基于低成本INS的机载SAR运动补偿研究

为了提高雷达成像的质量．得到高分辨率的SAR图像就必须保证有精确的运动补偿方法来校正运动误差对成像的影响。提出了一种基于惯导数据INS的视线方向位移误差的补偿方法,采用了低精度低成本的INS．对此部分的原理及实现进行了深入的建模分析和推导,并给出仿真结果。结果表明,基于惯导进行运动补偿时低精度也可满足要求。     

Strapdown inertial measurement units for motion compensation forsynthetic aperture radars

It is shown that synthetic-aperture radar (SAR) motion can be compensated by using an antenna-mounted strapdown inertial measurement unit (IMU) as the motion sensing system, but sensor and system errors affect SAR image quality. A strapdown IMU consists of three accelerator channels and three gyro channels. Strapdown IMU errors include gyro-scale and accelerometer-scale factor and bias errors, velocity error, platform tilt, and errors induced by limited inertial sensor bandwidth. The effects of these errors on the SAR image quality are presented in terms of the SAR impulse response. IMU errors that cause low-frequency phase errors (less than one cycle per array time) are categorized in terms of quadratic and cubic phase errors. IMU errors that cause high-frequency phase errors (greater than one cycle per array time) are categorized in terms of the integrated sidelobe ratio and peak sidelobe ratio. A motion compensation system conceptualization is described wherein a strapdown IMU is attached to an antenna and transfer-aligns to the aircraft's master navigator     

用于SAR运动补偿的DGPS/SINS组合系统研究

使用考虑位置误差相关项的伪距率观测模型 ,研究了用于合成孔径雷达运动补偿的差分 GPS/ SINS伪距率组合系统。结果表明 ,组合系统的长期位置精度能达到 1 m左右。 GPS数据更新率低于 INS,在 GPS测量时间间隔内 ,组合系统的性能仅由 INS决定。虽然 INS误差随时间积累 ,在 GPS数据更新率为 1 s的情况下 ,即使采用中等精度的惯性仪表 ,其相对位置精度为厘米级 (这里相对位置精度指组合系统在 GPS测量时间间隔内位置误差的变化范围)。     

基于数值计算的机载SAR空变运动补偿算法

针对机载合成孔径雷达(SAR)高分辨率宽测绘带(HRWS)成像问题,在分析结合两步运动误差补偿的距离徙动算法基础上,提出一种基于数值计算的空变运动误差补偿算法。通过对粗聚焦图像进行分块,在子块的两维波数域进行空变运动补偿,补偿的相位包括方位相位误差、距离相位误差以及方位和距离的耦合相位,因此该算法在复杂航迹、高分辨和宽测绘带情况下仍具有较好的鲁棒性。最后对SAR仿真数据和实测数据进行处理,并与结合两步运动误差补偿的距离徙动算法进行比较,处理结果表明该算法能够更好地补偿空变运动误差。     

运动补偿用惯性器件误差对SAR成像分辨率的影响研究

 为提高合成孔径雷达（SAR）系统的性价比,必须根据SAR成像分辨率的要求和整体系统参数,设计相应精度的运动补偿用捷联惯导系统。在确定SAR运动补偿系统方案和安装方式的基础上,分析不同方向的加速度计和陀螺仪误差对天线相位中心位置测量误差的影响,并利用位置测量误差与SAR成像分辨率之间的关系,进一步明确了不同方向的加速度计和陀螺仪对SAR成像分辨率的影响。研究表明：基于SAR的工作原理和安装方式,x方向加速度计和y方向陀螺仪对SAR成像分辨率的影响明显比其他惯性器件严重;相同误差水平的惯性器件对SAR成像分辨率的影响随着合成孔径时间和工作波长的不同而不同,时间越长,波长越短,影响则越严重。SAR成像仿真证明了结论的正确性。研究结果对于研制高性价比SAR成像运动补偿系统有一定的理论指导意义。     

基于距离子带的机载SAR高精度多级空变运动补偿

运动补偿（MOCO）是机载合成孔径雷达（SAR）获取高质量图像的关键,超高分辨率成像中,如何精确、高效地校正空变运动误差仍是很大的挑战。本文提出了一种改进的多级空变运动补偿方案,兼顾处理的精度和效率。首先,采用一步运动补偿法有效去除运动误差的距离空变分量,避免引起额外的距离徙动校正（RCMC）误差。同时,修正视线方向误差的传统计算方式,保证相位精度的前提下结合距离子带实现无插值的近似距离包络补偿。然后,利用距离子带降低残余方位空变误差的距离空变性和对方位时频关系的影响,显著改善宽波束情况下的聚焦效果,降低孔径依赖补偿算法的运算量。最终分辨率达到0.1 m,具有实际工程应用价值。点目标仿真和实测数据处理验证了所做的研究。     

DGPS/IMU integration-based geolocation system: Airborne experimental test results

This paper addresses differential global positioning system (DGPS)/inertial measurement unit (IMU) integration-based geolocation system developed for airborne remote sensing cameras. First, we provide a brief review on sensor calibration, alignment and sensor fusion as background material of this research. After presenting those background material, as a main part of this paper we present a geolocation algorithm designed for an airborne imaging system. The geolocation system developed is tested through actual airborne experiments. For the verification of the geolocation system developed, we compare initial stationary states of the airplane before-taking off with states after-landing. From the actual test results, we find that it is critical to do an accurate time synchronization between IMU, DGPS, and airborne images, and to compensate for the data delay occurred during the network transfer.     

IMPROVEMENT OF PHASE GRADIENT AUTOFOCUS ALGORITHM

ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＯＦＰＨＡＳＥＧＲＡＤＩＥＮＴＡＵＴＯＦＯＣＵＳＡＬＧＯＲＩＴＨＭＬｉＬｉｗｅｉ（李立伟），ＭａｏＳｈｉｙｉ（毛士艺），ＡｓｉｆＲａｚａ，ＬｉｕＹｉｎｇ（刘莹）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ...     

一种常规机动下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性分析

为保证机载捷联惯组的导航精度能够达到要求,需要对惯组定期进行返厂标定,成本高、周期长,也影响载机的使用效率,故而机载惯组在线标校技术的研究一直在不断进行中。对大中型运输机的机载惯组而言,由于其机体较大、机动能力较差,很难完成诸如S机动等复杂的机动动作,故而需要对其常规飞行机动状态下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性进行分析。利用GPS提供的速度和位置信息作为外部观测量来设计Kalman滤波器,采用基于分段线性定常系统(PWCS)的奇异值分解法(SVD),对飞机静止、起降、匀速飞行、匀加减速飞行、转弯等一系列常规机动条件下系统的可观测性和可观测度进行研究。通过Matlab仿真和转台实验,验证了组合导航系统可观测性分析结论的有效性,可为机载惯组的在线标校提供一定参考。     

激光陀螺捷联惯导系统旋转调制技术综述

激光陀螺旋转调制技术是一种系统级误差自补偿技术,能够有效调制陀螺和加速度计的误差,提高导航系统的精度。首先分析了旋转调制型捷联惯导系统的基本原理和类型,然后从转位方案的编排、惯性测量单元旋转速度和转停时间的选取、旋转机构的导航解算、旋转机构的误差分析、载体角运动隔离等多方面,对激光陀螺旋转调制技术进行了综述,并探讨了我国旋转调制技术的重点研究方向,提出了合理的建议。     

Integrated precision SAR targeting: a SAR targeting simulation

Operational deficiencies exist in the current ability to perform high resolution synthetic aperture radar (SAR) targeting for precision strike missions in difficult electronic countermeasure (ECM) and anti-aircraft environments. Increasingly sophisticated enemy defenses require that fire control information be derived from highly maneuverable aircraft trajectories rather than traditional straight-and-level flight. In addition, target area aspect information is needed to determine optimal attack approaches. These imaging and targeting conditions impose severe performance requirements on the sensor aircraft motion compensation system (MCS), and dictate the need for sophisticated algorithms to counteract ECM threats. This paper describes the development of a user friendly “Design Tool” for modeling and analysis of airborne radar system performance for SAR imaging and Precision SAR Targeting     

高分影像辅助下的航空高光谱严密几何检校方法

 惯性测量单元(IMU)与传感器视准轴的偏心角和偏心矢量是造成航空线阵列高光谱数据几何校正误差的主要原因之一。在分析偏心角与偏心矢量误差来源之后提出该误差由IMU主轴与传感器主轴的角度偏差、测区固定偏差、GPS中心与传感器投影中心相对偏差组成,在此基础上建立了较为严密的检校模型。针对模型解算时需要大量高精度控制点的问题,提出了一种高分影像辅助下的亚像元精度控制点自动提取方法。通过多地区、多传感器高光谱航测实验表明,亚像元精度控制点能有效提高模型解算精度。新检校模型可获得亚像元校正精度,推扫式传感器——应用型机载成像光谱仪(AISA)建模中误差约为0.39个像元,摆扫式传感器——实用型模块化成像光谱仪(OMIS)建模中误差约为0.23个像元,校正后的影像可直接进行拼接。     

Motion compensation errors: effects on the accuracy of airborne SAR images

This work addresses the study of the effect of residual uncompensated motion errors due to positioning measurement instrument and digital elevation model inaccuracies on the accuracy of airborne synthetic aperture radar (SAR) images. It is shown that these not only introduce phase errors following pure geometric considerations, but they also cause additional aberrations related to their interaction with the SAR processing procedure. Extension to the repeat pass airborne interferometry is also included to show their impact on the resulting interferograms.     

基于DKF的IMU误差预测算法

作为导航领域常用的组合导航方式,全球导航卫星系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)组合导航在GNSS信号失锁后,由于惯性测量单元(IMU)误差随时间迅速积累,其定位结果会偏离载体真实位置,导航精度下降.针对此问题,提出了一种长短期记忆网络(LSTM)辅助的算法,称之为深度卡尔曼滤波(DKF)算法.DKF算法的核心思想是使用LSTM训练IMU误差模型,然后通过训练出的模型预测IMU误差,最后将预测的IMU误差代入IMU数据以校正导航结果.仿真结果表明:在200s测试数据上,DKF算法将误差从1.1537m/s降低到0.3746m/s.与平均预测、卡尔曼预测和最小二乘估计等方法相比,DKF算法的误差最小,具有更优越的导航性能.     

CCRS C/X-airborne synthetic aperture radar: An Rand D tool for the ERS-1 time frame

The airborne synthetic-aperture radar (SAR) system developed for the Canada Centre for Remote Sensing (CCRS) is described. It consists of two radars, at C-band and X-band. Each radar incorporates the following features: dual-channel receivers and dual-polarized antennas; a high quality, 7-look, real-time processor; a sensitivity time control for range-dependent gain control; a motion-compensation system for antenna steering in azimuth and elevation; and baseband I and Q signal phase rotation. The system also uses a high-power transmitter with a low-power back-up. The SAR maps to either side of the aircraft, at high or low resolution, at incidence angles which in high resolution span 0° to 80°. Radar operating parameters, data products, key specifications and the motion compensation scheme used are presented. Properties of the real-time imagery are discussed and examples of C-band SAR data in the three operating modes are given     

基于IMU的机载TOPSAR目标定位方法

Burst工作模式和方位波束的主动扫描使得TOPSAR工作模式能够有效削弱ScanSAR模式的扇贝效应,同时也导致图像方位向像素位置与回波脉冲的关系变得复杂,给目标定位带来了很多问题。惯性测量单元(IMU)数据记录延时也会导致方位向定位误差存在,精确估计这个误差能够大大提高目标的方位向定位精度。从TOPSAR数据采集的几何关系和成像过程出发,结合机载IMU数据,提出了一种新的机载TOPSAR目标定位方法。该方法能够直接从TOPSAR斜距图像中获取目标的经纬度信息。通过实际飞行试验获取的机载TOPSAR数据验证了该方法的有效性,能够获取25 m的平均定位精度。     

一种稳健的利用分布式小卫星获取宽域、高分辨SAR图像的方法

 传统星载合成孔径雷达(SAR)受最小天线面积条件的限制,其横向分辨率与测绘带宽度相矛盾,采用编队飞行的分布式小卫星SAR体制,可解决这一矛盾,即能够同时获得大测绘带、高分辨率的地面场景的SAR图像。主要研究如何在误差环境下抑制由小天线引入的多普勒模糊的信号处理方法。该方法利用子空间投影技术对导向矢量进行精确估计,在小卫星存在基线及其他误差时仍然能够稳健地恢复高分辨的二维SAR图像。     

一种激光多普勒测速仪辅助捷联惯导在线标定方法

针对惯组长期贮存过程中陀螺和加速度计零偏漂移的问题, 提出了一种利 用激光多普勒测速仪辅助捷联惯导的在线标定方案。给出了包括激光多普勒测速仪安装 误差角和惯组安装误差角的航位推算误差方程。基于航位推算误差方程建立了闭环卡尔 曼滤波器,对惯组零偏误差、激光多普勒测速仪安装误差角和惯组方位安装误差角进行 在线标定。仿真结果表明,加速后激光多普勒测速仪安装误差角和惯组方位安装误差角 得到估计;方位角改变后惯组零偏误差也得到估计。该方法允许跑车前不用综合标定, 直接装订前一次的安装角参数,缩短了准备时间。     

基于先验误差模型的机载高分宽幅DBF-SAR自聚焦算法

高分宽幅（HRWS）数字波束形成（DBF）合成孔径雷达（SAR）利用多通道空间采样代替部分时域采样,可以有效缓解SAR成像时高分辨率与宽测绘带间的矛盾,具有重要的军用和民用价值。现有常规DBF-SAR成像算法都假设雷达传感器相对位置精确已知,实际应用中受传感器位置测量误差影响,由位置不精确导致的相位误差会严重影响DBF-SAR高精度成像能力。在极坐标格式算法（PFA）框架下,推导了DBF-SAR成像处理后,残留相位误差的解析模型,分析了该误差对成像质量的影响。依据推导的先验相位误差解析结构模型,提出了一种基于图像对比度最优化准则的自聚焦算法。新算法通过引入先验相位结构信息,极大降低了待估参数的空间维数,可以同时改善自聚焦算法的参数估计精度和计算效率。数据处理结果验证了理论分析的正确性和所提算法的有效性。     

弹载合成孔径雷达自适应重频分析与设计

弹载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的目标距离、视线角由于高速逼近目标而快速变化,这导致传统的固定脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)(简称重频)波形难以兼顾弹载SAR雷达在成像各方面的约束条件,故需要根据当前弹体运动和弹目关系变化情况实时计算重频。详细分析了影响重频选择的各项因素,包括避免距离模糊、方位模糊、高度杂波、发射遮挡影响及SAR成像分辨率、系统相参性要求等影响因素,并设计了自适应重频计算的工作流程。某SAR雷达系统实验表明,该设计能够在实际飞行弹道条件下根据实际弹目关系自适应调整脉冲重复频率,从而更好地实现SAR雷达系统的工作性能,有效解决了固定重频波形不能适应弹载SAR工作条件的难题。