一種補償背景電離層對geosar成像影響的參數化自聚焦方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種補償背景電離層對GEOSAR成像影響的方法，特別是一種補償背 景電離層對GEOSAR成像影響的參數化自聚焦方法，屬于地球同步軌道SAR系統(tǒng)研制領域。
【背景技術】
[0002] 地球同步軌道SAR具有覆蓋范圍廣、重訪速度快等突出優(yōu)點，在地震減災、環(huán)境監(jiān) 測等許多領域具有重大的應用前景。但是由于衛(wèi)星軌道高、運行速度慢，因此其合成孔徑時 間達到數百秒乃至千秒的量級（而與之相對比，低軌SAR合成孔徑時間為秒級），在如此長 的合成孔徑時間內，存在許多非理想因素會導致目標回波間的去相干，從而降低GEOSAR的 成像質量，而背景電離層的時空變化是影響GEO SAR成像質量最為重要的因素之一。
[0003] 目前國內外許多研究單位，如英國Cranfield大學、國防科技大學、中國空間技術 研究院、北京理工大學等開展了針對電離層補償的相關研究。從目前所提出的電離層補償 方法來看，大致可分為兩類：1、利用SAR回波數據估計絕對電離層TEC值的補償方法；2、補 償電離層相對變化的方位自聚焦方法；其中第一類方法主要利用電離層色散所引起的回波 時延和散焦現象估計電離層TEC數據，然后分別對每個方位向接收脈沖進行相位補償，主 要包括距離向自適應匹配濾波方法、距離向多視方法等。對于自適應匹配濾波方法，主要利 用電離層導致的距離散焦情況，進行調頻率搜索，實現距離聚焦。該方法主要對距離向數據 進行處理，對于P波段距離散焦比較嚴重情況具有良好的有效性，但是對于L以上波段距 離向幾乎沒有散焦（例如以L波段為例，在60M帶寬情況下，ITECU引起的最大相位差不到 〇. 01弧度），因此難以準確估計TEC值，從而實現對方位向回波的精確相位補償。距離多視 方法通過將SAR回波信號距離向頻譜進行分割，然后分別進行成像，通過對兩幅子視圖像 進行配準以估計時延，進一步獲得TEC值的估計，該方法本質上屬于雙頻測量TEC法，其精 度取決于兩個頻率之間的相對頻率差異，相對頻率差異越大，則精度越高。對于SAR回波信 號而言，由于相對帶寬有限，因此估計精度很低，對于低信噪比情況，影響更為嚴重。同時以 上方法均沒有考慮電離層空變性的影響，而由于GEOSAR波束覆蓋范圍很廣（俯仰及方位均 可達到數百公里量級），電離層空變性的影響也不能忽略，因此第一類電離層補償方法難以 適用。通過在地面布置SAR信號接收機，然后對SAR回波進行子帶分割，最后利用相位干涉 的方法可以獲得高精度的TEC估計，但是該方法需要在地面布置大量的接收機，因此需要 較高的成本。實際上對于工作在L波段以上的GEOSAR成像而言，電離層TEC的絕對值大小 對成像影響不大，其相對變化是影響GEO SAR成像的主要因素 。Sthphen E. Hobbs等學者指 出利用方位自聚焦方法補償電離層變化對GEOSAR成像的影響是可行的。用于補償電離層 相對變化的方位自聚焦方法既可以補償電離層時變性的影響，又可以通過分塊補償的方式 克服電離層空變性的影響。
[0004] 目前用于補償電離層相對變化的方位自聚焦方法主要包括：相位梯度自聚焦方法 (PGA方法）、最大對比度方法、最小墑方法等。對于PGA方法計算效率高，在機載SAR運動補 償中具有良好的應用效果，但是PGA方法需要在SAR圖像中找到能量很強的孤立散射點，這 在一定程度上制約了 PGA方法的應用。最大對比度方法和最小墑方法在ISAR成像中應用 較為廣泛，通過對相位的迭代搜索實現ISAR聚焦，以上方法具有良好的自適應性。但是對 于GEO SAR而言，合成孔徑時間內發(fā)射及接收脈沖數目高達上萬甚至幾十萬個，在如此大的 空間內搜索電離層的相對變化幾乎是不可實現的，因此不能直接應用于GEOSAR成像處理。
[0005] 總之，針對電離層的補償問題是GEO SAR實現的最為關鍵技術之一，至今國內外尚 未提出公認的有效補償方法，因此該問題仍是GEO SAR研究的熱點和難點問題。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提出了一種補償背景電離層對 GEOSAR成像影響的參數化自聚焦方法，利用背景電離層在GEOSAR合成孔徑時間內的變化 趨勢可近似為多項式的特點，通過圖像的最小熵準則估計電離層相對變化參數，在BP成像 算法基礎上，通過迭代的方式實現由電離層高階變化所導致的回波包絡走動校正及相位誤 差補償，從而有效提高GEOSAR成像質量。
[0007] 本發(fā)明的技術解決方案是：一種補償背景電離層對GEOSAR成像影響的參數化自 聚焦方法，步驟如下：
[0008] (1)利用匹配濾波對GEOSAR原始回波數據進行距離向脈沖壓縮；
[0009] (2)按照BP算法處理流程，在GEOSAR成像區(qū)域內選擇一塊矩形區(qū)域，并對選取的 矩形區(qū)域進行網格劃分，每個網格點為一個地面散射點，令選擇的矩形區(qū)域內包含MXN個 地面散射點；
[0010] (3)根據步驟（2)中選擇的矩形成像區(qū)域和GEOSAR衛(wèi)星的星歷參數，對步驟（1) 中距離向脈沖壓縮后的GEOSAR數據進行包絡對齊與相位補償，包絡對齊與相位補償后地 面散射點（P，q)的方位回波\機">為：
[0012]其中 p = 1，2，···，Μ，q = 1，2，···，Ν，f。為GEOSAR原始回波載波頻率，c 為光 速，σ pq為目標后向散射系數，G pq為距離壓縮增益，等于發(fā)射脈沖的時間寬度與頻譜寬度的 乘積，TEC為電磁波傳播路徑上電子密度的積分，為方位慢時間，且m= 1，2, ···，!(，K為 雷達工作過程中發(fā)射接收到的脈沖個數，￡為距離快時間，Rpq表示地面散射點（P，q)距離 GEOSAR天線相位中心的最近斜距，電離層隨方位慢時間tm相對高階變化函數、具 體由公式：
[0014] 給出，其中B1, a2, . . .，an i為電離層隨方位慢時間t"相對高階變化函數的系數；k 為算法迭代次數；
[0015] (4)利用圖像最小熵準則計算電離層隨方位慢時間相對高階變化函數的系數
，則利用步驟（4) 中計算得到電離層隨方位慢時間t"相對高階變化函數的系數計算電離層TEC相對變化值
用于補償由電離層引起的包絡走動，并令k = k+Ι，返 回步驟（4)，否則進入步驟（6);所述ξ為預設的常數；
[0017] (6)利用迭代得到的
丨實現對所有成像區(qū)域回波的包絡和相位補償，進 而實現該區(qū)域內的GEOSAR成像。
[0018] 所述步驟⑷中利用圖像最小熵準則計算電離層隨方位慢時間相對高階變化 函數的系數
具體由公式：
[0020] 給出，其中Spq為GEOSAR圖像中地面散射點（p, q)的像素 ，argminf (X)表示函數 f (X)取最小值時所對應的自變量X。
[0021] 所述GEOSAR圖像中地面散射點（p, q)的像素 Spq具體由公式：
[0023] 給出。
[0024] 所述步驟（5)中利用步驟（4)中計算得到電離層隨方位慢時間相對高階變化 函數的系數計算電離層TEC相對變化值
，用于補償由 電離層引起的包絡走動，補償后的方位回波Spq(〇由公式：
[0027] 本發(fā)明與現有技術相比有益效果為：
[0028] (1)本發(fā)明以背景電離層參數化模型為基礎，構建了基于最優(yōu)準則的電離層隨時 間變化的參數估計模型，該模型實現簡單，只需要估計少量未知參數（一般只需要估計4-6 個未知參數）即可實現對背景電離層高階變化的準確估計；
[0029] (2)本發(fā)明在BP成像算法