一種改進(jìn)的高分辨率sar成像自聚焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種改進(jìn)的高分辨率SAR成像自聚焦方 法，適用于機(jī)載SAR成像的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償。
【背景技術(shù)】
[0002] 自聚焦方法是從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，估計(jì)出對(duì)成像結(jié)果有影響的非空變相位誤差數(shù) 據(jù)，并對(duì)該非空變相位誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得良好成像結(jié)果。
[0003] 現(xiàn)有的自聚焦方法大體上可以分為三類，具體是：基于圖像偏移的方法，相位梯度 自聚焦（Phase Gradient Autofocus，PGA)的方法和基于代價(jià)函數(shù)的方法?；趫D像偏移 的方法雖易于實(shí)現(xiàn)，但在高分辨率SAR成像中估計(jì)形式復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，得到的運(yùn)動(dòng)誤 差估計(jì)精度達(dá)不到要求；相位梯度自聚焦方法是SAR成像中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程最常采用的一 種自聚焦方法，該方法對(duì)于含有孤立散射點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以精確估計(jì)出其任意形式的運(yùn)動(dòng)誤 差，但對(duì)于信噪比較低、場(chǎng)景中無(wú)明顯強(qiáng)散射點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如在沙漠、海面情況下得到的數(shù)據(jù)， 該方法的運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)性能也較差；基于代價(jià)函數(shù)的方法計(jì)算量一般比較大，并且該方法 很容易受到代價(jià)函數(shù)本身特性的影響，使用該方法也得不到很好的聚焦效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有方法存在的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種改進(jìn)的高分辨率SAR成像 自聚焦方法，該方法在正側(cè)視模式下對(duì)SAR成像的包絡(luò)誤差和相位誤差均進(jìn)行校正，能夠 得到聚焦良好的高分辨率SAR成像，并且對(duì)相位誤差的類型和復(fù)雜度沒(méi)有限制。
[0005] 為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0006] -種改進(jìn)的高分辨SAR成像自聚焦方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，對(duì)SAR雷達(dá)天線接收到的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行距離脈沖壓縮后，得到距離脈 壓雷達(dá)回波信號(hào)4心,,,）；其中，丨表示方位快時(shí)間，t m表示方位慢時(shí)間。
[0008] 步驟2,對(duì)距離脈壓雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并做距離向快速傅立葉變 換（FFT)，依次得到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償雷達(dá)回波信號(hào)s(f；，t m)和該運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償雷達(dá)回波信號(hào)的簡(jiǎn)化形 式巧./；々）；其中，f表示方位快時(shí)間，k表示方位慢時(shí)間，表示脈沖重復(fù)頻率。
[0009] 步驟3，將運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償雷達(dá)回波信號(hào)的簡(jiǎn)化形式乘以方位Dechirp函數(shù) 札(仁，〇，得到去除方位調(diào)頻率的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償雷達(dá)回波信號(hào)；其中，1表示方位慢時(shí)間，匕表 示脈沖重復(fù)頻率。
[0010] 步驟4,對(duì)去除方位調(diào)頻率的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償雷達(dá)回波信號(hào)沿距離向和方位向分別進(jìn) 行二維插值后，得到二維插值雷達(dá)回波信號(hào)Sjk x;ky)，然后對(duì)該二維插值雷達(dá)回波信號(hào) Sr(kx;k y)沿距離向作逆快速傅里葉變換（IFFT)，得到相位歷史域數(shù)據(jù)；其中，匕表示方位 向插值函數(shù)，ky表示距離向插值函數(shù)。
[0011] 步驟5,對(duì)相位歷史域數(shù)據(jù)沿距離向進(jìn)行（J-j)倍降采樣操作，然后采用圖像偏移 的SAR自聚焦算法估計(jì)（J-j)倍降采樣操作后的相位歷史域數(shù)據(jù)的第（j+1)相位誤差，根 據(jù)該第（j+1)相位誤差得到（J_j)倍降采樣操作后的相位歷史域數(shù)據(jù)的第（j+1)包絡(luò)誤 差，并根據(jù)該第（j+1)包絡(luò)誤差對(duì)相位歷史域數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)補(bǔ)償后，得到完成包絡(luò)誤差補(bǔ) 償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)；其中，J表示人為設(shè)定的降采樣倍數(shù)，j e {〇, 1，2,…，J-l，J}，J為正 整數(shù)。
[0012] 步驟6,利用共軛梯度算法求解完成包絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)的相位誤差 估計(jì)值，并用該相位誤差估計(jì)值的相反數(shù)對(duì)完成包絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)進(jìn)行相位 補(bǔ)償，得到完成包絡(luò)誤差補(bǔ)償和相位誤差補(bǔ)償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)。
[0013] 步驟7,對(duì)完成包絡(luò)誤差和相位誤差補(bǔ)償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向逆快速傅 里葉變換（IFFT)后，得到聚焦良好的高分辨率SAR圖像。
[0014] 本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明方法對(duì)SAR成像中運(yùn)動(dòng)誤差的估計(jì)具有很高的穩(wěn)健 性和精確性，對(duì)SAR成像中運(yùn)動(dòng)誤差的類型和復(fù)雜度也沒(méi)有限制，是一種高精度的自聚焦 算法；并且，在沒(méi)有明顯孤立散射點(diǎn)、低信噪比、低對(duì)比度場(chǎng)景的SAR成像中，使用本發(fā)明方 法能夠獲得很好的聚焦效果。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 圖1是本發(fā)明的一種改進(jìn)的高分辨SAR成像自聚焦方法流程示意圖；
[0017] 圖2是SAR平臺(tái)在正側(cè)視聚束模式中的幾何模型示意圖；
[0018] 其中，以場(chǎng)景中心點(diǎn)0為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系，場(chǎng)景中任意點(diǎn)目標(biāo) P(x，y)的航跡方向?yàn)檠豖軸正方向，場(chǎng)景中心點(diǎn)0到合成孔徑雷達(dá)（SAR)中心的方向?yàn)閅 軸正方向，P(x，y)為場(chǎng)景中任意點(diǎn)目標(biāo)，合成孔徑雷達(dá)（SAR)平臺(tái)的理想航跡是以速度v沿 X軸正方向、并距場(chǎng)景中心點(diǎn)0高度為H處的一條直線，場(chǎng)景中任意點(diǎn)目標(biāo)P(x，y)在方位慢 時(shí)間t m時(shí)刻的理想位置為N，N的坐標(biāo)為（vtm，Rb)，場(chǎng)景中任意點(diǎn)目標(biāo)P(x，y)在方位慢時(shí)間 t m時(shí)刻的實(shí)際位置為A，A的坐標(biāo)為（vt m+ A X，Rb+ A y)，Rb表示場(chǎng)景中任意點(diǎn)目標(biāo)P (X，y)到 場(chǎng)景中心線的最短斜距；其中，AR(tJ表示合成孔徑雷達(dá)（SAR)平臺(tái)的非理想軌跡引入的 運(yùn)動(dòng)誤差，A x (tm)表示點(diǎn)目標(biāo)P (X，y)在x軸的運(yùn)動(dòng)誤差，A y (tm)表示點(diǎn)目標(biāo)P (X，y)在y 軸的運(yùn)動(dòng)誤差；
[0019] 圖3(a)是使用本發(fā)明方法得到的距離脈壓雷達(dá)回波信號(hào)包絡(luò)示意圖，
[0020] 圖3(b)是使用本發(fā)明方法得到的二維插值雷達(dá)回波信號(hào)包絡(luò)示意圖，
[0021] 圖3(c)是使用本發(fā)明得到完成包絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)的信號(hào)包絡(luò)示意 圖；
[0022] 圖4(a)是使用本發(fā)明得到完成包絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)中，沿方位向加 入相位誤差后利用共軛梯度算法估計(jì)相位誤差的結(jié)果示意圖，
[0023] 圖4(b)是采用傳統(tǒng)相位梯度自聚焦（PGA)方法估計(jì)相位誤差的結(jié)果示意圖，
[0024] 圖4(c)是采用傳統(tǒng)相位梯度自聚焦（PGA)算法進(jìn)行相位補(bǔ)償后的點(diǎn)目標(biāo)方位向 脈沖響應(yīng)函數(shù)剖面圖；
[0025] 圖5(a)是得到完成包絡(luò)誤差補(bǔ)償?shù)南辔粴v史域數(shù)據(jù)中，沿方位向加入相位誤差 后采用本發(fā)明方法的圖像偏移的SAR成像自聚焦算法估計(jì)相位誤差的結(jié)果示意圖，
[0026] 圖5(b)為采用本發(fā)明方法的圖像偏移的SAR自聚焦算法進(jìn)行相位補(bǔ)償后的點(diǎn)目 標(biāo)方位向脈沖響應(yīng)函數(shù)剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 參照?qǐng)D1，為本發(fā)明的一種改進(jìn)的高分辨率SAR成像自聚焦方法流程示意圖，該種 改進(jìn)的高分辨SAR成像自聚焦方法，包括以下步驟：
[0028] 步驟1，對(duì)SAR雷達(dá)天線接收到的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行距離脈沖壓縮后，得到距離脈 壓雷達(dá)回波信號(hào)4心《);其中，丨表示方位快時(shí)間，t m表示方位慢時(shí)間。
[0029] 步驟1的具體過(guò)程為：
[0030] 參照?qǐng)D2,為SAR雷達(dá)在正側(cè)視聚束模式中的幾何模型，選取場(chǎng)景中心點(diǎn)0為坐標(biāo) 原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系，SAR雷達(dá)航跡方向?yàn)檠豖軸正方向，場(chǎng)景中心到合成孔徑雷達(dá) (SAR)中心的方向?yàn)閅軸正方向，P為場(chǎng)景中任意一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，其坐標(biāo)為（x，y)，SAR雷達(dá)理 想航跡是以速度v沿X軸正方向、且距場(chǎng)景中心點(diǎn)0高度為H的一條直線，SAR雷達(dá)在方位 慢時(shí)間t m時(shí)刻的理想位置為N，N的坐標(biāo)為（vt m，Rb)，SAR雷達(dá)在方位慢時(shí)間乜時(shí)刻的實(shí) 際位置為A，A的坐標(biāo)為（vt m+ A x，Rb+ A y)，Rb表示SAR雷達(dá)到場(chǎng)景中心點(diǎn)0的最短斜距， AR(tJ表示SAR雷達(dá)非理想軌跡的運(yùn)動(dòng)誤差，Ax(tJ表示點(diǎn)目標(biāo)P在x軸的運(yùn)動(dòng)誤差， A y (tm)表示點(diǎn)目標(biāo)P在y軸的運(yùn)動(dòng)誤差。
[0031] 在方位慢時(shí)間tm時(shí)刻，SAR雷達(dá)到點(diǎn)目標(biāo)P的理想瞬時(shí)斜距為RP(tJ，SAR雷達(dá)到 場(chǎng)景中心點(diǎn)〇的理想瞬時(shí)斜距為％(〇,其表達(dá)式分別如下所示：
[0034] SAR雷達(dá)到點(diǎn)目標(biāo)P的實(shí)際瞬時(shí)斜距為R(tJ，且該實(shí)際瞬時(shí)斜距R(tm)表達(dá)式為：
[0036]因此，SAR雷達(dá)天線接收到的雷達(dá)回波信號(hào)^可以表示為：
[0038]其中，丨表示方位快時(shí)間，tm表示方位慢時(shí)間，c表示光速，Tp表示雷達(dá)回波 信號(hào)的脈沖寬度，y表示雷達(dá)回波信號(hào)的調(diào)頻率，f。表示雷達(dá)回波信號(hào)的載波頻率，
.范圍內(nèi)幅度為1的矩形窗函數(shù)。
[0039] 接著，對(duì)SAR雷達(dá)天線接收到的雷達(dá)回波信號(hào)作距離向快速傅里葉變換 (FFT)，將該SAR雷達(dá)