[发明专利]基于导航卫星信号的双站SAR接收机运动误差补偿方法

摘要

本发明提供一种基于导航卫星信号的双站SAR接收机运动误差补偿方法，包括：建立多普勒调频率与运动误差关系模型；接收机法平面运动误差的估计及补偿；接收机航线方向运动误差的估计及补偿。优点为：根据基于导航卫星信号的双站SAR的结构特点，本发明提出基于瞬时多普勒调频率的方法对接收平台的运动误差进行校正。该方法充分考虑到三维运动误差的真实模型，可以有效地进行运动误差估计和补偿。并且该方法不用插值和迭代处理，处理效率较高，并获得较好的成像结果。

主权项

1.一种基于导航卫星信号的双站SAR接收机运动误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立多普勒调频率与运动误差关系模型，包括以下步骤：步骤1.1，建立XYZ坐标系；接收平台正侧视照射场景，P是场景中任意的一点，为目标点，坐标为(x_P,y_P,z_P)；接收机天线相位中心的理想航线在XOZ平面内且与x轴平行，高度为H_R；接收机天线相位中心沿理想航线以恒速V_R运动，速度误差为Δv(u)，实际速度为V_R+Δv(u)；A为实际航线上一点，Δx(u)、Δy(u)和Δz(u)分别为相对理想航线在x方向、在y方向和在z方向的位置偏移，Δx(u)、Δy(u)和Δz(u)随慢时间u变化；R_R(u)为接收平台实际位置A到目标点P之间的距离；R_R0为接收机理想航线到目标点P的最近距离，是视角，步骤1.2，得到接收平台实际位置A到目标点P的瞬时斜距的表达式为：RR(u)＝[(VRu+Δx(u)‑xP)2+(Δy(u)‑yP)2+(Δz(u)‑zP)2]1/2         (5‑9)步骤1.3，由于接收天线方位向波束宽度较窄，式(5‑9)近似为：步骤2，接收机法平面运动误差的估计及补偿，包括以下步骤：步骤2.1，由式(5‑10)得到由于接收机相对于目标点P运动引起的多普勒历程为：其中：θ(u)为接收机相对于目标点P运动引起的多普勒历程；λ为电磁波长；步骤2.2，由式(5‑11)得到接收机相对于目标点P运动引起的多普勒调频率fRr(u)为：式中，为沿接收机航线的加速度，由于接收机的机械惰性大，沿航线的速度变化比较慢，因此加速度很小，在合成孔径范围内，该项引起的相位误差远小于π/4，可以忽略；是接收机垂直于航线法平面内的加速度；a_y(u)为接收机航线方向加速度在Y轴方向的分量；a_z(u)为接收机航线方向加速度在Z轴方向的分量；步骤2.3，忽略沿航线加速度的影响，式(5‑13)简化为：步骤2.4，考虑场景宽度一般远小于场景中心线到接收机航线的垂直距离R₀，则有R_R0＝R₀+ΔR，根据ΔR＜＜R₀，可得代入式(5‑14)中，整理得：其中，ΔR为距离变化量；A(u)是常数项，B(u)是一次项系数；由公式(5‑15)可以看出，用不同RR0处的回波序列估计得到的fRrRR0与RR0成线性关系；将fRrRR0与RR0的关系用直线拟合分离出常数项和一次项，由其一次项系数可得到ay(u)的估计值：得出ay(u)的估计值后，从A(u)中减掉与ay(u)有关的第三项，即可得到只与V(u)和az(u)有关的常数项C(u)：步骤2.5，利用不同距离单元上的调频率为：将式(5‑18)中的调频率减去项，剩余的项对应于场景中心线的法平面内加速度和线性分量；完成V(u)、a_y(u)和a_z(u)分离后，采用以下方法对录取的回波序列进行运动补偿：根据a_y(u)、a_z(u)以及需要补偿的视角计算出法平面内的加速度将该加速度作两次积分，得到接收天线相位中心在法平面里位置偏移的变化情况，并根据这一位置偏移的变化情况，按照不同距离单元对回波序列进行包络平移和随距离变化的相位补偿因子相乘，进而完成径向运动误差补偿；步骤2.6，偏移量RRN(u)和目标在法平面的侧偏角有关，RRN(u)是垂直距离的函数，场景的宽度一般比场景中心线到航线的距离小很多，因而可将其分解为一次分量补偿和二次分量补偿，一次分量是对场景中心线的补偿分量：二次补偿分量为：其中：RRN1(u)为一次补偿分量；ay(l)接收机航线方向加速度在Y轴方向的分量；az(l)接收机航线方向加速度在Z轴方向的分量；s积分时间；l积分时间；由式(5‑19)可知，由于瞬时径向斜距误差的一次补偿分量RRN1(u)在距离向是慢变的，因此，采用包络平移该一次补偿分量RRN1(u)来补偿距离向的包络误差；对每个距离单元乘以2πRRN1(u)/λ的相位补偿因子来补偿相位误差；二次运动补偿分量和距离差有关的运动误差部分，距离压缩后，按照距离单元进一步精确补偿相位2πRRN2(u)/λ，其包络移动的二次补偿分量RRN2(u)很小，可以忽略；步骤3，接收机航线方向运动误差的估计及补偿，包括以下步骤：步骤3.1，接收机采集信号时，接收机沿X轴飞行，接收机到目标点P的瞬时距离用垂直最短距离表示为：由于合成孔径长度远远小于最短斜距RR0的长度，因此，接收机到目标点P的瞬时距离在x＝xP处作泰勒级数展开，保留其二次项得：其中，RR1(u)为接收机到目标点P的瞬时距离在x＝xP处作泰勒级数展开二次项表达式；接收机在各个时刻的瞬时速度x(u)表示为平均速度和扰动速度Δv之和，从而x(u)写为：其中：Δv(l)为扰动速度；l积分时间将式(5‑23)代入到瞬时距离历程中得到：步骤3.2，回波中由接收机运动引起的相位历程为：步骤3.3，由式(5‑25)得出由接收机运动引起的瞬时多普勒调频率fRr(u)为：式中：其中：为由接收机平均速度产生的多普勒调频率；ΔfRr(u)为速度变化引起的多普勒调频率偏差值；δfRr(u)为加速度变化引起的多普勒调频率偏差值；第一项是由接收机平均速度产生的多普勒调频率，后两项是非理想情况下引起的多普勒调频率偏差值，其中ΔfRr(u)是速度变化引起的，而δfRr(u)是速度变化率即加速度引起的，因为载机速度变化缓慢，其加速度的影响可以忽略不计，从而式(5‑29)可以写为：由式(5‑30)可知，瞬时多普勒调频率在短的积分时间内可视为常数，与散射点的横向位置无关，到接收机的垂直距离相同的所有散射点具有近似相同的调频率；步骤3.4，在瞬时多普勒调频率缓变条件下，瞬时多普勒调频率与散射点的横向位置无关，对到接收机航线上垂直距离相同的散射点目标，其子回波用统一的调频率变化曲线表示；而各散射点子回波的多普勒曲线f_Rr(u)在各个时刻的斜率应等于该时刻瞬时多普勒调频率的值；接收机正侧视照射场景时，当目标到接收机的连线垂直于接收机的航迹时，子回波的多普勒中心频率为0Hz；接收平台飞行过程中，可得到各散射点子回波的多普勒曲线；波束覆盖到垂直距离为R_R0的水平线上各散射点多普勒曲线的瞬时斜率均为f_Rr(u)；在积分时间内，将调频率曲线f_Rr(u)补偿为所需补偿的调频率差为Δf_Rr(u)，将Δf_Rr(u)对慢时间做二重积分得到所需补偿的相位曲线，从实际的相位历程θ(u)中减去该误差相位曲线得到经过补偿后的相位曲线；其中，通过二重积分从Δf_Rr(u)得到Δθ(u)时，先根据实测的载机沿航线的速度V_R(u)以及合成孔径时间t_dw内的平均速度分别计算出实际调频率和平均的调频率f_Rr(u)和从而得到Δf_Rr(u)的曲线；取一段时间中点附近且Δf_Rr(u)为0处作为补偿的起点，并以该起点为准计算慢时间，新的慢时间以u′表示，即Δf_Rr(u′)|_u′＝0＝0，设Δθ(u′)|_u′＝0＝0，Δf_Dr(u′)|_u′＝0＝0，则补偿相位为：Δθ(u′)为补偿相位表达式；步骤3.5，将eΔθ(u′)与实测信号相乘即可补偿多普勒调频率的误差，通过式(5‑31)的相位补偿后，各散射点子回波的调频率基本上已被正确补偿，在成像处理时可以正确聚焦；对ΔfRr(u′)作一次积分，得到各个时刻的多普勒补偿值ΔfDr(u′)为：通过式(5‑32)的补偿，会将原来各子回波多普勒线中多普勒中心频率为0Hz的点移到这一曲线上，对位于u′n的第n个散射点，原fDr(u′n)＝0的点通过补偿后纵向移到ΔfDr(u′n)，而子回波补偿后的多普勒零点将横向平移ΔUn，即：考虑到式(5‑33)写成：步骤3.6，理想航迹与实际航迹时刻点之差ΔU′为：以实录数据时刻为准，散射点的横向位置相对于理想航迹的时刻具有的偏差为：式(5‑36)中的近似等式采用的条件，因为V(u)与差别不大，按式(5‑36)作调整，可以清除由运动补偿方法带来的图形横向形变；至此实现对接收机法平面运动误差的估计及补偿，以及对接收机航线方向运动误差的估计及补偿。