[发明专利]一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法

摘要

本发明公开了一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法，它使用到的系统包括多旋翼无人机系统、微型SAR观测系统；微型SAR观测系统由SAR雷达主机、IMU惯导系统、雷达射频天线、GPS模块、雷达控制设备、电池模块组成；雷达控制设备通过USB3.0或串口与SAR雷达主机相连接；IMU惯导系统、电池模块均通过整机电缆与SAR雷达主机相连接；GPS模块、雷达射频天线分别通过同轴电缆、射频同轴电缆与SAR雷达主机相连接；微型SAR观测系统通过GPS模块与多旋翼无人机系统相连接。本发明可以有效降低SAR图像获取的飞行成本，实现微型SAR观测系统的快速部署以及迅速成像，具有操作简单、使用方便、价格低廉的优势。

主权项

一种基于多旋翼无人机的微型SAR遥感观测方法，其特征在于：所述方法使用到的系统包括多旋翼无人机系统、微型SAR观测系统；所述微型SAR观测系统由SAR雷达主机、IMU惯导系统、雷达射频天线、GPS模块、雷达控制设备、电池模块组成；所述雷达控制设备通过USB3.0或串口与SAR雷达主机相连接；所述IMU惯导系统、电池模块均通过整机电缆与SAR雷达主机相连接；所述GPS模块、雷达射频天线分别通过同轴电缆、射频同轴电缆与SAR雷达主机相连接；所述微型SAR观测系统通过GPS模块与多旋翼无人机系统相连接；所述方法分为六个步骤：步骤一、观测任务前准备：首先根据本次飞行遥感观测任务的需求，选择适合本次飞行任务的多旋翼无人机机型，需要考虑的因素有无人机的飞行高度、续航时间、巡航速度、最大载重；完成机型选择后，对飞行器进行观测任务前飞行测试，包括飞行器的悬停试验、自动驾驶飞行试验、遥控飞行试验，并对本次试验获取的飞行高度、巡航速度、载重以及飞行时间进行记录，进一步检查本机型的实际飞行数据能否满足SAR遥感观测任务需要；然后根据飞行任务选择不同观测模式的任务载荷进行微型SAR遥感观测载荷准备，可选的模式包括单极化模式、全极化模式、干涉模式；通过设备通电测试、发射和接收天线测试、回波数据检查和设备参数选择对SAR雷达载荷设备进行检查；SAR雷达载荷设备检查合格后进行飞行器与载荷安装尺寸测量，主要是对飞行器和雷达载荷各模块的几何尺寸、重量进行测量；最后进行载荷结构安装件设计与加工，即利用测量结果，由结构工程师设计安全稳固的架构安装件并进行加工；步骤二、飞行航线设计：飞行航线设计包括飞行载荷航线设计、飞行器自动驾驶航线设计；航线设计需要综合考虑作业区域的长度、宽度、面积、测区重叠度，无人机的飞行速度、飞行时间、飞行高度，作业航线数量以及气象条件，可设置的具体参数为：飞行作业高度，用“h”表示；飞行作业速度，用“v”表示；飞行总时间，用“T”表示；单航线飞行时间，用“t”表示；测区重叠度，用“P”表示；作业航线数量，用“L”表示；雷达中心视角，用“θ”表示；距离向波束角，用“α”表示；测绘宽度，用“x”表示；条带长度，用“y”表示；测区面积，用“S”表示；这些参数是相互关联的，在参数设计时需要综合考虑，各参数之间的关系如下：a、飞行作业高度、雷达中心视角、测绘宽度之间的关系：用A点表示飞机位置，BE表示观测地面，AB表示飞行高度，∠BAC表示雷达中心视角，则DE的长度为测绘带宽的理论值；几何计算测绘带宽的公式为：DE=AB(tan∠BAE‑ tan∠BAD)，即：x=h(tan（θ+α/2）‑tan（θ‑α/2）)；b、飞行作业速度、单航线飞行时间、条带长度之间的关系：条带长度为飞行作业速度和单航线飞行时间的乘积，即：y=v.t；c、测绘宽度、条带长度、测区重叠度之间、测区面积的关系：测区面积取决于测绘带宽、条带长度以及测区重叠度；以两个条带为例，M1M2N2N1为条带1的测区范围，M3M4N4N3为条带2的测区范围，两个测区的重叠区域为N1N2N3N4，M1M2M3M4为测区总面积S，M1N1、M2N2、M3N3、M4N4为测绘宽度x，M1M2、M3M4为条带长度y；根据几何关系，S_M1M2M3M4 = S_M1M2N2N1 + S_M3M4N4N3 ‑ S_N1N2N3N4，即：S=xy(1+P)；步骤三、微型SAR载荷安装与连接：将已加工好的结构安装件固定在多旋翼无人机上，然后将载荷的各个模块安装在结构件上，保证载荷与结构总重量能够满足飞行器的最大载重量和重心稳定要求；上述结构件安装完毕后，进行载荷设备的电路连接，将载荷和电路线缆固定稳定；步骤四、飞行前准备与设备检查：飞行前准备与设备检查主要包括以下步骤：飞行器自动驾驶航线导入、SAR飞行作业航线导入、SAR载荷工作状态检查、POS工作状态检查、GPS信号检查、飞行前系统静止；a、飞行器自动驾驶航线导入：将上述设计好的飞行器自动驾驶航线通过地面站或者无线传输导入到多旋翼无人机中的控制系统，并检查是否导入成功；b、SAR飞行作业航线导入：将上述设计好的载荷飞行航线通过地面站的USB3.0或者串口导入到SAR雷达载荷中，根据SAR数据采集与控制软件检查航线文件是否导入成功；c、SAR载荷工作状态检查：打开SAR载荷电源，利用地面站的SAR数据采集与控制软件，通过雷达射频天线发射和接收信号，分析回波信号是否正常，进而判断SAR雷达载荷是否正常工作；d、POS工作状态检查：在载荷工作正常后，根据SAR雷达主机的POS状态指示灯，判断POS系统是否正常工作；e、GPS信号检查：在系统线缆连接正常并打开电源后，等待2‑8min，然后通过SAR雷达主机的GPS信号指示灯闪烁的次数，判断GPS搜索卫星个数；当卫星个数达到4颗以上后，表示GPS信号稳定，满足观测需要，可以进行正常飞行作业； f、飞行前系统静止：在准备工作就绪之后，让系统静止4‑6min，待系统静止完毕后，开始飞行作业；步骤五、无人机载SAR飞行作业：待上述准备工作全部就绪、系统具备飞行作业的条件之后，多旋翼无人机载微型SAR开始正式进入飞行作业阶段；以两个观测条带为例，A点表示为飞机起点和降落点，B点表示为控制点1，C点表示为条带1作业起点，D点表示为条带1作业终点，E点表示为控制点2，F点表示为条带2作业起点，G点表示为条带2作业终点，H点表示为控制点3，无人机载微型SAR遥感观测作业的具体流程如下： a、飞机从A点起飞，进行加速爬升到B点，调整姿态和速度进行悬停； b、飞机从B点开始加速并达到作业速度，然后保持匀速飞行并通过C点，SAR雷达主机开机，正式进入雷达遥感观测作业阶段； c、飞机到达D点，条带1飞行观测结束，SAR雷达主机关机； d、飞机开始调整姿态，飞行控制点E，进行悬停，等待条带2飞行观测； e、飞机从E点加速，达到飞行作业速度，保持匀速飞行到达F点，SAR雷达主机二次开机，开始进行第二次遥感观测作业； f、飞机完成条带2飞行作业，达到G点，SAR雷达主机关机； g、飞机从G点飞到控制点H进行悬停，然后开始降落到达原起止点A，飞行遥感观测作业结束；步骤六、数据导出与成像处理：在飞行作业完毕之后，关闭无人机飞行器，系统静止4‑6min，然后取出SAR雷达主机，回到室内通过数据采集与控制软件导出飞行数据，利用导出的POS数据对飞机的飞行误差进行运动补偿，并对雷达原始回波数据进行成像处理，最终获得测量区域的高分辨率SAR图像。