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专利名称：适用于复杂雷达航迹条件的pfa波前弯曲误差补偿方法
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，特别是涉及一种极坐标格式算法(polar format algorithm，简称PFA)的波前弯曲误差补偿方法。
背景技术：
聚束SAR是一种适用于小场景、高分辨率成像的SAR工作模式。它通过控制天线波束指向，使雷达发射能量持续照射同一场景，可以突破天线波束宽度限制，获得很大的合成孔径，从而获得很高的方位分辨率。极坐标格式算法(PFA)是一种经典的聚束 SAR 成像算法，如文献 1 J. L. Walker, Range-Doppler imaging of rotating objects， IEEETransactions on Aerospace and Electronic systems, vol. 16，no.1，pp. 23—52， January 1980.禾口文献 2 :D. A. Ausherman，A. Kozma, J. L Walker, H. M. Jones，and E.C. Poggio, Development in radar imaging，IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 20，no. 4，pp. 363-400，July 1984.禾口文献 3 :l G. Carrara， R. S.Goodman，and R.M. Majewski, Spotlight Synthetic Aperture Radar :Signal Processing algorithms. Norwood, MA Artech House，1995，Chapter 3 中公幵的技术。PFA存在的主要缺陷在于其采用了平面波前假设，而实际的波前是弯曲的，理想航迹下由此引入的误差主要表现为空间频域的一次和二次空变相位误差，对应使图像产生几何失真和散焦，限制了 PFA的有效成像场景大小。特别是近场、高分辨率条件下，如果不对其进行补偿，有效的成像场景大小已不能满足要求。目前，对PFA波前弯曲的补偿方法主要有三种，一种是基于子孔径处理的方法，如文献4 =Doerry A. W. SyntheticAperture Radar Processing with Polar Formatted Subaperture, conference record of the 28thAsilomar conference on signals, system & computers, Pacific Grove, California, pp. 1210-1215，1994中公开的技术；第二种波前弯曲补偿方法是 C. V. Jakowatz等人提出的空变后处理方法，如文献5 :Doren N Ε, Jakowatz C V, Wahl D Ε, et al. General formulationfor wavefront curvature correction in polar-formatted spotlight-mode SAR images usingspace-variant post-filtering[A]. In :Proceeding of International Conference on ImageProcessing[C]. Washington DC :IEEE Computer Society，pp. 861—864，1997 禾口文献 6 :DoerryA W. Wavefront Curvature Limitations and Compensation to Polar Format Processing forSynthetic Aperture Radar Images. New Mexico =Sandia Naional Laboratories, 2007 中公开的技术；第三种方法是 W. G. Carrara 等人在2004年提出的宽场景极坐标格式算法(WidefieldPolar Format Algorithm，简称 WPFA)，如文献 7 :ff. G. Carrara, R. S. Goodman, Μ. Α. Ricoy, New Algorithms for Widefield SAR image Formation,Proceedings of IEEE Radar Conference,Phildelphia :PA,April, PP. 38-43,2004中公开的技术。在雷达平台勻速直线运动条件下，这三种方法都能够有效补偿PFA波前弯曲误差，显著提高有效成像场景范围。但是，随着雷达分辨率的提高，合成孔径时间增长，雷达平台机动飞行不可避免，而上述三种方法都无法解决这种复杂雷达航迹条件下的波前弯曲误差补偿问题。

发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种适用于复杂雷达航迹条件的PFA 波前弯曲误差补偿方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明适用于复杂雷达航迹条件的PFA波前弯曲误差补偿方法，其特征在于包括如下步骤(1)利用极坐标格式算法对回波数据进行处理得到成像场景的粗聚焦图像；(2)在地理坐标系中将步骤(1)所述的粗聚焦图像均分成多个图像子块，图像子块大小使得在图像子块内波前弯曲误差的散焦效应可以忽略不计；(3)利用两维逆傅里叶变换将每个图像子块变换到两维空间频域，然后以图像子块中心为参考补偿波前弯曲误差，最后再做两维傅里叶变换得到补偿后的图像子块；(4)对步骤C3)所述补偿后的子图像依次进行几何失真校正、无缝拼接后得到整个场景的聚焦图像。步骤(3)中所述波前弯曲误差补偿的方法如下先在相位历史域计算波前弯曲误差，再将该波前弯曲误差做一个与步骤(1)中相同的极坐标格式转换得到两维空间频域的波前弯曲误差，最后将子图象的两维空间频域信号乘以两维空间频域的波前弯曲误差的共轭实现波前弯曲误差补偿。步骤⑷中所述几何失真校正的方法如下首先，在地理坐标系中将整个成像场景均分成多个子块，利用PFA几何失真映射关系找到每个子块中心点在PFA粗聚焦图像中的位置，并以子块中心点在PFA粗聚焦图像中的位置为中心截取包含子块的一个子图像，对于每个子图像以子块中心点为参考进行波前弯曲补偿后，子图像得到聚焦；最后再对聚焦后的子图像进行几何失真校正得到无失真的子图像。步骤(3)中对波前弯曲误差进行极坐标格式转换时，采取对误差信号的相位作极坐标格式转换。步骤(3)中对波前弯曲误差进行极坐标格式转换包括距离频域和方位时间域的两个数据重采样，其中距离重采样可利用距离频域重采样位置代入相位误差表达式直接计算得到；方位重采样仍然采用传统的插值方法实现。本发明与现有技术相比本发明的有益效果是(1)在两维空间频域补偿波前弯曲误差，补偿精度更高，能够满足更高分辨率条件下的精确聚焦成像要求。(2)能够解决现有技术无法解决的雷达平台大机动条件下极坐标格式算法波前弯曲误差的精确补偿问题。


图1是本发明成像信号处理流程图；图2是数据采集几何模型；图3是粗聚焦图像子块划分示意图；图4是几何失真校正示意图；图5是仿真点目标分布；图6是雷达平台扰动；图7是直接PFA成像结果；图8是波前弯曲补偿后的结果
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解释。聚束SAR数据采集几何模型如图2所示，为验证机动条件下成像能力，假设雷达沿着弯曲的轨迹做非勻速直线运动。以雷达波束照射的场景中心0为原点建立XYZ坐标系， 在该坐标系内雷达天线相位中心位置矢量记为瞬时坐标为(xa，ya，Za)(其中xa，ya，Za均为方位时间t的函数)，它对应的瞬时方位角和俯仰角分别记为θ和^。考虑场景中一任意点目标B，它的位置矢量记为k，坐标为(xb，yb, 0)，该目标到雷达的距离矢量记为L。雷达发射宽带信号，被场景中点目标反射后接收到的回波信号通过解调、距离匹配滤波、运动补偿等预处理后可以表示为
权利要求
1.一种适用于复杂雷达航迹条件的PFA波前弯曲误差补偿方法，其特征在于包括如下步骤利用极坐标格式算法对回波数据进行处理得到成像场景的粗聚焦图像；在地理坐标系中将步骤(1)所述的粗聚焦图像均分成多个图像子块，图像子块大小使得在图像子块内波前弯曲误差的散焦效应可以忽略不计；利用两维逆傅里叶变换将每个图像子块变换到两维空间频域，然后以图像子块中心为参考补偿波前弯曲误差，最后再做两维傅里叶变换得到补偿后的图像子块；对步骤(3)所述补偿后的子图像依次进行几何失真校正、无缝拼接后得到整个场景的聚焦图像。
2.根据权利要求1所述的一种适用于复杂雷达航迹条件的PFA波前弯曲误差补偿方法，其特征在于步骤(3)中所述波前弯曲误差补偿的方法如下先在相位历史域计算波前弯曲误差，再将该波前弯曲误差做一个与步骤(1)中相同的极坐标格式转换得到两维空间频域的波前弯曲误差，最后将子图象的两维空间频域信号乘以两维空间频域的波前弯曲误差的共轭实现波前弯曲误差补偿。
3.根据权利要求1所述的适用于复杂雷达航迹条件的PFA波前弯曲误差补偿方法，其特征在于步骤(4)中所述几何失真校正的方法如下首先，在地理坐标系中将整个成像场景均分成多个子块，利用PFA几何失真映射关系找到每个子块中心点在PFA粗聚焦图像中的位置，并以子块中心点在PFA粗聚焦图像中的位置为中心截取包含子块的一个子图像，对于每个子图像以子块中心点为参考进行波前弯曲补偿后，子图像得到聚焦；最后再对聚焦后的子图像进行几何失真校正得到无失真的子图像。
4.根据权利要求2所述的适用于复杂雷达航迹条件的PFA波前弯曲误差补偿方法，其特征在于步骤(3)中对波前弯曲误差进行极坐标格式转换时，采取对误差信号的相位作极坐标格式转换。
5.根据权利要求2所述的适用于复杂雷达航迹条件的PFA波前弯曲误差补偿方法，其特征在于步骤(3)中对波前弯曲误差进行极坐标格式转换包括距离频域和方位时间域的两个数据重采样，其中距离重采样可利用距离频域重采样位置代入相位误差表达式直接计算得到；方位重采样仍然采用传统的插值方法实现。
全文摘要
本发明公布了一种适用于复杂雷达航迹条件的PFA波前弯曲误差补偿方法，所述方法包括如下步骤利用极坐标格式算法对回波数据进行处理得到场景的粗聚焦图像；在地理坐标系中将粗聚焦图像均分成多个图像子块，图像子块大小使得在图像子块内波前弯曲误差的散焦效应可以忽略不计；利用两维逆傅里叶变换将每个图像子块变换到两维空间频域，然后以图像子块中心为参考补偿波前弯曲误差，最后再做两维傅里叶变换得到补偿后的图像子块；对补偿后的子图像依次进行几何失真校正、无缝拼接后得到整个场景的聚焦图像。本发明在两维空间频域补偿波前弯曲误差，补偿精度更高，能够满足更高分辨率条件下的精确聚焦成像要求。
文档编号G01S13/90GK102183763SQ20111006339
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者朱岱寅, 毛新华 申请人:南京航空航天大学