基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿算法

摘要

本发明公开了一种基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿算法，本发明首先利用常规方法进行方位空不变误差补偿，然后按照BP算法进行剩余的空变运动误差补偿。剩余的空变运动误差补偿时利用二次相位扰动技术降低了运算量，节省了时间；并且由于BP算法自身的优点，在二维时域对单个目标单独进行补偿，避免了SAR数据的二维耦合性，可以进行距离迁移误差的校正，因此能够适应更大的载机运动误差，具有较高的补偿精度。

权利要求

1.一种基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿方法，其特征在于，步骤一，对接收到的SAR原始回波数据利用结合运动补偿的ω-κ算法进行处理，得到SAR图像的二维频域数据；

步骤二，选择一个时间带宽积值A，在二维频域上构造一个调频率随距离频率变化的方位线性调频信号：步骤三，利用步骤二得到的方位线性调频信号对步骤一得到的二维频域数据进行相位扰动，并返回二维时域，得到二维时域数据：步骤四，计算步骤三得到的二维时域数据中的合成孔径覆盖点数L，进而得到以每个点为中心的能量范围；

步骤五，构造SAR图像像素网格I(mTm,nTn)，其中m,n分别为距离像素位置和方位向像素位置，Tm,Tn分别为距离、方位向像素空间间隔， m＝1,...,M，n＝

1,...,N，M,N分别为SAR图像距离、方位向像素个数，C为光速，Fs为脉冲采样率，Prf为脉冲重复间隔，v为载机参考速度；

步骤六，对于步骤五构造的SAR图像像素网格I(mTm,nTn)中每一个像素点，根据步骤四确定的能量范围，计算每个像素点的回波在二维时域中的位置曲线；

步骤七，针对步骤六得到的位置曲线，利用合成孔径雷达空间几何关系，计算得到所述位置曲线上的方位空变运动误差；

步骤八，针对步骤六得到的位置曲线，进而得知所述位置曲线上的能量，根据步骤七得到的方位空变运动误差利用BP方位空变误差补偿算法先进行相位校正然后再将能量叠加，最后得到SAR图像像素点的复数灰度值。

2.如权利要求1所述的一种基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿方法，其特征在于，步骤二中所述时间带宽积值A选择100。

说明书

基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿算法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿算法，涉及机载SAR成像处理及运动补偿领域。

背景技术

[0002] 机载合成孔径雷达（SAR）需要利用成像处理算法对SAR原始回波数据进行匹配滤波处理，得到SAR图像。由于时域处理算法非常耗时，一般利用频域处理算法（如WK算法、Chirp Scaling算法、距离多普勒算法）进行成像处理。但频域处理算法只能适应载机做理想水平匀速直线运动的情况，需要通过运动补偿算法补偿载机的非理想运动。由于SAR信号的二维耦合性，出于运算效率考虑，运动补偿算法一般只能补偿运动误差的空不变分量以及距离空变分量。在SAR系统分辨率较低、合成孔径时间较短（如X波段）、载机运动误差较小的情况下，上述处理方式能够满足各种应用要求。但对于高分辨率P波段SAR系统，由于其距离单元较小、合成孔径时间较长，在载机运动误差较大时，常规运动补偿后的剩余方位空变运动误差不但导致方位向相位误差，同时导致距离迁移校正误差，因此上述方位空变相位误差补偿不能对目标回波信号进行完全积累，从而导致SAR图像分辨率降低，成像质量下降。因此需要提供一种空变运动误差补偿方法，能够解决高分辨率P波段SAR系统在运动误差较大时的方位空变运动误差补偿，尤其是所导致的距离迁移校正误差，从而使得高分辨率P波段SAR系统即使在较大的运动误差时也能得到良好聚焦的SAR图像产品。

[0003] 反投影（Back Projection,BP）算法是一种用于SAR成像处理的时域逐点处理算法。与频域处理算法对载机运动误差较差的适应性相比，BP算法由于其时域逐点处理特性，能够在任何的载机运动状态下根据载机运动轨迹精确恢复出SAR图像每个像素点的灰度值。与频域处理算法相比，BP算法虽然能够适应大运动误差，但却需要数百倍的运算量，在实际应用中是无法忍受的，大大限制了BP算法的应用。

发明内容

[0004] 本发明提出了一种基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿算法，通过相位扰动BP空变误差补偿，能够补偿方位空变误差导致的距离迁移校正误差，因此能够适应更大的方位空变误差。

[0005] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

[0006] 步骤一，对接收到的SAR原始回波数据利用结合运动补偿的ω-κ算法进行处理，得到SAR图像的二维频域数据；

[0007] 步骤二，选择一个时间带宽积值A，在二维频域上构造一个调频率随距离频率变化的方位线性调频信号：

[0008] 步骤三，利用步骤二得到的方位线性调频信号对步骤一得到的二维频域数据进行相位扰动，并返回二维时域，得到二维时域数据：

[0009] 步骤四，计算二维时域中的合成孔径覆盖点数L，进而得到以每个点为中心的能量范围；

[0010] 步骤五，构造SAR图像像素网格I(mTm,nTn)，其中m,n分别为距离像素位置和方位向像素位置，Tm,Tn分别为距离、方位向像素空间间隔， m＝1,...,M，n＝1,...,N，M,N分别为SAR图像距离、方位向像素个数，C为光速，Fs为脉冲采样率，Prf为脉冲重复间隔，v为载机参考速度；

[0011] 步骤六，对于步骤五构造的SAR图像像素网格I(mTm,nTn)中每一个像素点，根据步骤四确定的能量范围，计算每个像素点的回波在二维时域中的位置曲线；

[0012] 步骤七，针对步骤六得到的位置曲线，利用合成孔径雷达空间几何关系，计算得到所述位置曲线上的方位空变运动误差；

[0013] 步骤八，针对步骤六得到的位置曲线，进而得知所述位置曲线上的能量，根据步骤七得到的方位空变运动误差利用BP方位空变误差补偿算法先进行相位校正然后再将能量叠加，最后得到SAR图像像素点的复数灰度值。

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 1.与现有空变运动误差补偿算法相比，本发明首先利用常规方法进行方位空不变误差补偿，然后按照BP算法进行剩余的空变运动误差补偿。剩余的空变运动误差补偿时利用二次相位扰动技术降低了运算量，节省了时间。

[0016] 2.通过步骤三的相位扰动，并返回二维时域，在二维时域中进行合成孔径，不随距离向变化，因此不同距离单元目标具有相同的合成孔径长度，为后续的误差补偿及积累带来便利。

[0017] 3.并且由于BP算法自身的优点，在二维时域对单个目标单独进行补偿，避免了SAR数据的二维耦合性，可以进行距离迁移误差的校正，因此能够适应更大的载机运动误差，具有较高的补偿精度。

附图说明

[0018] 图1为本发明的流程图；

[0019] 图2为ω-κ算法+常规运动补偿后的距离迁移校正效果；

[0020] 图3为原始合成孔径长度与线性调频信号扰动后合成孔径长度对比；

[0021] 图4为对成像结果点目标进行指标测量；

具体实施方式

[0022] 为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

[0023] 本发明提出了一种基于BP算法的高分辨率P波段SAR空变运动误差补偿算法——相位扰动BP空变误差补偿算法，与已有方位空变误差补偿算法相比，由于新方法能够补偿方位空变误差导致的距离迁移校正误差，因此能够适应更大的方位空变误差。如图1，该方法具体为：

[0024] 步骤一，对接收到的SAR原始回波数据利用结合运动补偿的ω-κ算法进行处理，得到SAR图像的二维频域数据；

[0025] 具体为：将SAR原始回波数据进行距离压缩、距离迁移校正、相位补偿、Stolt插值之后得到二维频域数据S(fτ,fη)，其中fτ,fη分别为距离频率坐标和方位频率坐标；

[0026] 步骤一先利用ω-κ算法以及常规运动补偿算法进行基本的成像处理以及空不变、距离空变运动误差补偿，能够补偿掉大部分的运动误差，使得后续补偿步骤的推导成立。

[0027] 步骤二，选择一个时间带宽积值A（一般选择100），在步骤一的得到的二维频域数据范围内，构造一个调频率随距离频率变化的方位线性调频信号P(fτ,fη)：

[0028]

[0029] 其中k0为随距离频率变化的方位向调频率：

[0030]

[0031] 其中λ为系统波长，C为光速，v为载机参考速度，β为天线方位向波束角。

[0032] 步骤三，对步骤一得到的二维频域数据S(fτ,fη)利用步骤二得到的方位线性调频信号P(fτ,fη)进行相位扰动，并返回二维时域，得到二维时域数据[0033] 其中FFT-1{}表示进行傅立叶反变换。

[0034] 步骤四，计算步骤三得到的二维时域数据s 中的合成孔径覆盖点数L，进而得到能量范围η′，

[0035]

[0036] 其中Prf为脉冲重复间隔（PRF）；

[0037] 该步中的L远小于实际孔径长度 步骤三在二维频域进行调频率随距离频率变化的方位向线性调频信号扰动后返回二维时域，从而在步骤四二维时域信号中将原来较长的合成孔径长度大大缩短；

[0038] 步骤五，构造SAR图像像素网格I(mTm,nTn)，其中m,n分别为距离像素位置和方位向像素位置，Tm,Tn分别为距离、方位向像素空间间隔， m＝1,...,M，n＝1,...,N，M,N分别为SAR图像距离、方位向像素个数，C为光速，Fs为脉冲采样率，Prf为脉冲重复间隔（PRF）。

[0039] 步骤六，对于步骤五构造的SAR图像像素网格I(mTm,nTn)中每一个像素点，根据步骤四确定的能量范围η′，计算每个像素点的回波在二维时域数据 中的位置曲线(τ′,η′)；

[0040] 二维时域数据 中只有在能量范围 范围内包含该点的回波能量，计算该能量在 中的距离向位置τ′：

[0041]

[0042] 其中τ0为距离采样起始位置对应延时量：

[0043]

[0044] 其中Rnear为最近斜距。

[0045] 步骤七，根据步骤六得到的位置曲线(τ′,η′)得到方位空变运动误差dav(τ′,η′′,m,n)；

[0046] 该步骤根据SAR空间几何关系计算方位空变运动误差dav(τ′,η′′,m,n)，其中η′′表示SAR空间几何关系中与η′对应的方位向位置：

[0047]

[0048] 步骤八，对步骤六得到的位置曲线(τ′,η′)上的能量，根据步骤七得到的方位空变运动误差，利用BP方位空变误差补偿算法先进行相位校正然后再将能量叠加，最后得到SAR图像像素点I(mTm,nTn)的复数灰度值；

[0049] 具体为:

[0050] 对 范围内 中位置处的能量，先进行相位校正再叠加，得到SAR图像像素点I(mTm,nTn)的复数灰度值；其中相位校正操作为：

[0051]

[0052] 对合成孔径长度缩短后的二维时域信号按照BP算法进行剩余的空变运动误差补偿，是沿距离向变化的，因此可以进行距离迁移误差的校正。

[0053] 利用设计分辨率为0.44m的P波段单点目标仿真数据进行仿真实验，距离/方位点数分别设为4096/12288，加入水平/垂直幅度分别为6m/3m的运动误差，分别利用ω-κ算法、ω-κ算法+PTA（256点）、ω-κ算法+本发明（时带积设为100）进行成像处理，验证本发明的有效性。

[0054] 图2为ω-κ算法+常规运动补偿后的距离迁移校正效果，可见点目标信号能量散布在几个距离单元内。

[0055] 图3为原始合成孔径长度与线性调频信号扰动后合成孔径长度对比，可见合成孔径长度大大缩短，从而大大提高了运算速度。

[0056] 对成像结果点目标进行指标测量，结果如表1及图4所示。可见本发明能够在保证峰值旁瓣比、积分旁瓣比的前提下，完全恢复方位向分辨率。另外，时带积设置越大，补偿精度越高，但运算效率会降低。另外，本发明的运行时间比PTA略长。

[0057]

[0058] 表1

[0059] 本发明是按照正侧视模型进行论述，对于斜视模式也可进行得到类似结论。

[0060] 本发明主要针对P波段SAR的方位空变运动误差补偿，对于合成孔径较长的L波段SAR，本发明同样适用。

[0061] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。