一种无人机载多站干涉SAR探测系统及方法

一种无人机载多站干涉sar探测系统及方法
技术领域
1.本发明属于航空遥感干涉测量技术领域，具体涉及一种无人机载多站干涉sar探测系统及方法。


背景技术：

2.双站sar是分布式多平台sar的一种最简形式，它是指收发天线分置于两个不同平台的sar系统。在干涉应用上，相比于双航过单站sar的重轨干涉，双站干涉sar可避免时间去相干，以提高干涉精度；相比于单站双天线的干涉，双站干涉sar可以实现前者难以得到的长基线，从而提高高程测量的精度。
3.进入本世纪后，由于定时精度、通讯技术以及导航技术的提高，双站sar技术的发展掀起了新的热潮。关于双站sar系统设计、同步技术、成像处理等各方面公开发表的文献日益增多，国际会议也对其投入了更多的关注。igass会议（ieee international geoscience&remote sensing symposium）自2002年起就陆续出现关于双站sar的文章，此后几年每年都设有“双/分布式sar”专题。2004年起，eusar会议（european conference on synthetic aperture radar）也专门设立了双站sar专题，发表了一系列关于双站sar的特邀报告和学术论文。不但如此，一些技术发达国家已陆续开展了机载双站sar、地-机双站sar、星-地双站sar和星-机双站sar的试验，并得到了良好的图像。图1为英国于2002年开展的双站sar实验的几何模型和所获得的双站sar图像。实验波段为x波段，收发天线均采用聚束模式，双站角约为50
°
；由于入射波和反射波方向不同，从图中可以明显看到树木的双阴影现象（见图像下方），这或许能对基于阴影的物体高度提取提供额外的信息。图2为2003年德国dlr和法国onera合作开展的机载双站sar实验的几何模型和双站sar图像，实验也采用x波段，发射信号带宽为100 mhz。实验采用了图2的三种双站sar模式，包括顺飞模式、大入射角平飞双站模式和小入射角平飞双站模式，并分别得到了三种模式下的双站图像。通过三幅图像的伪彩色合成，验证了不同模式双站sar图像融合可提高对地物分类识别能力的结论。图3为2007年12月德国利用terrasar-x为发射源，采用其先进机载sar（f-sar）被动接收所获得的星-机双站sar图像。实验中卫星采用滑动聚束模式、飞机采用逆滑动聚束模式以延长星-机合作时间，良好的图像证明了实验的成功。
4.国内对于双站sar的研究起步稍晚，约2003年后相关报道才陆续增多，但后续发展迅速，已有不少单位投入双站sar的研究之中。中科院电子所、电子科技大学、西安电子科技大学、北航、北理工、国防科技大学等在同步技术、成像处理等方面开展了理论研究工作。其中，中科院电子所汤子跃等于2003年出版了国内第一部关于双站sar系统原理的书籍，而电子科技大学则于2006年进行了国内首次车载双站sar的实验，后续其又开展了有人机载双站sar实验。中科院电子所也开展了飞机发射-地面固定站接收、卫星发射-地面固定站接收的实验，验证了时间同步、相位同步、成像处理等相关技术。此外，我国也已成功发射了星载双站sar干涉系统，正在进行全球地形测绘任务。
5.由上述现状可见，国际上关于机载双站sar技术的研究主要停留在实验研究，主要
目的是为星载双站sar系统提供验证平台，目前尚未有成熟的机载双站干涉sar系统，更未有见关于无人机载双站干涉sar系统以及多站干涉sar系统的报道。


技术实现要素：

6.针对目前尚未有成熟的机载多站sar系统或机载多站干涉sar系统、并且对时间、空间、相位同步要求高的技术问题，本发明提供一种无人机载多站干涉sar探测系统及方法，采用多机交轨长基线编队飞行协同控制、高可靠定位和智能路径规划等关键技术实现无人机的自主精准可控，同时采用双向同步链技术实现多站干涉sar时间和相位同步，采用高精度pos实时测量和后差分数据处理技术实现多站干涉sar空间同步，得以满足系统要求。
7.sar分别布置在不同的无人机上，无人机及sar通过编队协同控制，可以实现干涉sar十米至一百米干涉基线和高精度空间、时间、相位同步，具备无人机载干涉sar高程测量能力或三维成像能力，其中，l波段双站干涉sar高程测量精度优于0.5m，l波段多站干涉sar三维分辨率优于0.5m，p波段双站干涉sar高程测量精度优于1m，p波段多站干涉sar三维分辨率优于1m；本发明为l或p波段干涉sar在冰川与冻土深部探测、林下地形测绘、森林树高反演等应用研究方面提供新的技术方法和技术手段。
8.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无人机载多站干涉sar探测系统，包括无人机子系统、多站干涉sar子系统、数据处理子系统和地面控制子系统；所述无人机子系统包括无人机和协同控制器，无人机包括无人机动力及结构平台、卫星定位模块、飞行控制计算机、任务计算机；协同控制器包括自组网通信模块和编队协同控制模块；在协同控制器和任务计算机的控制下，所述无人机子系统具有10米至100米交轨或顺轨基线编队飞行协同控制、编队内部自组网通信功能，实现双机或多机高精度、安全编队飞行，并具备自主、自动飞行轨迹规划功能；所述多站干涉sar子系统由1套或多套主站sar、1套或多套从站sar组成，单套主站sar或从站sar包括sar收发系统、双向同步链；所述数据处理子系统用来处理多站干涉sar子系统及位置姿态测量系统获取的数据；采用时变基线高精度估计补偿处理技术提升高程测量精度，即测量不同方位时刻对应的残余运动，获得残余运动的导数，然后对导数进行变上限积分得到高阶残余运动，再通过积分得到高阶时变基线；所述地面控制子系统通过无人机测控通信链路实现对无人机子系统和多站干涉sar子系统的控制。
9.进一步地，所述数据处理子系统将多站干涉sar子系统的单视复图像数据在方位频域划分为多个子视图像，分别对相邻子视图像进行处理，得到多组差分干涉相位图，对差分干涉相位图按照相干系数加权平均获得每个像素点处的时变基线导数；根据三维基线在多个距离门上投影的结果来估计水平基线和垂直基线，建立其随距离变化的空变模型；利用随机抽样一致性检验的方法对距离向空变模型进行求解，得到最优的水平和垂直基线导数值；把估计出的时变基线误差补偿到辅图像中，先对单视复图像数据进行方位解压缩，采用基于惯性测量单元/差分全球定位系统的运动误差补偿方法，然后再对时变基线进行估
计，通过循环迭代多次进一步优化估计结果。
10.进一步地，l波段双站干涉sar高程测量精度优于0.5m，l波段多站干涉sar三维分辨率优于0.5m，p波段双站干涉sar高程测量精度优于1m，p波段多站干涉sar三维分辨率优于1m。
11.本发明还提供一种无人机载多站干涉sar探测方法，包括如下步骤：步骤1、无人机载多站干涉sar探测系统进入航线开始工作时，主站sar的sar收发系统的数字模块产生数字/模拟信号发送到sar收发系统的射频模块，射频模块对信号进行初级放大和多级放大后再发送给sar收发系统的雷达天线，雷达天线发射雷达微波信号；步骤2、雷达微波信号照射目标区域产生回波信号，主站sar和从站sar的sar收发系统的雷达天线均接收回波信号，并发送到各自sar收发系统的射频模块进行放大、滤波，处理后的信号发送到各自sar收发系统的数字模块，数字模块采集信号，并结合gnss时间信息，将回波数据授时并完成雷达回波数据的存储，同时，主站sar和从站sar的sar收发系统的数字模块接收pos测量与处理模块发送的imu数据、gnss数据和pos数据，并完成数据的存储；步骤3、主站sar的双向同步链的数字模块在每个脉冲采样周期开始时先产生基带同步信号，将基带同步信号发送至射频模块，射频模块对基带同步信号进行变频分级放大，生成同步微波信号后发送到双向同步链的天线并辐射出去；步骤4、主站sar的双向同步链的微波信号直接由从站sar的双向同步链的天线接收，并发送到从站sar的双向同步链的射频模块，从站sar的双向同步链的射频模块对信号进行放大滤波混频后送到从站sar的双向同步链的数字模块，从站sar的双向同步链的数字模块在每个脉冲采样周期开始时先启动时序检测，接收从站sar的双向同步链的射频模块发来的信号，对信号进行模数转换采集后，检测同步信号的位置，建立整体从站sar的系统工作时序，结合gnss时间信息，将同步数据授时并进行数据打包与存储；步骤5、从站sar的双向同步链的数字模块经过固定延迟后，将授时的同步数据进行数模转换后发送至从站sar的双向同步链的射频模块，从站sar的双向同步链的射频模块对信号进行分级放大，生成同步微波信号送到从站sar的双向同步链天线并辐射出去；步骤6、从站sar的双向同步链的微波信号直接由主站sar的双向同步链的天线接收，并发送到主站sar的双向同步链的射频模块，主站sar的双向同步链的射频模块对信号进行放大滤波混频后送到主站sar的双向同步链的数字模块，主站sar的双向同步链的数字模块在同步采集时段将信号进行模数转换后，检测同步信号的位置，建立整体主站sar的系统工作时序，结合gnss时间信息，将同步数据授时并进行数据打包与存储；步骤7、无人机载多站干涉sar探测系统进入航线工作期间，主站sar和从站sar的pos测量与处理模块处理imu数据和gnss数据，生成pos数据，并发送到各自sar收发系统数字模块存储。
12.进一步地，对后续航线，由地面控制子系统上的监控软件进行全部雷达系统的参数与启停控制，并实时监控多站干涉sar子系统的工作状态。
13.有益效果：本发明的探测系统是国际首套多站干涉sar系统，也是国内首套高程测量精度优于0.5m、三维分辨率优于0.5m的无人机载p/l波段干涉sar探测系统，具备10～100m交轨干
涉基线和高精度空间、时间、相位同步，在冰川与冻土深部探测、林下地形测绘、森林树高反演等应用研究方面提供新的技术方法和技术手段，并为层析sar技术与应用研究、透视地球多航空平台协同观测研究等提供新的技术探索和技术积累。
附图说明
14.图1为英国于2002年开展的双站sar实验的几何模型和实验图像；图2为2003年dlr-onera实验三种双站模式及其伪彩色合成图像；图3为2007年11月德国terrasar-x和f-sar的星-机双站sar实验图像；图4为本发明的无人机载多站干涉sar探测系统结构图；图5为本发明的无人机载多站干涉sar探测方法流程框图。
具体实施方式
15.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
16.如图4所示，本发明的无人机载多站干涉sar探测系统包括无人机子系统、多站干涉sar子系统、数据处理子系统和地面控制子系统。
17.所述无人机子系统包括无人机和协同控制器，无人机包括无人机动力及结构平台、卫星定位模块、飞行控制计算机、任务计算机；协同控制器包括自组网通信模块和编队协同控制模块；在协同控制器和任务计算机的控制下，所述无人机子系统具有10米至100米交轨或顺轨基线编队飞行协同控制、编队内部自组网通信功能，实现双机或多机高精度、安全编队飞行，并具备自主、自动飞行轨迹规划功能。
18.所述多站干涉sar子系统由1套或多套主站sar、1套或多套从站sar组成，单套主站sar或从站sar包括sar收发系统、双向同步链。
19.所述数据处理子系统用来处理多站干涉sar及位置姿态测量系统获取的数据；采用时变基线高精度估计补偿处理技术提升高程测量精度，即测量不同方位时刻对应的残余运动，获得残余运动的导数，然后对导数进行变上限积分即可得到高阶残余运动，再通过积分得到高阶时变基线，包括：a. 将多站干涉sar的单视复图像数据在方位频域划分为多个子视图像，分别对相邻子视图像进行处理，得到多组差分干涉相位图，对差分干涉相位图按照相干系数加权平均获得每个像素点处的时变基线导数；b. 根据三维基线在多个距离门上投影的结果来估计水平基线和垂直基线，建立其随距离变化的空变模型；c. 利用随机抽样一致性检验的方法对距离向空变模型进行求解，即可得到最优的水平和垂直基线导数值；d. 把估计出的时变基线误差补偿到辅图像中，先对单视复图像数据进行方位解压缩，采用基于imu/dgps（惯性测量单元/差分全球定位系统）的运动误差补偿方法，然后再对时变基线进行估计，通过循环迭代多次进一步优化估计结果；
所述地面控制子系统通过无人机测控通信链路实现对无人机子系统和多站干涉sar子系统的控制。
20.如图5所示，本发明的一种无人机载多站干涉sar探测方法包括如下步骤：步骤1、无人机载多站干涉sar探测系统进入航线开始工作时，主站sar的sar收发系统的数字模块产生数字/模拟信号发送到sar收发系统的射频模块，射频模块对信号进行初级放大和多级放大后再发送给sar收发系统的雷达天线，雷达天线发射雷达微波信号；步骤2、雷达微波信号照射目标区域产生回波信号，主站sar和从站sar的sar收发系统的雷达天线均接收回波信号，并发送到各自sar收发系统的射频模块进行放大、滤波，处理后的信号发送到各自sar收发系统的数字模块，数字模块采集信号，并结合gnss时间信息，将回波数据授时并完成雷达回波数据的存储，同时，主站sar和从站sar的sar收发系统的数字模块接收pos测量与处理模块发送的imu数据、gnss数据和pos数据，并完成数据的存储；步骤3、主站sar的双向同步链的数字模块在每个脉冲采样周期开始时先产生基带同步信号，将基带同步信号发送至射频模块，射频模块对基带同步信号进行变频分级放大，生成同步微波信号后发送到双向同步链天线并辐射出去；步骤4、主站sar的双向同步链微波信号直接由从站sar的双向同步链天线接收，并发送到从站sar双向同步链射频模块，从站sar双向同步链的射频模块对信号进行放大滤波混频后送到从站sar双向同步链的数字模块，从站sar双向同步链的数字模块在每个脉冲采样周期开始时先启动时序检测，接收从站sar双向同步链的射频模块发来的信号，对信号进行模数转换采集后，检测同步信号的位置，建立整体从站sar的系统工作时序，结合gnss时间信息，将同步数据授时并进行数据打包与存储；步骤5、从站sar双向同步链的数字模块经过固定延迟后，将授时的同步数据进行数模转换后发送至从站sar双向同步链的射频模块，从站sar双向同步链的射频模块对信号进行分级放大，生成同步微波信号送到从站sar双向同步链天线并辐射出去；步骤6、从站sar的双向同步链微波信号直接由主站sar的双向同步链天线接收，并发送到主站sar双向同步链的射频模块，主站sar双向同步链的射频模块对信号进行放大滤波混频后送到主站sar双向同步链的数字模块，主站sar双向同步链的数字模块在同步采集时段将信号进行模数转换后，检测同步信号的位置，建立整体主站sar的系统工作时序，结合gnss时间信息，将同步数据授时并进行数据打包与存储；步骤7、无人机载多站干涉sar探测系统进入航线工作期间，主站sar和从站sar的pos测量与处理模块处理imu数据和gnss数据，生成pos数据，并发送到各自sar收发系统数字模块存储。
21.对后续航线而言，由地面控制子系统上的监控软件进行全部雷达系统的参数与启停控制，并实时监控多站干涉sar子系统的工作状态。
22.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无人机载多站干涉sar探测系统，其特征在于，包括无人机子系统、多站干涉sar子系统、数据处理子系统和地面控制子系统；所述无人机子系统包括无人机和协同控制器，无人机包括无人机动力及结构平台、卫星定位模块、飞行控制计算机、任务计算机；协同控制器包括自组网通信模块和编队协同控制模块；在协同控制器和任务计算机的控制下，所述无人机子系统具有10米至100米交轨或顺轨基线编队飞行协同控制、编队内部自组网通信功能，实现双机或多机高精度、安全编队飞行，并具备自主、自动飞行轨迹规划功能；所述多站干涉sar子系统由1套或多套主站sar、1套或多套从站sar组成，单套主站sar或从站sar包括sar收发系统、双向同步链；所述数据处理子系统用来处理多站干涉sar子系统及位置姿态测量系统获取的数据；采用时变基线高精度估计补偿处理技术提升高程测量精度，即测量不同方位时刻对应的残余运动，获得残余运动的导数，然后对导数进行变上限积分得到高阶残余运动，再通过积分得到高阶时变基线；所述地面控制子系统通过无人机测控通信链路实现对无人机子系统和多站干涉sar子系统的控制。2.根据权利要求1所述的一种无人机载多站干涉sar探测系统，其特征在于，所述数据处理子系统将多站干涉sar子系统的单视复图像数据在方位频域划分为多个子视图像，分别对相邻子视图像进行处理，得到多组差分干涉相位图，对差分干涉相位图按照相干系数加权平均获得每个像素点处的时变基线导数；根据三维基线在多个距离门上投影的结果来估计水平基线和垂直基线，建立其随距离变化的空变模型；利用随机抽样一致性检验的方法对距离向空变模型进行求解，得到最优的水平和垂直基线导数值；把估计出的时变基线误差补偿到辅图像中，先对单视复图像数据进行方位解压缩，采用基于惯性测量单元/差分全球定位系统的运动误差补偿方法，然后再对时变基线进行估计，通过循环迭代多次进一步优化估计结果。3.根据权利要求1所述的一种无人机载多站干涉sar探测系统，其特征在于，l波段双站干涉sar高程测量精度优于0.5m，l波段多站干涉sar三维分辨率优于0.5m，p波段双站干涉sar高程测量精度优于1m，p波段多站干涉sar三维分辨率优于1m。4.根据权利要求1-3之一所述的一种无人机载多站干涉sar探测系统的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、无人机载多站干涉sar探测系统进入航线开始工作时，主站sar的sar收发系统的数字模块产生数字/模拟信号发送到sar收发系统的射频模块，射频模块对信号进行初级放大和多级放大后再发送给sar收发系统的雷达天线，雷达天线发射雷达微波信号；步骤2、雷达微波信号照射目标区域产生回波信号，主站sar和从站sar的sar收发系统的雷达天线均接收回波信号，并发送到各自sar收发系统的射频模块进行放大、滤波，处理后的信号发送到各自sar收发系统的数字模块，数字模块采集信号，并结合gnss时间信息，将回波数据授时并完成雷达回波数据的存储，同时，主站sar和从站sar的sar收发系统的数字模块接收pos测量与处理模块发送的imu数据、gnss数据和pos数据，并完成数据的存储；步骤3、主站sar的双向同步链的数字模块在每个脉冲采样周期开始时先产生基带同步信号，将基带同步信号发送至射频模块，射频模块对基带同步信号进行变频分级放大，生成
同步微波信号后发送到双向同步链的天线并辐射出去；步骤4、主站sar的双向同步链的微波信号直接由从站sar的双向同步链的天线接收，并发送到从站sar的双向同步链的射频模块，从站sar的双向同步链的射频模块对信号进行放大滤波混频后送到从站sar的双向同步链的数字模块，从站sar的双向同步链的数字模块在每个脉冲采样周期开始时先启动时序检测，接收从站sar的双向同步链的射频模块发来的信号，对信号进行模数转换采集后，检测同步信号的位置，建立整体从站sar的系统工作时序，结合gnss时间信息，将同步数据授时并进行数据打包与存储；步骤5、从站sar的双向同步链的数字模块经过固定延迟后，将授时的同步数据进行数模转换后发送至从站sar的双向同步链的射频模块，从站sar的双向同步链的射频模块对信号进行分级放大，生成同步微波信号送到从站sar的双向同步链天线并辐射出去；步骤6、从站sar的双向同步链的微波信号直接由主站sar的双向同步链的天线接收，并发送到主站sar的双向同步链的射频模块，主站sar的双向同步链的射频模块对信号进行放大滤波混频后送到主站sar的双向同步链的数字模块，主站sar的双向同步链的数字模块在同步采集时段将信号进行模数转换后，检测同步信号的位置，建立整体主站sar的系统工作时序，结合gnss时间信息，将同步数据授时并进行数据打包与存储；步骤7、无人机载多站干涉sar探测系统进入航线工作期间，主站sar和从站sar的pos测量与处理模块处理imu数据和gnss数据，生成pos数据，并发送到各自sar收发系统数字模块存储。5.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，对后续航线，由地面控制子系统上的监控软件进行全部雷达系统的参数与启停控制，并实时监控多站干涉sar子系统的工作状态。

技术总结
本发明提供一种无人机载多站干涉SAR探测系统及方法，SAR分别布置在不同的无人机上，无人机及SAR通过编队协同控制，可以实现干涉SAR十米至一百米干涉基线和高精度空间、时间、相位同步，具备无人机载干涉SAR高程测量能力或三维成像能力，其中，L波段双站干涉SAR高程测量精度优于0.5m，L波段多站干涉SAR三维分辨率优于0.5m，P波段双站干涉SAR高程测量精度优于1m，P波段多站干涉SAR三维分辨率优于1m；本发明为L或P波段干涉SAR在冰川与冻土深部探测、林下地形测绘、森林树高反演等应用研究方面提供新的技术方法和技术手段。供新的技术方法和技术手段。供新的技术方法和技术手段。


技术研发人员：朱金彪 刘玉泉 潘洁 汤洪彪 倪帆
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/7/7