一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法

摘要

本发明涉及一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步骤：(1)对两维回波数据进行极坐标格式转换；(2)降低距离向分辨率；(3)距离向粗分辨成像；(4)估计方位相位误差；(5)计算残留距离徙动；(6)残留误差补偿；(7)两维傅立叶变换成像。

权利要求

1.一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步骤：(1)对两维回波数据进行极坐标格式转换；

(2)降低距离向分辨率；

(3)距离向粗分辨率成像；

(4)估计方位相位误差；

(5)计算残留距离徙动；

(6)残留误差补偿；

(7)两维傅立叶变换成像；

其中，步骤(1)是通过距离和方位两个一维插值，实现数据格式从极坐标到矩形坐标的转换；步骤(2)是将步骤(1)处理后的数据在距离向进行频谱截取，降低距离向分辨率；

步骤(3)是将步骤(2)处理后的数据做两维快速傅立叶变换，实现成像；步骤(4)是对步骤(3)处理得到的图像利用常规自聚焦算法进行处理，估计得到方位相位误差；步骤(5)是根据残留距离徙动和方位相位误差之间的解析关系，利用步骤(4)估计得到的方位相位误差直接计算得到残留距离徙动的估计值；步骤(6)是利用估计得到的残留距离徙动和方位相位误差，对步骤(1)处理后的数据进行残留误差补偿；步骤(7)是对步骤(6)处理得到的补偿后数据作两维傅立叶变换，实现精确聚焦成像；

所述步骤(5)的计算方法如下：

其中 表示方位相位误差， 对应残留距离徙动，t和 分别表示极坐标格式转换处理前后的方位时间，f0为发射信号载频，θ0为孔径中心时刻雷达天线相位中心的方位角，Ω＝v/y0为由雷达速度v和雷达到目标区距离y0决定的量， 为由PFA方位重采样决定的函数， 为 的逆函数。

说明书

一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法

技术领域

[0001] 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，特别是涉及一种合成孔径雷达自聚焦算法。

背景技术

[0002] 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，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。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，运动测量单位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，将逐渐成为未来超高分辨率SAR系统精确聚焦成像的重要限制因素。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。

[0003] 回波的延迟误差对SAR成像有两个方面的影响：一是会产生额外的距离徙动，在SAR成像过程中无法得到补偿，二是会在方位向引入一个相位误差，导致图像方位散焦。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，这种残留距离徙动效应完全可以忽略不计，此时自聚焦只需估计和补偿方位一维的相位误差，这也是目前几乎所有的自聚焦算法(典型算法如子孔径算法MD、相位差分算法PD、相位梯度自聚焦算法PGA、特征值方法以及基于图像准则的算法等)假设的前提，如文献1(Mancill，C.E.，and J.M.Swiger.A Map DriftAutofocus Technique for Correcting High Order thSAR Phase Errors.27 Annual Tri-Service Radar Symposium.Record，Monterey，CA，1981，pp.391-400.)、 文 献 2(G.N.Yoji.Phase Difference Auto Focusing for SyntheticAperture Radar Imaging.United States Patent No.4999635，1991.)、 文献 3(Wahl，D.E.，P.H.Eichel，D.C.Ghiglia，and C.V.Jakowatz，Jr.Phase Gradient Autofocus-A Robust Tool for High Resolution SAR PhaseCorrection.IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems，30(3)，1994，pp.827-834.) 和文 献 4(C.V.Jakowatz，Jr.，D.E.Wahl.Eigenvector Method for Maximum-likelihood Estimation of Phase Errors in SyntheticAperture Radar Imagery.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残留距离徙动和方位相位误差的同时补偿。文献5(D.W.Warner，D.C.Ghiglia，A.FitzGerrel，J.Beaver.Two-dimensional Phase Gradient Autofocus.Proceedings of SPIE，Vol.4123，2000，pp.162-173.)中公开了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-D PGA)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。

[0004] 目前，现有技术中还没有成熟的技术能够解决残留距离徙动和方位相位误差的同时校正问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于解决超高分辨率SAR成像中残留距离徙动和方位相位误差的同时校正问题。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法，包括如下步骤：

[0007] (1)对两维回波数据进行极坐标格式转换；

[0008] (2)降低距离向分辨率；

[0009] (3)距离向粗分辨成像；

[0010] (4)估计方位相位误差；

[0011] (5)计算残留距离徙动；

[0012] (6)残留误差补偿；

[0013] (7)两维傅立叶变换成像。

[0014] 其中，步骤(1)是通过距离和方位两个一维插值，实现数据格式从极坐标到矩形坐标的转换。

[0015] 步骤(2)是将步骤(1)处理后的数据在距离向进行频谱截取，降低距离向分辨率，频谱截取降低距离向分辨率的目的是为了防止步骤(1)处理后残留的目标跨距离分辨单元走动影响后续的方位相位误差估计，因此频谱截取的比例取决于残留距离徙动跨分辨单元的个数，譬如残留距离徙动跨越N个分辨单元，则截取比例应大于1/N，以保证分辨率降低后，残留距离徙动可以忽略不计。

[0016] 步骤(3)是将步骤(2)处理后的数据做两维快速傅立叶(Fourier)变换(FFT)，实现成像。

[0017] 步骤(4)是对步骤(3)处理得到的图像利用常规自聚焦算法(如相位梯度自聚焦算法)进行处理，估计得到方位相位误差。

[0018] 步骤(5)是根据残留距离徙动和方位相位误差之间的解析关系，利用步骤(4)估计得 到的方位相位误差直接计算得到残留距离徙动的估计值。

[0019] 步骤(6)是利用估计得到的残留距离徙动和方位相位误差，对步骤(1)处理后的数据进行残留误差补偿。

[0020] 步骤(7)是对步骤(6)处理得到的补偿后数据作两维FFT，实现精确聚焦成像。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0022] (1)与常规自聚焦算法只补偿方位相位误差不同，本发明实现残留距离徙动和方位相位误差的同时补偿，补偿精度更高。

[0023] (2)与子孔径(或脉冲)相关估计残留距离徙动方法相比，本发明直接计算残留距离徙动，计算效率更高，同时残留距离徙动的估计值来源于方位相位误差估计，因此估计精度也更高。

附图说明

[0024] 图1是聚束SAR数据采集几何模型图。

[0025] 图2是本发明信号处理流程图。

[0026] 图3是数据经过PFA处理后的距离压缩图像(局部)。

[0027] 图4是采用本发明方法补偿后的距离压缩图像(局部)。

[0028] 图5是实测数据经极坐标格式算法(PFA)处理后图像。

[0029] 图6是PFA图像经过常规自聚焦(采用相位梯度自聚焦算法)处理后的结果。

[0030] 图7是采用本发明方法处理得到的最终成像结果。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0032] 聚束SAR成像几何模型如图1所示，不失一般性，假设雷达工作在斜视模式，斜视角为θ0，正侧视对应θ0＝0。雷达平台以速度v水平匀速直线飞行，天线相位中心(APC)瞬时位置坐标为(x0+vt，y0，z0)，其中t代表方位时间，在孔径中心时刻t＝0，θ0+θ和 分别为天线相位中心的瞬时方位角和俯仰角，在孔径中心时刻分别等于θ0和 又假设场景中有一点目标，其位置为(xp，yp)。天线相位中心到该目标和场景中心的瞬时距离分别记为Rt和Ra。

[0033] 雷达回波经过解调、距离向匹配滤波和方位运动补偿后，可以表示为[0034]

[0035] 其中c为电波传播速度，f0为发射信号载频，fτ为距离向频率，其有效范围为 B为发射信号带宽，对应距离向分辨率 RΔ＝Ra-Rt为APC到场景中心和目标的差分距离。

[0036] 本发明提供的方法针对式(1)所示回波数据进行处理，最终目标是得到点目标的精确聚焦图像，其处理流程如图2所示，具体实现步骤包括：

[0037] (1)极坐标格式转换的距离向插值

[0038] 极坐标格式算法(PFA)距离向插值在数学上等效于对距离频率作一个如下尺度变换

[0039]

[0040] 其中 为变换后的距离频率， 为尺度因子。因此，通过距离向插值后，信号可表示为

[0041]

[0042] 其中 为方位时间t的函数，可对其关于t做如下泰勒展开

[0043] r(t)＝y′p+x′pt+ε(t) (4)[0044] 其中y′p+x′pt是常数项和一次项，反映目标在最后图像中的位置，受视角转换、波前弯曲和其它误差影响，x′p，y′p并不一定等于xp，yp，但这并不影响图像聚焦，对其的校正可以通过图像域的重采样实现，本发明不作讨论；ε(t)为二次及二次以上高阶项，是导致图像散焦的关键因素。

[0045] (2)极坐标格式转换的方位向插值

[0046] 方位插值实质上是对距离插值后的数据在方位时间做非线性变换 其中[0047]

[0048] 式中为变换后的方位时间变量，Ω＝v/y0。

[0049] 因此，可得到方位插值后的信号为

[0050]

[0051] 其中 为常数项， 为两维相位误差。

[0052] 为分析误差效应，可以将误差项关于距离频率 作如下泰勒展开[0053]

[0054] 可解得

[0055]

[0056]

[0057] 其中 为残留的方位相位误差， 对应残留的距离徙动(残留距离徙动量[0058] 根据式(8)和式(9)，可以得到残留距离徙动项 与方位相位误差 存在如下关系

[0059]

[0060] 其中 为 的逆映射，其表达式可根据式(5)得到如下：

[0061]

[0062] (3)距离频谱截取降低距离向分辨率

[0063] 将极坐标格式转换后的数据在距离向进行频谱截取，降低距离分辨率，频谱截取降低距离分辨率的目的是为了防止残留的目标跨分辨单元走动影响后续的方位相位误差估计，因此频谱截取的比例取决于残留距离徙动跨分辨单元的个数，譬如残留距离徙动跨越N个分辨单元，则截取比例应大于1/N，以保证分辨率降低后，残留距离徙动可以忽略不计。截取时保持中心频率不变，如截取比例为1/N，则截取后距离频率 的范围为[0064] (4)两维FFT成像

[0065] 通过步骤(1)和步骤(2)的极坐标格式转换后，得到了目标场景频谱的正交两维采样，在步骤(3)的距离频谱截取降低分辨率后，再通过在距离和方位两维FFT后就可以得到目标场景的方位全分辨距离粗分辨率图像。

[0066] (5)估计方位相位误差

[0067] 步骤(4)得到的图像，距离分辨率比较低，残留距离徙动不再跨分辨单元，因此可以忽略不计。此时可以利用常规的自聚焦算法(如相位梯度自聚焦算法)进行方位相位误差估计，假设估计得到的相位误差为

[0068] (6)计算残留距离徙动

[0069] 根据式(10)所示关系，可以利用步骤(5)估计得到的方位相位误差直接计算得到残留距离徙动项

[0070]

[0071] (7)残留误差补偿

[0072] 利用步骤(5)和步骤(6)估计得到方位相位误差和残留距离徙动对步骤(2)处理后的数据进行补偿，即对式(6)乘以如下补偿量

[0073]

[0074] 因此可以得到补偿后的信号为

[0075]

[0076] (8)两维FFT成像

[0077] 如果估计的方位相位误差和残留距离徙动足够精确，则残留的相位误差项 通常可以忽略不计，因此式(14)可以近似为

[0078]

[0079] 此时，对补偿后的信号做一个两维FFT，就可以实现对目标的精确聚焦成像[0080]

[0081] 式中F表示两维Fourier变换，sinca(u)＝sin(πBdu)/(πBdu)为方位向Sinc函数，sincr(x)＝sin(πBτx)/(πBτx)为距离向Sinc函数，Bd和Bτ分别为方位和距离向信号带宽。上式也可写成空域坐标的形式

[0082]

[0083] 其中 和 分别表示空域方位和距离坐标。

[0084] 利用实测数据处理对本发明提出的自聚焦算法进行了验证，实验结果充分证明了本发明的有效性。

[0085] 实测数据为某高分辨机载试验SAR录取。该实验雷达工作于X波段，发射信号带宽为1.18GHz，对应距离向理论分辨率优于0.15m，采用聚束模式录取数据，处理时有效合成孔径 长度为2300m，对应方位理论分辨率约为0.067m。由于没有运动测量单元提供的该雷达瞬时位置信息，因此PFA处理时假设雷达做匀速直线运动。图3给出了数据经过PFA处理后的距离压缩图像(局部)，从图中可以很明显地看到，虽然经过了PFA的距离徙动校正，但目标仍然残留有很大的跨距离单元走动，必须考虑对其进行补偿。图4是采用本发明方法补偿后的距离压缩图像，可以看到，目标残留的距离徙动均已得到有效补偿。进一步，图7给出了采用本发明方法处理得到的最终成像结果，为了对比，同时给出了PFA图像和PFA图像经过常规自聚焦(这里采用相位梯度自聚焦算法)处理后的结果，分别如图5和图6所示。由于残留距离徙动和相位误差均很大，因此PFA图像出现了很明显的二维散焦，常规自聚焦算法只适用于残留距离徙动可以忽略的情况下的相位误差补偿，因此对该数据的处理结果也并不理想，而采用本发明方法处理后，成像效果得到非常明显的改善。