利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010338290.6 (22)申请日 2020.04.26 (71)申请人 中国科学院国家空间科学中心 地址 100190 北京市海淀区中关村南二条1 号 (72)发明人 杨双宝徐熙煜康雪艳 (74)专利代理机构 北京方安思达知识产权代理 有限公司 11472 代理人 杨青王蔚 (51)Int.Cl. G01S 7/40(2006.01) G01S 13/88(2006.01) G01S 13/02(2006.01) G01S 7/288(2006.01) G01S 7/。

2、41(2006.01) (54)发明名称 一种利用底视差分干涉实现星载雷达横滚 角测定的方法 (57)摘要 本发明公开了一种利用底视差分干涉实现 星载雷达横滚角测定的方法， 所述方法包括： 对 星载雷达的左边天线AL、 中间天线AO和右边天线 AR接收的回波进行方位向-距离向压缩处理， 得 到三个天线压缩处理后的脉冲回波； 对压缩处理 后的脉冲回波进行干涉处理， 得到两组干涉回 波； 对两组干涉回波分别进行方位-距离向二维 平滑； 从平滑后的干涉回波中提取干涉相位， 并 计算差分干涉相位； 基于多个差分干涉相位， 利 用最小二乘算法估计出横滚角。 本发明的方法不 需要建立地面定标场， 或者特定。

3、参考目标； 其横 滚角测定方法比现有横滚角测定方法操作更简 单， 误差源更少， 精度更高。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 111505592 A 2020.08.07 CN 111505592 A 1.一种利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定的方法， 所述方法包括： 对星载雷达的左边天线AL、 中间天线AO和右边天线AR接收的回波进行方位向-距离向压 缩处理， 得到三个天线压缩处理后的脉冲回波； 对压缩处理后的脉冲回波进行干涉处理， 得到两个干涉回波； 对两个干涉回波分别进行方位向-距离向二维平滑； 从平滑后的干涉回波中提取干涉相位， 并计算差分干涉相位； 基于多个差分干涉相位。

4、， 利用最小二乘算法估计出横滚角。 2.根据权利要求1所述的利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定的方法， 其特征 在于， 所述对压缩处理后的脉冲回波进行干涉处理， 得到两个干涉回波； 具体包括： 其中，为天线AO接收的第i个回波脉冲的第j个距离门的回波；为天线AL接收的第 i个回波脉冲的第j个距离门的回波；为AR天线接收的第i个回波脉冲的第j个距离门的 回波；为天线AO和天线AL之间第i个干涉回波脉冲的第j个距离门的干涉回波，为天 线AO和天线AR之间第i个干涉回波脉冲的第j个距离门的干涉回波。 3.根据权利要求2所述的利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定的方法， 其特征 在于， 所述从平。

5、滑后的干涉回波中提取干涉相位， 并计算差分干涉相位； 具体包括： 从干涉回波中提取的干涉相位为： 从干涉回波中提取的干涉相位为： 其中，为取相位函数； n1， n2分别表示参与求和平均的方位向脉冲数目和参与平均 的距离门数目； mij为第i个回波脉冲的第j个距离门， 跟踪门标号为j0； 计算差分干涉相位 其中， k为电磁波波数， B为基线长度， 即左边雷达天线AL相位中心和右边雷达天线AR相 位中心的距离。 4.根据权利要求3所述的利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定的方法， 其特征 在于， 所述基于多个差分干涉相位， 利用最小二乘算法估计出横滚角； 具体包括： 权利要求书 1/2 页 2 。

6、CN 111505592 A 2 差分干涉相位与横滚角 的关系为： 其中， a,b,c为系统参数， h为地表均方根高度； 利用多个差分干涉相位和最小二乘法， 估计出横滚角 。 5.根据权利要求1-4之一所述的利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定的方法， 其特征在于， 所述方法还包括： 以中间天线AO为发射天线， 并以设计脉冲重复频率PRF朝地面发射电磁脉冲； 所述左边天线AL、 中间天线AO和右边天线AR同时接收地面反射回波； 对任意一个天线的地面反射回波进行在轨距离向压缩处理， 并对处理后回波进行在轨 跟踪， 保持锁定目标回波信号。 6.根据权利要求5所述的利用底视差分干涉实现星载雷达横滚。

7、角测定的方法， 其特征 在于， 所述中间天线AO位于基线中心， 基线方向自左边天线AL指向右边天线AR， 且AOAL子基线 和AOAR子基线对称。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111505592 A 3 一种利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定的方法 技术领域 0001 本发明涉及天基雷达技术领域， 具体涉及一种在海洋上空进行高精度干涉雷达测 量时， 横滚角的测量和定标方法， 特别涉及一种利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测 定的方法。 背景技术 0002 现有的国际(底视)干涉合成孔径雷达高度计以及国内外(正在研制的)小入射角 干涉成像雷达高度计包括： 0003 (1)底视合成孔径雷。

8、达高度计， 比如欧空局的在轨雷达高度计Cryosat-2。 Cryosat-2是典型的双天线架构， 单航过的短基线底视干涉合成孔径雷达。 其工作模式有实 孔径高度计模式， 合成孔径高度计模式和底视干涉模式。 其中底视干涉模式主要用于南北 极冰架地形坡度测量。 0004 由于南北极冰架的地形坡度测量依赖于底视干涉测量相位， 而干涉测量相位受基 线横滚角影响， 因此它必须在观测冰架斜坡地形时准确知道基线的横滚角。 它的横滚角测 量依赖于星上星敏感器， 和对星敏感器的标校。 0005 Cryosat-2采用在特定海域上空利用双天线底视干涉测量相位对星敏感器测量的 横滚角进行定标。 这种方法要求熟知海。

9、域洋流和本身的地形坡度变化， 因为它无法剔除海 洋地形坡度误差对横滚角测定的影响。 因此， 其横滚角精确度受到限制， 只能达到0.1mrad 量级， 无法再提高。 0006 (2)天基(星载)小入射角干涉成像雷达高度计。 包括国内已经发射的天宫二号成 像高度计， 尚在计划中的新一代海洋动力成像高度计， 和国外正在计划中的SWOT干涉成像 高度计。 小入射角干涉成像高度计的主要优势在于， 相比底视雷达高度计， 在同样的轨道高 度上， 其观测刈幅可以提高8倍左右， 从而实现二维海面高成像， 对于海洋动力学具有重要 意义。 0007 干涉成像雷达主要依靠定标场或固定参考目标实现对横滚角的定标。 定标。

10、参考的 是定标场或固定参考目标相对于基线中心的视角。 通过几何方法计算视角时， 需要知道精 确的相对几何位置， 和精确的时间。 实现方法复杂， 影响因素多， 容易产生测量误差。 发明内容 0008 本发明的目的在于克服现有干涉雷达的横滚角定标技术无法在1s的短时间内实 现更高精确度， 限制了干涉测高精度的进一步提高的缺陷， 提出了一种利用底视差分干涉 实现星载雷达横滚角测定的方法， 能够进一步提高横滚角测定精确度， 在1s平均情况下， 可 以达到urad量级。 0009 为实现上述目的， 本发明提供了一种利用底视差分干涉实现星载雷达横滚角测定 的方法， 所述方法包括： 0010 对星载雷达的左。

11、边天线AL、 中间天线AO和右边天线AR接收的回波进行方位向-距离 说明书 1/6 页 4 CN 111505592 A 4 向压缩处理， 得到三个天线压缩处理后的脉冲回波； 0011 对压缩处理后的脉冲回波进行干涉处理， 得到两个干涉回波； 0012 对两个干涉回波分别进行方位向-距离向二维平滑； 0013 从平滑后的干涉回波中提取干涉相位， 并计算差分干涉相位； 0014 基于多个差分干涉相位， 利用最小二乘算法估计出横滚角。 0015 作为上述方法的一种改进， 所述对压缩处理后的脉冲回波进行干涉处理， 得到两 个干涉回波； 具体包括： 0016 0017 0018其中，为天线AO接收的第。

12、i个回波脉冲的第j个距离门的回波；为天线AL接 收的第i个回波脉冲的第j个距离门的回波；为AR天线接收的第i个回波脉冲的第j个距 离门的回波；为天线AO和天线AL之间第i个干涉回波脉冲的第j个距离门的干涉回波， 为天线AO和天线AR之间第i个干涉回波脉冲的第j个距离门的干涉回波； 0019 作为上述方法的一种改进， 所述从平滑后的干涉回波之差中提取干涉相位， 并计 算差分干涉相位； 具体包括： 0020从干涉回波中提取的干涉相位为： 0021 0022从干涉回波中提取的干涉相位为： 0023 0024其中，为取相位函数； n1， n2分别表示参与求和平均的方位向脉冲数目和参 与平均的距离门数目。

13、； mij为第i个回波脉冲的第j个距离门， 跟踪门标号为j0； 0025计算差分干涉相位 0026 0027 其中， k为电磁波波数， B为基线长度， 即左边雷达天线AL相位中心和右边雷达天线 AR相位中心的距离。 0028 作为上述方法的一种改进， 所述基于多个差分干涉相位， 利用最小二乘算法估计 出横滚角； 具体包括： 0029差分干涉相位与横滚角 的关系为： 0030 说明书 2/6 页 5 CN 111505592 A 5 0031 其中， a， b， c为系统参数， h为地表均方根高度； 0032 利用多个差分干涉相位和最小二乘法， 估计出横滚角 。 0033 作为上述方法的一种改进。

14、， 所述方法还包括： 0034 以中间天线AO为发射天线， 并以设计脉冲重复频率PRF朝地面发射电磁脉冲； 0035 所述左边天线AL、 中间天线AO和右边天线AR同时接收地面反射回波； 0036 对任意一个天线的地面反射回波进行在轨距离向压缩处理， 并对处理后回波进行 在轨跟踪， 保持锁定目标回波信号。 0037 作为上述方法的一种改进， 所述中间天线AO位于基线中心， 基线方向自左边天线AL 指向右边天线AR， 且AOAL子基线和AOAR子基线对称。 0038 本发明的优势在于： 0039 1、 本发明的方法不仅可以在全球南北纬60 范围内任意海洋地区对星敏器进行高 精确度定标， 而且其横。

15、滚角测量结果可以直接应用于海洋干涉雷达， 比如专门用于海洋卫 星的小入射角干涉成像雷达高度计。 0040 2、 本发明的方法的适用区域为全球南北纬60 范围内任意开阔海洋地区， 南极冰 原和冰架， 大型内陆湖泊等平坦地区， 而且不需要单独建立定标场； 0041 3、 由于可以在全球海域直接给出高精确度横滚角测量值， 因此本发明的方法有助 于进一步提高干涉测高精度； 0042 4、 本发明的方法可以实现在1s平均内， 以urad量级的精确度， 实现星载干涉雷达 的横滚角定标； 这是目前其它测量手段无法实现的； 0043 5、 本发明的方法不需要建立地面定标场， 或者特定参考目标； 其横滚角测定方。

16、法 比现有横滚角测定方法操作更简单， 误差源更少， 精度更高。 0044 6、 对于海洋干涉雷达， 本发明的方法可以在星载雷达执行观测任务的同时， 直接 提供高精确度的横滚角测量值。 附图说明 0045 图1为干涉角( ， ， h)和基线横滚角 ， 地形坡度角 的关系示意图； 0046 图2为几何观测模型的示意图； 0047 图3为天线AO接收的回波及其跟踪点的示意图； 0048 图4为仿真回波的差分干涉相位和对应横滚角的示意图； 0049 图5为利用差分相位得到的横滚角估计及估计误差的示意图。 具体实施方式 0050 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。 0051 图1给出了被观测。

17、的目标地面的地形坡度和基线矢量的几何关系(为了显示清楚， 图中角度和高度的比例关系失真， 但是不影响问题本质和问题描述)。 0052 在图1中， 雷达垂直纸面向里飞行， 天线AL,AO,AR接收地面反射的电磁波。 根据干涉 测量理论， 可以知道天线ALAR干涉回波相位 对应的干涉角( ， ， h)( /(kB)， 其中 k为电磁波圆波数， B为基线长度)是天线基线横滚角 ， 地形坡度角 (各参数定义在后文中 描述)和本地均方根高度 h的函数。 因此， 只要建立回波相位和基线横滚角， 地形坡度角之 说明书 3/6 页 6 CN 111505592 A 6 间的数学关系， 就可以求解出基线横滚角。。

18、 0053 下面描述本发明的理论基础， 即用于描述干涉相位和横滚角， 地形坡度角之间关 系的数学模型。 基于图2所示的几何观测模型和图1描述的几何关系， 可以建立所需数学模 型。 0054 在图2中， 天线基线长度B。 雷达天线AO位于基线中心， 其天底点为N， 雷达天线AO相 对于天底点N的高度为H， 天底点N的本地地球半径为Re。 基线方向自雷达天线AL指向雷达天 线AR， 和X轴方向相同。 雷达沿Y轴方向飞行， 横滚角 ， 逆着飞行方向看， 逆时针为正(即当 0时， 逆飞行方向看， 左侧天线AL高于右侧天线AR)。 天线俯仰角 ， 逆着X轴看， 逆时针为正(即 当 0时， 雷达视轴为前视。

19、)。 基线偏航角为 ， 当逆着Z轴看时(即下视方向上)， 逆时针为正 (即当 0时， 左侧天线AL在后， 右侧天线AR在前)。 点目标T的球坐标为其中 表示点目标T高出参考球面的高度。 点目标所在平面即过点的切 平面， 与过点的切平面在横轨方向上(X轴方向上)的夹角， 被定义为坡度角 ， 的 方向定义和横滚角 相同。 0055 基线与卫星到天底点连线和飞行速度构成的平面垂直。 3个天线相位中心分别位 于图1中AO,AL,AR所在位置， 且AOAL子基线和AOAR子基线对称(这里的对称是指几何对称， 同 时机械和热形变参数相同。 虽然两个子基线长度不等也可以实现本发明中的横滚角测量， 但是两子基。

20、线长度相等便于计算， 因此这里假设两子基线长度相等)。 3个天线视轴在同一 平面内， 且互相平行。 中间天线AO视轴在卫星到天底点连线和飞行速度构成的平面内且平 行于卫星到天底点连线。 天线AO发射电磁脉冲， AO,AL,AR 3个天线同时接收地面反射的雷达 回波。 在本实施例中， 天线馈源应该和基线分离， 以最小化基线变形对基线长度的影响。 0056 针对上述观测模型， 可以得到干涉回波相位： 0057 0058其中，表示雷达天线AO和雷达天线AL之间的干涉回波相位；表示雷达 天线AO和雷达天线AR之间的干涉回波相位。 k2 / 为电磁波波数， 1+h/Re为本地地球曲 率， h为本地均方根。

21、高度。 根据(1)式， 可以得到差分干涉 0059 0060 在 0.5 的情况下可以进一步把(2)式写为 0061 0062 其中， a、 b、 c是雷达系统相关的参数。 0063 利用(3)式可以得到横滚角 。 在测量样本足够多的条件下， 采用最小二乘求解， 横 滚角测量精度D( )为： 说明书 4/6 页 7 CN 111505592 A 7 0064 0065 其中 c为干涉回波的相干系数， 对于海洋和冰架， 一般超过0.9。 N则为独立观测脉 冲数， 对于采用底视合成孔径处理的雷达系统， 在2km尺度上可以获得9000个左右独立观测 脉冲数。 因此， 横滚角 的测量精度可以达到ura。

22、d量级。 0066 针对前文所述测量方案， 以系统参数800km轨道高度， Ka波段， 基线长度2m(基线长 度被定义为AL,AR两个天线相位中心之间的距离)， 脉冲重复频率9KHz， 信号带宽320MHz为 例， 介绍具体的技术实施方式。 0067 按照如下方式实施底视差分干涉测量即可实现高精度横滚角测量。 在星上， 以AO 为发射天线， 并以设计脉冲重复频率PRF朝地面发射电磁脉冲。 3个天线同时接收地面反射 回波， 记为0,L,R； 对o(L或者R)进行方位向-距离向压缩处理(或者只进行距离 向压缩处理)， 并对处理后回波进行在轨跟踪， 保持锁定目标回波信号。 然后进行如下处理 过程： 。

23、0068 步骤1)对3个天线接收的回波进行方位向-距离向压缩处理， 并对AO天线(也可以 是其它两个天线中的一个)的接收干涉回波进行高精度重跟踪处理(在短基线情况下， 也可 以直接跟踪AO天线接收回波)。 记第i个回波脉冲的第j个距离门为mij， 跟踪门标号为j0(参 见图3所示跟踪门)， 同时输出对应的地表均方根高度 h。 0069 步骤2)对压缩处理后的脉冲回波进行干涉处理， 得到 0070 0071 0072其中，为AO天线接收的第i个回波脉冲的第j个距离门的回波；为AL天线接 收的第i个回波脉冲的第j个距离门的回波；为AR天线接收的第i个回波脉冲的第j个距 离门的回波；为AO天线和AL。

24、天线之间第i个干涉回波脉冲的第j个距离门的回波，为 AO天线和AR天线之间的第i个干涉回波脉冲的第j个距离门的回波。 0073步骤3)对和进行方位-距离向二维平滑。 0074 步骤4)提取干涉相位： 0075 0076 0077其中，为取相位函数； n1， n2分别表示参与求和平均的方位向脉冲数目和距离 门数目。 0078 步骤5)按照(3)式， 对于第i组回波(AO,AL,AR 3个天线接收到的第i个回波为一组) 可以得到差分干涉相位： 说明书 5/6 页 8 CN 111505592 A 8 0079 0080 0081 参见图4给出的相位。 0082步骤6)对多组干涉相位测量值利用最小二。

25、乘算法估计出横滚角 和雷达 系统参数a,b,c。 参见图5给出的横滚角估计。 0083 鉴于目前尚没有这样一个星载底视差分干涉观测雷达系统， 可以设计仿真实验来 验证。 在仿真中， 横轨向设置了7个横滚角度。 仿真参数如下表1所示。 0084 表1仿真参数 0085 0086 0087 根据上述参数进行仿真， 仿真结果如图3、 图4和图5所示。 图3是AO天线接收到的回 波及其跟踪点。 图4是横滚角对应的差分干涉相位。 图5是利用差分干涉相位估计的横滚角， 及其与仿真设定值之差。 0088 本发明的创新点在于： 0089 1、 对参加底视差分干涉处理的雷达天线接收到的回波， 在同一参考系下对各。

26、天线 回波进行建模， 从而得到底视干涉雷达回波模型， 和底视差分干涉相位模型。 并在一定条件 下， 将横滚角和目标地形坡度对干涉相位的影响解耦。 这既是本发明的创新点， 也是本发明 的理论基础。 0090 2、 通过采用对称双基线构建干涉相位方程组， 将目标地形坡度和横滚角从干涉相 位中分离出来， 是本发明的理论创新和技术创新。 0091 3、 利用底视对称基线及三接收通道(如附图所示)在开阔海面(/平坦冰原， 大型内 陆湖泊等均匀平坦地形)测定横滚角的优点在于， 可以消除目标地形坡度导致的误差， 和目 标地形均方根高度起伏导致的误差， 从而得到准确的横滚角。 0092 4、 底视差分干涉合成。

27、孔径回波处理流程， 是本发明的第4个创新点。 0093 最后所应说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。 尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换， 都不脱离本发明技术方案的精神和范围， 其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。 说明书 6/6 页 9 CN 111505592 A 9 图1 图2 说明书附图 1/3 页 10 CN 111505592 A 10 图3 图4 说明书附图 2/3 页 11 CN 111505592 A 11 图5 说明书附图 3/3 页 12 CN 111505592 A 12 。