雙基地前視SAR非系統距離徙動校正方法與流程
2023-05-14 09:10:56
本發明屬於雷達技術領域，特別涉及一種雙基前視合成孔徑雷達(bfsar)成像技術中的距離徙動校正方法。
背景技術：
雙基地合成孔徑雷達(sar)通過收發平臺分置，具備平臺正前方高解析度成像的潛力，有效解決了傳統sar前視成像盲區的問題，在飛行器自主著陸、自主導航等領域具有重要的應用價值。雙基地前視sar距離向高分辨依靠發射大時寬帶寬積的線性調頻信號來獲得，而方位向高解析度依靠雷達和目標間的相對運動產生的都卜勒效應來獲取。雷達與目標間的相對運動，一方面帶來了方位向的相位變化；另一方面使同一個點目標在不同方位時間上回波延時不同，即產生了所謂的距離徙動。
雙基地前視sar成像算法在完成方位聚焦之前，需進行距離徙動校正，對距離和方位進行分離處理，將徙動軌跡聚焦於同一距離分辨單元。而實際中，由於風、湍流的影響，平臺實際運動往往偏離理想軌跡，運動誤差致使點目標回波距離歷史出現偏差。因此，距離徙動校正處理後雙基地前視sar數據中往往還存在非系統距離徙動。當運動誤差產生的非系統距離徙動量小於一個距離分辨單元時可以忽略不計。然而雙基地前視sar距離徙動校正會導致運動誤差產生的非系統距離徙動放大數百倍。且隨著成像解析度的提高，非系統距離徙動使得徙動軌跡位於同一距離分辨單元的前提無法成立，直接導致成像結果距離向散焦，並且導致每一距離單元內的目標方位能量帶寬降低，造成圖像方位向解析度下降，以及相位誤差無法得到準確估計的情況。因此在高分辨雙基地前視sar成像中，非系統距離徙動需要得到精確校正。
理論上，利用傳感器提供的平臺運動信息能夠校正非系統距離徙動，然而現有傳感器精度往往不能滿足高分辨雙基地前視sar成像需求，特別是在某些條件下，如小型無人機，甚至沒有傳感器信息可用，從而基於回波數據的非系統距離徙動校正變的尤為重要。
文獻「a.w.doerry,autofocuscorrectionofexcessivemigrationinsyntheticapertureradarimages.sandiareport,sand2004-4770.albuquerque,newmexico:sandianationallaboratories,2004」採用降低sar距離向解析度，把徙動軌跡併入同一距離單元後，再使用傳統一維自聚焦估計相位誤差，利用相位誤差計算非系統距離徙動量，從而校正非系統距離徙動。然而該方法是在降低距離向解析度的前提下進行的，非系統距離徙動量估計精度通常較差。文獻「d.zhu,"sarsignalbasedmotioncompensationthroughcombiningpgaand2-dmapdrift,"conferenceon2ndasian-pacificsyntheticapertureradar.pp.435-438,2009」對距離徙動軌跡進行方位向分塊，並採用距離向子視圖相關法進行包絡對齊將徙動軌跡搬移到同一距離分辨單元。文獻「maox,zhud,zhuz.autofocuscorrectionofazimuthphaseerrorandresidualrangecellmigrationinspotlightsarpolarformatimagery[j].arxivpreprintarxiv:1207.7245,2012」針對聚束sar用極坐標算法分析了殘留誤差的影響，提出首先估計方位維相位誤差,然後利用先驗知識將方位相位誤差映射得到兩維相位誤差,從而精確補償兩維誤差的方法。但是，上述方法均只能適用於單站正側視sar，無法解決雙基地前視sar中距離徙動校正導致非系統距離徙動放大的問題，不能適用於雙基地前視sar的幾何構型。
技術實現要素：
本發明為解決上述技術問題，提出了一種雙基地前視sar非系統距離徙動校正方法，結合最小圖像熵建立非系統距離徙動的空變估計模型，並實現了非系統距離徙動的精確估計與空變補償。
本發明採用的技術方案是：雙基地前視sar非系統距離徙動校正方法，包括：
s1、利用匹配濾波方法對回波信號進行距離向脈衝壓縮，得到脈衝距離壓縮後的回波信號；
s2、對脈衝距離壓縮後的回波信號進行距離徙動校正，具體為：
對脈衝距離壓縮後的回波信號進行二維傅立葉變換並乘以走動校正相位，得到走動校正後的結果；
對走動校正後的結果進行方位向傅立葉變換，得到距離徙動校正後的時域數據；
s3、數據分塊；具體的：將步驟s2得到距離徙動校正後的時域數據沿方位向分成p個子圖像，採用時域截斷將各子圖像劃分為若干子模塊，並取出各子圖像中信雜比最大的子模塊；
s4、對步驟s3取出的各子模塊進行非系統距離徙動估計；
s5、根據步驟s4得到的各子模塊的非系統距離徙動的估計值，給各對應子圖像進行校正，得到非系統距離徙動校正後的各子圖像；
s6、對步驟s5得到的非系統距離徙動校正後的各子圖像進行方位向拼接，形成最終雙基地前視sar非系統距離徙動校正後結果。
進一步地，所述步驟s4具體包括：
s41、將子模塊數據離散表示為s(m,n)，初始化該子模塊對應的第n個方位單元的距離空不變的非系統距離徙動δrn，該子模塊的非系統距離徙動δr＝[δr1,δr2,...,δrn]，則非系統距離徙動校正後的信號z(m,n)可表示為：
其中，m表示子模塊中第m個距離單元，n表示子模塊中第n個方位單元，k表示距離頻率，m表示每個子模塊距離向的採樣點數，n表示每個子模塊方位向的採樣點數；
s42、計算子模塊數據的初始圖像熵：
其中，s表示子模塊數據對應的能量，
s43、初始化迭代次數q＝1，初始化方位向單元n＝1，跳出迭代條件d0；
s44、當n＝1時，固定δr2,δr3,δr4,...,δrn估計δr1；當n>1時，固定δr1,...,δrn-1,δrn+1,...,δrn估計δrn；
則第q次迭代中，第n個方位單元的非系統距離徙動的估計值為：
其中，e′表示圖像熵的一階導，e″表示圖像熵的二階導，表示第q-1次迭代中，第n個方位單元的非系統距離徙動的估計值；
s45、判斷n是否等於n，若是，則根據步驟s42計算第q次迭代後圖像熵eq，並執行步驟s46；否則令n＝n+1，返回步驟s44；
s46、判斷第q次迭代後圖像熵與第q-1次迭代後圖像熵是否滿足以下關係
若是，則得到最終非系統距離徙動估計值；否則令q＝q+1，n＝1，返回步驟s44。
更進一步地，所述e′與e″的表達式分別如下：
其中，為|z(m,n)|2對δrn的二階導。
更進一步地，所述子模塊數據的能量由下式計算得到：
本發明的有益效果：本發明的雙基地前視sar非系統距離徙動校正方法，通過結合最小圖像熵建立非系統距離徙動的空變估計模型，並實現了非系統距離徙動的精確估計與空變補償；與現有技術相比，本發明的方法能夠更加精確地校正距離空變的非系統距離徙動，解決了存在運動誤差時，距離徙動後非系統距離徙動顯著增大問題，為雙基地前視sar良好聚焦奠定了基礎。
附圖說明
圖1為本申請的方案流程圖；
圖2為本申請實施例提供的距離走動校正後回波數據示意圖；
圖3為本申請實施例提供的非系統距離徙動校正後回波數據。
具體實施方式
為便於本領域技術人員理解本發明的技術內容，下面結合附圖對本發明內容進一步闡釋。
如圖1所示為本發明的方案流程圖，本發明的技術方案為：雙基地前視sar非系統距離徙動校正方法，包括：
s1、利用匹配濾波方法進行距離向脈衝壓縮，得到脈衝壓縮後點目標的回波；
本實施例所採用的仿真參數如表1所示。
表1仿真參數
利用匹配濾波方法對回波信號進行距離向脈衝壓縮，得到脈衝壓縮後的回波信號so(τ,η)表示為：
其中，c為光速，η為方位向慢時間，τ為距離向快時間，ωa(.)為方位向時域包絡，λ為波長，δr(η)為平臺由運動誤差產生的距離歷史，r(η)為飛行器傳感器實際測得的飛行距離歷史，ri(η)為理想的距離歷史；
δr(η)表示為：
δr(η)＝r(η)-ri(η)(2)
ri(η)表示為：
其中，rit(η)為發射機到目標的理想距離歷史，rir(η)為目標到接收機理想的距離歷史；et為發射機的運動誤差向量，且et＝[δxt(η),δyt(η),δzt(η)]t，er為接收機的運動誤差向量，且er＝[δxr(η),δyr(η),δzr(η)]t。
s2、對距離壓縮後的雙基前視sar回波數據進行二維傅立葉變換並乘以走動校正相位，得到走動校正後結果如圖2所示；橫坐標range(samples)表示目標距離向，縱坐標azimuth(samples)表示目標方位向。
對走動校正後結果進行方位向傅立葉變換，得到距離徙動校正後時域數據；
對距離壓縮後的雙基前視sar回波數據進行二維傅立葉變換並乘以走動校正相位，走動校正後結果在方位頻域，距離時域信號記為s1(τ,fη)。
其中，a0為常數項，wa[]為方位向信號包絡，fηc表示都卜勒質心；rcm(fη)為
其中，
對s1(τ,fη)做方位向傅立葉變換，得到距離徙動校正後時域數據：
其中，rcmres(δr′in,δr′n)為：
s3、圖像分塊；具體的：
s31、將圖像數據沿方位向分成p個子圖像，被分割的每一子圖像方位向長度略小於雷達合成孔徑長度。並通過時域截斷將子圖像劃分為若干子模塊圖像；
相鄰的子模塊之間有一定空間上的重疊，重疊長度取0.1個合成孔徑長度。
s32、將每一方位向子圖像中信雜比最大的子模塊取出。時域截斷時子模塊的距離向寬度取值為距離解析度的幾至幾十倍不等，可以使得每個子模塊包含一個強點目標的所有徙動軌跡。
s4、對每個子圖像對應的子模塊進行非系統距離徙動估計；
s41、將子模塊數據離散表示為s(m,n)，初始化該子模塊對應的第n個方位單元的距離空不變的非系統距離徙動δrn，該子模塊的非系統距離徙動δr＝[δr1,δr2,...,δrn]，則非系統距離徙動校正後的信號z(m,n)可表示為：
其中，m表示子模塊中第m個距離單元，n表示子模塊中第n個方位單元，k表示距離頻率，m表示每個子模塊距離向的採樣點數，n表示每個子模塊方位向的採樣點數；
s42、計算子模塊數據的初始圖像熵：
其中，s表示子模塊數據對應的能量，其計算式如下：
s43、初始化迭代次數q＝1，初始化方位向單元n＝1，跳出迭代條件d0；
s44、當n＝1時，固定δr2,δr3,δr4,...,δrn估計δr1；當n>1時，固定δr1,...,δrn-1,δrn+1,...,δrn估計δrn；
則第q次迭代中，第n個方位單元的非系統距離徙動的估計值為：
其中，e′表示圖像熵的一階導，e″表示圖像熵的二階導，表示第q-1次迭代中，第n個方位單元的非系統距離徙動的估計值；
所述e′與e″的表達式如下：
s45、判斷n是否等於n，若是，則根據步驟s42計算第q次迭代後圖像熵eq，並執行步驟s46；否則令n＝n+1，返回步驟s44；
s46、判斷第q次迭代後圖像熵與第q-1次迭代後圖像熵是否滿足以下關係：
若是，則得到最終非系統距離徙動估計值；否則令q＝q+1，n＝1，返回步驟s44。
s5、根據步驟s4得到的每個子圖像對應的子模塊的非系統距離徙動的估計值，為對應的子圖像進行校正，得到非系統距離徙動校正後的各個子圖像；
s51、不同的距離單元之間非系統距離徙動的關係可以表示為：
δrn＝δrn-rcmres(δr′in,δr′n)(15)
將δrn′表示為前向差分形式：
δr′n＝(δrn+1-δrn)h(16)
其中，h表示脈衝重複頻率。將(16)代入(15)得到一個四次方程：
其中，
s52、輸入初始值δr0＝0、δrn、p1、p2、p3、p4、δr′in、子模塊方位向採樣點數n，k＝0；
s53、解一元四次方程，輸出δrk；
s54、如果k＜n進入步驟s55，否則跳至步驟s56；
s55、令k＝k+1，返回s53。
s56、根據式(6)，對每個方位分割後的子圖像進行距離空不變的非系統距離徙動校正。
s57、在二維時域進行插值，校正距離空變的非系統距離徙動。
s6、對步驟s5得到的非系統距離徙動校正後的各個子圖像進行方位向拼接，形成最終雙基地前視sar非系統距離徙動校正後結果，校正結果如圖3所示，橫坐標range(samples)表示目標距離向，縱坐標azimuth(samples)表示目標方位向。
本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。