一种GNSS辅助下的圆弧合成孔径雷达定向装置及定向方法与流程

本发明属于测绘领域及安全监测，具体涉及一种gnss辅助下的圆弧合成孔径雷达定向装置及定向方法。

背景技术：

1、合成孔径形变监测雷达能够将形变监测面域数据与三维地形叠加，从而更加直观的展示形变区域及形变程度，其在叠加过程中，首先需要确定雷达初始的方位角。

2、在现有技术中，如中国专利文献cn202211541111.4中所公开的技术方案，其具体通过设置角反射器实现图像匹配确定方位角。应用该专利文献所公开的技术方案实现雷达定向过程中，当有时考虑到监测对象存在一定危险性时，则存在无法布设角反射器的情况。

3、因此需要无接触式的初始方位角确定方法，同时，雷达有时会部署在山区等地方，需要尽可能的减少定向所需要的额外设备，以减轻成本。为了实现雷达授时，其自身有一台gnss设备能够充分利用。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供gnss辅助下的圆弧合成孔径雷达定向装置和定向方法，以获得雷达初始方位角，进而进行后续的雷达形变场与地形的叠加。

2、本发明提供了一种gnss辅助下的圆弧合成孔径雷达定向装置，包括雷达主体结构、设置于雷达主体结构上的转轴、安装于转轴上的强制对中装置以及安装于强制对中装置上的gnss天线；

3、所述雷达主体结构包括标准长方体形状的雷达摆臂以及通过连接结构与雷达摆臂相互连接的雷达天线；雷达摆臂以转轴为中心在水平方向进行旋转，且在雷达摆臂用于与转轴相连接处安装有强制对中装置；

4、所述gnss天线的中心与转轴的中心轴线相重合设置。

5、可选的，在应用该gnss辅助下的圆弧合成孔径雷达定向装置确定雷达方位角时，所述gnss天线的数量设置为至少一台。

6、可选的，当使用一台gnss天线确定雷达方位角时，其具体过程为：

7、将gnss天线安置在强制对中装置上，并通过该gnss天线对当前位置的坐标点进行数据采集；

8、将gnss天线从强制对中装置上拆除后安装于雷达摆臂靠近雷达天线的一端上；并通过该gnss天线对当前位置的坐标点进行数据采集。

9、可选的，当使用两台gnss天线确定雷达方位角时，其具体过程为：

10、将其中一台gnss天线安置在强制对中装置上，另外一台gnss天线放置在雷达摆臂靠近雷达天线一端；

11、两台gnss天线分别对其当前位置的坐标点进行数据采集。

12、可选的，gnss天线采用rtk的测量方式实现测量，在测量过程中选择在雷达附近架设基站或使用实现差分计算。

13、可选的，所述雷达摆臂通过高精度步进电机驱动。

14、本发明还提供了一种gnss辅助下的圆弧合成孔径雷达定向方法，包括以下步骤：

15、步骤一、安装如上述所述的gnss辅助下的圆弧合成孔径雷达定向装置；

16、基于笛卡尔平面直角坐标系，设北方向为x轴正方向，东方向为y轴正方向，并设圆心c处的gnss天线以采集间隔δt不间断采集坐标值(x,y)；

17、将雷达摆臂的旋转起始位置的坐标值设为p1；

18、驱动雷达摆臂旋转以带动gnss天线进行转动，雷达摆臂在旋转过程中选取n个位置进行暂停，得到pi个位置；并分别在任意一个pi位置上均采集m个坐标数据；其中，1≤i≤n，i表示为在位置pi处采集坐标；

19、步骤二、基于设圆心c至雷达摆臂暂停的任意两个点之间所连接而成的两条线段cpi和cpj，计算圆心c及pi位置的gnss坐标改正数；

20、步骤三、基于gnss坐标改正数求出圆心c的坐标改正值和以及任意一个pi位置的改正坐标值和

21、步骤四、基于圆心c的坐标改正值和以及任意一个pi位置的坐标改正值和计算雷达初始方位角α。

22、可选的，所述步骤二中计算gnss坐标改正数的具体过程为：

23、s2.1、选取圆心c处的gnss天线以采集间隔δt不间断采集得到的m个坐标值对任意一个pi位置上均采集m个坐标数据，得到坐标值

24、s2.2、设圆心c至雷达摆臂暂停的任意两个点之间所连接而成的两条线段分别为cpi和cpj，分别对线段cpi和线段cpj的向量和向量进行解析，得到：

25、

26、

27、其中：j表示为在位置pj处采集坐标且i≠j；

28、s2.3、当时，即有(xi-xc)*(xj-xc)+(yi-yc)*(yj-yc)＝0；

29、令函数f＝(xi-xc)*(xj-xc)+(yi-yc)*(yj-yc)，其一阶偏导数为：

30、

31、

32、

33、

34、

35、

36、s2.4、对于函数f，在近似值处进行泰勒一阶展开，得到函数f的近似值：

37、

38、即gnss坐标改正数为

39、可选的，所述步骤三中求出圆心c的坐标改正值和以及任意一个pi位置的坐标改正值和的具体过程为：

40、s3.1、设i＝3，基于采用间接平差方法设未知向量矩阵x为：

41、x＝[δxc,δyc,δx1,δy1,δx2,δy2,δx3,δy3,δx4,δy4]

42、其中，δx1,δy1为p1点的gnss坐标测量值的改正数，δx2,δy2、δx3,δy3、δx4,δy4分别为任意一个pi点的gnss坐标测量值的改正数；

43、设参数矩阵b其行数为4*m、列数为10；对于这一条件，则第1行至m行的矩阵b1为：

44、

45、设矩阵l1的列数为m、行数为1，则其第k列(1≤k≤m)的数据为：

46、

47、即

48、对于这一条件，则其第m+1行至2m行为矩阵b2为：

49、

50、设矩阵l2列数为m、行数为1，则其第k列(1≤k≤m)的数据为：

51、

52、即

53、对于这一条件，第2m+1行至3m行为矩阵b3为：

54、

55、设矩阵l3列数为m、行数为1，则其第k列(1≤k≤m)的数据为：

56、

57、即

58、对于这一条件，第3m+1行至4m行为矩阵b4为：

59、

60、设矩阵l4列数为m、行数为1，则其第k列(1≤k≤m)的数据为：

61、

62、即

63、即得到：

64、b＝[b1 b2 b3 b4]t；

65、l＝[l1 l2 l3 l4]t，即矩阵l行数为4*m，列数为1；

66、s3.2、对参数矩阵b进行归一化处理：

67、normalized_b＝(b-min(b))/(max(b)-min(b))；

68、对矩阵l进行归一化处理：

69、normalized_l＝(l-min(l))/(max(l)-min(l))；

70、使用最小二乘法求解未知向量组x的最优估计值x*：

71、x*＝argmin||normalized_b*x-normalized_l||^2；

72、对未知向量组x的最优估计值x*进行逆归一化处理，则有：

73、x*＝x*(max(l)-min(l))+min(l)；

74、基于未知向量组x的最优估计值x*，得到gnss坐标测量值的改正数δxc、δyc、δx1、δy1、δx2、δy2、δx3、δy3、δx4、δy4；

75、基于gnss坐标测量值的改正数计算圆心c的坐标改正值：

76、

77、

78、基于gnss坐标测量值的改正数计算任意一个pi位置的坐标改正值：

79、

80、

81、可选的，所述步骤四中计算雷达初始方位角α的具体过程为：

82、s4.1、计算圆心c和p1两点之间的象限角rcp：

83、

84、s4.2、根据坐标增量，判断象限角rcp与方位角α之间的关系：

85、①当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第i象限，即α＝rcp；

86、②当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第ii象限，即α＝rcp+90°；

87、③当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第iii象限，即α＝rcp+180°；

88、④当时，则判断象限角rcp与方位角α之间为第iv象限，即α＝rcp+360°。

89、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

90、本发明提出的gnss辅助下的圆弧合成孔径雷达定向方法，充分利用了圆弧合成孔径雷达旋转这一特性，再利用相互垂直的向量点乘为0这一规律，实现了雷达定向。且该方法具有计算精确、无需角反射器辅助、计算快速便捷等优势，尤其利用了雷达自身的gnss天线，做到了无需携带额外设备即可实现雷达定向，对于在边远山区、高原高海拔地区的雷达安装，能够减少负荷、节省开支、降低成本。

91、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。