專利名稱：一種適用于超高分辨率sar成像的自聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合成孔徑雷達(dá)(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(dá)自聚焦算法。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是通過信號處理技術(shù)對地面景物進(jìn)行成像的一種新體制雷達(dá)。SAR對目標(biāo)的成像通過距離和方位兩維高分辨實(shí)現(xiàn)，其中距離向高分辨率通過對寬帶信號進(jìn)行脈沖壓縮處理得到，而方位高分辨率則通過對合成孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理實(shí)現(xiàn)，這種相干處理依賴于精確獲知雷達(dá)和目標(biāo)之間的瞬時相對位置信息。實(shí)際應(yīng)用中，受雷達(dá)位置擾動和電磁波傳播介質(zhì)不均勻等因素影響，這種相干性往往很難直接得到保證。目前采取的主要措施是增加輔助的運(yùn)動測量單元(典型地如慣性 測量單元和全球定位系統(tǒng))來測量獲取雷達(dá)位置信息，而忽略傳播介質(zhì)不均勻的影響。然而，隨著成像分辨率的提高，運(yùn)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(zhì)不均勻?qū)е碌睦走_(dá)回波延遲誤差效應(yīng)也變得不可忽略，將逐漸成為未來超高分辨率SAR系統(tǒng)精確聚焦成像的重要限制因素。因此有必要研究從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中提取并補(bǔ)償誤差的辦法，即自聚焦方法?；夭ǖ难舆t誤差對SAR成像有兩個方面的影響一是會產(chǎn)生額外的距離徙動，在SAR成像過程中無法得到補(bǔ)償，二是會在方位向引入一個相位誤差，導(dǎo)致圖像方位散焦。當(dāng)延遲誤差較小，產(chǎn)生的額外距離徙動小于一個距離分辨單元時，這種殘留距離徙動效應(yīng)完全可以忽略不計，此時自聚焦只需估計和補(bǔ)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、特征值方法以及基于圖像準(zhǔn)則的算法等)假設(shè)的前提，如文獻(xiàn)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(xiàn) 2 (G. Ν· Yoji. Phase Difference Auto Focusing forSyntheticAperture Radar Imaging. United States Patent No. 4999635,1991. ) Λ 文獻(xiàn) 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(xiàn) 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(shù)。然而，隨著誤差的增加，尤其是成像分辨率特別高時，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(bǔ)償。文獻(xiàn)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(tǒng)的一維相位梯度自聚焦算法(PGA)擴(kuò)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(jié)論中所說，該方法要像一維PGA—樣達(dá)到實(shí)用，仍然存在不少的問題需要解決。目前，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有成熟的技術(shù)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決超高分辨率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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種適用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步驟(I)對兩維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行極坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換；
·
(2)降低距離向分辨率；(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(bǔ)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式從極坐標(biāo)到矩形坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。步驟(2)是將步驟(I)處理后的數(shù)據(jù)在距離向進(jìn)行頻譜截取，降低距離向分辨率，頻譜截取降低距離向分辨率的目的是為了防止步驟(I)處理后殘留的目標(biāo)跨距離分辨單元走動影響后續(xù)的方位相位誤差估計，因此頻譜截取的比例取決于殘留距離徙動跨分辨單元的個數(shù)，譬如殘留距離徙動跨越N個分辨單元，則截取比例應(yīng)大于1/N，以保證分辨率降低后，殘留距離徙動可以忽略不計。步驟(3)是將步驟(2)處理后的數(shù)據(jù)做兩維快速傅立葉(Fourier)變換(FFT)，實(shí)現(xiàn)成像。步驟(4)是對步驟(3)處理得到的圖像利用常規(guī)自聚焦算法(如相位梯度自聚焦算法)進(jìn)行處理，估計得到方位相位誤差。步驟(5)是根據(jù)殘留距離徙動和方位相位誤差之間的解析關(guān)系，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)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行殘留誤差補(bǔ)償。步驟(7)是對步驟(6)處理得到的補(bǔ)償后數(shù)據(jù)作兩維FFT，實(shí)現(xiàn)精確聚焦成像。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(I)與常規(guī)自聚焦算法只補(bǔ)償方位相位誤差不同，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)殘留距離徙動和方位相位誤差的同時補(bǔ)償，補(bǔ)償精度更高。(2)與子孔徑(或脈沖)相關(guān)估計殘留距離徙動方法相比，本發(fā)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于方位相位誤差估計，因此估計精度也更高。


圖I是聚束SAR數(shù)據(jù)采集幾何模型圖。圖2是本發(fā)明信號處理流程圖。圖3是數(shù)據(jù)經(jīng)過PFA處理后的距離壓縮圖像(局部)。圖4是采用本發(fā)明方法補(bǔ)償后的距離壓縮圖像(局部)。圖5是實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)極坐標(biāo)格式算法(PFA)處理后圖像。圖6是PFA圖像經(jīng)過常規(guī)自聚焦(采用相位梯度自聚焦算法)處理后的結(jié)果。圖7是采用本發(fā)明方法處理得到的最終成像結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。聚束SAR成像幾何模型如圖I所示，不失一般性，假設(shè)雷達(dá)工作在斜視模式，斜視角為Qtl，正側(cè)視對應(yīng)θ^ = 0。雷達(dá)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(biāo)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于Qtl和爐。。又假設(shè)場景中有一點(diǎn)目標(biāo)，其位置為(xp，yp)。天線相位中心到該目標(biāo)和場景中心的瞬時距離分別記為Rt和Ra。雷達(dá)回波經(jīng)過解調(diào)、距離向匹配濾波和方位運(yùn)動補(bǔ)償后，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(fā)射信號載頻，f\為距離向頻率，其有效范圍為
I"]，B為發(fā)射信號帶寬，對應(yīng)距離向分辨率a =丄，R, = Ra-Rt為APC到場景中心和_ ^ Z」2B
目標(biāo)的差分距離。本發(fā)明提供的方法針對式(I)所示回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終目標(biāo)是得到點(diǎn)目標(biāo)的精確聚焦圖像，其處理流程如圖2所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟包括(I)極坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換的距離向插值極坐標(biāo)格式算法(PFA)距離向插值在數(shù)學(xué)上等效于對距離頻率作一個如下尺度變換fT= Sfr+Z0(S-I)(2)其中又為變換后的距離頻率J = COS爐。/(cospcosS)為尺度因子。因此,通過距離向
插值后，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(shù)，可對其關(guān)于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(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)，反映目標(biāo)在最后圖像中的位置，受視角轉(zhuǎn)換、波前彎曲和其它誤差影響，X' p，太p并不一定等于Xp，yp，但這并不影響圖像聚焦，對其的校正可以通過圖像域的重采樣實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明不作討論；ε (t)為二次及二次以上高階項(xiàng)，是導(dǎo)致圖像散焦的關(guān)鍵因素。(2)極坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換的方位向插值方位插值實(shí)質(zhì)上是對距離插值后的數(shù)據(jù)在方位時間做非線性變換/ =其中
權(quán)利要求
1.一種適用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步驟 (1)對兩維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行極坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換； (2)降低距離向分辨率； (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(bǔ)償； (7)兩維傅立葉變換成像。
2.根據(jù)權(quán)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式從極坐標(biāo)到矩形坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(2)是將步驟(I)處理后的數(shù)據(jù)在距離向進(jìn)行頻譜截取，降低距離向分辨率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟⑶是將步驟⑵處理后的數(shù)據(jù)做兩維快速傅立葉變換，實(shí)現(xiàn)成像。
5.根據(jù)權(quán)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(guī)自聚焦算法進(jìn)行處理，估計得到方位相位誤差。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自聚焦方法，其中步驟(5)是根據(jù)殘留距離徙動和方位相位誤差之間的解析關(guān)系，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(jù)權(quán)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)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行殘留誤差補(bǔ)償。
8.根據(jù)權(quán)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(bǔ)償后數(shù)據(jù)作兩維傅立葉變換，實(shí)現(xiàn)精確聚焦成像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步驟(1)對兩維回波數(shù)據(jù)進(jìn)行極坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換；(2)降低距離向分辨率；(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(bǔ)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(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者丁嵐, 朱岱寅, 毛新華 申請人:南京航空航天大學(xué)