基于幾何投影的雙基前視sar成像面預(yù)測方法
【專利摘要】一種基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，首次將現(xiàn)有的單基ISAR成像面預(yù)測技術(shù)拓展到雙基前視SAR系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)雙基前視SAR成像面預(yù)測，能直觀地演示出目標(biāo)在雙基前視SAR成像處理后圖像的基本形態(tài)。與雙基地逆合成孔徑雷達(dá)成像平面分析相比，本發(fā)明在成像平面分析中考慮了目標(biāo)的自旋、俯仰、橫滾、偏航等復(fù)雜轉(zhuǎn)動(dòng)，在成像面分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了成像面預(yù)測，能夠獲得目標(biāo)模型在給定成像條件下的成像面視圖。本發(fā)明不僅適用于雙基前視SAR，還適用于雙基SAR和雙基地ISAR。
【專利說明】基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar,簡稱SAR)成像信號 處理方法，特別是涉及一種雙基前視SAR (Bistatic Forward-looking SAR，簡稱BFSAR)成 像面預(yù)測方法，尤其涉及一種基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是通過信號處理技術(shù)對 地面景物進(jìn)行成像的一種新體制雷達(dá)。雙基SAR的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分置在不同的平臺上， 系統(tǒng)配置更加靈活，通過合理的空間幾何布局，使飛行器的航跡與距離向平行、跟方位向正 交，形成雙基前視SAR (Bistatic Forward-looking SAR，簡稱BFSAR)，能夠在飛行器正前方 區(qū)域形成高分辨二維成像所必需的等距離線和等多普勒線的近似正交分割，在機(jī)理上具備 前視高分辨成像的能力，能解決SAR存在的成像盲區(qū)。BFSAR繼承了傳統(tǒng)雙基SAR的優(yōu)點(diǎn)， 加上自身的特殊性，使其具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 成像雷達(dá)獲得的雷達(dá)圖像實(shí)際是目標(biāo)在投影平面上的二維投影，投影平面也被稱 為目標(biāo)的圖像投影平面（Image Projection Plane,簡稱IPP)，即成像面。目標(biāo)和雷達(dá)之 間的相對運(yùn)動(dòng)可以分解成目標(biāo)上某參考點(diǎn)相對于雷達(dá)的平動(dòng)以及目標(biāo)圍繞參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)， 去除平動(dòng)，對目標(biāo)成像就等效為一個(gè)轉(zhuǎn)臺成像問題。通常，對于在某一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺目 標(biāo)，其圖像投影平面就是轉(zhuǎn)臺平面。但是，對于海面上航行的艦船目標(biāo)來說，其運(yùn)動(dòng)比較復(fù) 雜。受海情的影響，艦船自身存在著三維轉(zhuǎn)動(dòng)，即橫搖、縱搖和偏航，這三種分量均是時(shí)間的 函數(shù)，在觀測時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)的轉(zhuǎn)軸會(huì)隨時(shí)間而變化，成像面也會(huì)隨之不斷變化。因而，研究成 像面預(yù)測方法，以作為目標(biāo)仿真的有力補(bǔ)充和驗(yàn)證手段是必要的。
[0004] 成像面預(yù)測以成像面分析理論為基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算直接獲得目標(biāo)模型在給定成 像條件下的成像面視圖，能夠直觀地演示出目標(biāo)在成像處理后圖像的基本形態(tài)。文獻(xiàn)1 (王 佳.逆合成孔徑雷達(dá)對海面艦船目標(biāo)成像技術(shù)研究，碩士學(xué)位論文.南京：南京航空航天 大學(xué)，2010.)中公開了單基ISAR成像面預(yù)測技術(shù)。然而，由于收發(fā)分置和接收機(jī)前視帶來 的幾何關(guān)系變化，雙基前視SAR中的成像面發(fā)生了較大變化，成像的方位軸與距離軸在許 多情況下并不正交，因此，單基ISAR成像面預(yù)測技術(shù)已不能直接應(yīng)用到雙基前視SAR系統(tǒng) 中。文獻(xiàn)2(董健，尚朝軒，高梅國，傅雄軍.雙基地逆合成孔徑雷達(dá)成像平面分析.火力與 指揮控制，2011年3月，36 (3) :62?69.)和文獻(xiàn)3 (董健，尚朝軒，高梅國，傅雄軍.雙基 地ISAR成像平面研究及目標(biāo)回波模型修正.電子與信息學(xué)報(bào)，2010年8月，32 (8) : 1855? 1862.)中提出了雙基地ISAR成像面分析技術(shù)，但該技術(shù)沒有考慮目標(biāo)的自旋、俯仰、橫滾、 偏航等復(fù)雜轉(zhuǎn)動(dòng)，也沒有在成像面分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步對成像面預(yù)測進(jìn)行研究，并且該成像 面分析技術(shù)也不能直接應(yīng)用到雙基前視SAR系統(tǒng)中。
[0005] 目前，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有成熟的技術(shù)能夠解決雙基前視SAR的成像面預(yù)測問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于解決雙基前視SAR的成像面預(yù)測問題。
[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種基于幾何投影的雙基前視SAR成 像面預(yù)測方法的解決方案，具體如下：
[0008] 一種基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，步驟如下：
[0009] 步驟1 :建立成像幾何坐標(biāo)系0ΧΥΖ ;
[0010] 步驟2 :確定艦船目標(biāo)經(jīng)航行和搖擺后在成像幾何坐標(biāo)系0ΧΥΖ中的坐標(biāo)；
[0011] 步驟3 :確定雙基前視SAR的距離向矢量；
[0012] 步驟4 :確定發(fā)射機(jī)RL0S方向的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量；
[0013] 步驟5 :確定接收機(jī)RL0S方向的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量；
[0014] 步驟6 :由兩個(gè)有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量確定雙基前視SAR的方位向矢量；
[0015] 步驟7 :由距離向矢量和方位向矢量建立成像面坐標(biāo)系0ΜΚΡ，成像面坐標(biāo)系0ΜΚΡ 中的面Μ0Κ即為所求的成像面；
[0016] 步驟8 :計(jì)算成像幾何坐標(biāo)系0ΧΥΖ與成像面坐標(biāo)系0ΜΚΡ之間的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0017] 步驟9 :由旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算艦船目標(biāo)在成像面坐標(biāo)系0ΜΚΡ中的坐標(biāo)；
[0018] 步驟10 :將艦船目標(biāo)在成像面坐標(biāo)系0ΜΚΡ中的坐標(biāo)投影到成像面Μ0Κ面上得到 目標(biāo)在成像面上的幾何投影二維圖像。
[0019] 步驟1是以艦船模型中心為原點(diǎn)建立地理坐標(biāo)系0ΧΥΖ，即成像幾何坐標(biāo)系。
[0020] 步驟2是根據(jù)海情、艦船模型、艦船速度計(jì)算艦船搖擺幅度和搖擺周期，進(jìn)而確定 艦船模型經(jīng)航行及三維搖擺后在成像幾何坐標(biāo)系0ΧΥΖ中的坐標(biāo)位置。
[0021] 步驟3是利用接收機(jī)RL0S和發(fā)射機(jī)RL0S確定雙基前視SAR的距離向矢量。
[0022] 步驟4是先分別計(jì)算由發(fā)射機(jī)飛行、艦船航行引起的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，再計(jì)算由艦 船三維搖擺產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量在發(fā)射機(jī)RL0S正交平面上的投影，最后由矢量相加得到發(fā)射 機(jī)RL0S方向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量。
[0023] 步驟5是先分別計(jì)算由接收機(jī)飛行、艦船航行引起的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，再計(jì)算由艦 船三維搖擺產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量在接收機(jī)RL0S正交平面上的投影，最后由矢量相加得到接收 機(jī)RL0S方向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量。
[0024] 步驟6是根據(jù)步驟4得到的發(fā)射機(jī)RL0S方向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量和步驟5得到的 接收機(jī)RL0S方向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量確定雙基前視SAR的方位向矢量。
[0025] 步驟7是根據(jù)步驟3得到的距離向矢量和步驟6得到的方位向矢量建立成像面坐 標(biāo)系0ΜΚΡ，面Μ0Κ即為成像面。
[0026] 步驟8是根據(jù)步驟1建立的幾何坐標(biāo)系0ΧΥΖ和步驟7建立的成像面坐標(biāo)系0ΜΚΡ 計(jì)算兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0027] 步驟9是將步驟8得到的旋轉(zhuǎn)矩陣作用于艦船模型數(shù)據(jù)，得到艦船在成像面坐標(biāo) 系0ΜΚΡ下的三維坐標(biāo)位置。
[0028] 步驟10在0ΜΚΡ坐標(biāo)系中將艦船模型數(shù)據(jù)投影到Μ0Κ平面上就得到了艦船在成像 面上的幾何投影二維圖像。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：
[0030] (1)本發(fā)明首次將現(xiàn)有的單基ISAR成像面預(yù)測技術(shù)拓展到雙基前視SAR系統(tǒng)中， 實(shí)現(xiàn)雙基前視SAR成像面預(yù)測，能直觀地演示出目標(biāo)在雙基前視SAR成像處理后圖像的基 本形態(tài)。
[0031] (2)與雙基地逆合成孔徑雷達(dá)成像平面分析相比，本發(fā)明在成像平面分析中考慮 了目標(biāo)的自旋、俯仰、橫滾、偏航等復(fù)雜轉(zhuǎn)動(dòng)，在成像面分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了成像面預(yù)測，能 夠獲得目標(biāo)模型在給定成像條件下的成像面視圖。本發(fā)明不僅適用于雙基前視SAR，還適用 于雙基SAR和雙基地ISAR。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1是雙基前視SAR成像幾何模型示意圖。
[0033] 圖2是雙基前視SAR成像面與有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量關(guān)系示意圖。
[0034] 圖3是本發(fā)明信號處理流程圖。
[0035] 圖4是海面艦船六個(gè)自由度度的運(yùn)動(dòng)。
[0036] 圖5是艦船航向?yàn)榍闆r1的結(jié)果圖：圖5(a)是采用本發(fā)明方法處理得到的成像面 預(yù)測結(jié)果；圖5(b)是實(shí)際雙基前視SAR成像處理后的結(jié)果。
[0037] 圖6是艦船航向?yàn)榍闆r2的結(jié)果圖：圖6(a)是采用本發(fā)明方法處理得到的成像面 預(yù)測結(jié)果；圖6(b)是實(shí)際雙基前視SAR成像處理后的結(jié)果。
[0038] 圖7是艦船航向?yàn)榍闆r3的結(jié)果圖：圖7(a)是采用本發(fā)明方法處理得到的成像面 預(yù)測結(jié)果；圖7(b)是實(shí)際雙基前視SAR成像處理后的結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0039] 該實(shí)驗(yàn)中雙基前視SAR成像幾何模型如圖1所示，坐標(biāo)系0ΧΥΖ為成像幾何坐標(biāo) 系，艦船以速度矢量A航行。接收機(jī)前視，t時(shí)刻以速度矢量v,.(〇飛行，接收雷達(dá)與艦船目 標(biāo)中心0的瞬時(shí)距離為艮(t)，艮為合成孔徑中心時(shí)刻接收雷達(dá)到0點(diǎn)的距離。發(fā)射機(jī)側(cè) 視，t時(shí)刻以速度矢量Η(〇飛行，發(fā)射雷達(dá)與艦船目標(biāo)中心0的瞬時(shí)距離為R t(t)，Rt為合 成孔徑中心時(shí)刻發(fā)射雷達(dá)到0點(diǎn)的距離。
[0040] 雙基前視SAR成像面與有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量的關(guān)系如圖2所示。在合成孔徑中心時(shí)刻，設(shè) X〇軸方向指向發(fā)射機(jī)，為方便理解，建立右手坐標(biāo)系〇ΧΛ)Ζ〇 (而本發(fā)明的所有計(jì)算均在成像 幾何坐標(biāo)系0ΧΥΖ中完成），使接收機(jī)雷達(dá)視線也位于面內(nèi)，發(fā)射機(jī)RL0S、接收機(jī)RL0S 方向上的單位矢量分別為（、（，β為雙基地角。目標(biāo)相對于雷達(dá)的總轉(zhuǎn)動(dòng)矢量為巧，目 標(biāo)上任一散射點(diǎn)Α的坐標(biāo)為（X，y, ζ),由

【權(quán)利要求】
1. 一種基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在于，步驟如下： 步驟1 :建立成像幾何坐標(biāo)系OXYZ ; 步驟2 :確定艦船目標(biāo)經(jīng)航行和搖擺后在成像幾何坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)； 步驟3 :確定雙基前視SAR的距離向矢量； 步驟4 :確定發(fā)射機(jī)RLOS方向的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量； 步驟5 :確定接收機(jī)RLOS方向的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量； 步驟6 :由兩個(gè)有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量確定雙基前視SAR的方位向矢量； 步驟7 :由距離向矢量和方位向矢量建立成像面坐標(biāo)系OMKP，成像面坐標(biāo)系OMKP中的 面MOK即為所求的成像面； 步驟8 :計(jì)算成像坐標(biāo)系OXYZ與成像面坐標(biāo)系OMKP之間的旋轉(zhuǎn)矩陣； 步驟9 :由旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算艦船目標(biāo)在成像面坐標(biāo)系0MKP中的坐標(biāo)； 步驟10 :將艦船目標(biāo)在OMKP中的坐標(biāo)投影到成像面M0K面上得到目標(biāo)在成像面上的 幾何投影二維圖像； 所述的步驟1是以艦船模型中心為原點(diǎn)建立地理坐標(biāo)系0XYZ，即成像幾何坐標(biāo)系； 所述的步驟2是根據(jù)海情、艦船模型、艦船速度計(jì)算艦船搖擺幅度和搖擺周期，進(jìn)而確 定艦船模型經(jīng)航行及三維搖擺后在成像幾何坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)位置； 所述的步驟3是利用接收機(jī)RLOS和發(fā)射機(jī)RLOS確定雙基前視SAR的距離向矢量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在于 步驟4是先分別計(jì)算由發(fā)射機(jī)飛行、艦船航行引起的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，再計(jì)算由艦船三維搖 擺產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量在發(fā)射機(jī)RLOS正交平面上的投影，最后由矢量相加得到發(fā)射機(jī)RLOS方 向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在于 步驟5是先分別計(jì)算由接收機(jī)飛行、艦船航行引起的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，再計(jì)算由艦船三維搖 擺產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量在接收機(jī)RLOS正交平面上的投影，最后由矢量相加得到接收機(jī)RLOS方 向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在于 步驟6是根據(jù)步驟4得到的發(fā)射機(jī)RLOS方向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量和步驟5得到的接收機(jī)RLOS 方向總的有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量確定雙基前視SAR的方位向矢量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在 于步驟7是根據(jù)步驟3得到的距離向矢量和步驟6得到的方位向矢量建立成像面坐標(biāo)系 0MKP，面M0K即為成像面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在于 步驟8是根據(jù)步驟1建立的幾何坐標(biāo)系OXYZ和步驟7建立的成像面坐標(biāo)系OMKP計(jì)算兩坐 標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在于 步驟9是將步驟8得到的旋轉(zhuǎn)矩陣作用于艦船模型數(shù)據(jù)，得到艦船在成像面坐標(biāo)系OMKP下 的三維坐標(biāo)位置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于幾何投影的雙基前視SAR成像面預(yù)測方法，其特征在于 步驟10在OMKP坐標(biāo)系中將艦船模型數(shù)據(jù)投影到M0K平面上就得到了艦船在成像面上的幾 何投影二維圖像。
【文檔編號】G01S13/90GK104297750SQ201410499861
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】李勇, 劉麗, 汪玲, 向天舜, 夏慧婷 申請人:南京航空航天大學(xué)