一种雷达波束中心照射点确定方法、装置及存储介质与流程

1.本发明涉及合成孔径雷达领域，具体涉及一种雷达波束中心照射点确定方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)在工作过程中通过对波束指向的控制可实现灵活的观测，尤其在扫描模式下可以实现较大区域的覆盖。但在数据后处理及工程应用中，若要对感兴趣的区域进行局部成像，需要从数据中判断该区域是否被波束所覆盖，因此需要根据雷达天线指向及位置姿态参数求解波束中心照射点的精确位置。
3.针对这个问题，目前方法仅可通过平地假设求解波束中心照射点的位置；但在大观测距离下，地球的弯曲是需要考虑的因素，通过平地假设求解波束中心照射点的位置，会引入较大的位置计算误差。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，针对上述问题，提供一种雷达波束中心照射点确定方法、装置及存储介质，考虑了地球的弯曲因素，能够实现对合成孔径雷达波束中心照射点精确确定，实用性强，误差小，便于后续合成孔径雷达成像。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种雷达波束中心照射点确定方法，雷达波束中心照射点确定方法包括：
6.读取伺服平台的码盘数据和位置姿态测量单元的测量数据；所述位置姿态测量单元和天线安装于所述伺服平台上，所述位置姿态测量单元与所述天线连接；
7.构造天线波束中心方向单位矢量；
8.根据码盘数据和测量数据计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量；
9.根据所述地心地固坐标系下坐标向量构造天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程；
10.根据天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程的交点坐标确定雷达波束中心照射点。
11.本发明的有益效果是：通过读取伺服平台的码盘数据和位置姿态测量单元的测量数据，可知天线波束中心指向的位置，通过码盘数据和测量数据计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量，进而构造天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程，通过直线方程和地球表面椭球方程的交点坐标确定雷达波束中心照射点，考虑了地球的弯曲因素，能够实现对合成孔径雷达波束中心照射点精确确定，实用性强，误差小，计算精度高，作为合成孔径雷达成像中的关键步骤，适用于实时处理板卡实现。
12.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
13.进一步，所述码盘数据包括：方位向码盘角度值α和俯仰码盘角度值β；
14.所述测量数据包括：纬度lat0，经度lon0，高度alt0，航向角ψ，俯仰角θ和横滚角φ。
15.采用上述进一步方案的有益效果是：通过实时读取方位向码盘角度值α和俯仰码盘角度值，便于后续确定天线阵面坐标系到位置姿态测量单元坐标系的转换矩阵，通过读取纬度lat0，经度lon0，高度alt0，航向角ψ，俯仰角θ和横滚角φ，便于确定地心地固坐标系到北东地坐标系、位置姿态测量单元坐标系到北东地坐标系的转换矩阵，保证雷达波束中心照射点的精确确定。
16.进一步，所述天线波束中心方向单位矢量定义在天线阵面坐标系，所述构造天线波束中心方向单位矢量包括：
17.u
a
＝[1,0,0]
t
。
[0018]
采用上述进一步方案的有益效果是：便于后续计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量。
[0019]
进一步，所述根据码盘数据和测量数据计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量包括：
[0020]
根据码盘数据确定天线阵面坐标系到位置姿态测量单元坐标系的转换矩阵c
r
；
[0021]
根据测量数据中的纬度lat0，经度lon0，高度alt0确定地心地固坐标系到北东地坐标系的转换矩阵s；
[0022]
根据测量数据中的航向角ψ，俯仰角θ和横滚角φ确定位置姿态测量单元坐标系到北东地坐标系的转换矩阵c
g
；
[0023]
根据所述天线波束中心方向单位矢量u
a
、转换矩阵c
r
、转换矩阵s和转换矩阵c
g
确定天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量u
e
，
[0024]
u
e
＝s
‑1·
c
g
·
c
r
·
u
a
。
[0025]
采用上述进一步方案的有益效果是：基于码盘数据和测量数据计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量，保证后续中心照射点的精确确定。
[0026]
进一步，所述根据所述地心地固坐标系下坐标向量构造天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程包括：
[0027]
设天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量u
e
，
[0028]
u
e
＝[a,b,c]
t
[0029]
a、b、c分别为向量u
e
的方向向量坐标值；
[0030]
天线波束中心方向直线方程表达式为：
[0031][0032]
其中，(x0,y0,z0)为位置姿态测量单元的位置坐标(lat0,lon0,alt0)转换到地心地固坐标系下的坐标；(x,y,z)为地心地固坐标系的直线函数未知量；
[0033]
地球表面椭球方程表达式为：
[0034][0035]
其中，ra为地球长半轴长度，rb为地球短半轴长度，h为地球表面高程。
[0036]
采用上述进一步方案的有益效果是：通过天线波束中心方向直线方程和地球表面
椭球方程，将天线波束的直线发射和地球的弯曲作为波束中心照射点的确定因素，保证照射点确定的准确性和可靠性。
[0037]
进一步，所述根据天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程的交点坐标确定雷达波束中心照射点之前包括：
[0038]
定义参量a、b、c，分别表示为：
[0039]
a＝a2(rb h)2 b2(rb h)2 c2(ra h)2[0040]
b＝
‑
2a2(rb h)2z0 2ac(rb h)2x0‑
2b2(rb h)2z0 2bc(rb h)2y0[0041][0042]
根据天线波束中心方向直线方程表达式确定所述天线波束中心方向直线方程中的x，y为：
[0043][0044][0045]
根据所述参考a、b、c和一元二次方程得到天线波束中心方向直线方程中的z；
[0046][0047]
将所述x，y和z带入所述地球表面椭球方程表达式的交点坐标(x',y',z')。
[0048]
采用上述进一步方案的有益效果是：通过直线方程和地球表面椭球方程的交点坐标确定雷达波束中心照射点，考虑了地球的弯曲因素，能够实现对合成孔径雷达波束中心照射点精确确定，实用性强，便于后续根据覆盖区域实现合成孔径雷达成像。
[0049]
进一步，设中间变量l＝z'
·
z0，当l≥0，则保留z'所在组的交点坐标；若l＜0，则舍弃z'所在组的交点坐标(x',y',z')；；
[0050]
对所保留的交点坐标(x',y',z')进行坐标变换得到天线波束中心在地球表面照射点的经纬高坐标。
[0051]
采用上述进一步方案的有益效果是：通过判断l是否大于或等于0来对交点坐标进行筛选，提高波束中心照射点确定精度，。
[0052]
进一步，所述经纬高坐标定义在wgs
‑
84坐标系下。
[0053]
采用上述进一步方案的有益效果是：经纬高坐标定义在wgs
‑
84坐标系下，应用广泛，便于后续覆盖区域实现合成孔径雷达成像。
[0054]
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种雷达波束中心照射点确定装置，该装置包括：存储器，用于存储计算机程序；
[0055]
处理器，用于执行所述计算机程序，实现如上所述的雷达波束中心照射点确定方法的步骤。
[0056]
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种存储介质，存储介质存储有一个或者多个计算机程序，所述一个或者多个计算机程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的雷达波束中心照射点确定方法的步骤。
附图说明
[0057]
图1为本发明一实施例提供的一种雷达波束中心照射点确定方法的流程图；
[0058]
图2为本发明一实施例提供的一种伺服平台及码盘转角示意图；
[0059]
图3为本发明一实施例提供的一种天线阵面坐标系示意图；
[0060]
图4为本发明一实施例提供的一种位置姿态测量单元坐标系示意图；
[0061]
图5为本发明一实施例提供的一种雷达波束中心照射点确定装置的结构示意图。
具体实施方式
[0062]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0063]
如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种雷达波束中心照射点确定方法的流程图，该雷达波束中心照射点确定方法包括：
[0064]
s1、读取伺服平台的码盘数据和位置姿态测量单元的测量数据；天线安装于所述伺服平台上，所述位置姿态测量单元与所述天线连接；
[0065]
s2、构造天线波束中心方向单位矢量；
[0066]
s3、根据码盘数据和测量数据计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量；
[0067]
s4、根据所述地心地固坐标系下坐标向量构造天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程；
[0068]
s5、根据天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程的交点坐标确定雷达波束中心照射点。
[0069]
在本实施例中，通过读取伺服平台的码盘数据和位置姿态测量单元的测量数据，可知天线波束中心指向的位置，通过码盘数据和测量数据计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量，进而构造天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程，通过直线方程和地球表面椭球方程的交点坐标确定雷达波束中心照射点，考虑了地球的弯曲因素，能够实现对合成孔径雷达波束中心照射点精确确定，实用性强，误差小，计算精度高，作为合成孔径雷达成像中的关键步骤，适用于实时处理板卡实现。
[0070]
在本实施例中，码盘数据包括：方位向码盘角度值α和俯仰码盘角度值β；如图2所示，天线安装在伺服平台上，位置姿态测量单元也安装在伺服平台上，对伺服平台要求为二轴平台，可实时读取伺服平台的方位向码盘角度值α和俯仰码盘角度值β，其中初始状态下，即还未发射天线波束时，天线波束中心指向的方位向码盘角度值和俯仰码盘角度值均为零；在其他实施例中，也可以预设时间段后读取位向码盘角度值α和俯仰码盘角度值β，例如在天线波束发射后10s后读取，以减少资源消耗。
[0071]
测量数据包括：纬度lat0，经度lon0，高度alt0，航向角ψ，俯仰角θ和横滚角φ。如图3所示，位置姿态测量单元与所述天线连接，其中可以位置姿态测量单元与所述天线是固定连接，较优的，位置姿态测量单元与所述天线刚性连接，可实时读取位置姿态测量单元的纬度lat0，经度lon0，高度alt0，航向角ψ，俯仰角θ和横滚角φ，其中初始状态下，位置姿态测量单元坐标系的x轴与伺服平台方位向码盘角度值为零时所在轴向，同向；在其他实施例中，也可以预设时间段后读取位置姿态测量单元的测量数据。
[0072]
需要说明的是，天线波束中心方向单位矢量定义在天线阵面坐标系，如图4所示，其中天线阵面坐标系的x轴垂直于天线阵面，指向电磁波传播方向，y轴平行于天线阵面为x轴顺时针旋转90
°
方向，z轴与x轴和y轴满足右手螺旋法，则z轴指向下方，其中天线阵面为天线阵列形成的平面阵。构造天线波束中心方向单位矢量u
a
包括：
[0073]
u
a
＝[1,0,0]
t
；
[0074]
在本实施例中，根据码盘数据和测量数据计算天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量具体包括：
[0075]
根据码盘数据确定天线阵面坐标系到位置姿态测量单元坐标系的转换矩阵c
r
；
[0076]
根据测量数据中的纬度lat0，经度lon0，高度alt0确定地心地固坐标系到北东地坐标系的转换矩阵s；
[0077]
根据测量数据中的航向角ψ，俯仰角θ和横滚角φ确定位置姿态测量单元坐标系到北东地坐标系的转换矩阵c
g
；
[0078]
天线波束中心方向单位矢量在地心地固坐标系下的坐标向量u
e
为：
[0079]
u
e
＝s
‑1·
c
g
·
c
r
·
u
a
[0080]
式中，s表示为：
[0081][0082]
c
g
表示为：
[0083][0084]
c
r
表示为：
[0085][0086]
在本实施例中，根据所述地心地固坐标系下坐标向量构造天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程包括：
[0087]
由于u
e
＝s
‑1·
c
g
·
c
r
·
u
a
，则u
e
对应一个具体的坐标向量，将该具体的坐标向量转换为u
e
＝[a,b,c]
t
，a、b、c分别为向量u
e
的方向向量坐标值，则构造的天线波束中心方向直线方程表达式为：
[0088][0089]
其中，(x0,y0,z0)为位置姿态测量单元的位置坐标(lat0,lon0,alt0)转换到地心地固坐标系下的坐标；(x,y,z)为地心地固坐标系的直线函数未知量；
[0090]
地球表面椭球方程表达式为：
[0091][0092]
其中，ra为地球长半轴长度，rb为地球短半轴长度，h为地球表面高程。
[0093]
在本实施例中，所述根据天线波束中心方向直线方程和地球表面椭球方程的交点坐标确定雷达波束中心照射点之前，还需要确定地心地固坐标系的直线函数未知量(x,y,z)；
[0094]
具体的，定义参量a、b、c，分别表示为：
[0095]
a＝a2(rb h)2 b2(rb h)2 c2(ra h)2[0096]
b＝
‑
2a2(rb h)2z0 2ac(rb h)2x0‑
2b2(rb h)2z0 2bc(rb h)2y0[0097][0098]
则根据天线波束中心方向直线方程表达式确定所述天线波束中心方向直线方程中的x，y为：
[0099][0100][0101]
根据所述参考a、b、c和一元二次方程得到天线波束中心方向直线方程中的z：
[0102][0103]
将所述x，y和z带入所述地球表面椭球方程表达式的交点坐标(x',y',z')。
[0104]
在本实施例中，为了提高经纬高坐标确定的准确性，还需要对坐标筛选，具体的，设中间变量l＝z'
·
z0，当l≥0，则保留z'所在组的交点坐标；若l＜0，则舍弃z'所在组的交点坐标(x',y',z')；
[0105]
对所保留的交点坐标(x',y',z')进行坐标变换得到天线波束中心在地球表面照射点的经纬高坐标。可选的，具体的坐标变换为地心地固(ecef)坐标系到经纬高(lla)坐标系的变换方程。
[0106]
在本实施例中，经纬高坐标定义在wgs
‑
84坐标系下，因此可将所保留的交点坐标(x',y',z')转换到wgs
‑
84坐标系下的经纬高坐标。
[0107]
可以理解的是，当对合成孔径雷达波束中心照射点精确确定后，可根据坐标点确定天线波束的覆盖区域，进而可对覆盖区域进行局部成像。
[0108]
为了便于理解，可以通过matlab等软件进行仿真，如表1所示，表1为两组实验参数，表1的实验数据经过本实施例的雷达波束中心照射点确定方法，得到地面交点坐标如表2所示。
[0109]
表1
[0110]
参数数值1数值2天线纬度39
°
42
°
天线经度110
°
120
°
天线高度8000m3000m伺服俯仰角30
°
45
°
伺服方位角90
°
70
°
航向角60
°
20
°
俯仰角5
°2°
横滚角10
°6°
地面海拔高1500m300m地球坐标系wgs
‑
84wgs
‑
84
[0111]
表2
[0112]
数据纬度经度高度第一组38.941861
°
110.050551
°
1499.9980m第二组42.001643
°
120.027456
°
299.9996m
[0113]
在本实施例中，可以通过对高度的对比可以得到本方法的求解精度。第一组实验的参考高度为1500m，求解高度为1499.9980m，求解精度为0.002m。第二组实验的参考高度为300m，求解高度为299.9996m，求解精度为0.0004m。在不需要迭代求解的条件下，求解精度满足实际应用需要。
[0114]
本实施例还提供一种雷达波束中心照射点确定装置，如图5所示，该装置包括：
[0115]
存储器51，用于存储计算机程序；
[0116]
处理器52，用于执行所述计算机程序，实现如上所述的雷达波束中心照射点确定方法的步骤，在此一一不赘述。
[0117]
本实施例还提供一种存储介质，存储介质存储有一个或者多个计算机程序，所述一个或者多个计算机程序可被一个或者多个处理器执行，实现如上所述的雷达波束中心照射点确定方法的步骤，在此一一不赘述。
[0118]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0119]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0120]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
[0121]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0122]
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现
出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0123]
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本专利中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。