[发明专利]一种变参数锁定模式弹载聚束SAR的航迹仿真方法

摘要

本发明公开了一种变参数锁定模式弹载聚束SAR航迹仿真方法，包括步骤一、确定仿真中采用的四个坐标系；步骤二、得到坐标系问的转化矩阵；步骤三、设定雷达系统基本仿真参数；步骤四、利用龙格库塔法仿真得到弹体在航迹平面坐标系Em中的粗仿真航迹坐标矩阵；步骤五、得到合成孔径时间内SAR在地球转动坐标系Eg中的粗仿真航迹坐标矩阵；步骤六、得到精准的弹体仿真航迹。本发明提出了一种变参数弹载聚束SAR的锁定工作模式，该模式特有的固定斜视角为弹体制导提供了便利。

主权项

一种变参数锁定模式弹载聚束SAR的航迹仿真方法，包括以下几个步骤：步骤一、确定仿真中采用的四个坐标系：地球转动坐标系Eg、成像场景坐标系Es、视线方向的极坐标系El和弹体航迹平面坐标系Em，具体为：设定以场景中心形成的地球切面为L，SAR的航迹平面为P；(1)地球转动坐标系Eg坐标原点：地心记为Og；X轴记为Xg：在赤道平面内，指向零度经线方向；Y轴记为Yg：在赤道平面内，指向东经90度经线方向；Z轴记为Zg：沿地球自转轴，指向正北极；(2)成像场景坐标系Es坐标原点：场景中心记为Os；X轴记为Xs：在平面L内，指向场景的东方；Y轴记为Ys：在平面L内，指向场景的北方；Z轴记为Zs：过场景中心点，垂直于以场景中心形成的地球切面并背离地心方向；(3)视线方向的极坐标系El坐标原点记为Ol：场景中心；X轴记为Xl：在平面L内，与Yl轴、Zl轴构成右手坐标系；Y轴记为Yl：在平面L内，沿合成孔径中心时刻斜距在该平面内的投影指向SAR传感器；Z轴记为Zl：过场景中心点，垂直于以场景中心形成的地球切面并背离地心方向；(4)弹体航迹平面坐标系Em坐标原点记为Om：场景中心；X轴记为Xm：在弹体航迹平面内，与Ym轴、Zm轴构成右手坐标系；Y轴记为Ym：在弹体航迹平面内，指向目标与SAR传感器的方向；Z轴记为Zm：背离地心方向，指向垂直于弹体航迹平面P的方向；步骤二、确定步骤一中四个坐标系间坐标的转化方法，得到坐标系间的转化矩阵；设SAR在地球转动坐标系Eg中的初始坐标为(Xg0，Yg0，Zg0)，在成像场景坐标系Es中的 初始坐标为(Xs0，Ys0，Zs0)，场景中心在Eg坐标系中坐标(Xp，Yp，Zp)；某时刻SAR在地球转动坐标系Eg中的坐标为(Xg，Yg，Zg)，同时刻SAR在成像场景坐标系Eg中的坐标为(Xs，Ys，Zs)，在视线方向的极坐标系El中的坐标为(Xl，Yl，Zl)，在弹体航迹平面坐标系Em中的坐标为(Xm，Ym，Zm)；(1)获取成像场景坐标系Es到地球转动坐标系Eg的转换矩阵Asg，地球转动坐标系Eg到成像场景坐标系Es的转换矩阵Ags；根据公式(1)和公式(2)获取SAR在合成孔径中心时刻t0的经度φlo与纬度φla： φ l 0 = arctan ( y g 0 x g 0 ) - - - ( 1 ) φ la = arctan ( z g 0 x g 0 2 + y g 0 2 ) - - - ( 2 ) Asg满足公式(3)表示的关系，根据公式(4)可得Asg x g y g z g = x s y s z s + x g 0 2 + y g 0 2 + z g 0 2 A sg - - - ( 3 ) A sg = sin φ la 0 cos φ la 0 1 0 - cos φ la 0 sin φ la cos φ lo - sin φ lo 0 sin φ lo cos φ lo 0 0 0 1 - - - ( 4 ) Asg经求逆运算得到Ags；(2)获取成像场景坐标系Es到视线方向的极坐标系El的转换矩阵Asl，视线方向的极坐标系El到成像场景坐标系Es的转换矩阵Als；根据公式(5)获取合成孔径中心时刻SAR偏离成像场景坐标系EsY轴方向的角度为α，则 α = arctan x s 0 y s 0 - - - ( 5 ) Asl满足公式(6)表示的关系，根据公式(7)可得Asl[xl yl zl ]=[xs ys zs]Asl   (6) A sl = cos α sin α 0 - sin α cos α 0 0 0 1 - - - ( 7 ) Asl经求逆运算得到Als；(3)获取视线方向的极坐标系El到弹体航迹平面坐标系Em的转换矩阵Alm，弹体航迹平面坐标系Em到视线方向的极坐标系El的转换矩阵Aml；根据公式(8)获取合成孔径中心时刻SAR对场景中心的入射角为β，则 β = arcsin x s 0 2 + y s 0 2 x s 0 2 + y s 0 2 + z s 0 2 - - - ( 8 ) 设定航迹平面P与平面L夹角为γ，根据公式(9)获取航迹平面相对旋转角度Ω为 Ω = arccos cos γ sin β - - - ( 9 ) Alm满足公式(10)表示的关系，根据公式(11)可得Asl[xm ym zm]=[xl yl zl]Alm   (10) A lm = 1 0 0 0 sin β cos β 0 - cos β sin β cos Ω 0 - sin Ω 0 1 0 sin Ω 0 cos Ω - - - ( 11 ) Alm经求逆运算得到Aml；步骤三、设定雷达系统基本仿真参数，确定合成孔径时间内SAR的积累转角Δθ，确定沿航迹方向SAR发射的采样脉冲的数量Na；(1)设定雷达系统的参考载频f0，光速c，仿真场景半径D，脉冲持续时间μ，ρa、ρr分别为系统预期的方位向分辨率与距离向分辨率，根据公式(12)获取合成孔径时间内SAR在平面L内积累的转角为Δθ，则 Δθ = 2 tan c 4 f 0 ρ a sin β - - - ( 12 ) (2)设函数nextpow2(·)的为返回值为大于自变量的最小的2的整数次幂对应的整数的函数，由公式(13)获取沿航迹方向SAR发射的采样脉冲的数量Na N a = 2 nextpow 2 ( 3 D ρ a ) - - - ( 13 ) 步骤四、设定龙格库塔法仿真的时间步长th；利用龙格库塔法仿真得到弹体在航迹平面坐标系Em中的采样坐标矩阵Posm；(1)设定弹体飞行速率为V，雷达平台速度方向与弹目斜距间的锁定角度θ，龙格库塔法 仿真的时间步长th；设合成孔径起始时刻为t1，结束时刻为t2，t1 k 1 xf = V sin ( arccot | x f y f | + θ - π 2 ) k 1 yf = - V cos ( arccot | x f y f | + θ - π 2 ) - - - ( 14 ) k 2 xf = V sin ( arccot | x f + k 1 xf t h / 2 y f + k 1 yf t h / 2 | + θ - π 2 ) k 2 yf = - V cos ( arccot | x f + k 1 xf t h / 2 y f + k 1 yf t h / 2 | + θ - π 2 ) - - - ( 15 ) k 3 xf = V sin ( arccot | x f + k 2 xf t h / 2 y f + k 2 yf t h / 2 | + θ - π 2 ) k 3 yf = - V cos ( arccot | x f + k 2 xf t h / 2 y f + k 2 yf t h / 2 | + θ - π 2 ) - - - ( 16 ) k 4 xf = V sin ( arccot | x f + k 3 xf t h / 2 y f + k 3 yf t h / 2 | + θ - π 2 ) k 4 yf = - V cos ( arccot | x f + k 3 xf t h / 2 y f + k 3 yf t h / 2 | + θ - π 2 ) - - - ( 17 ) x 1 f = x f + ( k 1 xf + 2 k 2 xf + 2 k 2 xf + k 4 xf ) t h 6 y 1 f = y f + ( k 1 yf + 2 k 2 yf + 2 k 2 yf + k 4 yf ) t h 6 - - - ( 18 ) (2)重复步骤四的(1)，利用龙格库塔法生成t1～t0时刻SAR的粗仿真航迹在弹体航迹平面坐标系Em中的坐标；综合步骤四的(1)与(2)，得到合成孔径时间内SAR在弹体航迹平面坐标系Em中的粗仿真航迹坐标矩阵，表示为矩阵Posm；步骤五、结合步骤四与步骤二中的结果，经坐标转化后得到合成孔径时间内SAR在地球 转动坐标系Eg中的粗仿真航迹坐标矩阵；Poss为该航迹在地球转动坐标系Eg中的航迹坐标矩阵；结合步骤二中坐标系转化法则，根据公式(19)获取PossPoss=PosmAmlAlsAsg   (19)步骤六、结合变参数SAR体制设计插值方法，对步骤五中得到的粗仿真航迹进行插值，得到精准的弹体仿真航迹；本发明要求SAR回波数据在波数域沿方位向等间隔分布；设在成像场景坐标系Es中，SAR在平面L中偏离Y轴的角度序列为Δε，则 Δϵ = arctan 2 tan Δθ 2 N a i , i = N a 2 , . . . N a 2 . - - - ( 20 ) 由矩阵Poss可得到粗仿真航迹在成像场景坐标系Es中，SAR在平面L中偏离Y轴的角度序列为Δε0；以Δε0为原始数据位置，Poss为原始数据取值，Δε为插值后数据位置，进行插值操作后得到插值后SAR在成像场景坐标系Eg中精准的坐标Possl，即为仿真后得到的SAR航迹。