到相应的几何定位误差显示解可以准确给出SAR图像的几何偏移量,该量可以为图像定位提供初始输入量,对图像的几何误差进行校正并提高后处理的速度和精度。仿真验证:将本实施案例的初始输入条件注入实际仿真系统中,同过点目标回波仿真和成像处理以及位置评估,得到的定位误差实测结果为:Δx=17.55m,Δz=6.00m通过对比可以发现再给定输入误差条件下,计算得到的图像位置偏移量与从成像处理结果实测值结果较好吻合。表1给出了几组不同输入时的位置起始误差计算值和成像处理实测值,其结果均能较好吻合,表明本发明的定位误差定量计算公式是正确的。表1位置速度误差测量结果ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>本发明主要针对弹载SAR应用对俯冲模型几何关系的特殊要求,通过给定初始位置坐标、速度和运动误差等输入条件,直接从SAR定位多普勒方程组出发,对方程组进行数学求解,得到SAR图像的几何定位误差的显示解,根据该显示解可以计算得到SAR图像的几何偏移量,该量能够为图像定位提供初始输入量,提高后处理的速度和精度,实现一种基于俯冲模型的弹载SAR运动误差图像定位方法,并通过实例分析,进一步详细描述了本方法的实施过程。通过与误差实测结果的对比,验证了本方法的正确性。