无人直升机载Mini SAR数据处理及其影像定位

发布时间：2020-06-10 14:04

【摘要】：无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)载微小型合成孔径雷达(Miniature Synthetic Aperture Radar,Mini SAR)遥感系统是有人航空遥感和航天遥感手段的有效补充,具有高分辨率、低成本、机动灵活、数据获取周期短等特点。在测绘公益项目的支持下,参与了新型无人直升机载Mini SAR遥感系统的集成以及配套的数据处理软件的开发,解决了原始数据获取及图像输出的相关问题。但是,低精度小型惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)从多个方面影响无人直升机载Mini SAR遥感系统,一定程度上制约了系统的广泛应用。文章通过对Mini SAR原始数据成像的研究,采用系统中小型定位定姿系统(Miniature Positioning and Orientation System,MPOS)进行初次运动误差补偿。在成像过程中,采用波数域算法实现高分辨率Mini SAR成像,并利用相位梯度自聚焦算法进行二次运动误差补偿。在无专业标定设备的情况下,利用MPOS实测数据估算载机轨道参数的测量误差,最终实现Mini SAR图像的定位精度评定。文章的主要研究内容如下:(1)无人直升机载Mini SAR遥感系统集成根据无人机直升机平台的飞行特点以及Mini SAR成像所需的条件,设计了专业的防振动云台用于连接无人直升机与Mini SAR系统,云台采用三维等刚度减震器削弱或消除无人直升机高频振动对Mini SAR系统造成的影响。并加装微波吸收材料用于保护射频天线。(2)Mini SAR系统原始数据处理相位误差直接影响Mini SAR成像质量,文章利用MPOS进行初次运动误差补偿。采用波数域成像算法实现高分辨率Mini SAR成像,在成像过程中利用相位梯度自聚焦算法进行二次运动误差补偿,提高成像质量。最终得到斜距分辨为0.3m×0.3m的Mini SAR影像。根据无人直升机飞行状态不稳定以及MPOS测量精度低等问题,开发了配套的数据系统。(3)Mini SAR图像定位精度评定地面控制点计算、拟合轨道参数、模拟Mini SAR影像无法准确获取Mini SAR图像定向参数。文章利用多项式插值MPOS数据的方法获取定向参数。根据误差传播定律与距离-多普勒定位模型,MPOS的测量误差直接影响Mini SAR图像定位精度。在没有专业标定设备的情况下,本文以误差理论为基础,根据MPOS数据平面测量值近似相等的特点,提出应用双观测值之差求取观测值中误差。Mini SAR图像定位精度的估计值为0.3m,并利用实测控制点进行验证。双观测值中误差估算方法为MPOS的精度标定提供了新的研究思路和方法,对其它领域同类型数据的精度指标评定具有一定的参考价值。全面分析低精度MPOS对Mini SAR成像、图像定位及定位精度的影响,利于推动无人机载Mini SAR遥感系统的广泛应用。
【图文】：

图 2-1 Mini SAR 数据采集系统Fig.2-1 Mini SAR data acquisition system无人机载Mini SAR遥感系统主要包括：Mini SAR系统、IMU惯性导航设备、GPS 天线、无人机平台等设备。以灾害应急、地形测绘实际应用为导向，本节主要介绍无人直升机载 Mini SAR 遥感系统中主要设备的选择标准和技术参数，解决硬件集成过程中出现的问题。2.1 Mini SAR 系统2.1.1 Mini SAR 成像模式根据合成孔径雷达波束的照射方式，SAR 的成像模式可分为聚束模式(Spotlight SAR)，条带模式(Strip map SAR)，扫描模式(Scan SAR)，以及在聚束模式和扫描模式上改进的滑动聚束模式(Sliding Spotlighting)和 TOPS/Inverse TOPS 模式(Terrain Observation by Progressive Scans)等[95,96]。上述 SAR 成像模式之间的区别，见图 2-2。

16图 2-2 SAR 成像模式Fig.2-2 SAR imaging mode聚束模式：通过控制雷达天线方位向的波束指向来实现对特定目标区域观测，，用于增加合成孔径的长度提高方位向分辨率。聚束模式短时间内有限，单通道上提供更多的视角，可对重点区域或感兴趣的目标进行详成像。条带模式：条带成像模式最简单，天线发射的波束指向不变，能够连续像。合成孔径长度受限，成像分辨率低于聚束模式。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P237

【参考文献】

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本文编号：2706393