專利名稱：一種適用于低對比度場景合成孔徑雷達(dá)成像的自聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑雷達(dá)(SAR)的成像，特別是涉及一種適用于低對比度場景成像的SAR自聚焦方法。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)雷達(dá)以飛機(jī)、衛(wèi)星為平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積地面場景的成像。并以其具有的穿透性、全天時、全天候等優(yōu)良特性在遙感、偵察、警戒、測繪、考古等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
在SAR成像中，單目標(biāo)的方位回波信號通常可由一個二階的多項(xiàng)式相位信號(PPS)來建模。當(dāng)PPS的各階系數(shù)已知，即多普勒中心(fc)和多普勒調(diào)頻率(fr)已知時，現(xiàn)有的成像算法(如距離-多普勒(R-D)、波數(shù)域(ω-K)等)能夠很好地重構(gòu)散射點(diǎn)的“二維像”。然而，由于平臺運(yùn)動的不穩(wěn)定性、算法的近似處理、系統(tǒng)參數(shù)的波動等原因，PPS系數(shù)是時變和不確定的。并且，系數(shù)的估計(jì)誤差會導(dǎo)致圖像偏移、散焦和幾何失真等問題，其中最為嚴(yán)重的影響通常為fr估計(jì)誤差導(dǎo)致的圖像散焦。因此，實(shí)際成像中需要實(shí)時準(zhǔn)確地估計(jì)出PPS的各階系數(shù)。
對于fc和fr的估計(jì)和補(bǔ)償，一種最直接的方法是通過硬件記錄的平臺運(yùn)動信息來進(jìn)行動態(tài)的補(bǔ)償將平臺等參數(shù)補(bǔ)償?shù)嚼硐霠顟B(tài)。但是，受現(xiàn)有硬件水平的限制，運(yùn)動測量設(shè)備(如慣導(dǎo)系統(tǒng)等)的精度并不能完全地補(bǔ)償平臺的非理想運(yùn)動。因此，實(shí)際成像中需要利用接收信號數(shù)據(jù)本身的信息作進(jìn)一步的估計(jì)和補(bǔ)償。通常，基于接收數(shù)據(jù)進(jìn)行的fc的估計(jì)稱為“雜波鎖定”，而基于接收數(shù)據(jù)對fr的估計(jì)稱為“自聚焦”(實(shí)際的成像及運(yùn)動補(bǔ)償過程見附圖1)。
由于在SAR照射期間強(qiáng)散射成分可由前述的PPS信號建模，而其余弱散射成分相對強(qiáng)散射成分可以忽略，因此現(xiàn)有SAR自聚焦方法通常通過直接估計(jì)PPS信號的系數(shù)來得到fr的估計(jì)，如Mapdrift和PGA算法等(W.G.Carrara，R.S.Goodmanand R.M.Majewski，Spotlight synthetic aperture radar signal processingalgorithm，Norwood，MAArtech House，pp 245-287，1995)。但是，現(xiàn)有且其對fr的估計(jì)一般是建立在對fc的估計(jì)基礎(chǔ)上的，因此fc的估計(jì)誤差必然會傳遞到fr的估計(jì)中，即存在“誤差傳遞”效應(yīng)。更為嚴(yán)重的是當(dāng)成像場景由均勻分布的背景成分組成(如沙漠、田野、水面等)時，即場景中無獨(dú)立的強(qiáng)散射成分，則SAR接收信號是前述大量的具有不同時延的PPS信號的疊加。那么，基于強(qiáng)散射成分的現(xiàn)有方法的性能必然會嚴(yán)重下降甚至完全失效。另外，由于缺乏對場景的背景的有效描述，現(xiàn)有的自聚焦方法通常忽略場景的背景成分，因此它們通常不能準(zhǔn)確地獲取自聚焦方法的內(nèi)在精度限制，難以選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)。
本發(fā)明人在中國專利申請?zhí)枮椤?3160052.2”的專利“一種機(jī)載雷達(dá)的模型化雜波多普勒參數(shù)估計(jì)方法”中，提出了一種機(jī)載雷達(dá)的“多普勒分布式雜波模型(DDC)”，雜波和噪聲多普勒信號可以由一個非相干分布源模型來建模。其中，高斯型DDC模型的協(xié)方差矩陣的解析表達(dá)式如下式所示[R]m,n=1M=σc2ej2πfcΔe(-(2π(m-n)ρfΔ)22)+σv2δmn----(1)]]>其中M為雜波信號的采樣點(diǎn)數(shù)，Δ為雷達(dá)的脈沖重復(fù)間隔，fc和ρf為DDC模型的多普勒中心和多普勒擴(kuò)展參數(shù)，且 而σc2和σv2代表雜波和噪聲的散射強(qiáng)度。該專利所提供的方法可利用DDC模型，在i.i.d樣本數(shù)較少的情況下得到模型中[fc，ρf，σc2，σv2]的參數(shù)估計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用多普勒分布式雜波(DDC)模型對SAR的均勻的背景散射成分進(jìn)行建模，在低對比度場景下實(shí)現(xiàn)成像的自聚焦。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種適用于低對比度場景合成孔徑雷達(dá)成像的自聚焦方法，包括如下步驟(1)由合成孔徑雷達(dá)獲取低對比度場景的采樣數(shù)據(jù)；(2)用采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成樣本協(xié)方差矩陣；(3)將樣本協(xié)方差矩陣與多普勒分布式雜波模型擬合估計(jì)多普勒中心fc和多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf；(4)根據(jù)多普勒中心fc和多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf獲得多普勒調(diào)頻率fr的估計(jì)。
其中，步驟(4)對于多普勒調(diào)頻率fr的估計(jì)具體包括如下步驟(a)由多普勒中心fc和多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf估計(jì)平臺的前向速度vs；
(b)通過順序得到的兩個fc估計(jì)平臺徑向加速度a；(c)根據(jù)平臺的前向速度vs和徑向加速度a估計(jì)多普勒調(diào)頻率fr。
本發(fā)明提出的自聚焦方法的優(yōu)點(diǎn)在于1)本發(fā)明是利用成像場景中的背景成分，即雜波和噪聲，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)而達(dá)到成像自聚焦的目的，當(dāng)目標(biāo)強(qiáng)散射成分越低，即場景的對比度越低，本發(fā)明的自聚焦效果越好。因此，本發(fā)明可以與現(xiàn)有的自聚焦方法形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對任意場景的SAR自聚焦。
2)本發(fā)明的方法對自聚焦參數(shù)估計(jì)的內(nèi)在精度限制是可以解析表達(dá)的，因此可以根據(jù)這個解析式進(jìn)行有效的自聚焦過程中的參數(shù)選擇。
3)fc和fr是聯(lián)合估計(jì)得到的，因此可以避免“雜波鎖定”與“自聚焦”之間的“誤差傳遞”效應(yīng)。


圖1是典型的合成孔徑雷達(dá)(SAR)的成像流程圖；圖2是依照本發(fā)明的合成孔徑雷達(dá)成像的自聚焦方法的流程圖；圖3是ECRIEE的Ku波段SAR對極低對比度場景的自聚焦成像圖，其中(a)為不經(jīng)過自聚焦，直接由硬件記錄信息得到的成像結(jié)果；(b)為采用傳統(tǒng)的Mapdrift方法得到的成像結(jié)果，(c)為利用本發(fā)明的方法獲得的成像圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖1是典型的合成孔徑雷達(dá)(SAR)的成像流程圖，首先SAR通過發(fā)射機(jī)和天線系統(tǒng)不斷地向探測區(qū)域發(fā)射接收脈沖信號，并利用采集器獲取實(shí)際回波的采樣數(shù)據(jù)。SAR的成像處理器首先對每一個脈沖接收數(shù)據(jù)分別進(jìn)行距離壓縮，從而得到目標(biāo)的距離分辨，即獲取目標(biāo)的“距離像”。為了進(jìn)一步獲取對目標(biāo)的方位分辨，同樣需對方位數(shù)據(jù)采用類似的壓縮處理。而目標(biāo)的方位信號如前所述可用前述的二階PPS信號建模，而其二階PPS系數(shù)需通過雜波鎖定(估計(jì)多普勒中心fc)和自聚焦(估計(jì)多普勒調(diào)頻率fr)來進(jìn)行實(shí)時動態(tài)地估計(jì)。通過估計(jì)得到的fc和fr，對距離壓縮后信號在方位做壓縮處理，就可以得到目標(biāo)的“方位像”。通過以上的成像過程，便能夠得到目標(biāo)的“二維像”并顯示出來。
綜上所述，fc和fr的估計(jì)是涉及到獲取目標(biāo)“方位像”的關(guān)鍵。而fc和fr和SAR平臺運(yùn)動及雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系為
fc＝2πvscosc/λ (2)fr＝-2vs2/(λr)+2a/λ(3)其中λ是載波波長，c是方位波束指向的方位角，r表示散射點(diǎn)的斜距，vs和a分別是平臺的前向速度和徑向加速度。
本發(fā)明就是對圖1中的“雜波鎖定”和“自聚焦”步驟給出一種改進(jìn)的方法。本發(fā)明提供的方法按照圖2所示的流程圖執(zhí)行。
首先由合成孔徑雷達(dá)(SAR)獲取短相干積累的采樣數(shù)據(jù)。此時SAR接收到的信號S可以被分解為目標(biāo)信號T、雜波信號C和噪聲v三類獨(dú)立的散射成分，即S＝T+C+v (4)當(dāng)成像場景的目標(biāo)成分微弱，即對比度極低時，目標(biāo)信號T可近似被忽略，這樣S≈C+v(5)在一個相干處理間隔CPI內(nèi)，SAR將一個距離單元的數(shù)據(jù)形成M個CPI采樣，則可由L個距離單元的數(shù)據(jù)構(gòu)成了L×M個獨(dú)立同分布的采樣矢量，則對于L×M個采樣中的每一個采樣都表示為S(i)≈C(i)+v(i) i＝1，ΛΛL×M (6)將L×M個采樣構(gòu)成樣本協(xié)方差矩陣，將該樣本協(xié)方差矩陣與DDC模型聯(lián)合求解，即可得到DDC模型中的未知多普勒參數(shù)。例如，采用SAR具有高斯型的雙向功率方向圖時，可使用如公式(1)所示出的高斯型DDC模型。其中，可估計(jì)得到的多普勒未知參數(shù)包括多普勒中心fc、多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf、雜波起伏參數(shù)σc2和噪聲起伏參數(shù)σv2。
SAR的平臺前向速度vs可以由多普勒中心fc、多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf獲得，即 而平臺徑向加速度a可以由兩個順序估計(jì)的fc來獲取。在得到平臺前向速度vs和平臺徑向加速度a后，即可根據(jù)公式(3)得到多普勒調(diào)頻率fr的估計(jì)。最后通過估計(jì)得到的fc和fr，與圖1所示的現(xiàn)有的典型成像流程相同，對距離壓縮后信號在方位做壓縮處理，就可以得到目標(biāo)的“方位像”。
為了簡潔地給出自聚焦參數(shù)估計(jì)內(nèi)在精度的限制，不妨設(shè)a≈0。根據(jù)(3)式和(7)式，得到
其中，在公式(7)和(8)中，ρ是雷達(dá)的方位擴(kuò)展參數(shù)，該參數(shù)在雷達(dá)設(shè)計(jì)階段即已確定。針對(1)式的模型，采用最大似然(ML)方法獲取的估計(jì)參數(shù)x＝[fc，ρf，σc2，σv2]的均方誤差矢量的協(xié)方差矩陣可表示為E[(x-x^)2]=J-1=1LM[(DH(R-T⊗R-1)D)]-1----(9)]]>其中D=vecR/xT，是估計(jì)的參數(shù)矢量，代表Kronecker積，L為采樣矢量數(shù)。另外，(9)式也是估計(jì)的Cramer-Rao下界(cRLB)，即基于該模型參數(shù)估計(jì)的內(nèi)在精度限制。而fr的CRLB可進(jìn)一步表示為CRLBfr=DJ-1D]]>其中矢量 顯然，當(dāng)成像場景足夠均勻，即L和M足夠大，本發(fā)明提出的方法能夠獲取足夠精確的參數(shù)估計(jì)性能。反之，同樣可以根據(jù)設(shè)定的精度要求，確定L和M的大小，這個過程是傳統(tǒng)方法難以達(dá)到的。
圖3是利用中國電子科技集團(tuán)華東電子工程研究所(ECRIEE)的Ku波段SAR對低對比度場景的自聚焦成像圖，其中(a)為不經(jīng)過自聚焦，直接由硬件記錄信息得到的成像結(jié)果(b)為采用傳統(tǒng)的Mapdrift方法得到的成像結(jié)果，(c)為利用本發(fā)明的方法獲得的成像圖。從圖中可看出未自聚焦的成像結(jié)果最差，經(jīng)過Mapdrift自聚焦方法在高對比度場景中能夠得到較好的聚焦效果，而對低對比度場景的聚焦效果不佳。本發(fā)明提出的方法能夠?qū)Σ煌瑢Ρ榷葓鼍熬@得理想的聚焦效果。
權(quán)利要求
1.一種適用于低對比度場景合成孔徑雷達(dá)成像的自聚焦方法，包括如下步驟(1)由合成孔徑雷達(dá)獲取低對比度場景的采樣數(shù)據(jù)；(2)用采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成樣本協(xié)方差矩陣；(3)將樣本協(xié)方差矩陣與多普勒分布式雜波模型擬合估計(jì)多普勒中心fc和多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf；(4)根據(jù)多普勒中心fc和多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf獲得多普勒調(diào)頻率fr的估計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑雷達(dá)成像的自聚焦方法，其特征在于，步驟(4)對于多普勒調(diào)頻率fr的估計(jì)具體包括如下步驟(a)由多普勒中心fc和多普勒譜寬擴(kuò)展系數(shù)ρf估計(jì)平臺的前向速度vs；(b)通過順序得到的兩個fc估計(jì)平臺徑向加速度a；(c)根據(jù)平臺的前向速度vs和徑向加速度a估計(jì)多普勒調(diào)頻率fr。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于低對比度場景合成孔徑雷達(dá)成像的自聚焦方法，該包括如下步驟(1)由合成孔徑雷達(dá)獲取低對比度場景的采樣數(shù)據(jù)；(2)用采樣數(shù)據(jù)構(gòu)成樣本協(xié)方差矩陣；(3)將樣本協(xié)方差矩陣與多普勒分布式雜波模型擬合估計(jì)多普勒中心f
文檔編號G01S13/90GK1601297SQ0315442
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月28日
發(fā)明者許稼, 彭應(yīng)寧, 夏香根, 林彥, 蘇志剛 申請人:清華大學(xué)