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机载超高分辨率sar反投影图像的自聚焦运动补偿方法
【专利摘要】本发明公开了机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法，超高分辨率条件下，雷达平台运动传感器不能完全补偿航迹偏移等引入的相位误差，并进而影响图像聚焦质量。此时，利用反投影类算法重建图像中目标散焦会沿着不同的倾斜方向存在，并且目标距离徙动不能严格现在一个距离分辨单元内，传统的自聚焦处理失效。针对此问题，本发明提出修正成像栅格的子带宽自聚焦运动补偿处理；在修正后数据采集斜平面重建图像，完全去除了目标散焦方向的空变特性；然后，对反投影处理数据进行子带宽分解，相位梯度自聚焦及拼接得到重聚焦图像。与现有算法相比，本发明考虑到高阶运动相位误差，并实现了反投影类算法重建图像中相位误差的有效补偿。
【专利说明】机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及雷达【技术领域】，特别是机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动 补偿方法。

【背景技术】
[0002] 反投影（Backprojection,BP)算法是一种经典的合成孔径雷达（Synthetic ApertureRadar,SAR)时间域成像方法。BP处理中，SAR回波数据经过空变反投影和方位 向匹配滤波得到图像，运算量非常大。实际应用时，通常采取快速反投影方法代替BP来实 现SAR数据高效率的聚焦成像。本发明将BP以及各类快速反投影方法统称为反投影类算 法。反投影类算法精度较高，在任意已知航迹条件下均能实现SAR数据的良好聚焦，在大斜 视、非线性孔径、双（多）基地以及新体制SAR配置下得到了广泛地应用。
[0003] 然而，实际数据采集时，雷达平台航迹扰动往往不可避免。运动传感器数据精度 受限于硬件性能，通常不能完全补偿平台航迹偏移引入的运动相位误差，导致重建图像出 现散焦和几何失真现象。采用反投影类算法重建图像时，运动误差引入的目标散焦会沿着 不同的倾斜方向存在，残留距离徙动（RangeCellMigration,RCM)不能严格限制在一个 分辨单元内，自聚焦运动补偿较为困难。现有技术中，C.V.Jakowatz等分析了BP图像的 性质，修正成像网格，并得出小场景范围内可以直接应用相位梯度自聚焦（phasegradient autofocus，PGA)进行运动补偿的结论。快速分解反投影（fastbackprojection，FFBP)算 法的子孔径自聚焦处理在每个迭代阶段对子图像分别进行多普勒调频斜率估计以及相位 补偿。然而，现有的自聚焦方法没有考虑到高频运动相位误差；基于最大化图像清晰度准 则上提出的BP图像自聚焦处理，运算量大并且异常复杂；此外，基于几何空间的分解自聚 焦处理则需要依赖于高精度的运动测量系统。现有方法中，考虑采用类极坐标格式栅格进 行投影成像，仅能在一定条件下消除场景中心部分区域的目标散焦空变特性；此外，基于 FFBP的子孔径自聚焦没有考虑高阶相位误差，并且大斜视条件下应用困难。因此现有技术 中在机载超高分辨率条件下，反投影类重建图像的自聚焦运动补偿上仍存在缺陷。


【发明内容】

[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供机载超高分辨率SAR 反投影图像的自聚焦运动补偿方法，本发明采用空变非均匀间隔栅格重建图像，然后进行 子带宽分解后PGA处理，可以实现SAR图像中的相位误差函数的高精度补偿；此外利用二维 互相关运算提取峰值位置，计算相位补偿函数并拼接可以得到重聚焦图像。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 根据本发明提出的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法，包括 以下步骤：
[0007] 步骤一、修正成像栅格进行反投影处理，重建反投影图像，去除反投影图像中目标 散焦方向的空变特性；
[0008] 步骤二、将步骤一中的反投影处理后的数据经距离向带宽分解后采用相位梯度自 聚焦进行自聚焦运动补偿处理，得到粗分辨率子图像；
[0009] 步骤三、将步骤二中的粗分辨率子图像进行二维相关运算并提取峰值位置，计算 相位偏差并换算为相位补偿函数，粗分辨率子图像乘以各自的相位补偿函数后再拼接得到 全分辨率重聚焦图像。
[0010] 作为本发明的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法的进一步 优化的方案，所述步骤三之后还包括步骤四，具体如下：采用图像插值校正在步骤一中修正 成像栅格时在反投影图像中引入的空变几何失真。
[0011] 作为本发明的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法的进一步 优化的方案，所述步骤一中的去除反投影图像中目标散焦方向的空变特性是将投影平面设 置为数据采集斜平面，修正后的栅格坐标为:
[0012] 其中，Riq是成像位置（X1,Y1)对应的航路捷径距离，d。。是场景中心到孔径中心的 瞬时距离，Θ为斜视角度。
[0013] 作为本发明的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法的进一步 优化的方案，所述步骤三中二维相关运算的表达式为
[0014] i?(i； ,R10)= / ?；(χ,,Λ/0) ?Iu (-X1 ,-/?/〇);
[0015] 其中，?表示卷积运算，为ZftCbD沿方位向和距离向翻折后的数 据，//义V為》)是第〇幅粗分辨率子图像数据，，為《,)表示第i幅粗分辨率子图像数据，i为大于或等于〇的整数。
[0016] 作为本发明的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法的进一步 优化的方案，所述步骤三中相位补偿函数为
[0017] H(i,Kj=exp(jπKaRmax)；
[0018] 其中，Rniax为相关运算后数据R(XxdRiq)的峰值位置,Kci为方位向空间频率,j为 虚数。
[0019] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0020] (1)本发明首次引入沿斜距平面设置的空变非均匀间隔栅格，去除了SAR数据反 投影重建图像中目标散焦方向的空变特性；
[0021] (2)本发明首次引入反投影处理后数据的子带宽分解PGA处理，降低分辨率后利 用PGA运动补偿，然后拼接实现波束照射范围内全场景图像的有效运动补偿；
[0022] (3)本发明方法采用空变非均匀间隔栅格重建图像，然后进行子带宽分解后PGA 处理，可以实现SAR图像中的相位误差函数的高精度补偿。此外，利用二维互相关运算提取 峰值位置，计算相位补偿函数并拼接可以得到重聚焦图像。因此，本发明方法使聚焦点目标 聚焦得到了有效改善，场景聚焦范围也得到了显著扩展。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图Ia是聚束SAR数据采集空间几何关系图。
[0024] 图Ib是反投影成像模型图。
[0025] 图2a是BP重建图像时对应栅格。
[0026] 图2b是修正后成像栅格。
[0027] 图2c是BP重建图像。
[0028] 图2d是修正栅格后重建图像。
[0029] 图3a是无运动误差时超高分辨率SAR反投影重建图像。
[0030] 图3b是运动误差存在时重建图像。
[0031] 图4是本发明中修正栅格子带宽自聚焦流程图。
[0032] 图5a是运动误差存在时BP重建图像的正侧视仿真结果图。
[0033] 图5b是运动误差存在时修正成像栅格重建图像的正侧视仿真结果图。
[0034] 图5c是BP图像直接进行PGA处理的正侧视仿真结果图。
[0035] 图5d是修正投影栅格重建图像直接PGA处理的正侧视仿真结果图。
[0036] 图5e是BP图像子带宽PGA处理的正侧视仿真结果图。
[0037] 图5f是修正栅格重建图像子带宽PGA处理的正侧视仿真结果图。
[0038] 图6a是运动误差存在时BP重建图像的斜视仿真结果图。
[0039] 图6b是运动误差存在时修正成像栅格重建图像的斜视仿真结果图。
[0040] 图6c是BP图像直接进行PGA处理的斜视仿真结果图。
[0041] 图6d是修正投影栅格重建图像直接PGA处理的斜视仿真结果图。
[0042] 图6e是BP图像子带宽PGA处理的斜视仿真结果图。
[0043] 图6f是修正栅格重建图像子带宽PGA处理的斜视仿真结果图。

【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0045] 图Ia是聚束SAR数据采集空间几何关系图，其中，场景中心为坐标系原点，雷达 平台沿着X轴以速度Vt和恒定高度h飞行，反投影栅格沿着地平面设置，Rp(t)表示坐标为 (Xp，yp)的点目标到雷达航迹的瞬时距离，Xp和yp分别为该目标沿X轴和Y轴的坐标（鉴 于雷达平台沿着X轴飞行，Xp也可以称为方位向坐标）。图Ib是反投影成像模型图。
[0046] 雷达发射调频斜率为k，载频是f。的线性调频信号，基于波动方程和Born近似可 以得到SAR回波为：
[0047] sr(τ,t) ^F[T] (τ,t)
[0048] = /exp[-j4πRp(t)/λ] ·exp{-j2πfr[τ-2Rp(t)/c0]} *ATE(t,fr) ·T(xp,yp) dfrdxpdyp
[0049] (I)
[0050] 其中，Ctl为光速，λ是载波波长，τ表示距离向时间，t是以t。为中心的方位向时 间，t。为方位向的中间时间，/ ·df；dxpdyp表示对距离向频率f；和目标坐标Xp和yp的多重 积分，T(Xp，yp)是坐标为（Xp，yp)的点目标的雷达反射系数，Atk为复数幅度函数，包含发射 机和接收机的天线方向图、发射信号波形、几何延展因子等参数，sjτ，t)为SAR回波。对 各向同性的发射机和接收机，Atk可以表示为

【权利要求】
1. 机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤一、修正成像栅格进行反投影处理，重建反投影图像，去除反投影图像中目标散焦 方向的空变特性； 步骤二、将步骤一中的反投影处理后的数据经距离向带宽分解后采用相位梯度自聚焦 进行自聚焦运动补偿处理，得到粗分辨率子图像； 步骤三、将步骤二中的粗分辨率子图像进行二维相关运算并提取峰值位置，计算相位 偏差并换算为相位补偿函数，粗分辨率子图像乘以各自的相位补偿函数后再拼接得到全分 辨率重聚焦图像。
2. 根据权利要求1所述的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法，其 特征在于，所述步骤三之后还包括步骤四，具体如下：采用图像插值校正在步骤一中修正成 像栅格时在反投影图像中引入的空变几何失真。
3. 根据权利要求1所述的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法，其 特征在于，所述步骤一中的去除反投影图像中目标散焦方向的空变特性是将投影平面设置 为数据采集斜平面，修正后的栅格坐标为卜々4,-.―巧2)； 其中，Rltl是成像位置（X1^1)对应的航路捷径距离，d。。是场景中心到孔径中心的瞬时 距离，θ为斜视角度。
4. 根据权利要求3所述的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法，其 特征在于，所述步骤三中二维相关运算的表达式为 R(if X1 ,Rin) = Ifj(χ,,Λ/0) ?Ih(-X1,-Λ?())； 其中，?表示卷积运算，焉o)为沿方位向和距离向翻折后的数据， J是第0幅粗分辨率子图像数据，表示第i幅粗分辨率子图像数据，i为 大于或等于〇的整数。
5. 根据权利要求3所述的机载超高分辨率SAR反投影图像的自聚焦运动补偿方法，其 特征在于，所述步骤三中相位补偿函数为 H(i，Ka) =exp(jπKaRmax); 其中，Rmax为相关运算后数据R(i，Xl，Rici)的峰值位置，Ka为方位向空间频率，j为虚 数。
【文档编号】G01S13/90GK104316924SQ201410547103
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】王昕 , 朱剑, 蒋锐 申请人:南京邮电大学