專利名稱：一種基于pos與dem數(shù)據(jù)的sar多普勒參數(shù)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，特別涉及到雷達(dá)波束中心的多普勒參數(shù)估計(jì)。
背景技術(shù)：
由于飛機(jī)在飛行的過程中受到大氣和其它干擾因素，復(fù)雜地形環(huán)境下非勻速直線飛行對(duì)多普勒參數(shù)的估計(jì)精度有很大的影響，而SAR多普勒參數(shù)估計(jì)精度會(huì)影響到SAR成像聚焦，導(dǎo)致噪聲和模糊度的增高，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響到圖像的質(zhì)量。目前SAR多普勒中心頻率估計(jì)方法雖然有很多種，但大多基于一個(gè)相同的基本原理利用SAR系統(tǒng)的大時(shí)寬帶寬積特性，多普勒頻率和方位時(shí)間有著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，回波某個(gè)多普勒頻率上的能量必然來自于雷達(dá)波束中某個(gè)特定方向上的目標(biāo)，每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)回波在方位上都是一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)，其中心頻率fD。被天線方向圖調(diào)制。SAR目標(biāo)由大量散射點(diǎn)組成，如果他們有相同的散射截面，那么回波的方位向功率譜密度就與天線功率方向圖有相同的形狀。通常天線方向圖都是相對(duì)于波束中心對(duì)稱的，所以回波方位向功率譜密度的峰值即為frc。在整個(gè)成像過程中有三個(gè)地方的數(shù)據(jù)可以用來估計(jì)fDC。一種早期的雜波鎖定方法是在距離壓縮之前完成；另一種方法是使用距離壓縮之后、方位壓縮之前的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)方位頻譜的峰值位置作為多普勒中心頻率的估計(jì)值；還可以利用功率譜與自相關(guān)函數(shù)，是一對(duì)傅里葉變換，從時(shí)域來估計(jì)多普勒中心頻率，即自相關(guān)函數(shù)法。估計(jì)多普勒調(diào)頻斜率的方法一直是研究的熱點(diǎn)，目前大多數(shù)SAR處理器都使用圖像偏移法來估計(jì)多普勒調(diào)頻斜率，其估計(jì)精度也是與目標(biāo)特性有密切關(guān)系。SAR遙感影像的測(cè)量主要以幾何構(gòu)像模型為基礎(chǔ)展開的。目前，雷達(dá)影像嚴(yán)密構(gòu)像方程主要有基于傳感器狀態(tài)矢量和多普勒參數(shù)的模型，以及基于傳感器狀態(tài)矢量和姿態(tài)參數(shù)(外方位元素)的模型。Leberl F與R-D模型是側(cè)視雷達(dá)影像嚴(yán)密定位使用得最廣泛的幾何模型；以外方位元素作為定向參數(shù)的模型除雷達(dá)共線方程外，距離-共面(R-Cp)方程是一種簡(jiǎn)潔嚴(yán)密的幾何構(gòu)像模型，其根據(jù)距離條件和波束中心共面條件來構(gòu)建。距離-共面條件是指一行影像對(duì)應(yīng)的所有地面點(diǎn)均在該行影像攝影時(shí)刻天線發(fā)射的雷達(dá)波束中心面內(nèi)，這個(gè)波束中心面由傳感器狀態(tài)矢量和姿態(tài)確定；傳感器至地面目標(biāo)點(diǎn)的空間距離與雷達(dá)波測(cè)量的距離相等。距離-共面方程根據(jù)如下公式建立
權(quán)利要求
1.一種基于POS測(cè)量數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于利用POS測(cè)量數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)估算SAR信號(hào)的多普勒參數(shù)，提高非正側(cè)視、載機(jī)非平穩(wěn)飛行和復(fù)雜地形條件下的參數(shù)的估計(jì)精度，包括如下步驟(1)給定方位向時(shí)間，以及POS測(cè)量值，插值獲得該時(shí)刻GPS天線位置、速度、加速度以及傳感器平臺(tái)的姿態(tài)，并計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻SAR傳感器天線的位置；(2)給定距離向快時(shí)間，建立波束面法向量矢量，構(gòu)建距離方程、波束中心掃描面方程以及考慮地面高程數(shù)據(jù)的地球橢球方程；(3)對(duì)距離方程、波束掃描面方程以及考慮地面高程數(shù)據(jù)的地球橢球方程線性化，構(gòu)建誤差方程組，并利用DEM數(shù)據(jù)通過迭代計(jì)算SAR信號(hào)反射體目標(biāo)的位置坐標(biāo)；(4)根據(jù)SAR傳感器天線的位置、速度、加速度及SAR信號(hào)反射體目標(biāo)的坐標(biāo)，計(jì)算SAR波束中心信號(hào)的多普勒參數(shù)；(5)將SAR數(shù)據(jù)獲取歷程的方位向時(shí)間區(qū)間和距離向快時(shí)間區(qū)間分別按一定時(shí)間間隔構(gòu)建時(shí)間格網(wǎng)，根據(jù)(I) 一(4)步驟中方法計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)相應(yīng)時(shí)間SAR波束中心信號(hào)的多普勒參數(shù)，其它任意時(shí)間SAR波束中心信號(hào)的多普勒參數(shù)根據(jù)格網(wǎng)點(diǎn)上的值雙線性插值獲得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于POS與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(I)中，SAR天線位置[Xs，Ys，Zs]的計(jì)算根據(jù)插值獲得的GPS天線位置坐標(biāo)Ka^YepsJeps]、傳感器平臺(tái)姿態(tài)以及在傳感器平臺(tái)坐標(biāo)系中，SAR天線中心相對(duì)于GPS天線中心的偏移量向量[eXs，eYs, eZs]T來計(jì)算
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于POS與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(2)中，掃描波束面法向量矢量？為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于POS與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(3)中，對(duì)距離方程、波束面方程以及考慮地面高程數(shù)據(jù)的地球橢球方程線性化是通過相應(yīng)方程對(duì)SAR信號(hào)反射體目標(biāo)坐標(biāo)(X，Y，Z) 一階求導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，組成的誤差方程組為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于POS與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(3)中，SAR信號(hào)反射體的位置坐標(biāo)通過下述流程計(jì)算 .1)，首先根據(jù)SAR信號(hào)接受時(shí)的方位向時(shí)間ta，按步驟(I)中方法計(jì)算傳感器的位置、速度、加速度及傳感器姿態(tài)，給定臨時(shí)高程參數(shù)Hi并賦值Hi = H0, H0為測(cè)區(qū)平均高程； . 2)，給定步驟(2)中的高程值H= Hi，根據(jù)接受信號(hào)的距離向快時(shí)間&按步驟(3)建立誤差方程組迭代計(jì)算反射體坐標(biāo)增量dX，dY, dZ，進(jìn)而求解步驟(2)中的坐標(biāo)X，Y，Z ； .3)，將反射體坐標(biāo)X，Y，Z轉(zhuǎn)換到DEM數(shù)據(jù)相同的坐標(biāo)系中，得到DEM所屬坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)(X，y)，并根據(jù)相應(yīng)的坐標(biāo)，獲取DEM數(shù)據(jù)中該點(diǎn)的高程值Hi+1 ； .4)，比較Hi和Hi+1的值，若Hi和Hi+1之差的絕對(duì)值小于給定的閾值δ，即IHw-Hi | < δ，流程2)中求得的地面點(diǎn)坐標(biāo)(Χ，Υ，Ζ)即為SAR信號(hào)反射體目標(biāo)的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)至步驟(4)，否則將高程參數(shù)Hi重新賦值為Hi = Hi+1，轉(zhuǎn)至流程2)； 獲取的信號(hào)反射體坐標(biāo)用于步驟(4)多普勒參數(shù)的計(jì)算。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于POS與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于所述步驟(4)中，根據(jù)載機(jī)的位置、速度、加速度、SAR信號(hào)反射體的坐標(biāo)以及距離向快時(shí)間t值，按下式計(jì)算該時(shí)刻SAR波束中心多普勒頻率fD。和調(diào)頻率fDK: fDC=2 [ (X-Xs) Vx+ (Y-Ys) V (Z-Zs) Vz] / ( λ · tr · c)fDE=2 [ (X-Xs) ax+ (Y-Ys) aY+ (Z-Zs) az] / ( λ · tr · c) (Vx, Vy, Vz)為傳感器的速度，(ax，aY，az)為傳感器的加速度，c為光速，λ為SAR的波長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于POS與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(5)中，時(shí)間格網(wǎng)的建立和格網(wǎng)點(diǎn)時(shí)間多普勒參數(shù)計(jì)算方法為以方位向時(shí)間和距離向時(shí)間為軸建立二維坐標(biāo)系，方位向起始時(shí)間ta(l和結(jié)束時(shí)間tan內(nèi)按時(shí)間間隔Ata進(jìn)行均勻劃分，獲取n+1個(gè)方位向時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在距離向近距端對(duì)應(yīng)的快時(shí)間trt和遠(yuǎn)距端對(duì)應(yīng)的快時(shí)間范圍內(nèi)按時(shí)間間隔At,進(jìn)行均勻劃分，獲取m+1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，其中Ata =(tan-tao) /η. Δ tr = UniTtrt)/m, Π1、n為整數(shù),Π1和n的大小根據(jù)多普勒參數(shù)估計(jì)精度需求選定，值越大，后面的內(nèi)插結(jié)果精度越高，反之越低；根據(jù)方位向和距離向時(shí)間節(jié)點(diǎn)構(gòu)建時(shí)間格網(wǎng)，方位向第i個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間tai和距離向第j個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的快時(shí)間t _可以組合成(n+1) X (m+1)個(gè)坐標(biāo)為(tai, trJ) (i = O, I, 2. . . n; j = 0, I, 2. . . m)的點(diǎn)，稱為時(shí)間格網(wǎng)點(diǎn)； 根據(jù)格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方位向時(shí)間和距離向快時(shí)間，按步驟(1)-(4)計(jì)算所有格網(wǎng)點(diǎn)時(shí)間的多普勒參數(shù)，其它距離向和方位向時(shí)間(ta，處的多普勒參數(shù)，根據(jù)該時(shí)間坐標(biāo)點(diǎn)周邊 最近的四個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)時(shí)間的多普勒參數(shù)值按雙線性插值計(jì)算得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于POS與DEM數(shù)據(jù)的SAR多普勒參數(shù)估計(jì)方法，該方法充分利用機(jī)載GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)根據(jù)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)，根據(jù)距離方程、共面方程和考慮地面高程數(shù)據(jù)的地球橢球數(shù)據(jù)來求解反射信號(hào)的目標(biāo)位置，根據(jù)傳感器狀態(tài)和目標(biāo)位置信息估計(jì)波束中心的多普勒信息。本發(fā)明充分能夠?qū)Ψ钦齻?cè)視、非平穩(wěn)飛行以及地面地形復(fù)雜條件下機(jī)載SAR波束中心多普勒參數(shù)進(jìn)行高精度估計(jì)，在SAR信號(hào)處理和成像領(lǐng)域有著重要的作用。
文檔編號(hào)G01S13/90GK102866393SQ20121038792
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者程春泉, 黃國滿, 燕琴, 駱成鳳, 孫鈺珊 申請(qǐng)人:中國測(cè)繪科學(xué)研究院