高精度聚束式双基SAR空间同步角度计算方法及装置与流程

本发明涉及雷达成像处理领域，尤其涉及一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法及装置。

背景技术：

双基合成孔径雷达系统通过分置的收发运动平台，可以实现接收平台前视区域的高分辨率成像，并且由于其收发分置的架构，使得该类型的雷达系统具有抗干扰性能好、通过发远收近的系统配置能够获得隐蔽性强、抗截获性好等优点，是当前雷达领域的研究热点。在早匹配制导、自主着陆等领域都有很好的应用前景。

双基sar的两个运动平台位置分离，通常是发射平台斜视目标区域，接收平台前视目标区域，接收场景的回波信号。聚束式双基sar工作模式和普通推扫式的双基sar工作模式相似。聚束式双基sar的特点在于发射平台和接收平台在运动的过程中，会实时控制它们的相控阵天线波束指向角始终指向同一片目标区域，持续地获取该目标区域的图像信息。在聚束式双基sar的这种工作模式下，由于能够提前知道目标区域的坐标，因此，其波束方法与现有技术中普遍采用的方法不同。

在现有技术中，双基sar系统的姿态信息和位置信息一般是由组合惯导系统以一定的帧率，例如100次/秒转发至双基sar系统控制板上的fpga芯片中，继而由fpga根据空间同步算法计算出相应的相控阵天线波束指向角度，再发送至相控阵天线，完成一次指向角控制。然而，由于fpga本身的定点计算特性，其计算结果的精度和动态范围不能同时兼顾，特别是在空间同步计算时，会涉及到对数值较大的参数进行计算，例如计算地球半径，在这种情况下，计算精度不足，会使得最后的天线波束指向角误差难以接受。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法及装置，所述方法及装置，用以解决现有技术中对于聚束式双基sar空间同步角度计算时，计算精度低、准确性差、计算速度慢的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s101：选定高精度聚束式双基sar成像的目标区域，并记录目标区域中心gps坐标(lonp,latp,hgtp)；

步骤s102：zynqps单元通过与组合惯导系统互连的uart接口实时获取运动平台当前的gps坐标(lons,lats,hgts)；

步骤s103：结合地球模型参数，zynqps单元将gps坐标系下所述目标区域中心gps坐标和所述运动平台当前的gps坐标转换成地心地固坐标系下的目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)；

步骤s104：zynqps单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)通过与zynqpl单元互连的axi接口发送到zynqpl单元中；

步骤s105：zynqpl单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)结合空间同步算法，计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ；

步骤s106：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元，由zynqps单元调用c语言数学函数库计算结果。

进一步地，所述步骤s103：结合地球模型参数，zynqps单元将gps坐标系下所述目标区域中心gps坐标和所述运动平台当前的gps坐标转换成地心地固坐标系下的目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)，包括：

xs1＝(rgs+hgts)×cos(lats)×cos(lons)(4)

ys1＝(rgs+hgts)×cos(lats)×sin(lons)(5)

zs1＝((1-ε²)×rgs+hgts)sin(lats)(6)

xp1＝(rgp+hgtp)×cos(latp)×cos(lonp)(7)

yp1＝(rgp+hgtp)×cos(latp)×sin(lonp)(8)

zp1＝((1-ε²)×rgp+hgtp)sin(latp)(9)

其中，ra＝6378137米，为地球长轴；rb＝6356752米，为地球短轴；(xs1,ys1,zs1)为运动平台在地心地固坐标系下的坐标，(xp1,yp1,zp1)为目标区域中心在地心地固坐标系下的坐标。

进一步地，所述步骤s105：zynqpl单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)结合空间同步算法，计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ，包括：

步骤s1051：zynqpl单元将地心地固坐标系下的坐标转换至运动平台坐标系，

xps2＝xp1-xs1

yps2＝yp1-ys1(10)

zps2＝zp1-zs1

(xps2,yps2,zps2)为以运动平台为坐标中心的运动平台坐标系下目标区域中心的坐标；

步骤s1052：zynqpl单元将运动平台坐标系下的目标区域中心的坐标旋转到北东天坐标系下，获得目标区域中心在北东天坐标系下的坐标(xps5,yps5,zps5)，计算方式如下：

xps5＝zps4

yps5＝xps4(13)

zps5＝yps4

步骤s1053：zynqpl单元将北东天坐标系下的目标区域中心的坐标转换成以运动平台为中心的惯性坐标系下的坐标(xps8,yps8,zps8)：

其中，at，βt，γt分别表示北东天坐标系下的运动平台的航向角、俯仰角和滚转角；

步骤s1054：在zynqpl单元中计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ：

φ＝zps8/yps8。

进一步地，所述步骤s106：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元，由zynqps单元调用c语言数学函数库计算结果，包括：

步骤s1061：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元；

步骤s1062：由zynqps单元调用c语言数学函数库中的反余弦和反正切函数，完成离轴角和旋转角的计算：

θl＝acos(a)

θx＝atan(φ)。

根据本发明第二方面，提供一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的装置，所述装置包括：

第一坐标获取模块：选定高精度聚束式双基sar成像的目标区域，并记录目标区域中心gps坐标(lonp,latp,hgtp)；

第二坐标获取模块：zynqps单元通过与组合惯导系统互连的uart接口实时获取运动平台当前的gps坐标(lons,lats,hgts)；

第一坐标转换模块：结合地球模型参数，zynqps单元将gps坐标系下所述目标区域中心gps坐标和所述运动平台当前的gps坐标转换成地心地固坐标系下的目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)；

传输模块：zynqps单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)通过与zynqpl单元互连的axi接口发送到zynqpl单元中；

第一计算模块：zynqpl单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)结合空间同步算法，计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ；

第二计算模块：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元，由zynqps单元调用c语言数学函数库计算结果。

进一步地，所述第一坐标转换，包括：

转换子模块：用于计算

xs1＝(rgs+hgts)×cos(lats)×cos(lons)(4)

ys1＝(rgs+hgts)×cos(lats)×sin(lons)(5)

zs1＝((1-ε²)×rgs+hgts)sin(lats)(6)

xp1＝(rgp+hgtp)×cos(latp)×cos(lonp)(7)

yp1＝(rgp+hgtp)×cos(latp)×sin(lonp)(8)

zp1＝((1-ε²)×rgp+hgtp)sin(latp)(9)

其中，ra＝6378137米，为地球长轴；rb＝6356752米，为地球短轴；(xs1,ys1,zs1)为运动平台在地心地固坐标系下的坐标，(xp1,yp1,zp1)为目标区域中心在地心地固坐标系下的坐标。

进一步地，所述第一计算模块，包括：

第一坐标转换子模块：zynqpl单元将地心地固坐标系下的坐标转换至运动平台坐标系，

xps2＝xp1-xs1

yps2＝yp1-ys1(10)

zps2＝zp1-zs1

(xps2,yps2,zps2)为以运动平台为坐标中心的运动平台坐标系下目标区域中心的坐标；

第二坐标转换子模块：zynqpl单元将运动平台坐标系下的目标区域中心的坐标旋转到北东天坐标系下，获得目标区域中心在北东天坐标系下的坐标(xps5,yps5,zps5)，计算方式如下：

xps5＝zps4

yps5＝xps4(13)

zps5＝yps4

第三坐标转换子模块：zynqpl单元将北东天坐标系下的目标区域中心的坐标转换成以运动平台为中心的惯性坐标系下的坐标(xps8,yps8,zps8)：

其中，at，βt，γt分别表示北东天坐标系下的运动平台的航向角、俯仰角和滚转角；

第一计算子模块：在zynqpl单元中计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ：

φ＝zps8/yps8。

进一步地，所述第二计算模块，包括：

第一数据发送子模块：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元；

第二数据计算子模块：由zynqps单元调用c语言数学函数库中的反余弦和反正切函数，完成离轴角和旋转角的计算：

θl＝acos(α)

θx＝atan(φ)。

根据本发明第三方面，提供一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的系统，包括：

处理器，用于执行多条指令；

存储器，用于存储多条指令；

其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法。

根据本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法。

根据本发明的上述方案，相对于现有技术，本发明充分利用软硬件协同设计的优势，将聚束式双基sar空间同步角度计算算法中适合由软件执行的步骤放在zynqps中运行，适合以硬件逻辑执行步骤放在zynqpl中运行，既确保了计算结果的精度足够高，也确保了数据计算足够快，可以充分发挥软硬件协同设计的优势。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：

图1为本发明一个实施方式的基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法流程图；

图2为本发明一个实施方式的基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法的交互图；

图3为本发明一个实施方式的zynqpl单元将地心地固坐标系下的坐标进行转换的实现方式框图；

图4为本发明一个实施方式的zynqpl单元将运动平台坐标系下的目标区域中心的坐标进行转换的实现方式框图；

图5为本发明一个实施方式的zynqpl单元将北东天坐标系下的目标区域中心的坐标进行转换的实现方式框图；

图6为本发明一个实施方式的zynqpl单元计算相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ的实现方式框图；

图7为本发明一个实施方式的基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的装置结构框图。

具体实施方式

zynq是xilinx公司推出的一款集成了arm-cortex-a9双核(processingsystem，ps)以及最多可达500多万个逻辑门的可编程逻辑单元(programmablelogic，pl)的高端芯片。在芯片内部，zynqps单元与zynqpl单元通过基于axi协议的高速接口互联。zynqps单元，其本质是一个arm处理单元，包含丰富的外设接口，例如spi、uart、internet等。zynqps的编程实现方式和普通的arm处理器相似，例如用c语言编程，由指令代码串执行。zynqps单元可以执行双精度浮点型运算，有足够高的数值计算精度。zynqpl单元本质上是一个fpga逻辑处理单元，具有常见的fpga内部资源。zynqpl单元在执行算法时具有足够高的速度。

首先结合图1-2说明本发明的基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法。图1为基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法流程图，图2为基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法的交互图。如图1-2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤s101：选定高精度聚束式双基sar成像的目标区域，并记录目标区域中心gps坐标(lonp,latp,hgtp)；

本实施例中采用wgs-84坐标系，其中，lon代表经度，lat代表纬度，hgt代表高度；lonp，latp，hgtp分别为目标区域中心在坐标系下的各个轴上的坐标；

步骤s102：zynqps单元通过与组合惯导系统互连的uart接口实时获取运动平台当前的gps坐标(lons,lats,hgts)；

本实施例中采用wgs-84坐标系，其中，lon代表经度，lat代表纬度，hgt代表高度；lons，lats，hgts分别为运动平台在坐标系下的各个轴上的坐标；

步骤s103：结合地球模型参数，zynqps单元将gps坐标系下所述目标区域中心gps坐标和所述运动平台当前的gps坐标转换成地心地固坐标系下的目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)；

所述地心地固坐标系，其原点o与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平均子午面与赤道的交点，y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。

步骤s104：zynqps单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)通过与zynqpl单元互连的axi接口发送到zynqpl单元中；

步骤s105：zynqpl单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)结合空间同步算法，计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ；

步骤s106：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元，由zynqps单元调用c语言数学函数库计算结果。

所述步骤s103：结合地球模型参数，zynqps单元将gps坐标系下所述目标区域中心gps坐标和所述运动平台当前的gps坐标转换成地心地固坐标系下的目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)，包括：

xs1＝(rgs+hgts)×cos(lats)×cos(lons)(4)

ys1＝(rgs+hgts)×cos(lats)×sin(lons)(5)

zs1＝((1-ε²)×rgs+hgts)sin(lats)(6)

xp1＝(rgp+hgtp)×cos(latp)×cos(lonp)(7)

yp1＝(rgp+hgtp)×cos(latp)×sin(lonp)(8)

zp1＝((1-ε²)×rgp+hgtp)sin(latp)(9)

其中，ra＝6378137米，为地球长轴；rb＝6356752米，为地球短轴；(xs1,ys1,zs1)为运动平台在地心地固坐标系下的坐标，(xp1,yp1,zp1)为目标区域中心在地心地固坐标系下的坐标。

所述步骤s105：zynqpl单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)结合空间同步算法，计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ，包括：

步骤s1051：zynqpl单元将地心地固坐标系下的坐标转换至运动平台坐标系，

xps2＝xp1-xs1

yps2＝yp1-ys1(10)

zps2＝zp1-zs1

运动平台坐标系仍处在地心地固坐标系下，所述运动平台坐标系的原点为运动平台在地心地固坐标系下运动平台的位置；

(xps2,yps2,zps2)为以运动平台为坐标中心的运动平台坐标系下目标区域中心的坐标；

本实施例中，zynqpl单元将地心地固坐标系下的坐标进行转换的实现框图如图3所示。

步骤s1052：zynqpl单元将运动平台坐标系下的目标区域中心的坐标旋转到北东天坐标系下，获得目标区域中心在北东天坐标系下的坐标(xps5,yps5,zps5)，计算方式如下：

xps5＝zps4

yps5＝xps4(13)

zps5＝yps4

本实施例中，zynqpl单元将运动平台坐标系下的目标区域中心的坐标进行转换的实现框图如图4所示。

本实施例中，使用xilinx公司ip库中的cordicip核完成正余弦运算。

步骤s1053：zynqpl单元将北东天坐标系下的目标区域中心的坐标转换成以运动平台为中心的惯性坐标系下的坐标(xps8,yps8,zps8)：

其中，at，βt，γt分别表示北东天坐标系下的运动平台的航向角、俯仰角和滚转角；

本实施例中，zynqpl单元将北东天坐标系下的目标区域中心的坐标进行转换的实现框图如图5所示。

步骤s1054：在zynqpl单元中计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ：

φ＝zps8/yps8

本实施例中，zynqpl单元计算相控阵天线的离轴角度因子和旋转角度因子φ的实现框图如图6所示。

所述步骤s106：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元，由zynqps单元调用c语言数学函数库计算结果，包括：

步骤s1061：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元；

步骤s1062：由zynqps单元调用c语言数学函数库中的反余弦和反正切函数，完成离轴角和旋转角的计算：

θl＝acos(α)

θx＝atan(φ)。

本实施例中，部分数值较大的运算在zynqps中执行，部分非线性的三角函数运算由xilinx公司公开的ip库中的cordicip核完成。

本发明实施例进一步给出一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的装置，如图7所示，所述装置包括：

第一坐标获取模块：选定高精度聚束式双基sar成像的目标区域，并记录目标区域中心gps坐标(lonp,latp,hgtp)；

第二坐标获取模块：zynqps单元通过与组合惯导系统互连的uart接口实时获取运动平台当前的gps坐标(lons,lats,hgts)；

第一坐标转换模块：结合地球模型参数，zynqps单元将gps坐标系下所述目标区域中心gps坐标和所述运动平台当前的gps坐标转换成地心地固坐标系下的目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)；

传输模块：zynqps单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)通过与zynqpl单元互连的axi接口发送到zynqpl单元中；

第一计算模块：zynqpl单元将目标区域中心坐标(xp1,yp1,zp1)和运动平台坐标(xs1,ys1,zs1)结合空间同步算法，计算出相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ；

第二计算模块：zynqpl单元将相控阵天线的离轴角度因子α和旋转角度因子φ通过axi接口发送到zynqps单元，由zynqps单元调用c语言数学函数库计算结果。

本发明实施例进一步给出一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的系统，包括：

处理器，用于执行多条指令；

存储器，用于存储多条指令；

其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的一种基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法。

本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于zynq的高精度聚束式双基sar空间同步角度计算的方法。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，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，所述单元的划分，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。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述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实施例方案的目的。

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，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元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装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装windows或者windowsserver操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。