CN116224238A - 坐标系周期重建的sar多子区成像射频仿真方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法及***，方法包括SAR回波模拟器按通信周期接收仿真机模拟的飞行器经纬高、速度、加速度，以及飞行器载SAR待成像子区中心经纬高，通过射频电缆接收SAR的射频激励信号、时钟信号和雷达脉冲同步信号，接收总线快提设备发送的SAR的波束指向角；SAR回波模拟器通过坐标系重建、雷达波束地面中心点修正、子区在线切换、场景传函计算、SAR回波生成和周期坐标系撤销进行单个子区的SAR回波模拟，实时生成单个子区的SAR回波；采用单个子区的SAR回波模拟方法，SAR回波模拟器对仿真过程中所有子区的SAR回波进行实时生成。本发明提高了飞行器SAR景象匹配制导射频半实物仿真的准确性和试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及射频仿真技术领域，尤其涉及一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法及***。
背景技术
景象匹配定位技术是提高飞行器寻的精度的重要手段，在卫星拒止条件下，惯导漂移会导致飞行路线漂移规划航迹，此时需通过景象匹配后的地面点结果对飞行器自身位置进行修正，获得航迹的精确定位，最终实现对目标的精确寻的。
飞行器SAR景象匹配制导的工作原理是以SAR成像为基础，依据飞行前规划的多个成像匹配点(称为成像子区中心)，在成像过程中通过控制机载SAR向指定匹配点发射宽频带信号获得距离高分辨，由飞行器与目标在方位向的相对运动带来的多普勒实现方位高分辨，经成像处理后得到该子区SAR图像，并与基准图像进行配准，提取特征点的斜距和多普勒信息，从而实现辅助定位修正，消除时间带来的惯导漂移误差。
在飞行器SAR景象匹配制导射频半实物仿真试验中，传统方法需要提前按照规划匹配点对基准图进行裁剪、编码和参数配置，并在一固定坐标系下实现所有子区回波的计算。该技术有两点明显的缺陷：一是基准图常为高斯平面坐标和高程信息，飞行器位置则为经纬高坐标，对于高速飞行的飞行器，匹配点选取间隔较远，将飞行器和各子区在同一场景坐标系下进行斜距计算时，受地球曲率影响会引入坐标转换误差，影响子区中心点在基准图上的位置以及飞行器和子区散射点之间的斜距，相应地，波束照射范围与理论存在偏差、SAR成像中心点偏移，从而令匹配定位误差变大；二是模拟器航迹配置准备工作量大、计算量大、使用方式固定，不同子区切换和波束照射范围计算时处理比较繁琐。因此，如何在飞行器SAR景象匹配制导射频半实物仿真试验中实现子区在线自动切换、雷达波束照射范围内像元与飞行器的斜距精确计算，是提高飞行器SAR景象匹配制导射频半实物仿真的准确性和试验效率的关键问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法及***。解决飞行器SAR景象匹配制导射频半实物仿真的准确性和试验效率的关键问题。
本发明一方面公开了一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法，包括以下步骤：
SAR回波模拟器按通信周期接收仿真机模拟的飞行器经纬高、速度、加速度，以及飞行器载SAR待成像子区中心经纬高，通过射频电缆接收SAR的射频激励信号、时钟信号和雷达脉冲同步信号，接收总线快提设备发送的SAR的波束指向角；
SAR回波模拟器通过坐标系重建、雷达波束地面中心点修正、子区在线切换、场景传函计算、SAR回波生成和周期坐标系撤销进行单个子区的SAR回波模拟，实时生成单个子区的SAR回波；
采用单个子区的SAR回波模拟方法，SAR回波模拟器对仿真过程中所有子区的SAR回波进行实时生成。
进一步地，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的坐标系重建包括：
检测到雷达脉冲同步信号且坐标重建标志为无效时，进行坐标重建建立其以当前成像子区中心为原点，三轴指向为北、天、东的周期地理坐标系，计算出飞行器在周期地理坐标系的坐标位置；将坐标重建标志置为有效；所述坐标重建标志在初始状态和在先重建的坐标系撤销时置为无效。
进一步地，根据飞行器的经纬高坐标
和子区中心的经纬高坐标
计算得到飞行器在周期地理坐标系的坐标ot1：
其中，
(X,Y,Z)为飞行器在地心坐标系的坐标；
(X0,Y0,Z0)为子区中心点在地心坐标系的坐标：
Re为卯酉圈半径，e为地球的第一偏心率。
进一步地，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的雷达波束地面中心点修正包括：
1)根据雷达波束中心俯仰角α1和方位角β1，计算得到波束中心om1在周期地理坐标系的坐标
2)根据子区中心o1的经纬度
和场景中心O的经纬度/>
计算得到子区中心o1在固定高斯坐标系OXZ的坐标为/>
3)根据子区中心o1在固定高斯坐标系坐标和波束中心om1在周期地理坐标系的坐标得到修正后的波束中心om1在固定高斯坐标系的坐标
/>
进一步地，波束中心om1在周期地理坐标系的坐标
其中，α1水平方向为0°，向上为正，β1北向为0°，逆时针为正。
波束中心om1在固定高斯坐标系的坐标
近似表征为：
进一步地，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的子区在线切换为，根据修正后的雷达波束地面中心点在线切换波束照射区域，得到雷达波束照射范围内子区的基准图数据；具体包括：
1)SAR成像回波模拟器判断坐标重建标志有效；
2)根据波束中心高斯坐标
基准图分辨率(δX,δZ)确定雷达波束中心在基准图二维矩阵的索引值/>
3)根据索引值，结合子区像元个数实时得到雷达波束照射范围内基准图数据；
所述基准图数据包括波束照射区域子区的各像元的散射系数、随机相位和位置坐标。
进一步地，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的场景传函计算包括：
1)模拟器按照时钟周期对飞行器位置进行递推得到飞行器位置；
2)逐像元计算像元与飞行器的斜距值；
3)计算距离引入的相位值；
4)对每一像元进行相位调制、散射系数幅度加权；
5)对同一距离门内像元相干叠加，得到该子区场景传递函数。
进一步地，第k个像元与飞行器的斜距Rk：
tn时刻的该子区场景传递函数：
M为落入该距离门像元的个数，Ak、Rk、tk分φk别表示该距离门内第k个像元回波的幅度、距离、延迟和随机相位，Ts为***函数的采样周期；krw为X轴向的像素偏移量，kcl为Z轴向的像素偏移量，Hk(cl,rw)为第k个像元在Y轴上的坐标，λ为雷达信号的波长。
进一步地，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的SAR回波生成包括：雷达射频激励信号下变频和AD变换后生成时域原始基带信号，对该信号和场景传递函数分别做FFT，进行频域相乘，再进行IFFT，得到每一个雷达PRT信号的场景回波。
本发明还公开了一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真***，包括仿真机、SAR、总线快提设备、SAR回波模拟器和天线阵列及馈电***；
所述仿真机实时进行航迹解算，并按通信周期将飞行器的经纬高、速度、加速度，以及飞行器载SAR待成像区域的子区中心经纬高，发送给SAR回波模拟器；
所述SAR将射频激励信号、时钟信号和脉冲同步信号通过射频电缆注入SAR回波模拟器；
所述总线快提设备实时监听通信数据包，并将SAR的波束指向角发送到SAR回波模拟器；
所述回波模拟器器，执行如上所述的坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法产生模拟的SAR回波信号，通过天线阵列及馈电***，将SAR回波信号辐射到微波暗室中，用于SAR景象匹配制导射频半实物仿真。
本发明可实现以下有益效果之一：
本发明公开的坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法及***，减小了传统方法在固定参考系下进行斜距计算时受地球曲率影响引入的相对位置误差，提高了雷达波束照射范围内像元与飞行器的斜距计算的准确性，简化了飞行器SAR多子区照射范围计算和回波信号生成的流程，同时，在雷达波束照射范围计算过程中，按照雷达真实位置和真实波束指向进行雷达波束地面中心点计算，保证了仿真和真实场景的一致性，提高了飞行器SAR景象匹配制导射频半实物仿真的准确性和试验效率。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的SAR多子区成像射频仿真方法流程图；
图2为本发明实施例中的单个子区的SAR回波模拟方法流程图；
图3为本发明实施例中的飞行器SAR多子区成像射频仿真方法的坐标系周期重建图；
图4为本发明实施例中的子区像元斜距计算示意图；
图5为本发明实施例中的SAR多子区成像射频仿真***组成连接示意框图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明的一个实施例公开了一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、SAR回波模拟器按通信周期接收仿真机模拟的飞行器经纬高、速度、加速度，飞行器载SAR待成像子区中心经纬高，通过射频电缆接收SAR的射频激励信号、时钟信号和雷达脉冲同步信号，接收总线快提设备发送的SAR的波束指向角；
步骤S2、SAR回波模拟器通过坐标系重建、雷达波束地面中心点修正、子区在线切换、场景传函计算、SAR回波生成和周期坐标系撤销进行单个子区的SAR回波模拟，实时生成单个子区的SAR回波；
步骤S3、采用步骤S2中的单个子区的SAR回波模拟方法，SAR回波模拟器对仿真过程中所有子区的SAR回波进行实时生成。
具体的，所述子区为飞行前规划的成像匹配点所在区域；仿真机实时进行飞行器解算，按1ms通信周期将飞行器的经纬高、速度、加速度，子区中心经纬高发送给成像回波模拟器。所述总线快提设备实时监听SAR雷达的通信数据包，从通信数据包中获取SAR的波束指向角。
如图2所示，步骤S2中，单个子区的SAR回波模拟方法包括：
步骤S201、坐标系重建；通过重新创建周期地理坐标系，计算飞行器在周期地理坐标系的位置；
所述的坐标系重建，包括：
SAR回波模拟器检测到雷达脉冲同步信号且坐标重建标志为无效时，进行坐标重建建立其以当前成像子区中心为原点，三轴指向为北、天、东的周期地理坐标系；即，坐标原点O1为当前子区中心，坐标轴O1Xt指向北，坐标轴O1Yt指向天，坐标轴O1Zt可通过右手定则确定；
如图3所示为飞行器SAR多子区成像射频仿真方法的坐标系周期重建图；O1为飞行器真实飞行位置为ot1时当前子区中心的坐标位置；雷达波束中心俯仰角α和方位角β是飞行器SAR根据当前时刻惯导感知轨迹(带误差)和当前子区中心计算获得，为SAR内部计算结果，这里不做详细说明；om1为飞行器真实飞行位置为ot1时，依据雷达波束中心俯仰角和方位角计算获得的雷达波束地面照射中心的坐标位置。
计算出飞行器在周期地理坐标系的坐标位置；将坐标重建标志置为有效；所述坐标重建标志在初始状态和先前重建的坐标系撤销时置为无效。
更为具体的，在确定飞行器在周期地理坐标系的坐标ot1时，
根据飞行器的经纬高坐标
和子区中心的经纬高/>
计算得到飞行器在周期地理坐标系的坐标ot1：
其中，
(X,Y,Z)为飞行器在地心坐标系的坐标；
(X0,Y0,Z0)为子区中心点在地心坐标系的坐标：
Re为卯酉圈半径，e为地球的第一偏心率。
步骤S202、雷达波束地面中心点修正；根据雷达波束中心俯仰角和方位角以及飞行器的位置修正波束中心点，得到波束中心在固定高斯坐标系的坐标；
更为具体的，所述的雷达波束地面中心点修正包括：
1)根据雷达波束中心俯仰角α1和方位角β1，计算得到波束中心om1在周期地理坐标系的坐标
波束中心om1在周期地理坐标系的坐标
其中，α1水平方向为0°，向上为正，β1北向为0°，逆时针为正。
2)根据子区中心o1的经纬度
和场景中心O的经纬度/>
计算得到子区中心o1在固定高斯坐标系OXZ的坐标为/>
在进行计算子区中心o1在固定高斯坐标系OXZ的坐标为
时，可采用现有的坐标转换方法，不影响本发明的保护范围，具体的坐标转换方法在此就不在赘述了。
3)根据子区中心o1在固定高斯坐标系坐标和波束中心om1在周期地理坐标系的坐标得到修正后的波束中心om1在固定高斯坐标系的坐标
具体的，波束中心om1在固定高斯坐标系的坐标
可近似表征为：
步骤S203、子区在线切换；根据修正后的雷达波束地面中心点在线切换波束照射区域，得到雷达波束照射范围内子区的基准图数据；
具体的，子区在线切换过程包括：
1)SAR成像回波模拟器基带处理单元判断坐标重建标志有效；
2)根据波束中心高斯坐标
基准图分辨率(δX,δZ)确定雷达波束中心在基准图数据二维矩阵的索引值/>
/>
3)根据索引值
结合子区中的像元个数实时得到雷达波束照射范围内基准图数据；
所述基准图数据包括波束照射区域子区的各像元的散射系数、随机相位和位置坐标。
其中，第k个像元的散射系数为Ak；对应第k个像元回波的幅度；第k个像元的坐标为：
其中，(krw，kcl)为第k个像元相对于波束中心的像素偏移量，krw为X轴向的像素偏移量，kcl为Z轴向的像素偏移量，Hk(cl,rw)为第k个像元在Y轴上的坐标。
步骤S204、场景传函计算；在当前PRT时刻，提取所述基准图数据和飞行器位置参数，计算子区场景传递函数；
具体的，场景传函计算过程包括：
1)模拟器按照时钟周期对飞行器位置进行递推得到飞行器位置；
其中，模拟器按照时钟周期对飞行器位置进行递推，递推公式如下：
2)逐像元计算进行像元与飞行器的斜距Rk和延迟tk；
如图4所示，为子区像元斜距计算示意图。
3)计算距离引入的相位值；
4)对每一像元进行相位调制、散射系数幅度加权；
5)对同一距离门内像元相干叠加，得到该子区场景传递函数。
具体的，tn时刻的该子区场景传递函数：
M为落入该距离门像元的个数，Ak、Rk、tk分φk别表示该距离门内第k个像元回波的幅度、距离、延迟和随机相位，Ts为***函数的采样周期；θ为雷达信号的波长。
步骤S205、SAR回波生成；依据雷达时域原始基带信号和子区场景传递函数进行时频域变换得到每一个雷达PRT信号的场景回波；
具体的，雷达射频激励信号下变频和AD变换后生成时域原始基带信号，对该信号和场景传递函数分别做FFT，进行频域相乘，再进行IFFT，得到每一个雷达PRT信号的场景回波。
步骤S206、周期坐标系撤销；检测到雷达脉冲同步信号消失时，则一次成像结束，将坐标重建标志置为无效，撤销该周期坐标系。
在步骤S3中，重复执行步骤S201-S206完成所有子区的SAR回波实时生成。
本发明的另一个实施例公开了一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真***，如图5所示，包括仿真机、SAR、总线快提设备和SAR回波模拟器；
所述仿真机实时进行航迹解算，并按通信周期将飞行器的经纬高、速度、加速度，子区中心经纬高、子区编号发送给SAR回波模拟器；
所述SAR将射频激励信号、时钟信号和脉冲同步信号通过射频电缆注入SAR回波模拟器；
所述总线快提设备实时监听通信数据包，并将SAR的波束指向角发送到SAR回波模拟器；
所述回波模拟器器，执行如上一实施例中所述的坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法产生模拟的SAR回波信号，通过天线阵列及馈电***，将SAR回波信号辐射到微波暗室中，用于SAR景象匹配制导射频半实物仿真。
综上所述，本发明实施例公开的坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法及***，减小了传统方法在固定参考系下进行斜距计算时受地球曲率影响引入的相对位置误差，大大简化了飞行器SAR多子区照射范围计算和回波信号生成的流程，同时，在雷达波束照射范围计算过程中，按照雷达真实位置和真实波束指向进行雷达波束地面中心点计算，保证了仿真和真实场景的一致性，提高了飞行器SAR景象匹配制导射频半实物仿真的准确性和试验效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
SAR回波模拟器按通信周期接收仿真机模拟的飞行器经纬高、速度、加速度，以及飞行器载SAR待成像子区中心经纬高，通过射频电缆接收SAR的射频激励信号、时钟信号和雷达脉冲同步信号，接收总线快提设备发送的SAR的波束指向角；
SAR回波模拟器通过坐标系重建、雷达波束地面中心点修正、子区在线切换、场景传函计算、SAR回波生成和周期坐标系撤销进行单个子区的SAR回波模拟，实时生成单个子区的SAR回波；
采用单个子区的SAR回波模拟方法，SAR回波模拟器对仿真过程中所有子区的SAR回波进行实时生成。
2.根据权利要求1所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的坐标系重建包括：
检测到雷达脉冲同步信号且坐标重建标志为无效时，进行坐标重建建立其以当前成像子区中心为原点，三轴指向为北、天、东的周期地理坐标系，计算出飞行器在周期地理坐标系的坐标位置；将坐标重建标志置为有效；所述坐标重建标志在初始状态和在先重建的坐标系撤销时置为无效。
3.根据权利要求2所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，根据飞行器的经纬高坐标
和子区中心的经纬高坐标/>
计算得到飞行器在周期地理坐标系的坐标ot1：
其中，
(X,Y,Z)为飞行器在地心坐标系的坐标；
(X0,Y0,Z0)为子区中心点在地心坐标系的坐标：
Re为卯酉圈半径，e为地球的第一偏心率。
4.根据权利要求1所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的雷达波束地面中心点修正包括：
1)根据雷达波束中心俯仰角α1和方位角β1，计算得到波束中心om1在周期地理坐标系的坐标
2)根据子区中心o1的经纬度
和场景中心O的经纬度/>
计算得到子区中心o1在固定高斯坐标系OXZ的坐标为/>
3)根据子区中心o1在固定高斯坐标系坐标和波束中心om1在周期地理坐标系的坐标得到修正后的波束中心om1在固定高斯坐标系的坐标
5.根据权利要求4所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，
波束中心om1在周期地理坐标系的坐标
其中，α1水平方向为0°，向上为正，β1北向为0°，逆时针为正；
波束中心om1在固定高斯坐标系的坐标
近似表征为：
6.根据权利要求1所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的子区在线切换为，根据修正后的雷达波束地面中心点在线切换波束照射区域，得到雷达波束照射范围内子区的基准图数据；具体包括：
1)SAR成像回波模拟器判断坐标重建标志有效；
2)根据波束中心高斯坐标
基准图分辨率(δX,δZ)确定雷达波束中心在基准图二维矩阵的索引值/>
3)根据索引值，结合子区像元个数实时得到雷达波束照射范围内基准图数据；
所述基准图数据包括波束照射区域子区的各像元的散射系数、随机相位和位置坐标。
7.根据权利要求6所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的场景传函计算包括：
1)模拟器按照时钟周期对飞行器位置进行递推得到飞行器位置；
2)逐像元计算像元与飞行器的斜距值；
3)计算距离引入的相位值；
4)对每一像元进行相位调制、散射系数幅度加权；
5)对同一距离门内像元相干叠加，得到该子区场景传递函数。
8.根据权利要求7所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，
第k个像元与飞行器的斜距Pk：
tn时刻的该子区场景传递函数：
M为落入该距离门像元的个数，Ak、Rk、tk分φk别表示该距离门内第k个像元回波的幅度、距离、延迟和随机相位，Ts为***函数的采样周期；krw为X轴向的像素偏移量，kcl为Z轴向的像素偏移量，Hk(cl,rw)为第k个像元在Y轴上的坐标，λ为雷达信号的波长。
9.根据权利要求1所述的SAR多子区成像射频仿真方法，其特征在于，SAR回波模拟器进行单个子区的SAR回波模拟中所述的SAR回波生成包括：雷达射频激励信号下变频和AD变换后生成时域原始基带信号，对该信号和场景传递函数分别做FFT，进行频域相乘，再进行IFFT，得到每一个雷达PRT信号的场景回波。
10.一种坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真***，其特征在于，包括仿真机、SAR、总线快提设备、SAR回波模拟器和天线阵列及馈电***；
所述仿真机实时进行航迹解算，并按通信周期将飞行器的经纬高、速度、加速度，以及飞行器载SAR待成像区域的子区中心经纬高，发送给SAR回波模拟器；
所述SAR将射频激励信号、时钟信号和脉冲同步信号通过射频电缆注入SAR回波模拟器；
所述总线快提设备实时监听通信数据包，并将SAR的波束指向角发送到SAR回波模拟器；
所述回波模拟器器，执行如权利要求1-9任一项所述的坐标系周期重建的SAR多子区成像射频仿真方法产生模拟的SAR回波信号，通过天线阵列及馈电***，将SAR回波信号辐射到微波暗室中，用于SAR景象匹配制导射频半实物仿真。
Priority Applications (1)
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| CN116430346A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-07-14 | 西安羚控电子科技有限公司 | 一种sar图像像素点经纬度计算方法及装置 |
| CN116430346B (zh) * | 2023-06-13 | 2023-10-17 | 西安羚控电子科技有限公司 | 一种sar图像像素点经纬度计算方法及装置 |
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