一種機載圓跡合成孔徑雷達航線的獲取方法
【專利摘要】本發明一種機載圓跡合成孔徑雷達航線的獲取方法，包括步驟如下：根據圓跡合成孔徑雷達待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達收發天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機平臺平均速度，獲得圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機的飛行高度、載機橫滾角；根據俯仰向波束中心入射角和載機橫滾角計算合成孔徑雷達收發天線俯仰向安裝角；在圓形航跡的圓心位置和載機姿態上加入誤差，仿真計算全方位觀測的波束照射區域；對波束照射區域是否包含于待觀測場景區進行判斷；對包含于待觀測場景區的波束照射區域進行計算，獲取圓形航跡所需的八個控制點坐標及八個控制點坐標切入和切出圓形軌跡時的直線航跡。
【專利說明】一種機載圓跡合成孔徑雷達航線的獲取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷達信號處理領域，尤其涉及一種機載圓跡合成孔徑雷達(SAR)航跡設計方法。
【背景技術】
[0002]圓跡合成孔徑雷達(Circular SAR, CSAR)是20世紀90年代提出的一種SAR工作模式，其通過SAR平臺在空中作圓軌跡運動，并控制波束使波束中心始終指向同一場景中心，來實現對目標區域進行360°全方位觀測。與傳統直線SAR相比，圓跡SAR對目標的觀測具有更大的相干積累角，能夠實現更高的分辨率；且不同于傳統直線SAR斜平面成像幾何，圓跡SAR具有對場景區進行三維重建的能力；此外，圓跡SAR的全方位觀測能夠有效減小常規SAR固有的陰影現象，并且對于獲取目標隨方位角變化的后向散射信息具有重要意義。
[0003]2004年開始，法宇航、瑞典國防研究院、德宇航以及中科院電子所等研究機構相繼利用機載試驗平臺開展了圓跡SAR飛行試驗。2011年7月，德國宇航局(DLR)在IGARSS會議上首次展示了利用E-SAR機載系統獲取的360°全方位高分辨圓跡SAR圖像(L波段全極化)。2011年8月，中科院電子所微波成像技術國家級重點實驗室利用自主研制的機載SAR系統，開展了國內首次圓跡SAR飛行試驗，成功獲取了 P波段全極化360°全方位高分辨圓跡SAR圖像。試驗結果初步展示了圓跡SAR在高精度測繪、災害評估和精細資源管理等領域的應用潛力。
[0004]鑒于機載圓跡SAR和傳統直線SAR觀測幾何的不同，機載圓跡SAR的航跡設計也有別于直線SAR。直線SAR主要由俯仰向波束寬度決定測繪區寬度，測繪區長度則隨著飛行軌跡的增長而變長。圓跡SAR中，要實現對場景的全方位觀測，除了需要確定圓形軌跡的半徑和高度等位置因素，又要考慮實際飛行時無法形成一個完整閉合圓軌跡，同時載機的姿態也需要精確控制。載機在轉彎時對載機姿態要求較高，而姿態又會影響到波束指向，最終影響圓跡SAR波束照射區，嚴重時不能獲得場景的全方位觀測數據，無法驗證和發揮圓跡SAR在獲取目標隨方位角變化的后向散射信息的能力，也無法使場景的圓跡SAR圖像達到最佳分辨率。由于國內機載圓跡SAR實驗開展還不夠深入，目前還未見針對機載圓跡SAR進行航跡設計的文獻。

【發明內容】

[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]為了解決現有機載圓跡SAR飛行軌跡難以閉合、全方位360°照射區域較小的問題，本發明的目的是提供一種機載圓跡SAR航跡設計方法。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為達到上述目的，本發明提供一種機載圓跡合成孔徑雷達航線的獲取方法的步驟如下:[0009]步驟S1:根據圓跡合成孔徑雷達待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達收發天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機平臺平均速度，獲得圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機的飛行高度、載機橫滾角；
[0010]步驟S2:根據俯仰向波束中心入射角和載機橫滾角計算合成孔徑雷達收發天線俯仰向安裝角Θ ;
[0011]步驟S3:在圓形航跡的圓心位置和載機姿態上加入誤差，仿真計算全方位觀測的波束照射區域；對波束照射區域是否包含于待觀測場景區進行判斷，如果波束照射區域包含于待觀測場景區，則執行步驟S4 ;如果波束照射區域不包含于待觀測場景區，則執行步驟SI ；
[0012]步驟S4:對包含于待觀測場景區的波束照射區域進行計算，獲取圓形航跡所需的八個控制點坐標及八個控制點坐標切入和切出圓形軌跡時的直線航跡。
[0013](三)有益效果
[0014]本發明針對圓跡SAR圓形軌跡不易閉合、全方位360°照射區域較小的缺點，提出一種機載圓跡合成孔徑雷達航跡設計方法，有利于實現圓跡合成孔徑雷達按照閉合圓軌跡飛行的目標，保證圓跡合成孔徑雷達能夠完整獲取觀測場景目標的全方位后向散射特性信
肩、O
[0015]本發明提出了利用控制點及時矯正航跡的方法，同時通過仿真計算圓跡SAR360。照射區域，確定飛行半徑和高度，本發明能夠解決機載圓跡SAR飛行軌跡難以閉合的問題，從而保證圓跡SAR能夠完整獲得待觀測場景的全方位后向散射特性，為后續圓跡SAR成像和目標特性分析提供數據支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明中機載圓跡SAR航跡設計方法的總流程圖
[0017]圖2是本發明的圓跡SAR觀測幾何示意圖；
[0018]圖3是本發明的圓跡SAR波束照射區示意圖；
[0019]圖4是本發明中圓形航跡控制點設計的示意圖；
【具體實施方式】
[0020]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0021]如圖1示出本發明中一種機載圓跡合成孔徑雷達航跡設計方法的總流程圖，該方法具體實現步驟如下:
[0022]步驟S1:根據圓跡合成孔徑雷達待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達收發天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機平臺平均速度，計算圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機的飛行高度和載機橫滾角。
[0023]如圖2為本發明的圓跡SAR觀測幾何示意圖，圖2中示出Z為垂直向上的坐標軸，代表高度向坐標，z=0高度為零的平面，假設測繪場景為一中心坐標為0，航跡半徑R，圓形航跡的圓心O'，俯仰向波束中心入射角為α，收發天線的俯仰向波束寬度為Θ，載機的飛行高度H，待觀測場景的半徑為r的圓形區域，待觀測場景的平均高程為h，圓形航跡的圓心(V設計在O點正上方H-h處，z=0。為了使俯仰向波束能夠覆蓋測繪區，載機的飛行高度H和航跡半徑R必須滿足:
【權利要求】
1.一種機載圓跡合成孔徑雷達航線的獲取方法，其特征在于，該方法包括步驟如下: 步驟S1:根據圓跡合成孔徑雷達待觀測場景的大小、位置及場景平均高程，以及合成孔徑雷達收發天線波束寬度、俯仰向波束中心入射角、方位向波束寬度和載機平臺平均速度，獲得圓形航跡的圓心位置、航跡半徑、載機的飛行高度、載機橫滾角； 步驟S2:根據俯仰向波束中心入射角和載機橫滾角計算合成孔徑雷達收發天線俯仰向安裝角； 步驟S3:在圓形航跡的圓心位置和載機姿態上加入誤差，仿真計算全方位觀測的波束照射區域；對波束照射區域是否包含于待觀測場景區進行判斷，如果波束照射區域包含于待觀測場景區，則執行步驟S4 ;如果波束照射區域不包含于待觀測場景區，則執行步驟SI ； 步驟S4:對包含于待觀測場景區的波束照射區域進行計算，獲取圓形航跡所需的八個控制點坐標及八個控制點坐標切入和切出圓形軌跡時的直線航跡。
2.根據權利要求1所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，所述載機的飛行高度滿足以下條件:
3.根據權利要求1所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，所述航跡半徑滿足以下條件R = (H-h) *tan α，R為航跡半徑,H為載機的飛行高度,h為待觀測場景的平均高程，α為俯仰向波束中心入射角。
4.根據權利要求1所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，由于圓跡合成孔徑雷達不同于直線合成孔徑雷達，需要使載機一直處于轉彎狀態，因此載機需要調整橫滾角以達到需要的飛行航跡半徑，所以載機橫滾角需滿足以下條件:
5.根據權利要求1所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，所述仿真計算全方位觀測的波束照射區域的步驟包括: 步驟S31:在理想圓形航跡和載機姿態上加入誤差，作為實際飛行時載機位置和姿態的仿真參數；加入誤差后的載機姿態包括:加入誤差后的俯仰角、加入誤差后的偏航角和加入誤差后的載機橫滾角； 步驟S32:計算圓跡合成孔徑雷達在方位向每個采樣點進行一次信號收發時天線波束的橢圓照射區域； 步驟S33:取所述橢圓擬合波束的照射區域的交集作為圓跡合成孔徑雷達360°全方位照射的區域；步驟S34:若360°全方位觀測區域包含于待觀測區域中，則保持理想圓形航跡和載機姿態參數不變，若360°全方位觀測區域未包含于待觀測區域，則增大載機的飛行高度H，重復步驟S31至步驟S33。
6.根據權利要求5所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，獲取所述橢圓照射區域的步驟如下:以圓跡合成孔徑雷達的方位向為載機沿圓形航跡的行進方向，以波束中心在場景平面的投影點坐標(xpc，ypc)為原點，以俯仰向波束內側和外側在場景平面的投影點坐標(xpin,ypin)和(χρ_ ypj、以方位向波束前側和后側在場景平面的投影點坐標(xpfMnt，yPfront)和(xPbac；k，yPtocJ為四個頂點，以最小二乘法為準則進行擬合，得到波束的橢圓照射區域。
7.根據權利要求6所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，計算波束中心在場景平面的投影點坐標(Xpc，ypc)表示如下:
8.根據權利要 求6所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，計算俯仰向波束內側和外側在場景平面投影點坐標(xpin, ypin)和(XPrat, ypj:
9.根據權利要求6所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，計算方位向波束前側和后側在場景平面投影點坐標(xpfMn, ypfMnt)和(xpbaek，ypbaek):
10.根據權利要求1所述的機載圓跡合成孔徑雷達航線設計的方法，其特征在于，在所述圓形航跡上設置控制點是首先在圓形航跡上設置八個控制點，平均分割圓弧，計算并提供八個控制點的坐標；選取任意一個控制點作為切入點，并沿著與圓軌跡相切于切入點的直線飛行一段距離，當到達切入點時開始轉彎并朝下一個控制點以弧線飛行，同時切入點也是切出點，是最后一個控制點，當飛完整個圓形軌跡后飛行員仍以直線切出，如此即完成一次圓軌跡飛行和數據采集。
【文檔編號】G01S13/90GK103760562SQ201410040276
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】林赟, 郭振宇, 譚維賢, 王彥平, 洪文, 吳一戎 申請人:中國科學院電子學研究所