法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2020-05-22
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01S7/28 授权公告日:20170104 终止日期:20190529 申请日:20140529
专利权的终止
2017-01-04
授权
授权
2014-10-22
实质审查的生效 IPC(主分类):G01S7/28 申请日:20140529
实质审查的生效
2014-09-17
公开
公开
技术领域
本发明属于双基地合成孔径雷达(Bistatic Synthetic Aperture Radar,BiSAR)发射和接收技术领域;特别是一种不知道目标准确的坐标位置时的双基地合成孔径雷达的空间同步方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)具有全天时、全天候对地形地貌或地面目标进行高分辨率成像和精确定位的优异性能。然而,由于单基地SAR的发射平台和接收平台共用同一载体,其隐蔽性较差,容易受到敌方侦察并实施干扰。双基地合成孔径雷达(BistaticSynthetic Aperture Radar,BiSAR)的发射平台和接收平台安置在不同的载体上,其相比于单基地SAR,能够获取更丰富的目标信息和更远的作用距离。同时,由于接收平台处于无源接收状态,所以其抗干扰性能和安全性能也有很大提升。BiSAR所具有的诸多优异性能,使得其已成为近年来各国互相角逐的研究热点。
BiSAR由于采用了收、发分置的策略,所以必须配合相应的同步技术才能使其优异的性能得到发挥。也就是说,同步技术是BiSAR进行后端信号处理的前提。BiSAR的同步技术主要包括3个方面:空间同步、时间同步和频率/相位同步。这3大同步必须同时实现,缺一不可,其任何一方面的缺失都会导致严重的后果,甚至使BiSAR系统瘫痪。
BiSAR空间同步技术是指,在收、发分置的系统中,实时并有效地控制发射平台和接收平台的天线指向,使发射波束和接收波束同时照射到同一目标空间,以确保接收平台能够有效的接收到目标回波,即目标区域回波具有足够高的信噪比。在公布号为CN102967851A、名称为《一种双基地SAR的空间同步方法》的专利文件中公开了一种基于已知目标的坐标位置时的空间同步方法,该方法利用载机(体)平台的GPS空间坐标信息和姿态信息,按WGS-84坐标系、空间直角坐标系、地理坐标系、载体坐标系和雷达参考坐标系的顺序进行坐标变换,获取载机的天线指向控制参数,最后将天线指向参数传递给天线伺服系统,从而使得收发天线能够有效地指向目标区域。这种方法的不足之处在于,在进行天线波束指向控制之前,必须获取到点目标准确的WGS-84坐标参数(包括经度、纬度和高度),且在该方法中,发射机和接收机采用同样的坐标转换算法,点目标的WGS-84坐标是其坐标转换算法中不可缺少的输入参数;而在实际运用中,双基地SAR需对任意区域进行成像,而当这些区域准确的坐标位置参数是未知时该方法则无法处理;此外,该方法由于只有对具有确定坐标位置参数的点目标区域进行成像,其应用范围严重受限,因而上述双基地SAR的空间同步方法存在对目标的具体位置坐标要求准确,难以在实际中得到有效应用等弊病
发明内容
本发明的目的是为了克服背景技术空间同步方法中存在的问题,提出一种未知目标位置坐标的双基地合成孔径雷达的空间同步方法,该方法只需将发射机天线指向拟成像(定位)目标区域中心,接收机即会自动跟进,使接收机天线指向与发射机天线指向一致,且发射机与接收机将采用不同的处理方法(算法),以减少双基地合成孔径雷达空间同步时对目标位置参数的要求,降低双基地合成孔径雷达空间同步对点目标位置坐标参数的依赖性,达到有效提高双基地SAR空间同步的效率,实现对目标准确的位置坐标未知时的空间同步以及实现可广泛实际应用等目的。
为方便后续对双基地SAR空间同步方法进行描述,现对以下术语明确其定义:
1.地球坐标系:该坐标系原点在地心,ze轴沿地球自转轴的方向,xe、ye轴在赤道平面内,其中xe轴与零度子午线相交,如图1所示。
2.地理坐标系:该坐标系原点位于载体质心,其中zg坐标轴沿当地地理垂线的方向,另外两个轴在载体所在的水平面内分别沿当地纬线(xg轴)和经线(yg轴)的切线方向,也叫做东北天(ENU)直角坐标系。如图1中MENU坐标所示,图中M为地面上一点,角λ表示点M的经度,角L表示点M的纬度。
3.载体坐标系(b):该坐标系原点与载体的质心重合,与地理坐标系的原点位置一致;对于飞机或者巡航载体,其xb轴沿着载体的横轴向右,yb轴沿着载体纵轴向前,zb轴沿着载体竖轴向上,即“右前上”坐标系,如图2所示,其中βS和βP分别为载体坐标系下的方位角和俯仰角,图示中βS为正值,βP为负值;而分别针对发射机及接收机来说,βTS和βTP分别为发射机载体坐标系下的方位角和俯仰角,βRS和βRP分别为接收机载体坐标系下的方位角和俯仰角,图示中皆为正值。
4.载体姿态角(ψ,θ,γ):
①航向角(ψ):定义载体(飞机或者巡航飞行器)绕垂线方向转动,载体的纵轴在水平面上的投影与地理北向之间的夹角为航向角,数值以地理北向为起点,顺时针方向为正,其定义域为0°~360°。
②俯仰角(θ):定义载体绕横向水平轴转动产生的纵轴与纵向水平轴的夹角为俯仰角,俯仰角以水平轴为起点,向上为正,向下为负,定义域-90°~90°。
③ 横滚角(γ):定义载体绕纵轴、相对于铅垂平面的转角为横滚角,从铅垂平面算起,右倾为正,左倾为负,定义域为-180°~180°;如图3所示即为姿态角的定义示意图。
5.航姿仪:航姿仪是安置在载体(飞机或者巡航飞行器)上的一种导航设备,其为飞行体提供多项信息,其中在空间同步系统中需要用到的信息包括:载体位置信息(经度、纬度和高度)和载体姿态信息(航向角、俯仰角和横滚角)。
6.天线伺服系统:天线伺服系统是安置在载体上的一种控制天线指向的设备,其包括数字信号处理模块和伺服电机两个模块。其中,数字信号处理模块接收两种信息:俯仰角和方位角;当数字信号处理模块获取到这两种信息之后,其通过一定运算控制伺服电机,以使天线指向设定的方向。
本发明的解决方案是在确定天线指向拟成像区域之前对发、收射机(平台)的参数进行初始化处理,其中发射机的初始化参数包括:[λT LT HT],分别对应发射机的经度、纬度和高度,[ψT θT γT]分别对应发射机的航向角、俯仰角和横滚角;接收机的初始化参数包括:[λR LR HR],分别对应接收机的经度、纬度和高度,[ψR θR γR]分别对应接收机的航向角、俯仰角和横滚角;初始化完成之后:发射机再完成对其天线指向拟成像目标区域中心的控制及其相关的处理方法(算法),而接收机则根据发射机传来的目标区域的参数完成对其接收天线指向的控制、使接收机天线指向与发射机天线指向一致;从而不需拟成像的点目标准确的坐标位置参数即可完成接收机天线与发射机天线指向的空间同步。因而本发明双基地合成孔径雷达的空间同步方法包括:
初始化处理:首先对发射机、接收机平台参数分别进行相应的初始化处理,其中:发射机初始化参数包括:发射机本身的经度[λT]、纬度[LT]、高度[HT],航向角[ψT]、俯仰角[θT]及横滚角[γT];接收机的初始化参数包括:接收机本身的经度[λR]、纬度[LR]、高度[HR]、航向角[ψR]、俯仰角[θR]及横滚角[γR];此后发射机A与接收机B分别按以下步骤进行:
发射机A:
步骤A1.确定天线指向的单位方向向量
步骤A2.载体坐标系与地理坐标系向量的转换:将发射机载体坐标系下的单位方向向量
步骤A3.确定发射机到目标区域中心的向量:根据发射机到地面的垂直高度并通过步骤A2所得发射机地理坐标系下的向量
步骤A4.地理坐标系与地球坐标系的转换:将地理坐标系下的向量
步骤A5.确定发射机在地球坐标系下的向量
步骤A6.确定目标区域中心的位置向量
接收机B:
步骤B1.确定接收机在地球坐标系位置向量
步骤B2.确定接收机指向目标区域中心指向向量
步骤B3.确定地理坐标系下的指向向量
步骤B4.确定载体坐标系下的指向向量
步骤B5.完成接收机天线与发射机天线指向的空间同步:根据步骤B4所得指向向量
在步骤A2中所述转换矩阵
>
式中:ψT、θT、γT分别为发射机的航向角、俯仰角和横滚角。
步骤A4中所述转换矩阵
>
其中:λT和LT分别表示发射机所在位置的经度和纬度。
在步骤A5中所述根据发射机的经度、纬度和高度参数,确定发射机在地球坐标系下的向量
>
>
其中:>
上述式中:λT、LT、HT分别为发射机的经度、纬度和海拔高度,RNT为地面上发射机所在位置的卯酉圈曲率半径,f为地球椭球的椭圆度,Re=6378136m为赤道平面半径(长半径),Rp=6356755m为极轴半径(短半径)。
在步骤A6中所述获取地球坐标系下目标区域中心的位置向量
>
步骤B1中所述将接收机初始化参数中的经度、纬度和高度参数转换成地球坐标系下的位置向量
>
>
其中:RNR≈Re(1+f sin2 LR)为地面上接收机所在位置的卯酉圈曲率半径,λR、LR、HR分别为接收机的经度、纬度和海拔高度,f为地球椭球的椭圆度,Re为赤道平面半径(长半径),Rp为极轴半径(短半径)。
步骤B3中所述根据地球坐标系到接收机地理坐标系的转换矩阵
>
则接收机地理坐标系下的指向向量
步骤B4中所述接收机地理坐标系到接收机载体坐标系的转换矩阵
>
其中:ψR、θR、γR分别为接收机的航向角、俯仰角和横滚角;
则接收机载体坐标系下的向量
本发明发射机不需预先知道目标区域中心点的WGS-84坐标、即不采用目标区域中心点的WGS-84坐标,而是采用一种基于发射机天线指向拟成像(定位)目标区域的空间同步方法;亦即发射机只需控制天线指向,使天线指向某一目标区域的中心,接收机将会自动跟进,使接收机天线指向与发射机天线指向一致,而且发射机与接收机采用不同的坐标转换方法(算法)、在进行坐标转换中不需知道拟成像目标点准确的位置坐标参数,即可完成接收机天线与发射机天线指向的空间同步;从而具有可有效提高了双基地SAR空间同步的效率,精确度较高,飞行模式灵活,有利于广泛应用等特点。克服了背景技术存在的对目标的位置坐标要求准确、坐标转换(算法)中必须输入目标点的WGS-84,而存在的飞行模式的灵活性差、难以在实际中得到有效应用等缺陷。
附图说明:
图1为地球坐标系与地理坐标系示意图;
图2为载体坐标系及天线指向示意图;
图3为载体姿态角的定义示意图,图中的俯仰角、横滚角和航向角均为正值;
图4为双基地SAR空间同步状态示意图;
图5为收、发载机波束中心在地面的偏移差的1000次蒙特卡洛仿真结果图(坐标图)。
具体实施方式:
初始化处理:其中发射机的初始化参数为:方位角和俯仰角(βTS,βTP)=(41.04°,-88.27°);经度、纬度和海拔高度(λT,LT,HT )=(104°,30°,5111m);航向角、俯仰角和横滚角(ψT,θT,γT)=(90°,0°,0°);发射机正投影下对应地面海拔高度Hg=250m。接收机的初始化参数为:经度、纬度和海拔高度(λR,LR,HR)=(104°,30°,4361m);航向角、俯仰角和横滚角(ψR,θR,γR)=(90°,0°,0°);接收机正投影下对应地面海拔高度Hg=250m;此后发射机A与接收机B分别按以下步骤进行:
发射机A:
步骤A1.确定天线指向的单位方向向量
步骤A2.载体坐标系与地理坐标系向量的转换:将发射机载体坐标系下的单位方向向量
>
其中:ψT、θT、γT分别为发射机的航向角、俯仰角和横滚角,则发射机地理坐标系下的向量
>
步骤A3.确定发射机到目标区域中心点的向量:根据发射机到地面的垂直高度并通过步骤A2所得发射机地理坐标系下的向量
>
其中:发射机正投影下对应地面的海拔高度为Hg=250m,从发射机航姿仪上所获取发射机的海拔高度为HT=5111m,则发射机到地面的垂直高度为:
H1=HT-Hg=4861m
步骤A4.地理坐标系与地球坐标系向量的转换:将向量
>
其中,λT和LT分别表示发射机所在位置的经度和纬度;那么,向量
>
步骤A5.确定发射机在地球坐标系下的向量
>
>
其中:>
上述式中:HT为发射机的海拔高度、RNT为地面上发射机所在位置的卯酉圈曲率半径,Re=6378136m为赤道平面半径(长半径),Rp=6356755m为极轴半径(短半径);
步骤A6.地球坐标系下目标位置向量
>
>
通过运算可得>并将该目标位置向量
接收机B:
步骤B1.确定接收机在地球坐标系位置向量
>
>
其中:RNR≈Re(1+f sin2LR)为地面上接收机所在位置的卯酉圈曲率半径,f为地球椭球的椭圆度,Re为赤道平面半径(长半径),Rp为极轴半径(短半径);
步骤B2.确定接收机指向目标区域中心指向向量
>
步骤B3.确定地理坐标系下的指向向量
>
则接收机地理坐标系下的指向向量
>
步骤B4.确定载体坐标系下的指向向量
>
其中:ψR、θR、γR分别为接收机的航向角、俯仰角和横滚角,则接收机载体坐标系下的向量
>
步骤B5.确定接收机天线指向角:根据步骤B4所得指向向量确定接收机载体坐标系下接收机天线指向的方位角βRS和俯仰角βRP为:
>
通过计算仿真可得(βRS,βRP)=(41.04°,-87.95°);再将所得方位角βRS和俯仰角βRP值输入接收机天线伺服系统,进而完成接收机天线与发射机天线指向一致的空间同步。
仿真运行:按照上述步骤进行1000次蒙特卡洛仿真,本发明提供的参数可以计算出发射机、接收机在地面的波束直径分别为:
>
其中:φT(R)=3.3°为发射机、接收机的天线波束角宽度(假设方位向和距离向的天线波束角宽度一样),RT(R)为发射机(接收机)到目标点的距离。假设载体位置误差为[Δλ ΔL ΔH],其中Δλ和ΔL的区间为(-0.00001°,0.00001°),ΔH的区间为(-1,1);载体姿态误差[Δψ Δθ Δγ],其区间为(-0.01°,0.01°)。图5为收发波束中心在地面的偏移差的1000次蒙特卡洛仿真图,可以看出其偏移差在8m范围之内,偏移差远小于发射机、接收机在地面的波束直径,由此可以看出本发明具体实施方式具有较高的精确度。
机译: 激光束定位装置根据当前坐标与目标位置之间的距离,计算未知参数,将激光束引导至工件上的目标位置
机译: 每个具有唯一坐标系的异质设备之间空间坐标同步的坐标同步方法
机译: 图像形成装置和方法,计算a)阈值信息的代表点I)最接近关注像素的坐标或II)在抖动空间中最接近关注像素的地址坐标的偏差与b之间的偏差。 )抖动空间中的地址坐标,它对应于像素空间中整数的像素坐标或像素空间中最接近代表点的整数的像素坐标