基于低成本INS的机载SAR运动补偿研究

《基于低成本INS的机载SAR运动补偿研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

第28卷第1期2010年2月中国民航大学学报JOU『RNALOFCIVILAVIATIONUNIVERSITYOFCH玎NAV01．28No．1February2010基于低成本INS的机载SAR运动补偿研究刘瑞华，赵云仙(中111民航大学电子信息工程学院，天津300300)摘要：为了提高雷达威像的质量，得到高分辨率的SAR图像就必须保证有精确的运动补偿方法来枝正运动误差对成像的影响。提出了一种基于惯导数据INS的视线方向位移误差的补偿方法，采用了低精度低成本的INS。对此部分的原理及实现进行了深入的建模分析和推导，并给出仿真结果。结果表明，基于惯导进行运动补偿时低精度也可满足要求。关键词：合成孔径雷达SAR：运动补偿：惯性导航INS中围分类号：TN958．3文献标识码：A文章编号：1674-5590(2010)01-0009—05StudyonLow-CostINS-BasedMotionCompensationofAirborneSARLIURui-h￡m．ZHA0Yun-xian(CollegeofElectricInformationEngineering，CAUC，Tianjin300300，China)Abstract：Inordertoimprovethequalityofradar’simagingandobtainhiishresolutionimageriesofSAR．weshouldusethemethodofmotioncompensationtoprooftheaffectofimaging．InthispaperthemethodoferrorcompensationinlinesightofdirectioninINSwasanalyzed，usinglow-precisionandlow-costINS，in-depthanalysisandmodelingofthispartoftheprincipleandachievement，thesimulationresultsweregiven．AnalysisresultsshowthatthemotioncompensationofairborneSARcanbeachieved，eventhoughitbasedonLow-costINS．Keywords：syntheticapertureradar(SAR)；motioncompensation；inertialnavigationsystem(INS)对机载SAR来说，理想的平台运动状态是载机距离地面恒定高度做匀速直线运动，理论上的公式都是在此基础上推导出来的。但由于载机要受到气流和飞机本身不稳定性等各种因素的影响，从而使其运动状态与所希望的理想状态有所差别，存在运动误差，严重影响成像质量，所以必须进行运动补偿。运动补偿是机载SAR信号处理的重点和难点。INS是标准的SAR运动传感器系统，可提供天线相位中心高频运动的精确测量(短期)。对于INS的精度要求会直接影响成本的问题，如何利用低精度的INS系统对SAR进行运动补偿，这是本文的研究重点。1运动补偿原理1．1运动补偿产生的原因和数学建模载机在飞行过程中受到许多非理想因素的影响，不可能保持理想的匀速直线运动状态，而且飞行姿态也在不断变化，由此产生运动误差。在图1中，xyz为成像坐标系，菇方向为载机飞行方向，Y为距离方向，彳为高度方向，在某一时刻载机受气流扰动等因素的影响使天线APC的真实位置偏离理想位置，从而在3个方向出现了位置偏移血、甜和止，航向偏移缸可通过雷达脉冲重复频率扁=kV，进行补偿，儿为载机地速，k为一选定的常数，由于Y和Z方向的偏移，使雷达APC到成像区内某一点P的斜距从斜距r变为实际斜距r7，从而引起视线偏移量Ar=r—r’，△r一方面会引起SAR信号的相位误差IlI，如果不加以补偿，那么就会影响方位信号的相于性，导致图像分辨率下降、对比度损失和几何失真等问题9·另一方面会引起距离延时误差，导致同一点目标的信号分散在不同的距离门，这也会造成最终图像散焦和几何失真等问题。收穑日期：2009-05—26；修回日期：2009--09—14基金项目：国家863高技术计划项目(2006AAl22313)作者简介：刘瑞华(1965一)，男，陕西蓝田人，教授，博士。研究方向为多传感器组合导航． 10中国民航大学学报20lO年2月圈1载机运动示意图l阻g．1SAltschematicy1．2运动误差分类及由其引起的相位误差公式根据运动误差产生的原因和对成像的影响，将其分类如图2所示，图2中标明了怎样进行补偿。本文主要是研究视线方向的位移误差。视线方向的位移误差是指载机沿波束照射方向偏离理想航迹的位移误差，是最主要的运动误差，其主要有两方面的影响：①造成距离走动的影响；②对回波相位的影响。这两点影响都可通过对视线位移的准确测量补偿掉。视线位移△r可通过惯导数据计算得到，算得位移量后，通过△r控制距离门来补偿距离走动的影响：由△r造成的相位误差A@=4订Arl入，算得相位误差并将其从回波相位中除去来补偿视线位移误差对回波相位的影响。圈2运动误差的分类及补偿方法Fig．2Motionerrorclassificationandmethodofcompensation运动误差△r(t)为Ar(t)=，．(￡)一rt(￡)(1)式中：r’(f)和r(t)分别是t时刻天线中心到点目标的实际斜距和理想斜距。在正侧视情况下运动误差公式是Ar(t)”---Ax(t)vo(t—to)／ro+Ay(tcos日一Az(t)sine(2)在前斜视情况下的运动误差公式是Ar(t)望-Ax(t)sina—Ay(t)cos0CO$Ot+Az(t)sinpCOSa(3)式中：珈是飞行器理想速度；A点坐标(0，0，z)。a角是直线AP与弦平面形成的夹角，口角是AP在户平面投影和茗’，平面形成的夹角。ro是t=0时刻点目标P-________●________●_____^。_______'。。____一到天线相位中心的斜距，ro=、／‰气)吼2。在to时刻天线到点目标P斜距最短。由运动误差引起的相位误差公式为妒积月(t)=-4"tr／A[r(t)一irt(f)】=一(4"a-／A)△r(￡)(4)式中：妒珊(f)是相位误差；A是载波波长。根据式(2)或式(3)和式(4)可估计出由运动误差引起的相位误差，从而求得相位校正矢量，完成运动补偿【2l。2SAR的航迹偏差补偿图3是飞行器运动出现航迹偏差时SAR系统的几何关系示意图。豳3飞行运动不薏围rlg．3Schemticofm#ttmovement2．1频谱分析假设传输的线性调频信号为删⋯t㈥唧[j2晚卜j弘)2](5)式中：厶是载频；r和Ot。是线性调频信号的周期和频率。采用外差法后，可得到如下形式的原始信号M(髫’’r，)=『』7(”)exp[．j}R一洲r，-尺)2rect【铲0)(Xt--X)]dxdr(6)式中：r，：ct'／2是距离信号采样坐标值；n'和，是与％rD 第28卷第1期刘瑞华。赵云仙：基于低成本INS的机载SAR运动补偿研究和r相对应的空间值；7(·)是柱面参考系中具有背向散射特性的信号；龙7一戈是天线地面照射方式，其近似于rect[(x’x)／x]，X是合成天线的长度。下面进行尺(r,x7，髫)的频谱衰变分析。把式(6)变换成关于距离向的表达式hH(以叩)=rect【寺]exp[jo／n矿]×』y(”)铲(茗’一x)exp【-J(,7+4'rrlA)R】出dr(7)式中：口=(1rDr，％5古。将式(7)转化成关于方位向(石’)的表达式，可得鲫(8，叼)=专Jexp[-j(,1+4"rr／A)r]dr×Ilf=j(f，71，r)F(e—f，r)C(s—f，叼，r)d8(8)式中：G(占一f，叩，r)是SAR系统处于理想航迹时的系统函数(SrIF)；厂(8，r)是7(·)关于盖的傅里叶变换(FT)；而以f，叼，r)=FT．，{g(并’，叩，r))q(x’，’7，r)=exp[-j(z／+4,tr／A胁(菇’r)】(9)是航迹偏差方位向的傅里叶变换。．式(8)对于下面的分析是非常重要的。当没有航迹位移时，可以得到以f，叩，r)=2霄6(占)，其中6(·)是单位脉冲(Dirac)函数，这样就保留了原始数据的标准频谱表达式HH．(E，'7)=Jexp[-j(z／+41ra)r]，(")G(占，r／,r)dr(10)下面讨论式(8)和式(10)的不同点[31。为了更好地解决这个问题，首先分析一下线性航迹偏差和正弦航迹偏差这两种情况。2．2线性航迹位移线性航迹位移是由横向速度引起的。由于衙一d(r)x’，于是式(8)可简化为HH(s，叩)=fexp[-j(,+4'n／A)r】·r(e一80，r)G(e一80，71，r)dr(11)式中：eo(rl，r)=(叼+4啊rlA)d(r)，d(r)是斜距平面内正弦偏差的幅值。2．3正弦航迹位移用正弦函数来描述航迹偏差。令务=d(r)sin(80，茗’)，其中d(r)是斜距平面内正弦偏差的幅值。得到+∞HH(8，叼)=艺q(A(o，ro))·I}．∞exp[jk"tr／2】HH。(￡一kco，叼)(12)式(12)说明，在正弦偏差情况下，原始数据的频谱是理想航迹频谱偏移的离散值的和，该值用Bessel函数系数进行加权。正弦位移的幅值越大，那么由Bessel函数描述的系数可知，式(12)中的信号信息量就越大。2．4一般偏差情况式(8)是对应于式(12)的连续值。忽略姣·)中的叩和r可以得到HH(8，11)=l-f=}(f，0，ro)HH。(s—f，'7)df(13)这种情况下的原始信号频谱由加权信号的连续和构成，该信号被以·)的频谱所加权。下面讨论以·)与叩和r的关系，用以·)很容易解释式(8)和式(12)。严格的讲，只有当式(10)中的口(·)可以近似地表示为下式时，式(8)和式(12)才是有效的。q(x’，刀，r)一,exp[-j(4,rr／A胁(茗’，ro)J-q(x’)也就是说，航迹位移非常小，即口I研(戈7，r)l《ll爵(石7，r)一簖(算’，ro)}《．A／4订在实际当中，这些条件是很少能得到满足的。考虑到航迹位移在斜距平面内的投影情况，一方面，r的取值要依赖于目标视角。另一方面，计算时田值要考虑到没有航迹偏差时的目标响应是无法探测的这一情况。所有这些都会导致产生图像几何失真，以及由连续或离散信号产生的回波响应的发散，这些都将严重的影响成像的质量。3视线方向位移误差的补偿、建模和仿真假设载机视线方向位移误差是一快一慢两个正弦分量和舒勒参数的叠加，如下式r(t)=Alsin(2可^t+妒1)+A2sin(2嘶t+妒2)+sin(2彤t)(14)则沿视线方向的速度移(t)=rt(t)=2耳^Alcos(2仍-f,t+妒1)+2嘶A2CO$(2嘶H92)+2啪COS(2彤t)(15)惯导数据率为fHz，则惯导数据更新周期7．=l矿，则当惯导精度完全理想时，惯导测得的tl时刻的载机速度为前面丁时间内载机的平均速度，即舻』秽(t)d(f坍(16)‘4 12中国民航大学学报2010年2月实际惯导精度不可能完全理想，若惯导精度为如(一个or范围内)，则惯导实际测得的ti时刻的载机速度t，；·～Ⅳ(％Av)，即可i’服从均值为t，。、方差为血的高斯分i-I布。惯导测得ti时刻的视线方向位移误差rf=艺tI。7r，则n=0惯导补偿后残余的视线方向位移误差Arl=r(￡)。：；一rf，残余的相位误差△纯=4"IT△ri，A【4】。下面给出基于上述分析的仿真结果，为简单起见，不妨设妒1=妒2=0，．后=O．02Hz，Al_40m，．^=0．2Hz，A2=40m，f2=2Hz。图4是惯导数据率f=50Hz、惯导测速精度如=lm／s(一个仃范围内)的惯导运动补偿仿真结果，图5是惯导数据率．厂=100Hz、惯导测速精度Av=0．5m／s(一个盯范围内)的惯导运动补偿仿真结果。分析图4和图5两组结果可以看出：惯导精度越高，补偿效果越好。但其差别并不很大，在满足一定的初始条件下低精度的惯导也能符合条件。另外，仿真结果中惯导补偿前后运动误差的PSD可清楚地看出，昌＼褪蛰备壶＼垦越糟艇静嚣(a)惯导补偿前的载机运动误差频率，№(b)惯导补偿前的载机运动误差的功率谱密度O．20g-0．2＼犍-o．4甚-0．6-0．8一1．O(c)惯导补偿后的载机运动误差圣壶＼垦魁樽|掘需雷频率，Hz(d)惯导补偿后的载机运动误差的功率谱密度图4低精度惯导的运动补偿仿真结果Fig．4Simulationresultoflow-precisionofmotioncompensation昌＼褪甚刍壶＼垦越嘲熬静霄t，s(a)惯导补偿前的载机运动误差频率／Hz(b)惯导补偿前的载机运动误差的功率谱密度O．2O．1g0＼褪-0．1哥-0．2-0．3-4)．4盈壶＼垦越韶艇静蠢t，s(c)惯导补偿后的载机运动误差频率，Hz(d)惯导补偿后的载机运动误差的功率谱密度圈5商精度惯导的运动补偿仿真结果ng．5Simulationresultofligh-preds／onofmotioncompensation 第28卷第1期刘瑞华．赵云仙：基于低成本INS的机载SAR运动补偿研究13惯导对运动误差的高频分部补偿效果很好，但对低频分部补偿效果较差。4载机平台运动参数分析一定时间段内的APC位置数据分析，图6中(a)～(c)给出了大于32S的时间段内INS测量的APC相对于该帧成像起始时刻的地理坐标东向位置、北向位置和天向位置参数。为了更清楚地观察载机在空中的位置变化情况，把载机位置从地理坐标系转换到成像坐标系，得到了成像坐标系中载机的位置变化情况[51，如图6中(d)．(f)所示。10目O＼-10器珈量瑚—40一∞I／S(a)东向坐标t，B(c)天向坐标t，s(e)距离向坐标量＼■趔星餐昌＼■逍星}|