申请/专利权人：中国人民解放军32806部队

申请日：2023-12-28

公开（公告）日：2024-05-28

公开（公告）号：CN118091659A

主分类号：G01S13/90

分类号：G01S13/90

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.06.14#实质审查的生效;2024.05.28#公开

摘要：本发明公开一种基于高斯投影和RD模型的SAR目标定位方法，属于雷达数据处理领域。本发明首先针对合成孔径雷达生成的二维图像，根据雷达参数计算图像高度维边缘的图像相对位置坐标；并通过高斯‑克吕格投影反算得到待定位像素的初始经纬高坐标；然后，联立距离方程、多普勒方程、地球椭球方程构建距离‑多普勒构像模型方程组，对待定位像素的空间直角坐标进行修正迭代。最后，将迭代之后的空间直角坐标作为待定位像素空间直角坐标的最终估计，并将该估计值转换为经纬高坐标作为待定位像素经纬高坐标的最终估计。本发明避免了迭代求解过程中迭代次数较多所造成的收敛较慢，以及目标点易出现偏差的问题，具有便于工程实现的优点。

主权项：1.一种基于高斯投影和RD模型的SAR目标定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、接收到合成孔径雷达方位-距离二维图像数据，在已知合成孔径雷达初始高斯-克吕格坐标的前提下，根据雷达参数计算图像高度维边缘的图像相对位置坐标；经过二维图像中待定位像素与图像高度维边缘的位置关系，得到待定位像素的高斯-克吕格坐标，并通过高斯-克吕格投影反算得到待定位像素的初始经纬高坐标；将接收到的合成孔径雷达二维图像数据记为X，X是P×Q的二维矩阵，其中行数P代表矩阵数据的高度单元数，列数Q代表矩阵数据的宽度单元数；假设在二维图像X中ROI的中心像素为待定位像素，其坐标为p,q，即待定位像素的高度像素坐标为p1≤p≤P，宽度像素坐标为q1≤q≤Q；1.1计算合成孔径雷达的斜视角；1.2计算图像高度维的最大可能偏移量以及图像高度维的最大可能长度；1.3借助于合成孔径雷达初始高斯-克吕格坐标值，计算图像高度维边缘所有点的图像相对位置坐标；合成孔径雷达初始高斯-克吕格坐标值为已知值，并且该坐标值用D1＝[dx1,dy1]T表示，其中dx1表示合成孔径雷达初始高斯-克吕格坐标中的x轴坐标值，dy1表示合成孔径雷达初始高斯-克吕格坐标中的y轴坐标值，·T表示转置；合成孔径雷达跟随载机默认沿直线运动，借助于D1的高斯-克吕格投影坐标，首先计算合成孔径雷达直线运动航迹的各点记为D1-ΔP，…，D1，…，DP+ΔP相对位置坐标， 根据图像高度维边缘像素点与合成孔径雷达的相对位置关系，沿着高度维，计算图像高度维边缘像素点的图像相对位置坐标的图像相对位置坐标；二维图像X的高度维边缘同样设置P+2ΔP个像素，设高度维边缘像素编号为i1≤i≤P+2ΔP，考虑到斜视角θ，在图像相对位置坐标系中近距延迟R0一方面被分解为长度R0sinθ；高度维边缘像素在图像相对位置坐标系中的x轴坐标exi可根据相对应的图像高度维边缘像素点确定，即 其中k为雷达方位向回波调频斜率的符号，若雷达远离目标运动则k＝-1；若雷达朝向目标运动则k＝1；round·为四舍五入取整函数；在图像相对位置坐标系中近距延迟R0另一方面被分解为R0cosθ；已知载机飞行高度为H0与待定位像素的平均海拔高度为h0，高度维边缘像素i在图像相对位置坐标系中的y轴坐标eyi， 其中dir为雷达相对于载机航向的侧视方向参数，若雷达相对于载机航向作左侧视则dir＝-1；若雷达相对于载机航向作右侧视则dir＝1；由此得到高度维边缘像素的图像相对位置坐标集合， 1.4考虑到斜视角θ，根据图像中的目标像素与图像边缘的关系，确定ROI中心像素点的图像相对位置坐标；已知二维图像X中待定位像素在图像中的像素坐标为p,q，即待定位像素的高度像素坐标为p，宽度像素坐标为q；根据宽度像素坐标q，可知待定位像素p,q与雷达之间的直线距离Ra为，Ra＝R0+q·Δr考虑到斜视角θ，在图像相对位置坐标系中直线长度Ra一方面被分解为长度Rxa＝Rasinθ；Rxa与图像的方位向直接相关，待定位像素在图像相对位置坐标系中的x轴坐标txp,q可根据相对应的图像高度维边缘像素点确定，即， 其中k为雷达方位向回波调频斜率的符号，若雷达远离目标运动则k＝-1；若雷达朝向目标运动则k＝1；round·为四舍五入取整函数；在图像相对位置坐标系中直线长度Ra另一方面被分解为Rya＝Racosθ；Rya与图像的距离向直接相关，假设已知合成孔径雷达高度为H0与待定位像素的平均海拔高度为h0，则待定位像素在图像相对位置坐标系中的y轴坐标typ,q 其中dir为雷达相对于载机航向的侧视方向参数，若雷达相对于载机航向作左侧视则dir＝-1；若雷达相对于载机航向作右侧视则dir＝1；由此得到待定位像素的图像相对位置坐标TXp,q＝[txp,q,typ,q]T；1.5进行二维平面坐标系下的坐标转换，将待定位像素的图像相对位置坐标转换为高斯-克吕格坐标1.6按照高斯-克吕格投影中的3度分带，已知合成孔径雷达所在的中央子午线经度为LC，高斯-克吕格坐标再经过高斯-克吕格投影反算转换为经纬坐标，高度设置为待定位像素的平均海拔高度为h0，得到ROI中心像素的经纬高坐标[BT0，LT0，HT0]T；步骤2、将步骤1所得到的初始经纬高坐标转换为空间直角坐标，并联立距离方程、多普勒方程、地球椭球方程构建距离-多普勒构像模型方程组，对待定位像素的空间直角坐标进行修正迭代；当迭代的修正值小于一定阈值或当迭代次数达到上限时，结束迭代；本步骤的具体操作如下：2.1已知步骤1中合成孔径雷达直线运动航迹的各点相对位置坐标D1-ΔP，…，D1，…，DP+ΔP，为了与二维图像X中ROI的中心像素p,q对应，选择合成孔径雷达的相对位置坐标Dp+ΔP，并令DC＝Dp+ΔP；根据载机航向角经过二维平面坐标系下的坐标转换，得到合成孔径雷达的高斯-克吕格坐标GD＝[gdx,gdy]T， 并通过高斯-克吕格投影反算转换为合成孔径雷达的经纬高坐标， HC＝H0其中， 式中tfC＝tanBfC，ηfC＝e′cosBfC，f＝1d，地球长轴半径Re≈6378137米与平坦度因子d＝1f≈298.257为已知量，根据合成孔径雷达的大地纬经高坐标[BC,LC,HC]T，转换为空间直角坐标[XC,YC,ZC]T， 2.2获取雷达在空间直角坐标系下的速度信息已知步骤1中合成孔径雷达直线运动航迹的各点相对位置坐标D1-ΔP，…，D1，…，DP+ΔP，选择合成孔径雷达下一时刻的相对位置坐标Dp+ΔP+1，按照步骤2中①的相同计算流程，将Dp+ΔP+1转换为空间直角坐标，并记为[X1,Y1,Z1]T；根据[X1,Y1,Z1]T与[XC,YC,ZC]T可以计算空间直角坐标系下雷达的速度向量vXYZ为， 其中PRF为雷达发射脉冲的重复频率，作为已知的合成孔径雷达系统参数给出；2.3将步骤1得到的待定位像素经纬高坐标[BT0，LT0，HT0]T作为初始坐标，并将[BT0，LT0，HT0]T转换为空间直角坐标[XT,0,YT,0,ZT,0]T， 2.4基于距离-多普勒的构像模型设置迭代坐标修正值根据距离-多普勒的构像模型，设置雷达与待定位像素p,q的距离条件方程为，XT-XC2+YT-YC2+ZT-ZC2-Ra2＝0雷达与待定位像素p,q的多普勒条件方程为， 其中Ra为待定位像素p,q与雷达之间的直线距离，斜视角θ为合成孔径雷达的照射方向与载机航行方向的垂线之间的锐角夹角，vC为SAR的载机运动速度；地球的椭球方程为 地球长轴半径Re≈6378139米与平坦度因子f≈298.255为已知量；h0已知为待定位像素的平均海拔高度；上述三个方程所组成的距离-多普勒的构像模型是非线性方程组，需要将非线性函数对未知参量按泰勒级数展开，取原方程组的线性近似表达式，采用迭代算法求解；令Iter表示迭代的总次数，Iter＝8，k表示迭代指示变量并且初始值为1，另外设置迭代阈值Th＝1；在第k次1≤k≤Iter迭代中，关于ROI中心像素p,q空间直角坐标修正的系数矩阵记为Ak， 第k次迭代中的常数项向量记为Lk， 令Δk是第k次迭代中待定位像素p,q空间直角坐标的修正向量，即，Δk＝AkTAk-1AkTLk因此第k次迭代中，待定位像素p,q的空间直角坐标更新为[XT,k,YT,k,ZT,k]T，[XT,k,YT,k,ZT,k]T＝[XT,k-1,YT,k-1,ZT,k-1]T-Δk2.5判断向量Δk的模长|Δk|是否超过阈值Th；步骤3、将迭代之后的空间直角坐标作为待定位像素空间直角坐标的最终估计，并将该估计值转换为经纬高坐标作为待定位像素经纬高坐标的最终估计。

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