基于二維自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于雷達技術領域，公開一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，主要解決現(xiàn)有自聚焦算法無法對均勻成像區(qū)域進行良好的聚焦的問題，包括：接收目標的原始回波信號，對回波信號做距離脈壓之后分別進行包絡誤差和相位誤差粗補償；進而作距離向FFT和方位解線性調頻操作以及二維插值操作；對二維插值后的結果做距離向IFFT之后，估計越距單元的距離徙動，完成包絡誤差校正；進而沿距離向平均分成互不重疊的V個距離子塊，估計各子塊相位誤差；分別計算相應距離單元的權值，對每個距離子塊進行距離誤差估計，完成空變誤差校正，將校正后的數(shù)據(jù)進行方位向IFFT，得到最終聚焦效果良好的SAR圖像。
【專利說明】
基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達信號處理領域，尤其涉及一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR 自聚焦成像方法，可用于對運動誤差進行補償，以得到聚焦良好的SAR圖像。
【背景技術】
[0002] 隨著合成孔徑雷達成像技術的發(fā)展，高分辨聚束SAR成像成為近年的研究熱點。然 而在SAR數(shù)據(jù)錄取過程中，平臺會受到大氣湍流及自身抖動等因素影響，不可能嚴格做勻速 直線運動。運動誤差會使SAR回波信號中同時出現(xiàn)包絡誤差和相位誤差，嚴重影響SAR信號 的聚焦，必須對SAR回波數(shù)據(jù)進行運動補償處理。
[0003] 現(xiàn)有的自聚焦方法大體可分為3類:基于圖像偏移的方法、基于逆回波的方法、基 于代價函數(shù)的方法?；趫D像偏移(Map Drift，MD)的多普勒調頻率估計運動補償方法利用 得到的多普勒調頻率反演計算運動誤差對應的二次形式，實現(xiàn)運動誤差補償，該方法易于 實現(xiàn)，但在估計高分辨SAR成像形式復雜的運動誤差時，估計精度達不到要求。相位梯度自 聚焦(Phase Gradient Autofocus，PGA)是SAR運動補償過程中最常用的一種非參數(shù)化逆濾 波自聚焦方法，對于含有孤立散射中心的數(shù)據(jù)，可以精確估計出任意形式的運動誤差，但對 于信噪比較低、場景中無明顯強點如沙漠、海面等情況，其誤差估計性能較差。QPGA (Quality PGA)則是對傳統(tǒng)PGA算法樣本選擇過程進行優(yōu)化處理，可以增加幾倍的高信雜比 樣本數(shù)量，大大提高了相位梯度估計的精度和效率?；诖鷥r函數(shù)的方法通過建立相位誤 差和圖像某一代價函數(shù)之間的函數(shù)關系，通過優(yōu)化類算法使該代價函數(shù)達到極值時的相 位誤差估計值，如基于最小熵的給參數(shù)化自聚焦算法，這類算法計算量一般比較大，且容易 受迭代算法本身特性的影響。
[0004] 在PFA(極坐標格式算法)處理流程中，若對插值后的信號沿距離向做IFFT，則會在 信號包絡中引入額外的RCM(Range Cell Migration,距離徙動），與理想航跡下SAR回波信 號中的RCM不同，該RCM表明PFA的二維插值操作會改變運動誤差的表現(xiàn)形式，使得信號包絡 誤差和相位誤差之間的正比關系不再成立，我們將其記為NsRCM。當NsRCM超過一個距離單 元時，信號的包絡將會散落在不同的距離單元內，距離-方位變量之間的耦合更加復雜，將 不可避免的造成自聚焦性能的下降。在聚束SAR成像中，對于窄距離測繪帶內的點目標，由 平臺的航跡偏移引起的相位誤差基本是非空變的。然而，對于較大的距離向測繪帶場景，必 須考慮相位誤差的空變性問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于二維自聚焦的高分辨 聚束SAR自聚焦成像方法，解決現(xiàn)有自聚焦算法無法對均勻成像區(qū)域進行良好的聚焦的問 題。
[0006] 本發(fā)明的技術方案為:首先針對場景中心線做基于GPS/INS(Global Positioning System or Inertial Navigation System，全球定位系統(tǒng)/慣性導航系統(tǒng))信息的一致運動 補償，即對場景中所有目標回波信號的包絡偏移和相位誤差進行粗略的一致補償;然后采 用本發(fā)明提出的SSA(Stage-by-stage Approach，分階降采樣法)來估計越距單元NsRCM，進 行NsRCM校正，以完成對于包絡誤差的校正；最后采用WCEA( Weighed Contrast Enhancement Autofocus，加權對比度增強自聚焦)算法來估計各子塊相位誤差，并計算相 應距離單元的權值，同時利用各距離子塊相位歷史數(shù)據(jù)采用WMSE(Weighted Mean Square Error，加權最小均方誤差)估計因子進行距離誤差估計，從而完成相位誤差估計。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術方案：
[0008] -種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，所述方法包括如下步驟：
[0009] 步驟1，SAR雷達接收原始回波信號，對所述原始回波信號進行距離脈壓得到距離 脈壓和距離向FFT，得到距離向FFT后的回波信號，并對距離向FFT后的回波信號進行包絡誤 差粗補償和相位誤差粗補償，得到粗補償后的回波信號；
[0010] 步驟2,對所述粗補償后的回波信號依次進行方位解線性調頻和二維插值，得到二 維插值后的回波信號；
[0011] 步驟3,對所述二維插值后的回波信號進行距離向IFFT，估計越距單元的距離徙 動，并進行距離徙動校正，從而得到包絡誤差校正后的回波信號；
[0012] 步驟4,將所述包絡誤差校正后的回波信號沿距離向分成互不重疊的V個距離子 塊，并估計每個距離子塊的相位誤差，得到相位誤差估計后的V個距離子塊；
[0013] 步驟5,計算每個距離子塊對應的距離單元的權值，并對所述相位誤差估計后的V 個距離子塊進行距離誤差估計，并完成空變誤差校正，將完成空變誤差校正后的回波信號 進行方位向IFFT，得到聚焦后的SAR圖像。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點：
[0015] (1)本發(fā)明針對PFA的二維插值操作會造成越距離單元距離徙動這一問題，提出了 SSA來估計越距單元的距離徙動，成功的將全分辨率相位歷史數(shù)據(jù)距離徙動的變化限制在 1/4個全分辨距離單元。
[0016] (2)現(xiàn)有的算法對于信噪比較低、場景中無明顯強點如沙漠、海面等情況，其誤差 估計性能較差。通過對實測數(shù)據(jù)用本發(fā)明所提方法進行處理所得結果可以看出，本發(fā)明不 僅對含較強孤立散射點的成像場景有較好的聚焦性能，而且對均勻成像區(qū)域也可獲得良好 效果。
[0017] (3)現(xiàn)有的自聚焦算法通常僅使用單個距離單元的數(shù)據(jù)進行相位誤差估計，由于 受雜波和噪聲的影響，這種方法是不準確的。本發(fā)明提出了數(shù)據(jù)分塊的方法，應用PACE (Phase Adjustment by Contrast Enhancement)自聚焦算法估計各子塊相位誤差，保證了 子塊內相位誤差是非空變的。
[0018] (4)本發(fā)明所提方法跟CMD(Coherent MD，相關圖像偏移)算法、LML-WPGA(局部最 大似然-加權相位梯度自聚焦)算法等自聚焦算法的實測數(shù)據(jù)處理結果相比，不僅聚焦效果 良好，同時本發(fā)明所提算法計算速度更快，更適合補償距離空變的相位誤差。
【附圖說明】
[0019] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本發(fā)明實施例提供的一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方 法的流程示意圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明實施例提供的高分辨聚束SAR獲取數(shù)據(jù)幾何模型示意圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明實施例提供的對包絡誤差校正前的二維插值操作進行的分析的示意 圖，其中：（a)表示二維插值前的包絡示意圖，（b)表示二維插值后的包絡示意圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明實施例提供的SAR平臺飛行剖面示意圖；
[0024]圖5是本發(fā)明實施例提供的均勻成像區(qū)域處理結果示意圖，其中：圖a為利用GPS/ INS信息補償后的雷達回波相位歷史數(shù)據(jù)包絡示意圖，圖b為本發(fā)明方法處理的包絡示意 圖，圖c為采用PACE算法進行相位誤差校正但未進行包絡誤差校正結果示意圖，圖d為用本 發(fā)明方法進行包絡誤差校正后采用PACE自聚焦算法進行相位誤差校正結果示意圖，圖e為 采用本發(fā)明方法處理結果示意圖；
[0025]圖6是本發(fā)明實施例提供的其他自聚焦算法處理結果示意圖，其中：圖a為采用本 發(fā)明方法進行包絡誤差校正后采用CMD算法處理結果示意圖，圖b為ME_M0C0(Minimum Entropy Coarse Motion Compensation，最小熵運動粗補償）算法處理結果示意圖，（c)為 圖5(c)(左圖）和圖5(e)(右圖）中虛線框區(qū)域放大圖，（d)為圖6(a)(左圖）和圖6(b)(右圖） 中虛線框區(qū)域放大圖；
[0026]圖7為孤立散射點成像處理結果示意圖，其中：（a)為采用LML-WPGA算法成像結果 示意圖，（b)為本發(fā)明方法成像結果示意圖，（c)為圖7(a)中虛線框區(qū)域放大示意圖，（d)為 圖7(b)中虛線框區(qū)域放大示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0028] 本發(fā)明實施例提供一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，如圖 (1)所示，所述方法包括如下步驟：
[0029]步驟1，SAR雷達接收原始回波信號，對所述原始回波信號進行距離脈壓得到距離 脈壓和距離向FFT，得到距離向FFT后的回波信號，并對距離向FFT后的回波信號進行包絡誤 差粗補償和相位誤差粗補償，得到粗補償后的回波信號。
[0030] 步驟1具體包括如下子步驟：
[0031] (la)SAR雷達接收原始回波信號，對所述原始回波信號進行距離脈壓和距離向 FFT，得到目標的回波基頻信號ss(τ，t a; X，r):
[0032]
[0033] .....
.....表示由SAR雷達平臺的非理想運動引入的相位誤差，
為非空變的 相位誤差分量，id 為空變的相位誤差分量；
[0034] 參考圖2,為本發(fā)明實施例提供的高分辨聚束SAR獲取數(shù)據(jù)幾何模型示意圖，其中， Ro(ta;X，r)表示天線相位中心到場景中任意一點的理想瞬時斜距，R(t a;x，r)表示天線相位 中心到場景中任意一點的實際瞬時斜距，A R(ta;x，r)表示由運動誤差造成的斜距誤差，λ =c/f。為信號波長，ΤΡ表示脈沖寬度，c表示光速，f。表示雷達載頻，R s表示場景中心最短斜 距，vo表示SAR雷達平臺的速度，τ表示距離快時間，ta表示方位慢時間，（x，R s+r)表示斜距平 面內任意一點的坐標，X表示SAR雷達平臺沿方位向相對于零時刻的位移，r表示SAR雷達平 臺沿距離向相對于零時刻的位移；
[0035] 在得到回波信號后，對場景中所有目標回波信號的包絡偏移和相位誤差進行粗略 的一致補償。
[0036] (lb)在方位時間[0，Ta]內，假設SAR雷達平臺沿視線方向的速度分量為v r(ta)，對 速度分量經(jīng)積分后可得SAR雷達平臺的瞬時位置誤差偏移量△ r(ta)為：
[0037]
[0038] 其中，Ta表示數(shù)據(jù)處理時間，Δ r(〇)為￡ 平均值的相反數(shù)，相應的相位偏 移量<Mta)為：
[0039]
[0040] 對航跡方向運動誤差的補償可通過對回波數(shù)據(jù)的多普勒調頻率變化量在成像時 間內進行二維積分，假設SAR雷達平臺的前向速度分量為 Vx(ta)，在獲得回波信號的方位向 補償之后，回波信號的相應的多普勒調頻率Ka(t a)為：
[0041]
[0042] 定J
SAR雷達平臺在tae[0，Ta]內的平均速度，則多普勒調 頻率的變化量AKa(ta)為：
[0043]
[0044] 沿航跡的相位誤差通過對tae [0，Ta]的二維積分獲得，即
[0045]
[0046] 從而，對距離脈壓后的回波信號進行包絡誤差粗補償和相位誤差粗補償，得到粗 補償后的回波信號SS(T，t a;X，r)如下：
[0047]
[0048] 步驟2,對所述粗補償后的回波信號依次進行方位解線性調頻和二維插值，得到二 維插值后的回波信號。
[0049] 步驟2具體包括如下子步驟：
[0050] (2a)根據(jù)PFA的處理流程，對粗補償后的回波信號依次進行方位解線性調頻，即
[0051]
L τ' 」
[0052] 其中，Β= γΤΡ為信號帶寬，γ為雷達發(fā)射信號的調頻率，fr為距離頻率，kr = 4Ji(fc +fr)/C為距離波數(shù)，k〇 = 43TfVC為中心距離波數(shù)，ΔΙ^(υ，Γ)為經(jīng)過粗略運動誤差補償 后的殘余斜距誤差，VQ表示SAR雷達平臺的速度，t a表示方位慢時間，Rs表示場景中心最短斜 距，X表示SAR雷達平臺沿方位向相對于零時刻的位移；
[0053] (2a)在完成距離向FFT后，需要進行二維插值操作。由于進行二維插值操作時距離 向和方位向坐標必須是嚴格單調且等間隔的，因此需要對方位解線性調頻后的回波信號進 行均勻采樣，消除距離-方位耦合，PFA通過距離、方位二維重采樣將極坐標數(shù)據(jù)轉換成矩形 格式數(shù)據(jù)，即
[0054]
[0055] ky表示轉換后的距離向坐標，kx表示轉換后的方位向坐標；
[0056] 由此可得二維插值后的回波信號SS(kx，ky;x，r)為：
[0057]
[0058] 其中：
示二維插值后的殘余相位誤 差。同樣，它可以分為非空變分I
陽空變分量
在ky = ko處進行Taylor級數(shù)展開并忽略對信號包絡影響較小的二次以及二次以上的高次相 位項，有
[0059] ν τ ν /
[ΟΟ?Ο] 其中，Φο為方位相位誤差項，它與運動誤差成正比。Φι表示由運動誤差造成的 NsRCM，經(jīng)計算可得其中的系數(shù)加、機可分別表示為：
[0063] 其弓
I示ARres(x)對X的導數(shù)在
t的數(shù)值。
[0061]
[0062]
[0064]步驟3,對所述二維插值后的回波信號進行距離向IFFT，估計越距單元的距離徙 動，并進行距離徙動校正，從而得到包絡誤差校正后的回波信號。
[0065]步驟3具體包括如下子步驟：
[0066] (3a)對二維插值后的回波信號在Aky = ky-ko處進行距離向IFFT，忽略對圖像聚焦 沒有影響的常數(shù)項，可得對所述二維插值后的回波信號進行距離向IFFT后的回波信號sS (T,kx；x,r)：
[0067]
[0068] 其中，Δ ky表示任意一點距離向坐標相對其實坐標的偏移量，kx表示轉換后的方位 向坐標，τ表示距離快時間，X表示SAR雷達平臺沿方位向相對于零時刻的位移，r表示SAR雷 達平臺沿距離向相對于零時刻的位移，^表示脈沖寬度，c表示光速。
[0069] 如圖3(a)所示為二維插值前的包絡示意圖，圖3(b)為二維插值后的包絡示意圖。 由圖中可以看出，對二維插值之后的信號沿距離向作IFFT，則會在信號包絡中引入額外的 RCM，因此需要進行NsRCM校正。
[0070] (3b)為了將NsRCM的變化限制在單個距離單元內，在不考慮NsRCM的空變影響的情 況下，提出了SSA來估計越距離單元的NsRCM。
[0071] 根據(jù)回波信號sS(T，kx;X，r)估計越距單元的距離徙動，并進行距離徙動校正，具 體操作如下：
[0072]首先依次將經(jīng)過距離向IFFT后的回波信號sS(T，kx;X，r)中相鄰的16個距離單元 疊加起來，作為一個新的粗分辨率距離單元，從而獲得距離向16倍降采樣的粗分辨率距離 單元信號，使NsRCM的變化限制在單個粗分辨距離單元內，并用WLS-PGA(We ighted Least-Square，加權最小二乘梯度相位自聚焦)算法提取該粗分辨率數(shù)據(jù)的相位誤差；
[0073]采用低階多項式(如4階)擬合該粗分辨距離單元信號的相位誤差，獲得相應的斜 距誤差，并補償該粗分辨距離單元信號的包絡誤差和相位誤差，得到補償后的全分辨率相 位歷史信號；
[0074]降低距離向降采樣的倍數(shù)，將補償后的全分辨率相位歷史信號相鄰的8個距離單 元疊加起來，獲得距離向8倍降采樣的粗分辨信號，采用WPGA(Weighted PGA，加權相位梯度 自聚焦)算法提取粗分辨數(shù)據(jù)的相位誤差，并采用高階多項式(如8階)擬合該相位誤差并對 粗分辨信號進行相位誤差補償，采用類似的操作，直到全分辨率相位歷史信號的距離徙動 被限制在1/4個全分辨率距離單元，從而得到包絡誤差校正后的回波信號sS(T，k x;X，r)
[0075]
[0076] 步驟4,將所述包絡誤差校正后的回波信號沿距離向分成互不重疊的V個距離子 塊，并估計每個距離子塊的相位誤差，得到相位誤差估計后的V個距離子塊。
[0077] 在本步驟中，需要采用WCEA算法來估計本質上空變的相位誤差，由于受到雜波和 噪聲的影響，通常僅使用單個距離單元的數(shù)據(jù)估計相位誤差是不準確的。因此，我們首先需 要將包絡誤差校正后的數(shù)據(jù)沿距離向平均分成互不重疊的V個距離子塊，在每個距離子塊 內有 Ml = M/V個距離分辨單元，保證每個距離子塊內的相位誤差是非空變的。然后，分別對 每個距離子塊的相位歷史數(shù)據(jù)應用PACE自聚焦算法估計各子塊相位誤差。
[0078] 為了實現(xiàn)本步驟的操作，首先需要得到真實的相位誤差。因此，步驟4具體包括如 下子步驟：
[0079] (4a)將包絡誤差校正后的回波信號沿距離向分成互不重疊的V個距離子塊，在每 個距離子塊內有施=M/V個距離分辨單元；
[0080] 其中Μ表示距離向距離單元的總數(shù)。
[0081] (4b)計算每個距離子塊的真實相位誤差：
[0082] 結合圖4中^時刻SAR平臺飛行剖面圖，根據(jù)圖中的幾何關系，估計的相位誤差可 表示為：
[0083]
[0084] 式中：Δ y和Δ z表不APC(Antenna phase Center，天線相位中心）在Y和Z軸的偏移 量，其中 Ay=[Ay(0) Ay(l)…Ay(N_l)]，Az=[Az(0) Δζ(1)…Δζ(Ν_1)];Τ3 是 @延長線上的點目標，位于雷達回波第m(m = 0，l，···，Μ-1)個距離單元且滿足 :寫？卜7?,", = ，ZGPT3 = am，M表示距離維采樣個數(shù)。
[0085] 考慮到相位誤差的空變性，我們可以將上式以矩陣形式表示為：
[0086] Φ =KDi
[0087] 其中，
羨示估計的相位誤差矩陣，?(m，：）= [0m(0) 0m(l)…0m (N-1)]表示估計的相位誤差矩陣中第m個距離單元的相位誤差，N表示雷達回波總數(shù)， 是參數(shù)矩陣，Α = ^為天線相位中心的偏移量矩 葉；
[0088]則目標的真實相位誤差為：
[0089] Λ
[0090] 其中，
，Rm表示第m個距離單元到SAR平 臺的斜距，Η表示SAR平臺的高度，相應地，記目標的真實相位誤差矩陣為
， 則第m個距離單元的真實相位誤差，
[0091] 顯然，估計的相位誤差矩陣Φ越接近真實的相位誤差矩陣Φ%運動補償?shù)男Ч?會越好。
[0092] (4b)在得到真實的相位誤差后，采用WCEA算法來估計每個距離子塊的空變相位誤 差：
[0093] 假設聚焦的復數(shù)SAR圖像為f(m，k)，經(jīng)相位誤差補償后的相位歷史數(shù)據(jù)為u(m，n)
[0094]
[0095]
[0096] 1V n-Q V 1V J
[0097]其中UQ(m，n)表示未進行相位誤差補償?shù)南辔粴v史數(shù)據(jù)，k = 0，l, . . .，N-1表示聚 焦圖像像素點的方位序號。
[0098] 由于SAR圖像的對比度越大，圖像的聚焦效果越好，因此為了獲得更好的聚焦效 果，必須進行高精度的運動補償，使Φ的值越接近越好，即需要對APC相對于理想航跡的 偏移情況做更精確地估計。這樣，相位誤差的提取問題就轉化成一個最優(yōu)化問題:估計天線 相位中心的運動誤差，使得SAR圖像的對比度達到最大，即：
[0099] - ---
,-, Φ9 - 」
[0100]其中
％相位誤差校正矩陣，
[0101]
I相位誤差校正矩陣中第m個距離單 元的相位誤差校正量，由于并不存在的閉合形式的解，使得C達到最大，因此上式是一個 無約束優(yōu)化問題。在本發(fā)明中采用計算高效且節(jié)省內存的CGA(Con jugate Gradient Algorithm,共輒梯度算法)迭代求解這一非線性優(yōu)化問題。
[0102] CGA需要獲得對比度C對相位誤差校正量€(衫的導數(shù)的顯式表達式為：
[0103]
\
[0104] 其中 當C達到最大值時， / y .:， 可得到對應每個距離子塊的相位誤差。
[0105] 至此，我們完成了對各距離子塊相位誤差的估計。
[0106] 步驟5,計算每個距離子塊對應的距離單元的權值，并對所述相位誤差估計后的V 個距離子塊進行距離誤差估計，并完成空變誤差校正，將完成空變誤差校正后的回波信號 進行方位向IFFT，得到聚焦后的SAR圖像。
[0107] 步驟5具體包括如下子步驟：
[0108] (5a)在完成了相位誤差估計后，采用WMSE估計因子，根據(jù)不同距離單元的對比度， 確定由相應距離單元數(shù)據(jù)估計的相位誤差的權值，構建相位估計因子：
[0109]
[0110] 其中，Cm=〇m/ym(rn = 0，l，. . .，M-1)表示第m個距離單元的對比度，在此，Μ表示每個 距離子塊中的距離單元數(shù)
表示相應距離單元的權值；
[0111] (5b)上式中，0m(n)越接近見（/'〇 ,相位誤差估計得越精確，WMSE( Ay(n), Δζ(η)) 的值將越小，即相位誤差的估計值在加權最小均方意義上是最優(yōu)的。為了使WMSE( △ y (η)， A ζ(η))最小，令
i:
則有：
[0112]
[0113]
[0114] 從而得到天線相位中心在Y軸的偏移量Δ y(n)和Z軸的偏移量Δ z(n)，根據(jù)天線相 位中心在Y軸的偏移量△ y(n)和Z軸的偏移量△ z(n)對SAR數(shù)據(jù)進行精確地補償；
[0115] 假設第ν(ν = 0，1，···，ν-1)個距離子塊的中心到SAR平臺理想航跡的距離為R(v)， 我們將其記為各子塊非空變相位誤差估計過程的參考斜距。這樣，我們就可獲得第v個距 離子塊數(shù)據(jù)的斜距誤差，并依次對各距離子塊進行類似的操作。最后，計算各距離子塊數(shù)據(jù) 的對比度權值，根據(jù)上式求得的APC在Y軸偏移量△ y (η)和Z軸的偏移量△ ζ (η)求解平臺的 航跡偏移，對SAR數(shù)據(jù)進行較為精確的補償。
[0116] 將經(jīng)過精確補償之后的SAR數(shù)據(jù)進行方位向IFFT，得到聚焦后的SAR圖像為：
[0117]
[0118] 其中，fa表示方位向采樣率。
[0119] 至此，基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦算法成像處理完成。
[0120] 下面采用實測SAR數(shù)據(jù)，并設計對比實驗說明所提算法的有效性和優(yōu)越性。
[0121] 1.均勻成像區(qū)域
[0122] 在本實驗中，高分辨聚束SAR原始數(shù)據(jù)由X波段機載雷達錄取，載機速度約為120m/ s，脈沖重復頻率為1250Hz，雷達發(fā)射信號帶寬為600MHz，參考斜距為40.8km。載機配備中等 精度的導航系統(tǒng)。成像區(qū)域主要由農田、草地、灌木叢等無孤立散射點的場景組成，可以被 看作均勻成像區(qū)域。
[0123] 首先，采用基于GPS/INS信息進行回波信號的包絡誤差和相位誤差校正，然后使用 WPGA對轉化為二維極坐標格式的數(shù)據(jù)而不是原始數(shù)據(jù)作進一步的RCM(Range Cell Migration，距離徙動)校正。圖5(a)為僅利用GPS/INS信息補償后的雷達回波相位歷史數(shù)據(jù) 包絡圖，圖5(b)為本發(fā)明方法處理的包絡圖。由于運動誤差的影響，圖5(a)中信號的包絡不 是直線而是發(fā)生了彎曲，圖中水平方向表示方位向，垂直方向表示距離向。顯然，圖5(b)中 更好的補償了RCM，表明包絡誤差校正的精確度要高于導航系統(tǒng)校正誤差。經(jīng)本發(fā)明所提 方法可以將包絡校直，說明了本發(fā)明所提方法的有效性。
[0124] 圖5(c)為采用PACE自聚焦算法處理，但沒有進行包絡誤差校正所得到的SAR圖像， 殘余的包絡誤差會嚴重影響相位歷史數(shù)據(jù)的自聚焦，使整個場景比較模糊、粗糙。圖5(d)為 應用本發(fā)明所提方法進行運動誤差粗補償及NsRCM校正后，利用PACE自聚焦算法補償相位 誤差所得SAR圖像。圖5(e)為采用本發(fā)明所提方法處理農田和草原等均勻成像區(qū)域，可以看 到成像區(qū)域紋理清晰，聚焦效果良好。
[0125]圖6(a)和圖6(b)為采用CMD(coherent MD)算法進行相位誤差補償（已采用本發(fā)明 所提算法進行包絡誤差校正）結果圖以及ME-M0C0算法處理結果圖。不同算法獲得的SAR圖 像的熵值和對比度如表一所示，圖像熵值越小，對比度越大，說明圖像聚焦得越好。由此亦 可看出所提方法具有最優(yōu)的圖像整體聚焦性能。
[0126] 表一:圖像熵值和對比度
[0127]
[0128] 為了對成像區(qū)域的局部聚焦性能進行分析，我們分別提取圖5(c)、圖5(e)、圖6 (a)、圖6(b)中矩形虛線框內的場景并放大，所得成像結果從左到右排列如圖6(c)、圖6(d) 所示。顯然，用本發(fā)明所提方法處理結果最優(yōu)。采用不同的聚焦方法對后三幅圖像進行處 理，所消耗時間分別為169.14s、177.48s和240.65s，可見采用本文方法不僅運算效率高，而 且可以獲得良好的聚焦效果。
[0129] 2、孤立散射點成像區(qū)域
[0130] 為了驗證本文算法對含孤立散射點場景的聚焦性能，我們根據(jù)表二所示參數(shù)，首 先采用本章提出的粗補償和NsRCM校正方法對SAR實測數(shù)據(jù)進行處理，并對相位歷史數(shù)據(jù)分 別采用LML-WPGA算法和WCEA算法提取相位誤差并補償。
[0131] 表二:雷達仿真參數(shù)
[0132]

[0133] 采用LML-WPGA算法補償殘余相位誤差所得SAR圖像如圖7(a)所示，而采用本發(fā)明 所提的WCEA算法補償殘余相位誤差所得SAR圖像如圖7(b)所示。其中，水平方向表示方位 向，垂直方向表示距離向?？梢?，以上兩種方法均獲得了良好的聚焦效果。兩圖的對比度分 別為1.6914和1.6920,圖像對比度是衡量聚焦效果的標準，對比度越高，聚焦性能越好，說 明本文方法在整體上具有更優(yōu)的性能。為了對SAR圖像局部區(qū)域的成像效果進行比較，我們 分別從圖7(a)和圖7(b)中取出相同的成像場景并放大，分別如圖7(c)和圖7(d)所示，顯然， 采用WCEA算法獲得的成像結果更清晰，聚焦性能更好。
[0134] 以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵 蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，其特征在于，所述方法包括 如下步驟： 步驟1，SAR雷達接收原始回波信號，對所述原始回波信號依次進行距離脈壓、距離向 FFT，得到距離向FFT后的回波信號，并對距離向FFT后的回波信號依次進行包絡誤差粗補 償、相位誤差粗補償，得到粗補償后的回波信號； 步驟2,對所述粗補償后的回波信號依次進行方位解線性調頻和二維插值，得到二維插 值后的回波信號； 步驟3，對所述二維插值后的回波信號進行距離向IFFT，估計越距單元的距離徙動，并 進行距離徙動校正，從而得到包絡誤差校正后的回波信號； 步驟4,將所述包絡誤差校正后的回波信號沿距離向分成互不重疊的V個距離子塊，并 估計每個距離子塊的相位誤差，得到相位誤差估計后的V個距離子塊，V為自然數(shù)； 步驟5,計算每個距離子塊對應的距離單元的權值，并對所述相位誤差估計后的V個距 離子塊進行距離誤差估計，并完成空變誤差校正，將完成空變誤差校正后的回波信號進行 方位向IFFT，得到聚焦后的SAR圖像。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，其特 征在于，步驟1具體包括如下子步驟： (la) SAR雷達接收原始回波信號，對所述原始回波信號進行距離脈壓和距離向FFT，得 到目標的回波基頻信號SS(τ，ta; X，r):其中，R(ta;x，r)=Ro(ta;x，:r) + AR(ta;x，:r), 界(U取表示由SAR雷達平臺的非理想運動引入的相位誤差，戶4巧 或者口(。Λ·，Γ)=私r (。+做(?。;Λν')，也(Λ )為非空變的相位誤差分量，執(zhí),1 ('·)為空 變的相位誤差分量； 其中，Ro( ta; X，r)表示天線相位中屯、到場景中任意一點的理想瞬時斜距，R( ta; X，r)表 示天線相位中屯、到場景中任意一點的實際瞬時斜距，Δ R(ta;x，r)表示由運動誤差造成的 斜距誤差，λ = c/f。為信號波長，Τρ表示脈沖寬度，C表示光速，f。表示雷達載頻，私表示場景 中屯、最短斜距，V0表示SAR雷達平臺的速度，τ表示距離快時間，ta表示方位慢時間，（X，Rs+r) 表示斜距平面內任意一點的坐標，X表示SAR雷達平臺沿方位向相對于零時刻的位移，r表示 SAR雷達平臺沿距離向相對于零時刻的位移； (lb) 在方位時間[0，Ta]內，假設SAR雷達平臺沿視線方向的速度分量為Vr(ta)，對速度 分量經(jīng)積分后可得SAR雷達平臺的瞬時位置誤差偏移量Δ r(ta)為：其中，Ta表示數(shù)據(jù)處理時間，Ar(0)呆平均值的相反數(shù)，相應的相位偏移量 Φ?·(?3)為：假設SAR雷達平臺的前向速度分量為Vx(ta)，在獲得回波信號的方位向補償之后，回波 信號的相應的多普勒調頻率Ka(ta)為：定義％SAR雷達平臺在tae[〇，Ta]內的平均速度，則多普勒調頻率的 變化量AKa(ta)為：沿航跡的相位誤差通過對ta e [0，Ta]的二維積分獲得，即從而，對距離脈壓后的回波信號進行包絡誤差粗補償和相位誤差粗補償，得到粗補償 后的回波信號33(1，13;義，1')如下：3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，其特 征在于，步驟2具體包括如下子步驟： (2a)對粗補償后的回波信號依次進行方位解線性調頻，即乘有其中，B為信號帶寬，γ為雷達發(fā)射信號的調頻率，fr為距離頻率Λτ為距離波數(shù)，ko為中 屯、距離波數(shù)，ARres ( ta ; X，r )為殘余斜距誤差，V0表示SAR雷達平臺的速度，ta表示方位慢時 間，Rs表示場景中屯、最短斜距，X表示SAR雷達平臺沿方位向相對于零時刻的位移； (2a)對方位解線性調頻后的回波信號進行均勻采樣，消除距離-方位禪合，通過距離、 方位二維重采樣將極坐標數(shù)據(jù)轉換成矩形格式數(shù)據(jù)，即ky表示轉換后的距離向坐標，kx表示轉換后的方位向坐標； 可得二維插值后的回波信號SS化x，ky;x，r)為：其中I表示二維插值后的殘余相位誤差。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，其特 征在于，步驟3具體包括如下子步驟： (3a)對二維插值后的回波信號在Aky = ky-k〇處進行距離向IFFT，忽略對圖像聚焦沒有 影響的常數(shù)項，可得對所述二維插值后的回波信號進行距離向IFFT后的回波信號sS(T，kx; x,r)：其中，Aky表示任意一點距離向坐標相對其實坐標的偏移量，恥表示由運動誤差造成的 距離徙動，Φο為方位相位誤差項，kx表示轉換后的方位向坐標，τ表示距離快時間，X表示SAR 雷達平臺沿方位向相對于零時刻的位移，r表示SAR雷達平臺沿距離向相對于零時刻的位 移，Τρ表示脈沖寬度，C表示光速； (3b)根據(jù)回波信號sS(T，kx;x，r)估計越距單元的距離徙動，并進行距離徙動校正，具體 操作如下： 首先依次將回波信號sS(T，kx;x，r)中相鄰的16個距離單元疊加起來，作為一個新的粗 分辨率距離單元，從而獲得距離向16倍降采樣的粗分辨率距離單元信號，提取該粗分辨距 離單元信號的相位誤差； 采用低階多項式擬合該粗分辨距離單元信號的相位誤差，獲得相應的斜距誤差，并補 償該粗分辨距離單元信號的包絡誤差和相位誤差，得到補償后的全分辨率相位歷史信號； 降低距離向降采樣的倍數(shù)，將補償后的全分辨率相位歷史信號相鄰的8個距離單元疊 加起來，獲得距離向8倍降采樣的粗分辨信號，提取粗分辨數(shù)據(jù)的相位誤差，并采用高階多 項式擬合該相位誤差并對粗分辨信號進行相位誤差補償，直到全分辨率相位歷史信號的距 離徙動被限制在1/4個全分辨率距離單元，從而得到包絡誤差校正后的回波信號5. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，其特 征在于，步驟4具體包括如下子步驟： (4a)將包絡誤差校正后的回波信號沿距離向分成互不重疊的V個距離子塊，在每個距 離子塊內有化=M/V個距離分辨單元，其中Μ表示距離向距離單元的總數(shù)； (4b)計算每個距離子塊的真實相位誤差： 巫二邸1 其中表示估計的相位誤差矩陣，Φ(Π 1，：）= [θη(0) 0m(l)…目m(N- 1)]表示估計的相位誤差矩陣中第m個距離單元的相位誤差，N表示雷達回波總數(shù)，Κ是參數(shù) 矩陣，％天線相位中屯、的偏移量矩陣，Ay和A Ζ表示天線相位中屯、在Υ和Ζ軸的偏 移量;則目標的真實相位誤差為： 其中表示第m個距離單元到SAR平臺 的斜距，Η表示SAR平臺的高度，相應地，記目標的真實相位誤差矩陣為則第m個距離單元的真實相位誤差為如'("''，:）二[,9;;;(())哉,（l)…或(iV-l)]; (4b)估計每個距離子塊的空變相位誤差： 估計天線相位中屯、的運動誤差，使得SAR圖像的對比度達到最大，即其中騎目位誤差校正矩陣，?。?"，:) =悼(0)《(〇…哉(W-】)； 為相位誤差校正矩陣中第m個距離單元的相位誤差校正量，對比度C對相位誤差校正量 成(A-)的導數(shù)的顯式表達式為：其中當C達到最大值時，可得 到對應每個距離子塊的相位誤差。6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于二維自聚焦的高分辨聚束SAR自聚焦成像方法，其特 征在于，步驟5具體包括如下子步驟： (5a)根據(jù)不同距離單元的對比度W及相應距離單元數(shù)據(jù)估計的相位誤差的權值，構建 相位估計因子：其中，Οιι=〇ιιιΑ?ιιι(πι=0,1,... ,Μ-1)表不束m個距罔單兀的對比度良不相 應距離單元的權值； 巧b)令CWV/'化(ΔνΔζ("(") = 0，cWW化(Δ>·(")，Δζ("從而得到天線相位中屯、在Υ軸的偏移量A y(n)和Ζ軸的偏移量Δ Ζ(η)，根據(jù)天線相位中 屯、在Υ軸的偏移量Δ y(n)和Ζ軸的偏移量Δ ζ(η)對SAR數(shù)據(jù)進行精確地補償； 將經(jīng)過精確補償之后的SAR數(shù)據(jù)進行方位向IFFT，得到聚焦后的SAR圖像為：其中，fa表示方位向采樣率。
【文檔編號】G01S7/40GK105974414SQ201610473505
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】梁毅, 丁金閃, 黨彥鋒, 邢孟道
【申請人】西安電子科技大學