一种基于FrFT的星载曲线轨迹SAR目标三维定位方法

本发明属于合成孔径雷达，尤其涉及一种基于分数阶傅里叶变换(frft)的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法。

背景技术：

1、合成孔径雷达具有全天时、全天候的观测能力，同时具有较高的分辨率，目前在对地观测中有着重要地位。常规的sar二维图像只能呈现目标的大概位置，存在叠掩、顶底倒置等问题，无法反应目标的高度信息。尤其是在高楼林立、结构复杂的城市区域，叠掩现象尤为明显，而城市也是现代战争的必争之地，其战略地位不言而喻。由于上述问题，sar三维成像技术成为近年来国内外的研究热点。

2、目前，sar三维成像中常用的技术包括层析sar、阵列干涉sar和圆迹sar。其中层析sar技术，也被称为多基线sar技术，雷达观测平台在不同高度重复飞行，从而在高度向形成合成孔径，实现距离-高度二维平面内的高分辨。阵列干涉sar技术是指在观测平台上搭载多个天线，通过多输入多输出技术，获取多通道sar图像，可以实现单航过三维成像。圆迹sar技术是指观测平台围绕目标做圆周运动，获取目标全方位信息。同样只需一次飞行便可以在距离-方位二维平面、距离-高程二维平面形成合成孔径实现高分辨，解决了层析sar耗时间的问题。

3、然而，上述已有的sar三维成像方法，都需要以大量的数据为基础，采集数据所需时间长，且处理过程较为繁琐。曲线轨迹sar，只需圆迹sar的部分轨迹，便可实现单航过目标重建，所需数据量小，节省采集数据时间。但现有的曲线轨迹sar成像方法，都是基于划分子孔径的方式提取目标的多普勒调频率残差，不仅会损失信噪比，处理速度也比较慢。因此，迫切需要一种快速估计目标的三维位置的方法。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于分数阶傅里叶变换(frft)的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法，该方法可通过frft快速估计出目标的多普勒调频率残差以及目标初始频率，结合多普勒调频率残差与目标高度的关系、目标初始频率与方位向位置的关系便可快速完成目标三维定位。

2、本发明的基于frft的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法包括：

3、s1、获取卫星的空间参数，包括卫星的运动轨迹、合成孔径中心时刻地心固定(ecf)坐标系下的速度v以及波束中心位置。获取卫星的载荷参数，包括波长λ、带宽b、合成孔径时间ts，脉冲重复频率prf。

4、s2、对观测目标进行成像，具体步骤包括：

5、s21、以波束中心位置为场景中心点o,以地心和场景中心点连线为z轴，卫星速度方向为x轴，地距向为y轴构建场景坐标系。对场景中心点的斜距历史r(η)进行多项式拟合

6、r(η)＝r0+k1η+k2η2+k3η3+k4η4       (1)

7、其中η为慢时间，k1-k4为多项式1-4阶系数，r0为0阶项。

8、s22、构建参考点的二维频谱为

9、

10、其中kr为距离向调频率，c为光速，fc为载频，fr为距离向频率，fa为方位向频率。

11、s23、将回波信号的频谱与参考二维频谱s(fr,fa)共轭相乘，再进行傅里叶逆变换，便可得到成像结果。

12、s3、估计目标的多普勒调频率，以及初始频率。具体步骤包括：

13、s31、根据成像后的sar图像查找目标所在位置，然后取出其方位向的信号进行快速傅里叶变换(fft)。

14、s32、对经过fft的频域信号进行量纲归一化，引入一个尺度因子q：

15、

16、将原本信号的时域t、频域f转换为无量纲的域u-l，得到新的尺度化坐标。转换关系为：

17、u＝t/q,l＝f·q       (4)

18、s33、将经过尺度变换后的信号做不同阶次p的frft变换，形成p-u平面的二维能量分布图，然后搜索能量峰值点所在位置，并根据峰值位置计算信号初始频率与调频率frft定义式为：

19、

20、式中，为frft的核函数，α＝pπ/2,n为整数

21、峰值位置与多普勒调频率、初始频率估计值的关系为：

22、

23、s4、计算目标的三维坐标，具体步骤包括：

24、s41、计算目标方位向坐标，计算方式为：

25、

26、s42、计算o、b两点间的多普勒调频率之差，首先需要计算b的时域调频率,计算方式为：

27、

28、然后计算o、b两点之间的多普勒调频率在时域的差异，计算方式为：

29、kob＝ko-kb        (9)

30、其中ko可由多项式拟合系数k2获取。

31、s43、计算a、b两点间的多普勒调频率之差，首先计算出点a在地距向的位置，计算方式为：

32、

33、其中sy为卫星在合成孔径中心时刻的y坐标，sh为卫星在合成孔径中心时刻的z坐标，rb为孔径中心时刻卫星到目标点的斜距。

34、并通过a点坐标计算斜距历史，通过拟合多项式中的二阶系数求出参考点a的调频率ka。然后便可得出a、b两点间的调频率之差为：

35、δka＝kob-(ka-k0)        (11)

36、s44、计算目标点的高度向坐标，计算方式为：

37、

38、其中，λ为波长，ra为孔径中心时刻卫星到地面参考点a的斜距，re为地球半径，hs为卫星轨道距离地面高度，β1为地心-卫星与地心-地面参考点a的夹角。

39、s45、最后计算目标b的地距向坐标，计算方式为：

40、

41、本发明的有益效果在于：

42、相比于传统的逐点估计，本发明结合frft可逐列估计多个目标点的多普勒调频率残差，从而精准快速估计出目标的三维位置。

技术特征：

1.一种基于frft的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于frft的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法，其特征在于，在步骤s21中，以波束中心位置为场景中心点o,以地心和场景中心点连线为z轴，卫星速度方向为x轴，地距向为y轴构建场景坐标系；对场景中心点的斜距历史r(η)进行多项式拟合

3.如权利要求1所述的一种基于frft的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法，其特征在于，在步骤s22中，构建参考点的二维频谱为

4.如权利要求1所述的一种基于frft的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法，其特征在于，在步骤s22中，采用频域成像方法，频谱扩展到fa的六阶。

5.如权利要求1所述的一种基于frft的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法，其特征在于，在步骤s44中，计算目标点的高度向坐标，计算方式为：

6.如权利要求1所述的一种基于frft的星载曲线轨迹sar目标三维定位方法，其特征在于，在步骤s45中，计算目标b的地距向坐标，计算方式为：

技术总结
本发明提供一种基于FrFT的星载曲线轨迹SAR目标三维定位方法，该方法首先建立参考频谱，与回波频谱共轭相乘，得到成像结果。其次将目标所在的方位向信号进行分数阶傅里叶变换(FrFT)估计其多普勒调频率与初始频率。最后通过估计到的参数计算目标三维坐标。本发明结合了FrFT，相比于传统方法可有效提高估计速度，降低信噪比损失。

技术研发人员：陈志扬,聂志通,李元昊,胡程
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15