一種合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達技術領域，特別涉及一種合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法。
【背景技術】
[0002] 合成孔徑雷達（SAR)是一種全天時、全天候的二維高分辨率微波遙感成像雷達， 目前已被廣泛應用在地球遙感、資源勘探、偵察、測繪、災情預報等領域。SAR距離向高分辨 依靠發(fā)射大時寬帶寬積的線性調頻信號來獲得，而方位向高分辨率依靠雷達和目標間的相 對運動產生的多普勒效應來獲取。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。
[0003] SAR頻域成像算法在完成方位聚焦之前，均需進行距離徙動校正（RCMC)，對距離 和方位進行分離處理，將徙動軌跡聚焦于同一距離分辨單元。而實際中，由于風、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， RCMC處理后SAR數據中往往還存在殘余距離徙動。當運動誤差產生的殘余距離徙動量小于 一個距離分辨單元時可以忽略不計。然而隨著成像分辨率的提高，殘余距離徙動使得徙動 軌跡位于同一距離分辨單元的前提并不總能成立，直接導致成像結果距離向散焦，并且導 致每一距離單元內的目標方位能量帶寬降低，造成圖像方位向分辨率下降，以及相位誤差 無法得到準確估計的情況。因此在高分辨SAR成像中，殘余距離徙動需要得到精確校正。
[0004] 理論上，利用傳感器提供的平臺運動信息能夠校正殘余距離徙動，然而現有傳感 器精度往往不能滿足高分辨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，從而基于回波數據的殘余距離徙動校正變的尤為重要。
[0005] 文獻 "A. W. Doerry，Autofocus Correction of Excessive Migration in Synthetic Aperture Radar Images. Sandia Report,SAND2004-4770. Albuquerque, New Mexico: Sandia National Laboratories，2004"米用降低SAR距離向分辨率，把徙動軌跡 并入同一距離單元后，再使用傳統(tǒng)一維自聚焦估計相位誤差，利用相位誤差計算殘余距離 徙動量，從而校正殘余距離徙動。然而該方法是在降低距離向分辨率的前提下進行的，殘余 距離徙動量估計精度通常較差D文獻"D.Zhu，〃SAR signal based motion compensation through combining PGA and 2_D map drift，"Conference on 2nd Asian-Pacific Synthetic Aperture Radar, pp. 435-438, 2009"對數據進行方位向分塊，當每塊數據方 位向采樣點足夠小時，各塊數據內部殘余距離徙動可以忽略，然后采用距離向子視圖相關 法將各塊數據搬移到同一距離分辨單元，然而數據分塊操作大大降低了處理效率。文獻 uGonzalez-Partida J-Tj Almorox-Gonzalez P，Burgos-Garcia M，Dorta-Naranjo B_P，SAR System for UAV Operation with Motion Error Compensation beyond the Resolution Cell. Sensors. 2008 ;8 (5) : 3384-3405"采用逆合成孔徑雷達（ISAR)中包絡對齊方法，在時 域校正殘余距離徙動，通過插值處理將徙動軌跡校正到同一距離單元，然而插值處理需要 較大的運算量，降低了處理效率。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種無需進行插值，能夠降低數據 運算量，提高處理效率；并且在數據分塊的情況下，能夠精確估計和校正錯位圖像在空域中 的位移量，使校正精度達到亞像素級的合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種合成孔徑雷達殘余距離徙動校 正方法，包括以下步驟：
[0008] S1、獲取二維回波信號，利用常規(guī)匹配濾波方法進行距離向脈沖壓縮；
[0009] S2、對距離向脈沖壓縮后的二維回波數據進行距離徙動校正；
[0010] S3、對距離徙動校正后的二維回波數據進行殘余徙動校正：對距離徙動校正后的 回波信號取模，并依次對取模后的信號第P行方位向數據進行殘余距離徙動校正，其中， 2彡p彡N，N為距離向采樣點數；
[0011] S4、輸出校正結果。
[0012] 進一步地，所述的步驟Sl包括以下子步驟：
[0013] S11、計算雷達平臺對成像區(qū)域中心點目標距離歷史，產生存在運動誤差的SAR點 目標仿真回波矩陣；
[0014] S12、對回波進行距離向傅里葉變換，然后通過距離向乘以匹配濾波器匹配函數 H1(L),實現距離向脈沖壓縮：
【主權項】
1. 一種合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 獲取二維回波信號，利用常規(guī)匹配濾波方法進行距離向脈沖壓縮； 52、 對距離向脈沖壓縮后的二維回波數據進行距離徙動校正； 53、 對距離徙動校正后的二維回波數據進行殘余徙動校正：對距離徙動校正后的回 波信號取模，并依次對取模后的信號第P行方位向數據進行殘余距離徙動校正，其中， 2彡p彡N，N為距離向采樣點數； 54、 輸出校正結果。
2. 根據權利要求1所述的合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法，其特征在于，所述的 步驟Sl包括以下子步驟： 511、 計算雷達平臺對成像區(qū)域中心點目標距離歷史，產生存在運動誤差的SAR點目標 仿真回波矩陣； 512、 對回波進行距離向傅里葉變換，然后通過距離向乘以匹配濾波器匹配函數 H1(L),實現距離向脈沖壓縮：
其中，K1^為距離向調頻斜率，f ,為距離向頻率，τ為距離向快時間，B為常數； 脈沖壓縮后點目標回波數據記為S(1( τ，t):
其中，c為電磁波傳播速度，t為方位向慢時間，waz(t)為方位向時域包絡，λ為波長， R(t)為實際情況中參考點目標的距離歷史。
3. 根據權利要求2所述的合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法，其特征在于，所述的 步驟S2包括以下子步驟： 521、 將距離向壓縮后的回波信號S(l( τ，t)分別進行方位向和距離向傅里葉變換，得到 SAR二維頻域信號SQ(f\，fn); 522、 構造距離徙動校正相位HKac(f τ，ft):
其中，f。為載波頻率，V為平臺運動速度，R C1為理想情況下多普勒中心穿越時刻瞬時斜 距，f\為距離向參考頻率，ft為方位向參考頻率； 523、 將步驟S22構造的距離徙動校正相位乘以SAR二維頻譜信號SJf τ，f n); 524、 將步驟S23得到的頻域回波信號進行二維傅里葉反變換，得到距離徙動校正后二 維時域信號S1(^t):
AR(t)為平臺運動誤差所造成的距離歷史偏移量。
4. 根據權利要求3所述的合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法，其特征在于，所述的 步驟S3中對距離徙動校正后的回波S1(^t)取模，得到信號S 2(^t): S2 ( τ，t) = I S1 ( τ，t) I (4) 從P = 2到Ν，依次對信號S2 ( τ，t)第ρ行方位向數據fp (t)進行殘余距離徙動校正， 具體包括以下子步驟： 531、 獲取相位差函數：對信號S2 ( τ，t)的第ρ-I和ρ行數據fp_i (t)、fp (t)分別進行傅 里葉變換，得到頻域信號Flrt (ω)和Fp (ω)，再將兩個頻域信號對應相除，再提取相位信息， 得到Flrt ( ω )和Fp ( ω )之間的相位差函數Φ ( ω ):
532、 進行正余弦均值濾波，包括以下子步驟： 5321、 把相位差函數Φ (ω)離散化為相位差序列Φ [i]，將Φ [i]映射到一個二維的向 量空間，映射關系為： a[i] = cos (Φ [i]) (6) b[i] = sin(? [i]) (7) 其中，a[i]為相位差的正弦序列，b[i]為相位差的余弦序列； 5322、 把序列a[i]、b[i]進行均值濾波，得到濾波后序列可/；]、可/；]:
其中，W是以i為中心的鄰域，M為該鄰域平均中的鄰域大??； 5323、 計算正余弦均值濾波后相位差函數Φ,[/]:
正余弦均值濾波后的相位差被限制在（-π/2, 3?/2]; 5324、 通過正余弦函數的正負關系判斷相位差序列值所處的象限，得到濾波后的相位 差序列否2[/]，具體判斷方法如下： 1) 如果可/] > 〇、/7[/] > ()，則(了)-」[，·] = (T)1 W; 2) 如果可/] > ()、/7[/] < ()，則(T):[/] = (T)1M; 3) 如果可/] < 0、/7[/] > 0 ,則 Φ2[/]=氣[/] + TT ; 4) 如果可/] < ()、/7[/] < 0 ,則 Φ2[/] = (T)丨[/]-兀； 5325、 對濾波后相位差序列Φ2〖/]進行解纏處理，得到真實相位差序列φ[/]; 533、 進行自適應擬合，具體包括以下子步驟： S331、對相位差序列Φ[/]求一階差分，得到差分序列 Φ W = ^W-(T)U-I] (π) 5332、 對差分序列Φ'[?]作鄰域平均，得到鄰域平均后的差分序列沖?:
5333、 從中心零頻開始，向左和向右分別對序列舛/]分別進行峰值搜索，若一旦峰值大 于預設的閾值S，則停止搜索，將大于閾值δ的點的位置作為擬合區(qū)間邊界，得到擬合區(qū) 間[c, d]; 5334、 對相位差序列Φ[/]在區(qū)間[c, d]上進行最小二乘擬合，得到相位差Φ[?]的斜率 kP; S34、進行位移校正，具體包括以下子步驟： 5341、 取步驟S24的距離徙動校正后的二維時域信號S1 ( τ，t)第p行方位向信號，記 為gp⑴； 5342、 對信號gp(t)做傅里葉變換得到第p行方位向信號的頻譜G(U); 5343、 對第p行方位向信號的頻譜G (ω)乘以exp (j ω kp)后再進行逆傅里葉變換，得 到位移校正后的第P行方位向時域數據免,(〇 : 艮,(0 =肝 I?) exp(.M'")] (13 )。
5.根據權利要求4所述的合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法，其特征在于，所述的 步驟S4的具體實現方法為：將信號S1 ( τ，t)的第1行方位向信號gl (t)與校正后第p行數 據逐行排列，組成校正后的信號撲，〇并進行輸出，得到校正結果。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種合成孔徑雷達殘余距離徙動校正方法，包括以下步驟：S1、獲取二維回波信號，利用常規(guī)匹配濾波方法進行距離向脈沖壓縮；S2、對距離向脈沖壓縮后的二維回波數據進行距離徙動校正；S3、對距離徙動校正后的二維回波數據進行殘余徙動校正：對距離徙動校正后的回波信號取模，并依次對取模后的信號第p行方位向數據進行殘余距離徙動校正，其中，2≤p≤Ν，N為距離向采樣點數；S4、輸出校正結果。本發(fā)明在計算過程中無需進行插值，能夠降低數據運算量，提高處理效率；并且在數據分塊的情況下，能夠精確估計和校正錯位圖像在空域中的位移量，使校正精度達到亞像素級，為后續(xù)高精度成像提供精確可靠的數據。
【IPC分類】G01S7-40
【公開號】CN104730500
【申請?zhí)枴緾N201510055883
【發(fā)明人】楊建宇, 蒲巍, 李文超, 黃鈺林, 武俊杰, 李中余, 楊海光
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年2月4日