一種機載雙天線雙測量裝置干涉sar基線運動測量方法

專利名稱：一種機載雙天線雙測量裝置干涉sar基線運動測量方法
技術領域：
本發明涉及一種機載雙天線雙測量裝置干涉SAR(Synthetic ApertureRadar，合成孔徑雷達)基線運動測量方法，特別適用于干涉SAR載機平臺高頻振動環境下的基線運動精確測量的測量方法。
背景技術：
SAR高分辨率遙感成像具有全天候成像、穿透成像、立體成像等優勢，在戰場偵察、全球實時預警、國土資源測繪、環境監測與保護、氣候及自然災害監測預警等領域有重要用途，是實現對地觀測的軍民兩用高技術裝備。干涉SAR是將相位干涉技術與合成孔徑雷達技術結合的產物，主要用于獲得地形相對高度信息。干涉SAR具有測量精度高，覆蓋范圍大，工作效率高的特點。
干涉SAR測量高度原理在垂直于載機飛行方向的平面內安裝兩個由基線相連的SAR天線，一個天線發射信號，兩個天線同時接收，如附圖1所示。由于干涉SAR兩個天線空間位置不同，其接收信號存在一定的路程差ΔR，該路程差ΔR與基線長度d、基線傾斜角α以及測高傾角θ相關，見附圖2(a)，由于基線長度d＜＜地面目標距離r，因此ΔR≈d cos(α+θ)路程差導致SAR回波時間延遲，并繼而導致相位差φφ=2πdλcos(α+θ)]]>其中λ為工作波長，干涉SAR系統通過對雙天線接收信號干涉處理獲得相位差φ，并由上式反算出測高傾角θ。假設已知參考平面高度H，利用干涉SAR測量高度幾何關系可獲得地面成像區域相對高度信息h，見附圖2(b)，h＝H-r cos(θ)
從干涉SAR測量高度原理可見，干涉SAR需要精確測量基線長度d和基線傾斜角α。由于基線在載機飛行過程中持續隨機振動，基線長度d和基線傾斜角α隨機變化，嚴重影響干涉相位和相對高度的測量精度。事實上，基線長度d和基線傾斜角α由兩個天線的運動共同決定，因此干涉SAR系統運動測量和補償系統的難度更大。
目前常規干涉SAR運動測量和補償系統均沒有精確測量基線遠端天線隨機振動和彈性形變，近似認為基線為剛性梁，由基線近端(靠近機身一端)天線運動參數直接推算基線遠端(遠離機身一端)天線運動參數。由于推算過程必然會引入隨機振動誤差，所以無論如何提高基線近端天線運動測量裝置的精度(成本隨之提高)，隨機振動引起的誤差將嚴重影響基線遠端天線運動測量精度，導致無法精確測量基線長度d和基線傾斜角α，從而嚴重影響干涉SAR高度測量精度。

發明內容
本發明的要解決的技術問題是克服現有技術存在的不足，提供一種機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，在振動情況下同時提高基線近端和遠端天線運動測量精度，從而提高基線長度d和基線傾斜角α測量精度，為提高干涉SAR高度測量精度奠定基礎。
本發明解決其技術問題采用的技術方案包括以下步驟對于基線近端天線，利用SAR多視原理，將機載雙天線雙測量裝置干涉SAR工作過程中的每一個合成孔徑時間分成前后兩個時段，在前后1/2合成孔徑時間內分別計算兩個天線獲得回波的干涉相位，再計算前后兩個時段的干涉相位差，利用干涉相位差計算載機橫滾角變化率，經過捷聯慣性導航解算和坐標轉換后得到基線近端天線的橫滾角信息，并將其增加為慣性導航+GPS組合導航系統的觀測量，抑制其姿態測量誤差的發散；對于基線遠端天線，采用硅MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微電機系統)慣性器件構成的慣性導航作為遠端天線運動測量裝置，其測量中心安裝于與基線遠端天線相位中心重合的位置，實現短時間純慣性測量，采用速度配準方法，將基線視為剛性梁實現基線近端天線高精度運動測量裝置向基線遠端天線低精度運動測量裝置的粗傳遞對準；在粗傳遞對準結果的基礎上，利用局部相對導航技術和硅MEMS慣性導航的輸出數據，測量基線遠端天線的運動參數。
在所述計算載機橫滾角變化率時，根據基線近端高精度慣性導航在初始工作階段測量的橫滾角數據與用干涉相位獲得的橫滾角數據，估算載機俯仰角和橫滾角對干涉相位的影響分量并補償。
所述硅MEMS慣性器件構成的慣性導航為用三個硅MEMS加速度計和三個硅MEMS陀螺儀構成三維正交測量的慣性導航，在工作過程中，采用在線實時標定硅MEMS加速度計和陀螺儀隨機常值和標度因數的方法提高硅MEMS慣性器件的精度。
所述硅MEMS慣性器件構成的慣性導航的安裝位置與基線遠端天線相位中心重合，若由于結構所限無法完全重合，則校正桿臂效應。
在所述粗傳遞對準時，將基線視為剛性梁，采用速度配準方法實現基線近端天線運動測量裝置向基線遠端天線運動測量裝置的傳遞對準。
所述測量基線遠端天線的運動參數的方法是，在粗傳遞對準結果的基礎上，利用陀螺儀輸出的角速率信息，采用四元數法在粗傳遞對準姿態數據的基礎上進一步更新兩次粗傳遞對準之間基線遠端天線姿態數據；在更新姿態數據的基礎上，分解三軸加速度計實際測量值，并經過兩次積分得到基線遠端天線速度和位置信息。
利用干涉SAR雙天線干涉相位獲取載機橫滾角信息的方法是依據SAR成像的多視原理，將一個完整的合成孔徑時間分為兩個相等的時間段，在前后兩段1/2合成孔徑時間內，干涉SAR的兩個天線分別獲得同一地區的常規二維SAR圖像，兩個天線在兩個1/2合成孔徑時間內共計獲得4幅常規SAR圖像。計算兩段1/2合成孔徑時間內兩幅不同天線獲得的常規二維SAR圖像在各個對應像素的干涉相位，即在前后兩段1/2合成孔徑時間內各得到一幅干涉圖像，兩個相鄰1/2合成孔徑時間內共計獲得兩幅干涉SAR圖像。兩幅干涉圖像是在兩段時間對同一地區干涉成像的結果，對兩幅干涉圖像進行進一步的干涉處理，能夠獲得包含了兩個時間段載機橫滾角變化信息的二次干涉圖像。假設橫滾角變化周期遠大于合成孔徑時間，1/2合成孔徑時間的采樣周期能夠滿足采樣定理的要求，則根據二次干涉信息能夠完全復現載機橫滾角的變化。橫滾角變化率Δβ可由下式求得Δβ=β1-β2=cos-1(φ2λ2πd)-cos-1(φ1λ2πd)]]>其中β1，β2分別為前后兩段1/2合成孔徑時間所獲得的載機橫滾角，φ1，φ2，分別為前后兩段1/2合成孔徑時間所獲得的兩個天線之間的干涉相位。需要說明的是，二次干涉圖像每個像素點的相位都包含了相同的橫滾角變化信息和不同的隨機噪聲，因此對二次干涉圖像每個像素點相位求算術平均可以達到降噪的目的。
提高基線近端天線慣性導航+GPS組合導航系統精度的方法是在慣性導航+GPS組合導航系統中增加橫滾角變化率β·=ΔβΔt]]>為觀測量，抑制了組合導航姿態誤差的發散，在不增加硬件成本的情況下提高了慣性導航+GPS組合導航系統的精度。
采用硅MEMS慣性導航作為基線遠端天線運動測量裝置的原理是采用硅MEMS慣性導航作為基線遠端天線運動測量的硬件裝置，提出了適應隨機振動環境的測量方法，實現了對基線遠端天線運動的高精度測量，同時滿足了小體積、輕質量、低成本等要求。
基線遠端天線在隨機振動環境下粗傳遞對準和局部相對導航的方法是在基線遠端天線設置單獨的運動測量裝置，即體積小、重量輕、功耗低的硅MEMS慣性導航；仍然將基線視為剛性梁，利用實現測量的基線參數實現粗傳遞對準，由此可以獲得基線遠端天線隨機振動中心的位置；以粗傳遞對準結果為初始值，利用硅MEMS慣性導航輸出數據，采用局部相對導航方法實現對基線遠端天線的實時運動測量。局部相對導航方法原理以每n秒末粗傳遞對準給出的基線遠端天線運動參數為初始值，在兩次粗傳遞對準之間，采用硅MEMS慣性導航陀螺儀、加速度計的輸出數據經過導航解算獲取基線遠端天線運動參數，即利用陀螺儀的輸出更新基線遠端天線的姿態數據；利用加速度計的輸出，以更新后的姿態為基準計算基線遠端天線在給定坐標系各個方向的速度和位移。
機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方案，與現有技術相比優點在于(1)采用基于硅MEMS慣性器件的慣性導航實現對基線遠端天線的運動測量，滿足其成本低、體積小、重量輕、功耗低、短時精度高的要求；(2)利用干涉SAR系統特有的干涉相位信息獲得載機橫滾角信息，為干涉SAR基線近端天線運動測量組合導航系統提供更多觀測信息，在不增加系統硬件成本的前提下提高了基線近端天線運動測量精度；(3)將基線視為剛性梁實現粗傳遞對準，并利用硅MEMS慣性導航輸出值和局部相對導航技術修正粗傳遞對準的結果，較之傳統方案，既不顯著增加傳遞對準的難度和成本，又提高了對基線遠端天線的運動測量精度。


圖1為干涉SAR系統兩個天線與機身位置關系示意圖；圖2為現有技術中的干涉SAR測量高度原理幾何關系示意圖；圖3為利用干涉SAR雙天線干涉相位獲取載機橫滾角信息的方案中前后兩段1/2合成孔徑時段基線橫滾角變化率測量原理圖；圖4為基線遠端天線隨機振動的軌跡圖；圖5為本發明的機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量系統工作流程圖。
具體實施例方式
系統硬件配置要求1、兩個機載干涉SAR天線一個位于機身側面，另一個遠離機身，二者構成的基線垂直于載機飛行方向，參見附圖1。基線近端天線可發送SAR信號，也可接收；基線遠端天線僅接收由基線近端天線發送的SAR回波信號，其收發模式為基線近端天線發送，兩個天線同時接收。
2、在靠近兩個天線相位中心的位置分別安裝運動測量裝置。基線近端天線運動測量裝置為光纖或者撓性慣性導航+GPS組合導航系統，基線遠端天線運動測量裝置為硅MEMS慣性導航。
系統具體實施方式
是基線近端天線運動測量用慣性導航+GPS組合導航系統首先完成常規初始對準，干涉SAR系統開始工作，系統具體工作流程如附圖5所示。干涉SAR系統工作第一階段，采用比對法提高橫滾角測量精度，即比對以下兩種方法得到的橫滾角數據并補償①直接用基線近端慣性導航獲得的載機橫滾角數據；②利用干涉相位獲得的橫滾角數據。由于慣性導航初始工作階段精度較高，因此兩種方法獲得的橫滾角數據之差可用于估計并補償俯仰角、偏航角對干涉相位的影響，提高利用干涉相位估計橫滾角的精度。干涉SAR系統第一階段工作結束后，均利用補償后的干涉相位獲取橫滾角信息，具體計算方法為依據SAR成像的多視原理，將一個完整的合成孔徑時間分為兩個相等的時間段，在前后兩段1/2合成孔徑時間內，干涉SAR的兩個天線分別獲得同一地區的常規二維SAR圖像，兩個天線在兩個1/2合成孔徑時間內共計獲得4幅常規SAR圖像。計算前后兩段1/2合成孔徑時間內兩幅不同天線獲得的常規二維SAR圖像在各個對應像素的干涉相位，即在前后兩段1/2合成孔徑時間內各得到一幅干涉圖像，兩個相鄰1/2合成孔徑時間內共計獲得兩幅干涉SAR圖像。兩幅干涉圖像是在兩段時間對同一地區干涉成像的結果，對兩幅干涉圖像進行進一步的干涉處理，能夠獲得包含了兩個時間段載機橫滾角變化信息的二次干涉圖像。假設橫滾角變化周期遠大于合成孔徑時間，1/2合成孔徑時間的采樣周期能夠滿足采樣定理的要求，則根據二次干涉信息能夠完全復現載機橫滾角的變化。如圖3所示，橫滾角變化率Δβ可由下式求得。
Δβ=cos-1(φ2λ2πd)-cos-1(φ1λ2πd)]]>
其中λ，d，φ1，φ2，分別為干涉SAR工作波長，基線長度和前后兩段兩個1/2合成孔徑時間內兩個天線的干涉相位。
傳統的慣導+GPS組合導航系統中一般包括15維狀態變量和6維觀測向量，6維觀測向量是高精度GPS位置速度測量值與慣導位置速度測量值的差值。由于GPS無法提供高精度姿態信息，長時間工作的組合導航系統姿態誤差發散。在基線近端天線慣性導航+GPS組合導航系統中增加橫滾角變化率β·=ΔβΔt]]>為觀測量之一，組合導航系統狀態變量15維保持不變，觀測向量由6維增加為7維，增加的觀測量為高精度的姿態數據，從而抑制了組合導航姿態誤差的發散。
隨機振動環境下的傳遞對準一直是困擾慣性導航技術領域工程技術人員的難題，原因在于隨機振動頻率高、幅度小，對慣導測量裝置的響應帶寬和測量精度提出了很高的要求。干涉SAR基線一端固定，因此其隨機振動具有中心密集、邊緣稀疏的特點，見附圖1和圖4。可見由于基線近端與機身固連，其遠端在隨機振動過程中出現在中心位置的概率遠大于出現在其它邊緣位置的概率。本發明在基線遠端天線設置單獨的運動測量裝置，即體積小、重量輕、功耗低的硅MEMS慣導；仍然將基線視為剛性梁，利用實現測量的基線參數實現粗傳遞對準，由此可以獲得基線遠端天線隨機振動中心的位置；以粗傳遞對準結果為初始值，利用硅MEMS慣導輸出數據，采用局部相對導航方法實現對基線遠端天線的實時運動測量。局部相對導航方法原理以每n秒末粗傳遞對準給出的基線遠端天線運動參數為初始值，在兩次粗傳遞對準之間，采用硅MEMS慣導陀螺儀、加速度計的輸出數據經過導航解算獲取基線遠端天線運動參數，即利用陀螺儀的輸出更新基線遠端天線的姿態數據；利用加速度計的輸出，以更新后的姿態為基準計算基線遠端天線在給定坐標系各個方向的速度和位移。
為干涉SAR基線遠端天線安裝的硅MEMS慣性導航，若受結構所限無法將硅MEMS慣性導航測量中心與干涉SAR基線遠端天線相位中心完全重合，則需要事前采用搜索優化等方法精確估計二者之間的差距，并在硅MEMS慣性導航相應輸出值中予以補償，即補償該差距在角運動情況下對基線遠端天線速度和位置測量精度的影響，上述過程為桿臂效應校正。
在干涉SAR系統工作之前無振動情況下精確測量基線長度d和傾斜角α，將基線視為剛性梁實現粗傳遞對準。粗傳遞對準過程①建立計算參數匹配傳遞對準Kalman(卡爾曼)濾波模型；②計算每個濾波器狀態變量的可觀測度并據此選擇適當的狀態變量；③將基線視為剛性梁校正桿臂效應后計算傳遞對準Kalman濾波器的觀測量，完成從基線近端天線高精度運動測量裝置向基線遠端天線低精度運動測量裝置的粗傳遞對準，獲得基線遠端天線振動中心的測量值。
以粗傳遞對準的結果，即基線遠端天線振動中心位置測量量為初始值，利用硅MEMS慣性導航的輸出數據，即陀螺儀和加速度計測量的角速率和加速度信息，基于局部相對導航技術修正粗傳遞對準的結果。即利用陀螺儀輸出的角速率信息，采用四元數法在粗傳遞對準姿態數據的基礎上進一步更新兩次粗傳遞對準之間基線遠端天線姿態數據；在更新姿態數據的基礎上，利用坐標轉換原理，分解三軸加速度計實際測量值，并經過兩次積分得到基線遠端天線速度和位置信息，使得基線遠端天線運動測量精度接近基線近端天線運動測量精度。
權利要求
1.一種機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，其特征在于包括以下步驟對于基線近端天線，將機載雙天線雙測量裝置干涉SAR工作過程中的每一個合成孔徑時間分成前后兩個時段，在前后1/2合成孔徑時間內分別計算兩個天線獲得回波的干涉相位，再計算前后兩個時段的干涉相位差，利用干涉相位差計算載機橫滾角變化率，經過捷聯慣性導航解算和坐標轉換后得到基線近端天線的橫滾角信息，并將其增加為慣性導航+GPS組合導航系統的觀測量，抑制其姿態測量誤差的發散；對于基線遠端天線，采用硅MEMS慣性器件構成的慣性導航作為遠端天線運動測量裝置，其測量中心安裝于與基線遠端天線相位中心重合的位置，實現短時間純慣性測量，采用速度配準方法，將基線視為剛性梁實現基線近端天線高精度運動測量裝置向基線遠端天線低精度運動測量裝置的粗傳遞對準；在粗傳遞對準結果的基礎上，利用局部相對導航技術和硅MEMS慣性導航的輸出數據，測量基線遠端天線的運動參數。
2.根據權利要求1所述的機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，其特征在于在所述計算載機橫滾角變化率時，根據基線近端高精度慣性導航在初始工作階段測量的橫滾角數據與用干涉相位獲得的橫滾角數據，估算載機俯仰角和橫滾角對干涉相位的影響分量并補償。
3.根據權利要求1所述的機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，其特征在于所述硅MEMS慣性器件構成的慣性導航為用三個硅MEMS加速度計和三個硅MEMS陀螺儀構成三維正交測量的慣性導航，在工作過程中，采用在線實時標定硅MEMS加速度計和陀螺儀隨機常值和標度因數的方法提高硅MEMS慣性器件的精度。
4.根據權利要求1所述的機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，其特征在于所述硅MEMS慣性器件構成的慣性導航的安裝位置與基線遠端天線相位中心重合，若由于結構所限無法完全重合，則校正桿臂效應。
5.根據權利要求1所述的機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，其特征在于在所述粗傳遞對準時，將基線視為剛性梁，采用速度配準方法實現基線近端天線運動測量裝置向基線遠端天線運動測量裝置的傳遞對準。
6.根據權利要求1所述的機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，其特征在于所述測量基線遠端天線的運動參數的方法是，在粗傳遞對準結果的基礎上，利用陀螺儀輸出的角速率信息，采用四元數法在粗傳遞對準姿態數據的基礎上進一步更新兩次粗傳遞對準之間基線遠端天線姿態數據；在更新姿態數據的基礎上，分解三軸加速度計實際測量值，并經過兩次積分得到基線遠端天線速度和位置信息。
全文摘要
本發明公開了一種機載雙天線雙測量裝置干涉SAR基線運動測量方法，在振動情況下同時提高基線近端和遠端天線運動測量精度，對基線近端天線采用高精度測量裝置，對基線遠端天線采用小體積、低成本硅MEMS慣性導航和傳遞對準技術測量運動參數。本發明利用雙天線的干涉相位獲取載機橫滾角，經過坐標轉換后增加為基線近端天線運動測量組合導航系統的觀測量，一定程度抑制了常規慣性導航+GPS組合導航系統姿態測量誤差的發散，提高了基線近端天線運動測量精度；本發明首先將基線視為剛性梁實現粗傳遞對準，再利用硅MEMS慣性導航輸出數據和局部相對導航技術修正粗傳遞對準結果，提高振動情況基線遠端天線運動測量精度。
文檔編號G01S13/90GK101067657SQ200710064090
公開日2007年11月7日 申請日期2007年2月28日 優先權日2007年2月28日
發明者盛蔚, 房建成, 曹娟娟, 孫宏偉, 韓曉英 申請人:北京航空航天大學