一種基于先驗相位結(jié)構(gòu)知識的sar兩維自聚焦方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于先驗相位結(jié)構(gòu)知識的SAR兩維自聚焦方法，該方法利用式(1)和(2)所示的公式，將兩維相位誤差的估計問題轉(zhuǎn)化為方位相位誤差或者殘留距離徙動等一維參數(shù)的估計。</maths>
【專利說明】—種基于先驗相位結(jié)構(gòu)知識的SAR兩維自聚焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,簡稱SAR)成像信號處理方法，特別是涉及一種合成孔徑雷達兩維自聚焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是通過信號處理技術(shù)對地面景物進行成像的一種新體制雷達，它的出現(xiàn)極大地擴展了原有的雷達概念，使雷達具有了對目標(如地面、坦克、裝甲車輛等)進行成像和識別的能力，能夠為人們提供越來越多的有用信息。SAR對目標的成像通過距離和方位兩維高分辨實現(xiàn)，其中距離向高分辨率通過對寬帶信號進行脈沖壓縮處理得到，而方位高分辨率則通過對合成孔徑數(shù)據(jù)進行相干處理實現(xiàn)，這種處理依賴于精確獲知雷達和目標之間的瞬時相對位置信息。實際應(yīng)用中，受雷達位置擾動和電磁波傳播介質(zhì)不均勻等因素影響，這種相干性往往很難直接得到保證。目前采取的主要措施是增加輔助的運動測量單元(典型地如慣性測量單元和全球定位系統(tǒng))來測量獲取雷達位置信息，而忽略傳播介質(zhì)不均勻的影響。然而，隨著成像分辨率的提高，運動測量單元提供的位置信息精度可能仍然無法滿足相干性要求，而且，傳播介質(zhì)不均勻?qū)е碌睦走_回波延遲誤差效應(yīng)也變得不可忽略。因此有必要研究從雷達回波數(shù)據(jù)中提取并補償誤差的辦法，即自聚焦方法。
[0003]回波的延遲誤差對SAR信號有兩個方面的影響，一是會在方位向引入一個相位誤差，導(dǎo)致圖像發(fā)生方位散焦，另外就是會產(chǎn)生額外的距離徙動，在SAR成像過程中無法得到補償，而且經(jīng)過成像算法處理后，殘留距離徙動效應(yīng)還會導(dǎo)致圖像距離向出現(xiàn)二次散焦，因此SAR信號相位誤差本質(zhì)上是一種兩維誤差。當(dāng)延遲誤差較小，產(chǎn)生的額外距離徙動小于一個距離分辨單元時，這時殘留距離徙動效應(yīng)可以忽略不計，因此自聚焦時只需估計和補償方位一維相位誤差，這也是目前常規(guī)自聚焦算法(典型算法如子孔徑算法，相位差分算法，相位梯度自聚焦算法，特征值方法等)假設(shè)的前提，如文獻I (Maneill，
C.E., and J.M.Swiger.A Map DriftAutofocus Technique for Correcting High OrderSAR Phase Errors.27th Annual Tr1-Service RadarSymposium.Record，Monterey, CA，1981，pp.391-400.)、文獻 2 (G N.Yoj1.Phase Difference AutoFocusing for SyntheticAperture Radar Imaging.United States Patent N0.4999635，1991.)、文獻 3 (Wahl，D.E.，P.H.Eichel, D.C.Ghiglia, and C.V.Jakowatz, Jr.Phase Gradient Autofocus-ARobustTool for High Resolution SAR Phase Correction.1EEE Transaction on AerospaceandElectronic Systems，30(3)，1994，pp.827-834.)和文獻 4(C.V.Jakowatz, Jr,
D.E.Wahl.Eigenvector Method for Maximum-1ikelihood Estimation ot Phase Errorsin Synthetic ApertureRadar Imagery.J.0pt.Soc.Am.A.，10 (12)，1993，pp.2539-2546.)中所公開的技術(shù)。然而，隨著誤差的增加，尤其是成像分辨率特別高時，殘留距離徙動跨越距離單元將變得不可避免，因此，在此條件下有效的自聚焦算法必須要考慮兩維相位誤差的估計和補償。文獻 5 (D.W.Warner，D.C.Ghiglia，A.FitzGerrel，J.Beaver.Two-dimensional Phase Gradient Autofocus.Proceedings ofSPIE，Vol.4123，2000，PP.162-173.)公開的技術(shù)中將傳統(tǒng)的一維相位梯度自聚焦算法(PGA)擴展到兩維，提出了兩維相位梯度自聚焦算法(2-D PGA)來試圖解決這一問題，但正如文章作者在結(jié)論中所說，該方法要像一維PGA—樣達到實用，仍然存在不少的問題需要解決。文獻6(A.Gallon，F(xiàn).1mpagnatiello,“Motion Compensation in Chirp Scaling SARProcessing using PhaseGradient Autofocusing,，，Proceedings of Geoscience and Remote SensingSymposium,1998.1GARSSi 98.Vol.2，pp.633-635.)公開的技術(shù)中則將相位誤差簡化為兩維可分離誤差，然后通過在距離和方位分別進行一維PGA處理來實現(xiàn)兩維相位誤差校，由于沒有考慮相位耦合項，因此該算法的補償精度仍然受到很大限制。文獻7(D.ZhuZiSAR SignalBasedMotion Compensation Through Combining PGA and2_D Map drift,，，Proceeding of2ndAsian-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar,2009, pp.435-438.)、文獻 8(A.W.Doerry, F.E.Heard, and J.Thomas Cordaro, “Comparing Range Data acrossthe Slow-time Dimension toCorrect Motion Measurement Errors Beyond theRange Resolution of A Synthetic Aperture Radar，，，United States Patent, PatentN0.7777665B1, August2010.)公開的技術(shù)中忽略距離向二次散焦，將兩維相位誤差近似為殘留距離徙動和方位相位誤差，并對兩者分別進行估計和補償。以上兩維自聚焦方法存在的主要缺陷是沒有利用SAR兩維相位誤差的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，認為兩維相位誤差是完全未知的，因此是對兩維相位誤差的一種盲估計，目前在估計精度和效率上都還存在一定的問題。文獻 9 (A.W.Doerry, “Autofocus Correction of Excessive Migration in SyntheticAperture Radar Images,，，Sandia Report, SAND2004-4770, September2004.)和文獻10(毛新華，朱岱寅，“一種適用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法”，中國專利，申請?zhí)?201110128491.4)公開的技術(shù)中注意到了兩維相位誤差的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并給出了極坐標格式算法(Polar Format Algorithm,簡稱PFA)處理框架下的一些簡化分析結(jié)果,如文獻9給出了側(cè)視條件下殘留距離徙動和方位相位誤差的解析關(guān)系，文獻10對文獻9進行了推廣，使其能夠應(yīng)用于斜視情況。但這兩種方法都忽略了距離向的高階相位誤差，在分辨率特別高時往往仍然不能滿足聚焦精度要求。
[0004]到目前為止，針對成像算法處理后殘留兩維相位誤差內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確分析，以及利用這種先驗內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的兩維自聚焦算法，還未見諸報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決機載合成孔徑雷達成像信號處理中兩維相位誤差的精確估計和補償問題。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于先驗相位結(jié)構(gòu)知識的兩維自聚焦方法，該方法利用兩維相位誤差的解析結(jié)構(gòu)，將兩維相位誤差的估計問題轉(zhuǎn)化為殘留距離徙動或者方位相位誤差等一維誤差的估計，即本發(fā)明兩維自聚焦方法只需直接估計殘留距離徙動或者方位位誤差，而SAR圖像中殘留的兩維相位誤差可以利用相位誤差內(nèi)部特有的解析結(jié)構(gòu)由估計得到的殘留距離徙動或者方位相位誤差直接計算得到。
[0007]首先，本發(fā)明提供式(I)和式(2)所示的極坐標格式算法處理后殘留兩維相位誤差的解析結(jié)構(gòu)公式:[0008][0009]
【權(quán)利要求】
1.式(1)和式(2)所示的極坐標格式算法處理后殘留兩維相位誤差的解析結(jié)構(gòu)公式:
2.一種基于上述先驗相位誤差結(jié)構(gòu)信息的兩維自聚焦方法，該方法利用式(1)和(2)所示的公式，將兩維相位誤差 Φ（t,f)的估計問題轉(zhuǎn)化為方位相位誤差先0-)或者殘留距離徙動〃 (0等一維參數(shù)的估計。
3.權(quán)利要求2所述的兩維自聚焦方法，包含如下步驟: (1)基于殘留距離徙動估計的兩維相位誤差粗補償； (2)基于方位相位誤差估計的兩維相位誤差精補償。
4.權(quán)利要求3所述的兩維自聚焦方法，其中步驟(1)基于殘留距離徙動估計的兩維相位誤差粗補償通過如下方法進行:首先通過子孔徑圖像相關(guān)得到殘留距離徙動的估計值，假設(shè)為(00，然后利用式(2)直接計算得到兩維相位誤差的估計值，即
5.權(quán)利要求3所述的兩維自聚焦方法，其中步驟(2)基于方位相位誤差估計的兩維相位誤差精補償通過如下方法進行:針對粗補償后的數(shù)據(jù)，首先利用常規(guī)一維自聚焦方法估計方位相位誤差，假設(shè)為〗。00，然后利用式(1)由該方位相位誤差直接計算得到兩維相位誤差，即
【文檔編號】G01S7/02GK103792534SQ201210429401
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月1日
【發(fā)明者】毛新華, 朱岱寅, 丁嵐 申請人:南京航空航天大學(xué)