一种适用于距离徙动算法的两维自聚焦方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于距离徙动算法的两维自聚焦方法，首先对距离徙动算法处理得到图像进行方位相位误差估计，然后通过本发明专利技术提出的公式(1)计算两维相位误差；再次对距离徙动算法处理图像在两维空间频率域补偿上一步得到的两维相位误差；最后再对经过校正的两维数据做两维逆傅里叶变换即可以得到经过重聚焦后的图像。本发明专利技术利用两维相位误差的解析结构，将两维相位误差的估计问题转化为残留方位相位误差一维误差的估计，也就是说本发明专利技术两维自聚焦方法只需直接估计方位相位误差，而SAR图像中残留的两维相位误差可以利用相位误差内部特有的解析结构由估计得到的方位相位误差直接计算得到。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于距离徙动算法的两维自聚焦方法
本专利技术涉及一种合成孔径雷达成像信号处理方法，特别是涉及一种合成孔径雷达两维自聚焦方法。
技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,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，它的出现极大地扩展了原有的雷达概念，使雷达具有了对目标(如地面、坦克、装甲车辆等)进行成像和识别的能力，能够为人们提供越来越多的有用信息。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，运动测量单元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。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信号有两个方面的影响，一是会在方位向引入一个相位误差，导致图像发生方位散焦，另外就是会产生额外的距离徙动，在SAR成像过程中无法得到补偿，而且经过成像算法处理后，残留距离徙动效应还会导致图像距离向出现二次散焦，因此SAR信号相位误差本质上是一种两维误差。当延迟误差较小，产生的额外距离徙动小于一个距离分辨单元时，这时残留距离徙动效应可以忽略不计，因此自聚焦时只需估计和补偿方位一维相位误差，这也是目前常规自聚焦算法(典型算法如子孔径算法，相位差分算法，相位梯度自聚焦算法，特征值方法等)假设的前提，如文献1(Mancill,C.E.,andJ.M.Swiger.AMapDriftAutofocusTechniqueforCorrectingHighOrderSARPhaseErrors.27thAnnualTri-ServiceRadarSymposium.Record,Monterey,CA,1981,pp.391-400.)、文献2(G.N.Yoji.PhaseDifferenceAutoFocusingforSyntheticApertureRadarImaging.UnitedStatesPatentNo.4999635,1991.)、文献3(Wahl,D.E.,P.H.Eichel,D.C.Ghiglia,andC.V.Jakowatz,Jr.PhaseGradientAutofocus-ARobustToolforHighResolutionSARPhaseCorrection.IEEETransactiononAerospaceandElectronicSystems,30(3),1994,pp.827-834.)和文献4(C.V.Jakowatz,Jr.,D.E.Wahl.EigenvectorMethodforMaximum-likelihoodEstimationofPhaseErrorsinSyntheticApertureRadarImagery.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，残留距离徙动跨越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两维相位误差的估计和补偿。文献5(D.W.Warner,D.C.Ghiglia,A.FitzGerrel,J.Beaver.Two-dimensionalPhaseGradientAutofocus.ProceedingsofSPIE,Vol.4123,2000,pp.162-173.)公开的技术中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-DPGA)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一样达到实用，仍然存在不少的问题需要解决。文献6(A.Gallon,F.Impagnatiello,“MotionCompensationinChirpScalingSARProcessingusingPhaseGradientAutofocusing,”ProceedingsofGeoscienceandRemoteSensingSymposium,1998.IGARSS'98.Vol.2,pp.633-635.)公开的技术中则将相位误差简化为两维可分离误差，然后通过在距离和方位分别进行一维PGA处理来实现两维相位误差校正，由于没有考虑相位耦合项，因此该算法的补偿精度仍然受到很大限制。文献7(D.Zhu,“SARSignalBasedMotionCompensationThroughCombiningPGAand2-DMapdrift,”Proceedingof2ndAsian-PacificConferenceonSyntheticApertureRadar,2009,pp.435-438.)、文献8(A.W.Doerry,F.E.Heard,andJ.ThomasCordaro,“ComparingRangeDataacrosstheSlow-timeDimensiontoCorrectMotionMeasurementErrorsBeyondtheRangeResolutionofASyntheticApertureRadar”,UnitedStatesPatent,PatentNo.7777665B1,August2010.)公开的技术中忽略距离向二次散焦，将两维相位误差近似为残留距离徙动和方位相位误差，并对两者分别进行估计和补偿。以上两维自聚焦方法存在的主要缺陷是没有利用SAR两维相位误差的内部结构信息，认为两维相位误差是完全未知的，因此是对两维相位误差的一种盲估计，目前在估计精度和效率上都还存在一定的问题。文献9(A.W.Doerry,“AutofocusCorrectionofExcessiveMigrationinSyntheticApertureRadarImages,”SandiaReport,SAND2004-4770,September2004.)和文献10(毛新华，朱岱寅，“一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法”，中国专利，申请号：201110128491.4)公开的技术中注意到了两维相位误差的内部结构，并给出了极坐标格式算法(PolarFormatAlgorithm，简称PFA)处理框架下的一些简化分析结果，如文献9给出了正侧视条件下残留距离徙动和方位相位误差的解析关系，文献10对文献9进行了推广，使其能够应用于斜视情况。但这两种方法都忽略了距离向的高阶相位误差，在分辨率特别高时往往仍然不能满足聚焦精度要求。文献11(毛新华，朱岱寅，“一种基于先验相位结构知识的SAR两维自聚焦方法”，中国专利，申请号：201210429401.X)公开了一种适用于极坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于距离徙动算法的两维自聚焦方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，方位相位误差估计：对距离徙动算法处理得到图像进行方位相位误差估计，得到的相位误差记为φ0(Kx)；步骤2，计算两维相位误差：通过上一步估计得到的方位相位误差，利用下述解析结构公式计算两维相位误差；Φe(Kx,Ky)=KyKycφ0(KycKyKx)---(1)]]>其中，Φe(Kx,Ky)表示残留两维相位误差，φ0(Kx)表示方位相位误差，Kx,Ky分别为距离和方位空间频率变量，Kyc为Ky的偏置量；步骤3，计算两维相位校正：对距离徙动算法处理图像在两维空间频率域补偿上一步得到的两维相位误差，即Gm(Kx,Ky)＝G(Kx,Ky)·exp{‑jΦe(Kx,Ky)}其中，G(Kx,Ky)为距离徙动算法图像两维频谱,Gm(Kx,Ky)为相位校正后的两维频谱；步骤4，最后再对Gm(Kx,Ky)做两维逆傅里叶变换即可以得到经过重聚焦后的图像。

【技术特征摘要】
1.一种适用于距离徙动算法的两维自聚焦方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，方位相位误差估计：对距离徙动算法处理得到图像进行方位相位误差估计，得到的相位误差记为φ0(Kx)；步骤2，计算两维相位误差：通过上一步估计得到的方位相位误差，利用下述解析结构公式计算两维相位误差；其中，Φe(Kx，Ky)表示残留两维相位误差，φ0(Kx)表示方位相位误差，Kx,Ky分别为距离和方位空间频率变量，Kyc为Ky的偏置量；式(1)所示的解析结构公式由以下方法得到：聚束SAR二维回波信号经过距离向脉冲压缩后可表示为下式，其中距离向保留在频域：其中，t为方位时间，fr为距离频率，fc为载波频率，c为光速，r(t)为目标到雷达的瞬时距离，A为幅度因子；距离徙动算法的第一步为将回波信号转换至二维频域，通过对(2)式进行方位傅立叶变换得到，因此得到两维频谱如下：其中，fa为方位频率；为得到二维频谱的解析形式，采用驻留相位原理进行分析，根据驻留相位原理，由式(3)得到驻留相位点可以做如下表示：其中，θ(·)给出了fa与t的对应关系；把式(4)代入式(3)，可以得到：令Kr＝4π(fc+fr)/c,Kx＝2πfa/v分别代表径向和方位向的空间频率，其中，v表示雷达速度，则式(5)表示为：式中，距离徙动算法的第二步是匹配滤波，它利用在二维频域乘参考函数实现，参考函数的相位是：其中，r0为参考距离；经过匹配滤波，式(6)的信号变为：距离徙动算法的最后一步是Stolt插值，在数学上，Stolt插值本质上为一个变量的替换，即利用Kx和Ky来代替Kr；Kx，Ky与Kr关系如下：因此，经过Stolt映射，式(8)中的信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛新华，梁媚蓉，沈薇，王晨沁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32