一種適用於超高解析度sar成像的自聚焦方法
2023-07-03 02:52:01
專利名稱：一種適用於超高解析度sar成像的自聚焦方法
技術領域：
本發明涉及一種合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,簡稱SAR)成像信號處理方法，特別是涉及一種合成孔徑雷達自聚焦算法。
背景技術：
合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是通過信號處理技術對地面景物進行成像的一種新體制雷達。SAR對目標的成像通過距離和方位兩維高分辨實現，其中距離向高解析度通過對寬帶信號進行脈衝壓縮處理得到，而方位高解析度則通過對合成孔徑數據進行相干處理實現，這種相干處理依賴於精確獲知雷達和目標之間的瞬時相對位置信息。實際應用中，受雷達位置擾動和電磁波傳播介質不均勻等因素影響，這種相干性往往很難直接得到保證。目前採取的主要措施是增加輔助的運動測量單元(典型地如慣性 測量單元和全球定位系統)來測量獲取雷達位置信息，而忽略傳播介質不均勻的影響。然而，隨著成像解析度的提高，運動測量單位提供的位置信息精度可能仍然無法滿足相干性要求，而且，傳播介質不均勻導致的雷達回波延遲誤差效應也變得不可忽略，將逐漸成為未來超高解析度SAR系統精確聚焦成像的重要限制因素。因此有必要研究從雷達回波數據中提取並補償誤差的辦法，即自聚焦方法。回波的延遲誤差對SAR成像有兩個方面的影響一是會產生額外的距離徙動，在SAR成像過程中無法得到補償，二是會在方位向引入一個相位誤差，導致圖像方位散焦。當延遲誤差較小，產生的額外距離徙動小於一個距離分辨單元時，這種殘留距離徙動效應完全可以忽略不計，此時自聚焦只需估計和補償方位一維的相位誤差，這也是目前幾乎所有的自聚焦算法(典型算法如子孔徑算法MD、相位差分算法PD、相位梯度自聚焦算法PGA、特徵值方法以及基於圖像準則的算法等)假設的前提，如文獻l(Mancill，C. E. , and J. M. Swiger. A Map DriftAutofocus Technique for Correcting High OrderSAR Phase Errors.27th Annual Tri-Service Radar Symposium. Record，Monterey,CA，1981，pp. 391-400·)、文獻 2 (G. Ν· Yoji. Phase Difference Auto Focusing forSyntheticAperture Radar Imaging. United States Patent No. 4999635,1991. ) Λ 文獻 3 (Wahl, D. E. , P. H. Eichel, D. C. Ghiglia, and C. V. Jakowatz, Jr. Phase GradientAutofocus-A Robust Tool for High Resolution SAR PhaseCorrection. IEEETransaction on Aerospace and Electronic Systems，30 (3)，1994，pp. 827-834.)和文獻 4 (C. V. Jakowatz, Jr.，D. Ε. Wahl. Eigenvector Method for Maximum-IikelihoodEstimation of Phase Errors in SyntheticAperture Radar Imagery. J. Opt. Soc. Am. A.,10(12)，1993，pp. 2539-2546.)中所公開的技術。然而，隨著誤差的增加，尤其是成像解析度特別高時，殘留距離徙動跨距離單元將變得不可避免，因此，在此條件下有效的自聚焦算法必須要考慮殘留距離徙動和方位相位誤差的同時補償。文獻5 (D. W. Warner,D. C. Ghiglia,A. FitzGerrel, J. Beaver. Two-dimensional Phase Gradient Autofocus. Proceedings ofSPIE，Vol.4123，2000，pp. 162-173.)中公開了將傳統的一維相位梯度自聚焦算法(PGA)擴展到兩維，提出了兩維相位梯度自聚焦算法(2-D PGA)來試圖解決這一問題，但正如文章作者在結論中所說，該方法要像一維PGA—樣達到實用，仍然存在不少的問題需要解決。目前，現有技術中還沒有成熟的技術能夠解決殘留距離徙動和方位相位誤差的同時校正問題。
發明內容
本發明的目的在於解決超高解析度SAR成像中殘留距離徙動和方位相位誤差的同時校正問題。為了實現上述目的，本發明提供一種適用於超高解析度SAR成像的自聚焦方法，包括如下步驟(I)對兩維回波數據進行極坐標格式轉換；
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(2)降低距離向解析度；(3)距離向粗分辨成像；(4)估計方位相位誤差；(5)計算殘留距離徙動；(6)殘留誤差補償；(7)兩維傅立葉變換成像。其中，步驟(I)是通過距離和方位兩個一維插值，實現數據格式從極坐標到矩形坐標的轉換。步驟(2)是將步驟(I)處理後的數據在距離向進行頻譜截取，降低距離向解析度，頻譜截取降低距離向解析度的目的是為了防止步驟(I)處理後殘留的目標跨距離分辨單元走動影響後續的方位相位誤差估計，因此頻譜截取的比例取決於殘留距離徙動跨分辨單元的個數，譬如殘留距離徙動跨越N個分辨單元，則截取比例應大於1/N，以保證解析度降低後，殘留距離徙動可以忽略不計。步驟(3)是將步驟(2)處理後的數據做兩維快速傅立葉(Fourier)變換(FFT)，實現成像。步驟(4)是對步驟(3)處理得到的圖像利用常規自聚焦算法(如相位梯度自聚焦算法)進行處理，估計得到方位相位誤差。步驟(5)是根據殘留距離徙動和方位相位誤差之間的解析關係，利用步驟(4)估計得到的方位相位誤差直接計算得到殘留距離徙動的估計值。步驟(6)是利用估計得到的殘留距離徙動和方位相位誤差，對步驟(I)處理後的數據進行殘留誤差補償。步驟(7)是對步驟(6)處理得到的補償後數據作兩維FFT，實現精確聚焦成像。
與現有技術相比，本發明的有益效果是(I)與常規自聚焦算法只補償方位相位誤差不同，本發明實現殘留距離徙動和方位相位誤差的同時補償，補償精度更高。(2)與子孔徑(或脈衝)相關估計殘留距離徙動方法相比，本發明直接計算殘留距離徙動，計算效率更高，同時殘留距離徙動的估計值來源於方位相位誤差估計，因此估計精度也更高。
圖I是聚束SAR數據採集幾何模型圖。圖2是本發明信號處理流程圖。圖3是數據經過PFA處理後的距離壓縮圖像(局部)。圖4是採用本發明方法補償後的距離壓縮圖像(局部)。圖5是實測數據經極坐標格式算法(PFA)處理後圖像。圖6是PFA圖像經過常規自聚焦(採用相位梯度自聚焦算法)處理後的結果。圖7是採用本發明方法處理得到的最終成像結果。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細的說明。聚束SAR成像幾何模型如圖I所示，不失一般性，假設雷達工作在斜視模式，斜視角為Qtl，正側視對應θ^ = 0。雷達平臺以速度V水平勻速直線飛行，天線相位中心(APC)瞬時位置坐標為(X(!+vt, y0, Zci),其中t代表方位時間,在孔徑中心時刻t = O, θ 0+ Θ和供分別為天線相位中心的瞬時方位角和俯仰角，在孔徑中心時刻分別等於Qtl和爐。。又假設場景中有一點目標，其位置為(xp，yp)。天線相位中心到該目標和場景中心的瞬時距離分別記為Rt和Ra。雷達回波經過解調、距離向匹配濾波和方位運動補償後，可以表示為5(/,/r) = exp|j^(/0 + /r)i A|(I)其中c為電波傳播速度，&為發射信號載頻，f\為距離向頻率，其有效範圍為
I"]，B為發射信號帶寬，對應距離向解析度a =丄，R, = Ra-Rt為APC到場景中心和_ ^ Z」2B
目標的差分距離。本發明提供的方法針對式(I)所示回波數據進行處理，最終目標是得到點目標的精確聚焦圖像，其處理流程如圖2所示，具體實現步驟包括(I)極坐標格式轉換的距離向插值極坐標格式算法(PFA)距離向插值在數學上等效於對距離頻率作一個如下尺度變換fT= Sfr+Z0(S-I)(2)其中又為變換後的距離頻率J = COS爐。/(cospcosS)為尺度因子。因此,通過距離向
插值後，信號可表示為
■Sr (t,fT) = S(t,Sfr +/0{δ-\)) = exp· j—r(t) .(3)，為方位時間t的函數，可對其關於t做如下泰勒展開r(t) =Yi p+x' pt+ ε (t)(4)其中太p+x/ pt是常數項和一次項，反映目標在最後圖像中的位置，受視角轉換、波前彎曲和其它誤差影響，X' p，太p並不一定等於Xp，yp，但這並不影響圖像聚焦，對其的校正可以通過圖像域的重採樣實現，本發明不作討論；ε (t)為二次及二次以上高階項，是導致圖像散焦的關鍵因素。(2)極坐標格式轉換的方位向插值方位插值實質上是對距離插值後的數據在方位時間做非線性變換/ =其中
權利要求
1.一種適用於超高解析度SAR成像的自聚焦方法，包括如下步驟 (1)對兩維回波數據進行極坐標格式轉換； (2)降低距離向解析度； (3)距離向粗分辨成像； (4)估計方位相位誤差； (5)計算殘留距離徙動； (6)殘留誤差補償； (7)兩維傅立葉變換成像。
2.根據權利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(I)是通過距離和方位兩個一維插值，實現數據格式從極坐標到矩形坐標的轉換。
3.根據權利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(2)是將步驟(I)處理後的數據在距離向進行頻譜截取，降低距離向解析度。
4.根據權利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟⑶是將步驟⑵處理後的數據做兩維快速傅立葉變換，實現成像。
5.根據權利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(4)是對步驟(3)處理得到的圖像利用常規自聚焦算法進行處理，估計得到方位相位誤差。
6.根據權利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(5)是根據殘留距離徙動和方位相位誤差之間的解析關係，利用步驟(4)估計得到的方位相位誤差直接計算得到殘留距離徙動的估計值。
7.根據權利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(6)是利用估計得到的殘留距離徙動和方位相位誤差，對步驟(I)處理後的數據進行殘留誤差補償。
8.根據權利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(7)是對步驟(6)處理得到的補償後數據作兩維傅立葉變換，實現精確聚焦成像。
全文摘要
本發明涉及一種適用於超高解析度SAR成像的自聚焦方法，包括如下步驟(1)對兩維回波數據進行極坐標格式轉換；(2)降低距離向解析度；(3)距離向粗分辨成像；(4)估計方位相位誤差；(5)計算殘留距離徙動；(6)殘留誤差補償；(7)兩維傅立葉變換成像。
文檔編號G01S13/90GK102788972SQ20111012849
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月18日 優先權日2011年5月18日
發明者丁嵐, 朱岱寅, 毛新華 申請人:南京航空航天大學