一種基于先驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(jì)。</maths>
【專利說明】—種基于先驗(yàn)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(dá)(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(dá)兩維自聚焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是通過信號處理技術(shù)對地面景物進(jìn)行成像的一種新體制雷達(dá)，它的出現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了原有的雷達(dá)概念，使雷達(dá)具有了對目標(biāo)(如地面、坦克、裝甲車輛等)進(jìn)行成像和識別的能力，能夠?yàn)槿藗兲峁┰絹碓蕉嗟挠杏眯畔?。SAR對目標(biāo)的成像通過距離和方位兩維高分辨實(shí)現(xiàn)，其中距離向高分辨率通過對寬帶信號進(jìn)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(jìn)行相干處理實(shí)現(xiàn)，這種處理依賴于精確獲知雷達(dá)和目標(biāo)之間的瞬時(shí)相對位置信息。實(shí)際應(yīng)用中，受雷達(dá)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(yùn)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(dá)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(yùn)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_(dá)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(dá)回波數(shù)據(jù)中提取并補(bǔ)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(gè)方面的影響，一是會在方位向引入一個(gè)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(bǔ)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(gè)距離分辨單元時(shí)，這時(shí)殘留距離徙動效應(yīng)可以忽略不計(jì)，因此自聚焦時(shí)只需估計(jì)和補(bǔ)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(xiàn)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(xiàn) 2 (G N.Yoj1.Phase Difference AutoFocusing for SyntheticAperture Radar Imaging.United States Patent N0.4999635，1991.)、文獻(xiàn) 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(xiàn) 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(shí)，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(jì)和補(bǔ)償。文獻(xiàn) 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(kuò)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(dá)到實(shí)用，仍然存在不少的問題需要解決。文獻(xiàn)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(jìn)行一維PGA處理來實(shí)現(xiàn)兩維相位誤差校，由于沒有考慮相位耦合項(xiàng)，因此該算法的補(bǔ)償精度仍然受到很大限制。文獻(xiàn)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(xiàn) 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(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)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(rèn)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(jì)，目前在估計(jì)精度和效率上都還存在一定的問題。文獻(xiàn) 9 (A.W.Doerry, “Autofocus Correction of Excessive Migration in SyntheticAperture Radar Images,，，Sandia Report, SAND2004-4770, September2004.)和文獻(xiàn)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(biāo)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(xiàn)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(xiàn)10對文獻(xiàn)9進(jìn)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(shí)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(yàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的兩維自聚焦算法，還未見諸報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決機(jī)載合成孔徑雷達(dá)成像信號處理中兩維相位誤差的精確估計(jì)和補(bǔ)償問題。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于先驗(yàn)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(jì)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(jì)，即本發(fā)明兩維自聚焦方法只需直接估計(jì)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(jì)得到的殘留距離徙動或者方位相位誤差直接計(jì)算得到。
[0007]首先，本發(fā)明提供式(I)和式(2)所示的極坐標(biāo)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(biāo)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(yàn)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(jì)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(jì)。
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(jì)的兩維相位誤差粗補(bǔ)償； (2)基于方位相位誤差估計(jì)的兩維相位誤差精補(bǔ)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(jì)的兩維相位誤差粗補(bǔ)償通過如下方法進(jìn)行:首先通過子孔徑圖像相關(guān)得到殘留距離徙動的估計(jì)值，假設(shè)為(00，然后利用式(2)直接計(jì)算得到兩維相位誤差的估計(jì)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(jì)的兩維相位誤差精補(bǔ)償通過如下方法進(jìn)行:針對粗補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)，首先利用常規(guī)一維自聚焦方法估計(jì)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(jì)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)