CN100476452C - 一种机载双天线双测量装置干涉sar基线运动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法，在振动情况下同时提高基线近端和远端天线运动测量精度，对基线近端天线采用高精度测量装置，对基线远端天线采用小体积、低成本硅MEMS惯性导航和传递对准技术测量运动参数。本发明利用双天线的干涉相位获取载机横滚角，经过坐标转换后增加为基线近端天线运动测量组合导航系统的观测量，一定程度抑制了常规惯性导航+GPS组合导航系统姿态测量误差的发散，提高了基线近端天线运动测量精度；本发明首先将基线视为刚性梁实现粗传递对准，再利用硅MEMS惯性导航输出数据和局部相对导航技术修正粗传递对准结果，提高振动情况基线远端天线运动测量精度。

Description

一种机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法

技术领域

本发明涉及一种机载双天线双测量装置干涉SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)基线运动测量方法，特别适用于干涉SAR载机平台高频振动环境下的基线运动精确测量的测量方法。

背景技术

SAR高分辨率遥感成像具有全天候成像、穿透成像、立体成像等优势，在战场侦察、全球实时预警、国土资源测绘、环境监测与保护、气候及自然灾害监测预警等领域有重要用途，是实现对地观测的军民两用高技术装备。干涉SAR是将相位干涉技术与合成孔径雷达技术结合的产物，主要用于获得地形相对高度信息。干涉SAR具有测量精度高，覆盖范围大，工作效率高的特点。

干涉SAR测量高度原理：在垂直于载机飞行方向的平面内安装两个由基线相连的SAR天线，一个天线发射信号，两个天线同时接收，如附图1所示。由于干涉SAR两个天线空间位置不同，其接收信号存在一定的路程差ΔR，该路程差ΔR与基线长度d、基线倾斜角α以及测高倾角θ相关，见附图2(a)，由于基线长度d＜＜地面目标距离r，因此

ΔR≈dcos(α+θ)

路程差导致SAR回波时间延迟，并继而导致相位差φ

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})$

其中λ为工作波长，干涉SAR系统通过对双天线接收信号干涉处理获得相位差φ，并由上式反算出测高倾角θ。假设已知参考平面高度H，利用干涉SAR测量高度几何关系可获得地面成像区域相对高度信息h，见附图2(b)，

h＝H-rcos(θ)

从干涉SAR测量高度原理可见，干涉SAR需要精确测量基线长度d和基线倾斜角α。由于基线在载机飞行过程中持续随机振动，基线长度d和基线倾斜角α随机变化，严重影响干涉相位和相对高度的测量精度。事实上，基线长度d和基线倾斜角α由两个天线的运动共同决定，因此干涉SAR系统运动测量和补偿系统的难度更大。

目前常规干涉SAR运动测量和补偿系统均没有精确测量基线远端天线随机振动和弹性形变，近似认为基线为刚性梁，由基线近端(靠近机身一端)天线运动参数直接推算基线远端(远离机身一端)天线运动参数。由于推算过程必然会引入随机振动误差，所以无论如何提高基线近端天线运动测量装置的精度(成本随之提高)，随机振动引起的误差将严重影响基线远端天线运动测量精度，导致无法精确测量基线长度d和基线倾斜角α，从而严重影响干涉SAR高度测量精度。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是：克服现有技术存在的不足，提供一种机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法，在振动情况下同时提高基线近端和远端天线运动测量精度，从而提高基线长度d和基线倾斜角α测量精度，为提高干涉SAR高度测量精度奠定基础。

本发明解决其技术问题采用的技术方案包括以下步骤：

对于基线近端天线，利用SAR多视原理，将机载双天线双测量装置干涉SAR工作过程中的每一个合成孔径时间分成前后两个时段，在前后1/2合成孔径时间内分别计算两个天线获得回波的干涉相位，再计算前后两个时段的干涉相位差，利用干涉相位差计算载机横滚角变化率，经过捷联惯性导航解算和坐标转换后得到基线近端天线的横滚角信息，并将其增加为惯性导航+GPS组合导航系统的观测量，抑制其姿态测量误差的发散；

对于基线远端天线，采用硅MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电机系统)惯性器件构成的惯性导航作为远端天线运动测量装置，其测量中心安装于与基线远端天线相位中心重合的位置，实现短时间纯惯性测量。将基线视为刚性梁，利用实现测量的基线参数实现粗传递对准；

在粗传递对准结果的基础上，利用局部相对导航技术和硅MEMS惯性导航的输出数据，测量基线远端天线的运动参数。

在所述计算载机横滚角变化率时，根据基线近端高精度惯性导航在初始工作阶段测量的横滚角数据与用干涉相位获得的横滚角数据，估算载机俯仰角和横滚角对干涉相位的影响分量并补偿。

所述硅MEMS惯性器件构成的惯性导航为用三个硅MEMS加速度计和三个硅MEMS陀螺仪构成三维正交测量的惯性导航，在工作过程中，采用在线实时标定硅MEMS加速度计和陀螺仪随机常值和标度因数的方法提高硅MEMS惯性器件的精度。

所述硅MEMS惯性器件构成的惯性导航的安装位置与基线远端天线相位中心重合，若由于结构所限无法完全重合，则校正杆臂效应。

在所述粗传递对准时，将基线视为刚性梁，采用速度配准方法实现基线近端天线运动测量装置向基线远端天线运动测量装置的传递对准。

所述测量基线远端天线的运动参数的方法是，在粗传递对准结果的基础上，利用基线远端天线的运动测量装置中的陀螺仪输出的角速率信息，采用四元数法在粗传递对准姿态数据的基础上进一步更新两次粗传递对准之间基线远端天线姿态数据；在更新姿态数据的基础上，分解基线远端天线的运动测量装置中的加速度计实际测量值，并经过两次积分得到基线远端天线速度和位置信息。

利用干涉SAR双天线干涉相位获取载机横滚角信息的方法是：依据SAR成像的多视原理，将一个完整的合成孔径时间分为两个相等的时间段，在前后两段1/2合成孔径时间内，干涉SAR的两个天线分别获得同一地区的常规二维SAR图像，两个天线在两个1/2合成孔径时间内共计获得4幅常规SAR图像。计算两段1/2合成孔径时间内两幅不同天线获得的常规二维SAR图像在各个对应像素的干涉相位，即在前后两段1/2合成孔径时间内各得到一幅干涉图像，两个相邻1/2合成孔径时间内共计获得两幅干涉SAR图像。两幅干涉图像是在两段时间对同一地区干涉成像的结果，对两幅干涉图像进行进一步的干涉处理，能够获得包含了两个时间段载机横滚角变化信息的二次干涉图像。假设横滚角变化周期远大于合成孔径时间，1/2合成孔径时间的采样周期能够满足采样定理的要求，则根据二次干涉信息能够完全复现载机横滚角的变化。横滚角变化率Δβ可由下式求得：

$\mathrm{\Δ\β}={\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_2\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πd}}\right)-{\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_1\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πd}}\right)$

其中β₁，β₂分别为前后两段1/2合成孔径时间所获得的载机横滚角，φ₁，φ₂分别为前后两段1/2合成孔径时间所获得的两个天线之间的干涉相位。需要说明的是，二次干涉图像每个像素点的相位都包含了相同的横滚角变化信息和不同的随机噪声，因此对二次干涉图像每个像素点相位求算术平均可以达到降噪的目的。

提高基线近端天线惯性导航+GPS组合导航系统精度的方法是：在惯性导航+GPS组合导航系统中增加横滚角变化率 $\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=\frac{\mathrm{\Δ\β}}{\mathrm{\Δt}}$ 为观测量，抑制了组合导航姿态误差的发散，在不增加硬件成本的情况下提高了惯性导航+GPS组合导航系统的精度。

采用硅MEMS惯性导航作为基线远端天线运动测量装置的原理是：采用硅MEMS惯性导航作为基线远端天线运动测量的硬件装置，提出了适应随机振动环境的测量方法，实现了对基线远端天线运动的高精度测量，同时满足了小体积、轻质量、低成本等要求。

基线远端天线在随机振动环境下粗传递对准和局部相对导航的方法是：在基线远端天线设置单独的运动测量装置，即体积小、重量轻、功耗低的硅MEMS惯性导航；仍然将基线视为刚性梁，利用实现测量的基线参数实现粗传递对准，由此可以获得基线远端天线随机振动中心的位置；以粗传递对准结果为初始值，利用硅MEMS惯性导航输出数据，采用局部相对导航方法实现对基线远端天线的实时运动测量。局部相对导航方法原理：以每n秒末粗传递对准给出的基线远端天线运动参数为初始值，在两次粗传递对准之间，采用硅MEMS惯性导航陀螺仪、加速度计的输出数据经过导航解算获取基线远端天线运动参数，即利用陀螺仪的输出更新基线远端天线的姿态数据；利用加速度计的输出，以更新后的姿态为基准计算基线远端天线在给定坐标系各个方向的速度和位移。

机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方案，与现有技术相比优点在于：(1)采用基于硅MEMS惯性器件的惯性导航实现对基线远端天线的运动测量，满足其成本低、体积小、重量轻、功耗低、短时精度高的要求；(2)利用干涉SAR系统特有的干涉相位信息获得载机横滚角信息，为干涉SAR基线近端天线运动测量组合导航系统提供更多观测信息，在不增加系统硬件成本的前提下提高了基线近端天线运动测量精度；(3)将基线视为刚性梁实现粗传递对准，并利用硅MEMS惯性导航输出值和局部相对导航技术修正粗传递对准的结果，较之传统方案，既不显著增加传递对准的难度和成本，又提高了对基线远端天线的运动测量精度。

附图说明

图1为干涉SAR系统两个天线与机身位置关系示意图；

图2为现有技术中的干涉SAR测量高度原理几何关系示意图；

图3为利用干涉SAR双天线干涉相位获取载机横滚角信息的方案中前后两段1/2合成孔径时段基线横滚角变化率测量原理图；

图4为基线远端天线随机振动的轨迹图；

图5为本发明的机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量系统工作流程图。

具体实施方式

系统硬件配置要求：

1、两个机载干涉SAR天线一个位于机身侧面，另一个远离机身，二者构成的基线垂直于载机飞行方向，参见附图1。基线近端天线可发送SAR信号，也可接收；基线远端天线仅接收由基线近端天线发送的SAR回波信号，其收发模式为基线近端天线发送，两个天线同时接收。

2、在靠近两个天线相位中心的位置分别安装运动测量装置。基线近端天线运动测量装置为光纤或者挠性惯性导航+GPS组合导航系统，基线远端天线运动测量装置为硅MEMS惯性导航。

系统具体实施方式是：

基线近端天线运动测量用惯性导航+GPS组合导航系统首先完成常规初始对准，干涉SAR系统开始工作，系统具体工作流程如附图5所示。干涉SAR系统工作第一阶段，采用比对法提高横滚角测量精度，即比对以下两种方法得到的横滚角数据并补偿：①直接用基线近端惯性导航获得的载机横滚角数据；②利用干涉相位获得的横滚角数据。由于惯性导航初始工作阶段精度较高，因此两种方法获得的横滚角数据之差可用于估计并补偿俯仰角、偏航角对干涉相位的影响，提高利用干涉相位估计横滚角的精度。干涉SAR系统第一阶段工作结束后，均利用补偿后的干涉相位获取横滚角信息，具体计算方法为：

依据SAR成像的多视原理，将一个完整的合成孔径时间分为两个相等的时间段，在前后两段1/2合成孔径时间内，干涉SAR的两个天线分别获得同一地区的常规二维SAR图像，两个天线在两个1/2合成孔径时间内共计获得4幅常规SAR图像。计算前后两段1/2合成孔径时间内两幅不同天线获得的常规二维SAR图像在各个对应像素的干涉相位，即在前后两段1/2合成孔径时间内各得到一幅干涉图像，两个相邻1/2合成孔径时间内共计获得两幅干涉SAR图像。两幅干涉图像是在两段时间对同一地区干涉成像的结果，对两幅干涉图像进行进一步的干涉处理，能够获得包含了两个时间段载机横滚角变化信息的二次干涉图像。假设横滚角变化周期远大于合成孔径时间，1/2合成孔径时间的采样周期能够满足采样定理的要求，则根据二次干涉信息能够完全复现载机横滚角的变化。如图3所示，横滚角变化率Δβ可由下式求得。

$\mathrm{\Δ\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_2\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πd}}\right)-{\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_2\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πd}}\right)$

其中λ，d，φ₁，φ₂分别为干涉SAR工作波长，基线长度和前后两段两个1/2合成孔径时间内两个天线的干涉相位。

传统的惯导+GPS组合导航系统中一般包括15维状态变量和6维观测向量，6维观测向量是高精度GPS位置速度测量值与惯导位置速度测量值的差值。由于GPS无法提供高精度姿态信息，长时间工作的组合导航系统姿态误差发散。在基线近端天线惯性导航+GPS组合导航系统中增加横滚角变化率 $\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=\frac{\mathrm{\Δ\β}}{\mathrm{\Δt}}$ 为观测量之一，组合导航系统状态变量15维保持不变，观测向量由6维增加为7维，增加的观测量为高精度的姿态数据，从而抑制了组合导航姿态误差的发散。

随机振动环境下的传递对准一直是困扰惯性导航技术领域工程技术人员的难题，原因在于随机振动频率高、幅度小，对惯导测量装置的响应带宽和测量精度提出了很高的要求。干涉SAR基线一端固定，因此其随机振动具有中心密集、边缘稀疏的特点，见附图1和图4。可见由于基线近端与机身固连，其远端在随机振动过程中出现在中心位置的概率远大于出现在其它边缘位置的概率。本发明在基线远端天线设置单独的运动测量装置，即体积小、重量轻、功耗低的硅MEMS惯导；仍然将基线视为刚性梁，采用远、近端惯性导航系统输出的速度差做为观测量，利用卡尔曼滤波进行远端天线惯性导航系统初始值的估计和配准，实现基线近端天线高精度运动测量装置向基线远端天线低精度运动测量装置的粗传递对准，由此可以获得基线远端天线随机振动中心的位置；以粗传递对准结果为初始值，利用硅MEMS惯导输出数据，采用局部相对导航方法实现对基线远端天线的实时运动测量。局部相对导航方法原理：以每n秒末粗传递对准给出的基线远端天线运动参数为初始值，在两次粗传递对准之间，采用硅MEMS惯导陀螺仪、加速度计的输出数据经过导航解算获取基线远端天线运动参数，即利用陀螺仪的输出更新基线远端天线的姿态数据；利用加速度计的输出，以更新后的姿态为基准计算基线远端天线在给定坐标系各个方向的速度和位移。

为干涉SAR基线远端天线安装的硅MEMS惯性导航，若受结构所限无法将硅MEMS惯性导航测量中心与干涉SAR基线远端天线相位中心完全重合，则需要事前采用搜索优化等方法精确估计二者之间的差距，并在硅MEMS惯性导航相应输出值中予以补偿，即补偿该差距在角运动情况下对基线远端天线速度和位置测量精度的影响，上述过程为杆臂效应校正。

在干涉SAR系统工作之前无振动情况下精确测量基线长度d和倾斜角α，将基线视为刚性梁实现粗传递对准。粗传递对准过程：①建立计算参数匹配传递对准Kalman(卡尔曼)滤波模型；②计算每个滤波器状态变量的可观测度并据此选择适当的状态变量；③将基线视为刚性梁校正杆臂效应后计算传递对准Kalman滤波器的观测量，完成从基线近端天线高精度运动测量装置向基线远端天线低精度运动测量装置的粗传递对准，获得基线远端天线振动中心的测量值。

以粗传递对准的结果，即基线远端天线振动中心位置测量量为初始值，利用硅MEMS惯性导航的输出数据，即陀螺仪和加速度计测量的角速率和加速度信息，基于局部相对导航技术修正粗传递对准的结果。即利用陀螺仪输出的角速率信息，采用四元数法在粗传递对准姿态数据的基础上进一步更新两次粗传递对准之间基线远端天线姿态数据；在更新姿态数据的基础上，利用坐标转换原理，分解三轴加速度计实际测量值，并经过两次积分得到基线远端天线速度和位置信息，使得基线远端天线运动测量精度接近基线近端天线运动测量精度。

Claims (5)

1、一种机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

对于基线近端天线，将机载双天线双测量装置干涉SAR工作过程中的每一个合成孔径时间分成前后两个时段，在前后1/2合成孔径时间内分别计算两个天线获得回波的干涉相位，再计算前后两个时段的干涉相位差，利用干涉相位差计算载机横滚角变化率，经过捷联惯性导航解算和坐标转换后得到基线近端天线的横滚角信息，并将其增加为惯性导航+GPS组合导航系统的观测量，抑制其姿态测量误差的发散；

对于基线远端天线，采用硅MEMS惯性器件构成的惯性导航作为远端天线运动测量装置，其测量中心安装于与基线远端天线相位中心重合的位置，实现短时间纯惯性测量，将基线视为刚性梁，利用实现测量的基线参数实现粗传递对准；

在粗传递对准结果的基础上，利用局部相对导航技术和硅MEMS惯性导航的输出数据，测量基线远端天线的运动参数。

2、根据权利要求1所述的机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法，其特征在于：在所述计算载机横滚角变化率时，根据基线近端高精度惯性导航在初始工作阶段测量的横滚角数据与用干涉相位获得的横滚角数据，估算载机俯仰角和横滚角对干涉相位的影响分量并补偿。

3、根据权利要求1所述的机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法，其特征在于：所述硅MEMS惯性器件构成的惯性导航为用三个硅MEMS加速度计和三个硅MEMS陀螺仪构成三维正交测量的惯性导航，在工作过程中，采用在线实时标定硅MEMS加速度计和陀螺仪随机常值和标度因数的方法提高硅MEMS惯性器件的精度。

4、根据权利要求1所述的机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法，其特征在于：所述硅MEMS惯性器件构成的惯性导航的安装位置与基线远端天线相位中心重合，若由于结构所限无法完全重合，则校正杆臂效应。

5、根据权利要求1所述的机载双天线双测量装置干涉SAR基线运动测量方法，其特征在于：所述测量基线远端天线的运动参数的方法是，在粗传递对准结果的基础上，利用基线远端天线的运动测量装置中的陀螺仪输出的角速率信息，采用四元数法在粗传递对准姿态数据的基础上进一步更新两次粗传递对准之间基线远端天线姿态数据；在更新姿态数据的基础上，分解基线远端天线的运动测量装置中的加速度计实际测量值，并经过两次积分得到基线远端天线速度和位置信息。

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