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专利名称：一种适用于超高分辨率sar成像的自聚焦方法
技术领域：
本发明涉及一种合成孔径雷达(synthetic aperture radar,简称SAR)成像信号处理方法，特别是涉及一种合成孔径雷达自聚焦算法。
背景技术：
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是通过信号处理技术对地面景物进行成像的一种新体制雷达。SAR对目标的成像通过距离和方位两维高分辨实现，其中距离向高分辨率通过对宽带信号进行脉冲压缩处理得到，而方位高分辨率则通过对合成孔径数据进行相干处理实现，这种相干处理依赖于精确获知雷达和目标之间的瞬时相对位置信息。实际应用中，受雷达位置扰动和电磁波传播介质不均匀等因素影响，这种相干性往往很难直接得到保证。目前采取的主要措施是增加辅助的运动测量单元(典型地如惯性 测量单元和全球定位系统)来测量获取雷达位置信息，而忽略传播介质不均匀的影响。然而，随着成像分辨率的提高，运动测量单位提供的位置信息精度可能仍然无法满足相干性要求，而且，传播介质不均匀导致的雷达回波延迟误差效应也变得不可忽略，将逐渐成为未来超高分辨率SAR系统精确聚焦成像的重要限制因素。因此有必要研究从雷达回波数据中提取并补偿误差的办法，即自聚焦方法。回波的延迟误差对SAR成像有两个方面的影响一是会产生额外的距离徙动，在SAR成像过程中无法得到补偿，二是会在方位向引入一个相位误差，导致图像方位散焦。当延迟误差较�。�产生的额外距离徙动小于一个距离分辨单元时，这种残留距离徙动效应完全可以忽略不计，此时自聚焦只需估计和补偿方位一维的相位误差，这也是目前几乎所有的自聚焦算法(典型算法如子孔径算法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图像准则的算法等)假设的前提，如文献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·)、文献 2 (G. Ν· Yoji. Phase Difference Auto Focusing forSyntheticAperture Radar Imaging. United States Patent No. 4999635,1991. ) Λ 文献 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.)和文献 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.)中所公开的技术。然而，随着误差的增加，尤其是成像分辨率特别高时，残留距离徙动跨距离单元将变得不可避免，因此，在此条件下有效的自聚焦算法必须要考虑残留距离徙动和方位相位误差的同时补偿。文献5 (D. W. Warner,D. C. Ghiglia,A. FitzGerrel, J. Beaver. Two-dimensional Phase Gradient Autofocus. Proceedings ofSPIE，Vol.4123，2000，pp. 162-173.)中公开了将传统的一维相位梯度自聚焦算法(PGA)扩展到两维，提出了两维相位梯度自聚焦算法(2-D PGA)来试图解决这一问题，但正如文章作者在结论中所说，该方法要像一维PGA—样达到实用，仍然存在不少的问题需要解决。目前，现有技术中还没有成熟的技术能够解决残留距离徙动和方位相位误差的同时校正问题。

发明内容
本发明的目的在于解决超高分辨率SAR成像中残留距离徙动和方位相位误差的同时校正问题。为了实现上述目的，本发明提供一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步骤(I)对两维回波数据进行极坐标格式转换；
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(2)降低距离向分辨率；(3)距离向粗分辨成像；(4)估计方位相位误差；(5)计算残留距离徙动；(6)残留误差补偿；(7)两维傅立叶变换成像。其中，步骤(I)是通过距离和方位两个一维插值，实现数据格式从极坐标到矩形坐标的转换。步骤(2)是将步骤(I)处理后的数据在距离向进行频谱截�。�降低距离向分辨率，频谱截取降低距离向分辨率的目的是为了防止步骤(I)处理后残留的目标跨距离分辨单元走动影响后续的方位相位误差估计，因此频谱截取的比例取决于残留距离徙动跨分辨单元的个数，譬如残留距离徙动跨越N个分辨单元，则截取比例应大于1/N，以保证分辨率降低后，残留距离徙动可以忽略不计。步骤(3)是将步骤(2)处理后的数据做两维快速傅立叶(Fourier)变换(FFT)，实现成像。步骤(4)是对步骤(3)处理得到的图像利用常规自聚焦算法(如相位梯度自聚焦算法)进行处理，估计得到方位相位误差。步骤(5)是根据残留距离徙动和方位相位误差之间的解析关系，利用步骤(4)估计得到的方位相位误差直接计算得到残留距离徙动的估计值。步骤(6)是利用估计得到的残留距离徙动和方位相位误差，对步骤(I)处理后的数据进行残留误差补偿。步骤(7)是对步骤(6)处理得到的补偿后数据作两维FFT，实现精确聚焦成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是(I)与常规自聚焦算法只补偿方位相位误差不同，本发明实现残留距离徙动和方位相位误差的同时补偿，补偿精度更高。(2)与子孔径(或脉冲)相关估计残留距离徙动方法相比，本发明直接计算残留距离徙动，计算效率更高，同时残留距离徙动的估计值来源于方位相位误差估计，因此估计精度也更高。


图I是聚束SAR数据采集几何模型图。图2是本发明信号处理流程图。图3是数据经过PFA处理后的距离压缩图像(局部)。图4是采用本发明方法补偿后的距离压缩图像(局部)。图5是实测数据经极坐标格式算法(PFA)处理后图像。图6是PFA图像经过常规自聚焦(采用相位梯度自聚焦算法)处理后的结果。图7是采用本发明方法处理得到的最终成像结果。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细的说明。聚束SAR成像几何模型如图I所示，不失一般性，假设雷达工作在斜视模式，斜视角为Qtl，正侧视对应θ^ = 0。雷达平台以速度V水平匀速直线飞行，天线相位中心(APC)瞬时位置坐标为(X(!+vt, y0, Zci),其中t代表方位时间,在孔径中心时刻t = O, θ 0+ Θ和供分别为天线相位中心的瞬时方位角和俯仰角，在孔径中心时刻分别等于Qtl和炉。。又假设场景中有一点目标，其位置为(xp，yp)。天线相位中心到该目标和场景中心的瞬时距离分别记为Rt和Ra。雷达回波经过解调、距离向匹配滤波和方位运动补偿后，可以表示为5(/,/r) = exp|j^(/0 + /r)i A|(I)其中c为电波传播速度，&为发射信号载频，f\为距离向频率，其有效范围为
I"]，B为发射信号带宽，对应距离向分辨率a =丄，R, = Ra-Rt为APC到场景中心和_ ^ Z」2B
目标的差分距离。本发明提供的方法针对式(I)所示回波数据进行处理，最终目标是得到点目标的精确聚焦图像，其处理流程如图2所示，具体实现步骤包括(I)极坐标格式转换的距离向插值极坐标格式算法(PFA)距离向插值在数学上等效于对距离频率作一个如下尺度变换fT= Sfr+Z0(S-I)(2)其中又为变换后的距离频率J = COS炉。/(cospcosS)为尺度因子。因此,通过距离向
插值后，信号可表示为
■Sr (t,fT) = S(t,Sfr +/0{δ-\)) = exp· j—r(t) .(3)，为方位时间t的函数，可对其关于t做如下泰勒展开r(t) =Yi p+x' pt+ ε (t)(4)其中太p+x/ pt是常数项和一次项，反映目标在最后图像中的位置，受视角转换、波前弯曲和其它误差影响，X' p，太p并不一定等于Xp，yp，但这并不影响图像聚焦，对其的校正可以通过图像域的重采样实现，本发明不作讨论；ε (t)为二次及二次以上高阶项，是导致图像散焦的关键因素。(2)极坐标格式转换的方位向插值方位插值实质上是对距离插值后的数据在方位时间做非线性变换/ =其中
权利要求
1.一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步骤 (1)对两维回波数据进行极坐标格式转换； (2)降低距离向分辨率； (3)距离向粗分辨成像； (4)估计方位相位误差； (5)计算残留距离徙动； (6)残留误差补偿； (7)两维傅立叶变换成像。
2.根据权利要求I所述的自聚焦方法，其中步骤(I)是通过距离和方位两个一维插值，实现数据格式从极坐标到矩形坐标的转换。
3.根据权利要求I所述的自聚焦方法，其中步骤(2)是将步骤(I)处理后的数据在距离向进行频谱截�。�降低距离向分辨率。
4.根据权利要求I所述的自聚焦方法，其中步骤⑶是将步骤⑵处理后的数据做两维快速傅立叶变换，实现成像。
5.根据权利要求I所述的自聚焦方法，其中步骤(4)是对步骤(3)处理得到的图像利用常规自聚焦算法进行处理，估计得到方位相位误差。
6.根据权利要求I所述的自聚焦方法，其中步骤(5)是根据残留距离徙动和方位相位误差之间的解析关系，利用步骤(4)估计得到的方位相位误差直接计算得到残留距离徙动的估计值。
7.根据权利要求I所述的自聚焦方法，其中步骤(6)是利用估计得到的残留距离徙动和方位相位误差，对步骤(I)处理后的数据进行残留误差补偿。
8.根据权利要求I所述的自聚焦方法，其中步骤(7)是对步骤(6)处理得到的补偿后数据作两维傅立叶变换，实现精确聚焦成像。
全文摘要
本发明涉及一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步骤(1)对两维回波数据进行极坐标格式转换；(2)降低距离向分辨率；(3)距离向粗分辨成像；(4)估计方位相位误差；(5)计算残留距离徙动；(6)残留误差补偿；(7)两维傅立叶变换成像。
文档编号G01S13/90GK102788972SQ20111012849
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者丁岚, 朱岱寅, 毛新华 申请人:南京航空航天大学