一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法技术

本发明专利技术公开了一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，其思路是：对雷达回波信号依次进行距离脉冲压缩、初步运动补偿、距离向FFT，依次得到运动补偿雷达回波信号和该运动补偿雷达回波信号的简化形式，将运动补偿雷达回波信号的简化形式乘以方位Dechirp函数，再沿距离向和方位向分别进行二维插值，得到二维插值雷达回波信号后，沿距离向作逆IFFT，得到相位历史域数据，采用图像偏移的SAR自聚焦算法完成相位历史域数据的包络误差补偿，利用共轭梯度算法求解完成包络误差补偿的相位历史域数据的相位误差，得到完成包络误差补偿和相位误差补偿的相位历史域数据后，沿方位向进行IFFT，得到聚焦良好的高分辨率SAR成像。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法
本专利技术属于雷达成像
，特别涉及一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，适用于机载SAR成像的运动误差补偿。
技术介绍
自聚焦方法是从数据本身出发，估计出对成像结果有影响的非空变相位误差数据，并对该非空变相位误差数据进行补偿，从而获得良好成像结果。现有的自聚焦方法大体上可以分为三类，具体是：基于图像偏移的方法，相位梯度自聚焦(PhaseGradientAutofocus,PGA)的方法和基于代价函数的方法。基于图像偏移的方法虽易于实现，但在高分辨率SAR成像中估计形式复杂的运动误差时，得到的运动误差估计精度达不到要求；相位梯度自聚焦方法是SAR成像中的运动补偿过程最常采用的一种自聚焦方法，该方法对于含有孤立散射点的数据，可以精确估计出其任意形式的运动误差，但对于信噪比较低、场景中无明显强散射点的数据，如在沙漠、海面情况下得到的数据，该方法的运动误差估计性能也较差；基于代价函数的方法计算量一般比较大，并且该方法很容易受到代价函数本身特性的影响，使用该方法也得不到很好的聚焦效果。
技术实现思路
针对现有方法存在的不足，本专利技术的目的在于提出一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，该方法在正侧视模式下对SAR成像的包络误差和相位误差均进行校正，能够得到聚焦良好的高分辨率SAR成像，并且对相位误差的类型和复杂度没有限制。为达到上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。一种改进的高分辨SAR成像自聚焦方法，包括以下步骤：步骤1，对SAR雷达天线接收到的雷达回波信号进行距离脉冲压缩后，得到距离脉压雷达回波信号其中，表示方位快时间，tm表示方位慢时间。步骤2，对距离脉压雷达回波信号进行运动补偿，并做距离向快速傅立叶变换(FFT)，依次得到运动补偿雷达回波信号s(fr,tm)和该运动补偿雷达回波信号的简化形式其中，表示方位快时间，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率。步骤3，将运动补偿雷达回波信号的简化形式乘以方位Dechirp函数Ha(fr,tm)，得到去除方位调频率的运动补偿雷达回波信号；其中，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率。步骤4，对去除方位调频率的运动补偿雷达回波信号沿距离向和方位向分别进行二维插值后，得到二维插值雷达回波信号Sr(kx；ky)，然后对该二维插值雷达回波信号Sr(kx；ky)沿距离向作逆快速傅里叶变换(IFFT)，得到相位历史域数据；其中，kx表示方位向插值函数，ky表示距离向插值函数。步骤5，对相位历史域数据沿距离向进行(J-j)倍降采样操作，然后采用图像偏移的SAR自聚焦算法估计(J-j)倍降采样操作后的相位历史域数据的第(j+1)相位误差，根据该第(j+1)相位误差得到(J-j)倍降采样操作后的相位历史域数据的第(j+1)包络误差，并根据该第(j+1)包络误差对相位历史域数据进行包络补偿后，得到完成包络误差补偿的相位历史域数据；其中，J表示人为设定的降采样倍数，j∈{0,1,2,…,J-1,J}，J为正整数。步骤6，利用共轭梯度算法求解完成包络误差补偿的相位历史域数据的相位误差估计值，并用该相位误差估计值的相反数对完成包络误差补偿的相位历史域数据进行相位补偿，得到完成包络误差补偿和相位误差补偿的相位历史域数据。步骤7，对完成包络误差和相位误差补偿的相位历史域数据进行方位向逆快速傅里叶变换(IFFT)后，得到聚焦良好的高分辨率SAR图像。本专利技术的有益效果为：本专利技术方法对SAR成像中运动误差的估计具有很高的稳健性和精确性，对SAR成像中运动误差的类型和复杂度也没有限制，是一种高精度的自聚焦算法；并且，在没有明显孤立散射点、低信噪比、低对比度场景的SAR成像中，使用本专利技术方法能够获得很好的聚焦效果。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术的一种改进的高分辨SAR成像自聚焦方法流程示意图；图2是SAR平台在正侧视聚束模式中的几何模型示意图；其中，以场景中心点O为坐标原点，建立平面直角坐标系，场景中任意点目标P(x,y)的航迹方向为沿X轴正方向，场景中心点O到合成孔径雷达(SAR)中心的方向为Y轴正方向，P(x,y)为场景中任意点目标，合成孔径雷达(SAR)平台的理想航迹是以速度v沿X轴正方向、并距场景中心点O高度为H处的一条直线，场景中任意点目标P(x,y)在方位慢时间tm时刻的理想位置为N，N的坐标为(vtm,Rb)，场景中任意点目标P(x,y)在方位慢时间tm时刻的实际位置为A，A的坐标为(vtm+Δx,Rb+Δy)，Rb表示场景中任意点目标P(x,y)到场景中心线的最短斜距；其中，ΔR(tm)表示合成孔径雷达(SAR)平台的非理想轨迹引入的运动误差，Δx(tm)表示点目标P(x,y)在x轴的运动误差，Δy(tm)表示点目标P(x,y)在y轴的运动误差；图3(a)是使用本专利技术方法得到的距离脉压雷达回波信号包络示意图，图3(b)是使用本专利技术方法得到的二维插值雷达回波信号包络示意图，图3(c)是使用本专利技术得到完成包络误差补偿的相位历史域数据的信号包络示意图；图4(a)是使用本专利技术得到完成包络误差补偿的相位历史域数据中，沿方位向加入相位误差后利用共轭梯度算法估计相位误差的结果示意图，图4(b)是采用传统相位梯度自聚焦(PGA)方法估计相位误差的结果示意图，图4(c)是采用传统相位梯度自聚焦(PGA)算法进行相位补偿后的点目标方位向脉冲响应函数剖面图；图5(a)是得到完成包络误差补偿的相位历史域数据中，沿方位向加入相位误差后采用本专利技术方法的图像偏移的SAR成像自聚焦算法估计相位误差的结果示意图，图5(b)为采用本专利技术方法的图像偏移的SAR自聚焦算法进行相位补偿后的点目标方位向脉冲响应函数剖面图。具体实施方式参照图1，为本专利技术的一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法流程示意图，该种改进的高分辨SAR成像自聚焦方法，包括以下步骤：步骤1，对SAR雷达天线接收到的雷达回波信号进行距离脉冲压缩后，得到距离脉压雷达回波信号其中，表示方位快时间，tm表示方位慢时间。步骤1的具体过程为：参照图2，为SAR雷达在正侧视聚束模式中的几何模型，选取场景中心点O为坐标原点，建立平面直角坐标系，SAR雷达航迹方向为沿X轴正方向，场景中心到合成孔径雷达(SAR)中心的方向为Y轴正方向，P为场景中任意一个点目标，其坐标为(x,y)，SAR雷达理想航迹是以速度v沿X轴正方向、且距场景中心点O高度为H的一条直线，SAR雷达在方位慢时间tm时刻的理想位置为N，N的坐标为(vtm,Rb)，SAR雷达在方位慢时间tm时刻的实际位置为A，A的坐标为(vtm+Δx,Rb+Δy)，Rb表示SAR雷达到场景中心点O的最短斜距，ΔR(tm)表示SAR雷达非理想轨迹的运动误差，Δx(tm)表示点目标P在x轴的运动误差，Δy(tm)表示点目标P在y轴的运动误差。在方位慢时间tm时刻，SAR雷达到点目标P的理想瞬时斜距为RP(tm)，SAR雷达到场景中心点O的理想瞬时斜距为RO(tm)，其表达式分别如下所示：SAR雷达到点目标P的实际瞬时斜距为R(tm)，且该实际瞬时斜距R(tm)表达式为：因此，SAR雷达天线接收到的雷达回波信号可以表示为：其中，表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对SAR雷达天线接收到的雷达回波信号进行距离脉冲压缩后，得到距离脉压雷达回波信号其中，表示方位快时间，tm表示方位慢时间；步骤2，对距离脉压雷达回波信号进行运动补偿，并做距离向快速傅立叶变换，依次得到运动补偿雷达回波信号s(fr,tm)和该运动补偿雷达回波信号的简化形式其中，表示方位快时间，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率；步骤3，将运动补偿雷达回波信号的简化形式乘以方位Dechirp函数Ha(fr,tm)，得到去除方位调频率的运动补偿雷达回波信号；其中，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率；步骤4，对去除方位调频率的运动补偿雷达回波信号沿距离向和方位向分别进行二维插值后，得到二维插值雷达回波信号Sr(kx；ky)，然后对该二维插值雷达回波信号Sr(kx；ky)沿距离向作逆快速傅里叶变换，得到相位历史域数据；其中，kx表示方位向插值函数，ky表示距离向插值函数；步骤5，对相位历史域数据沿距离向进行(J‑j)倍降采样操作，然后采用图像偏移的SAR自聚焦算法估计(J‑j)倍降采样操作后的相位历史域数据的第(j+1)相位误差，根据该第(j+1)相位误差得到(J‑j)倍降采样操作后的相位历史域数据的第(j+1)包络误差，并根据该第(j+1)包络误差对相位历史域数据进行包络补偿后，得到完成包络误差补偿的相位历史域数据；其中，J表示人为设定的降采样倍数，j∈{0,1,2,…,J‑1,J}，J为正整数；步骤6，利用共轭梯度算法求解完成包络误差补偿的相位历史域数据的相位误差，并用该相位误差估计值的相反数对完成包络误差补偿的相位历史域数据进行相位补偿，得到完成包络误差补偿和相位误差补偿的相位历史域数据；步骤7，对完成包络误差和相位误差补偿的相位历史域数据进行方位向逆快速傅里叶变换后，得到聚焦良好的高分辨率SAR图像。...

【技术特征摘要】
1.一种改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对SAR雷达天线接收到的雷达回波信号进行距离脉冲压缩后，得到距离脉压雷达回波信号其中，表示方位快时间，tm表示方位慢时间；步骤2，对距离脉压雷达回波信号进行运动补偿，并做距离向快速傅里叶变换，依次得到运动补偿雷达回波信号s(fr，tm)和该运动补偿雷达回波信号的简化形式其中，表示方位快时间，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率；步骤3，将运动补偿雷达回波信号的简化形式乘以方位Dechirp函数Ha(fr，tm)，得到去除方位调频率的运动补偿雷达回波信号；其中，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率；步骤4，对去除方位调频率的运动补偿雷达回波信号沿距离向和方位向分别进行二维插值后，得到二维插值雷达回波信号Sr(kx；ky)，然后对该二维插值雷达回波信号Sr(kx；ky)沿距离向作逆快速傅里叶变换，得到相位历史域数据；其中，kx表示方位向插值函数，ky表示距离向插值函数；步骤5，对相位历史域数据沿距离向进行(J-j)倍降采样操作，然后采用图像偏移的SAR自聚焦算法估计(J-j)倍降采样操作后的相位历史域数据的第(j+1)相位误差，根据该第(j+1)相位误差得到(J-j)倍降采样操作后的相位历史域数据的第(j+1)包络误差，并根据该第(j+1)包络误差对相位历史域数据进行包络补偿后，得到完成包络误差补偿的相位历史域数据；其中，J表示人为设定的降采样倍数，j∈{0，1，2，…，J-1，J}，J为正整数；步骤6，利用共轭梯度算法求解完成包络误差补偿的相位历史域数据的相位误差，并用该相位误差估计值的相反数对完成包络误差补偿的相位历史域数据进行相位补偿，得到完成包络误差补偿和相位误差补偿的相位历史域数据；步骤7，对完成包络误差和相位误差补偿的相位历史域数据进行方位向逆快速傅里叶变换后，得到聚焦良好的高分辨率SAR图像。2.如权利要求1所述的改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，其特征在于，在步骤1中，所述距离脉压雷达回波信号其表达式为：其中，B表示雷达回波信号的带宽，且B＝γTP，γ表示雷达回波信号的调频率，TP表示雷达回波信号的脉冲宽度，表示方位快时间，tm表示方位慢时间，c表示光速，fc表示雷达回波信号的载波频率，R(tm)表示SAR平台到点目标P的实际瞬时斜距，fr表示脉冲重复频率，sinc[x]表示非归一化sinc函数，exp(·)表示指数函数。3.如权利要求1所述的改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，其特征在于，在步骤2中，所述运动补偿雷达回波信号s(fr，tm)，其表达式为：其中，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率，B表示雷达回波信号的带宽，c表示光速，fc表示雷达回波信号的载波频率，R(tm)表示SAR平台到点目标P的实际瞬时斜距，ΔR(tm)表示SAR平台非理想轨迹在方位慢时间tm时刻的运动误差，RP(tm)表示方位慢时间tm时SAR平台到点目标P的理想瞬时斜距，RO(tm)表示SAR平台到场景中心点O的理想瞬时斜距，表示在范围内幅度为1的矩形窗函数，exp(·)表示指数函数。4.如权利要求1所述的改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，其特征在于，在步骤2中，所述运动补偿雷达回波信号的简化形式其表达式为：其中，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率，B表示雷达回波信号的带宽，c表示光速，fc表示雷达回波信号的载波频率，ΔR(tm)表示SAR平台非理想轨迹在方位慢时间tm时刻的运动误差，x表示点目标P的横坐标，y表示点目标P的纵坐标，v表示SAR平台的理想航迹沿X轴正方向的速度，Rb表示SAR平台到场景中心点O的最短斜距，表示在范围内幅度为1的矩形窗函数，exp(·)表示指数函数。5.如权利要求1所述的改进的高分辨率SAR成像自聚焦方法，其特征在于，在步骤3中，所述方位Dechirp函数Ha(fr，tm)，其表达式为：其中，tm表示方位慢时间，fr表示脉冲重复频率，c表示光速，fc表示雷达回波信号的载波频率，v表示SAR平台的理想航迹...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁毅，邢孟道，别博文，曾乐天，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61