機(jī)載超高分辨率sar反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，超高分辨率條件下，雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)傳感器不能完全補(bǔ)償航跡偏移等引入的相位誤差，并進(jìn)而影響圖像聚焦質(zhì)量。此時(shí)，利用反投影類算法重建圖像中目標(biāo)散焦會(huì)沿著不同的傾斜方向存在，并且目標(biāo)距離徙動(dòng)不能嚴(yán)格現(xiàn)在一個(gè)距離分辨單元內(nèi)，傳統(tǒng)的自聚焦處理失效。針對(duì)此問題，本發(fā)明提出修正成像柵格的子帶寬自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理；在修正后數(shù)據(jù)采集斜平面重建圖像，完全去除了目標(biāo)散焦方向的空變特性；然后，對(duì)反投影處理數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶寬分解，相位梯度自聚焦及拼接得到重聚焦圖像。與現(xiàn)有算法相比，本發(fā)明考慮到高階運(yùn)動(dòng)相位誤差，并實(shí)現(xiàn)了反投影類算法重建圖像中相位誤差的有效補(bǔ)償。
【專利說明】機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng) 補(bǔ)償方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 反投影（Backprojection,BP)算法是一種經(jīng)典的合成孔徑雷達(dá)（Synthetic ApertureRadar,SAR)時(shí)間域成像方法。BP處理中，SAR回波數(shù)據(jù)經(jīng)過空變反投影和方位 向匹配濾波得到圖像，運(yùn)算量非常大。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常采取快速反投影方法代替BP來實(shí) 現(xiàn)SAR數(shù)據(jù)高效率的聚焦成像。本發(fā)明將BP以及各類快速反投影方法統(tǒng)稱為反投影類算 法。反投影類算法精度較高，在任意已知航跡條件下均能實(shí)現(xiàn)SAR數(shù)據(jù)的良好聚焦，在大斜 視、非線性孔徑、雙（多）基地以及新體制SAR配置下得到了廣泛地應(yīng)用。
[0003] 然而，實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí)，雷達(dá)平臺(tái)航跡擾動(dòng)往往不可避免。運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)精度 受限于硬件性能，通常不能完全補(bǔ)償平臺(tái)航跡偏移引入的運(yùn)動(dòng)相位誤差，導(dǎo)致重建圖像出 現(xiàn)散焦和幾何失真現(xiàn)象。采用反投影類算法重建圖像時(shí)，運(yùn)動(dòng)誤差引入的目標(biāo)散焦會(huì)沿著 不同的傾斜方向存在，殘留距離徙動(dòng)（RangeCellMigration,RCM)不能嚴(yán)格限制在一個(gè) 分辨單元內(nèi)，自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償較為困難?，F(xiàn)有技術(shù)中，C.V.Jakowatz等分析了BP圖像的 性質(zhì)，修正成像網(wǎng)格，并得出小場(chǎng)景范圍內(nèi)可以直接應(yīng)用相位梯度自聚焦（phasegradient autofocus，PGA)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)論?？焖俜纸夥赐队埃╢astbackprojection，F(xiàn)FBP)算 法的子孔徑自聚焦處理在每個(gè)迭代階段對(duì)子圖像分別進(jìn)行多普勒調(diào)頻斜率估計(jì)以及相位 補(bǔ)償。然而，現(xiàn)有的自聚焦方法沒有考慮到高頻運(yùn)動(dòng)相位誤差；基于最大化圖像清晰度準(zhǔn) 則上提出的BP圖像自聚焦處理，運(yùn)算量大并且異常復(fù)雜；此外，基于幾何空間的分解自聚 焦處理則需要依賴于高精度的運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)有方法中，考慮采用類極坐標(biāo)格式柵格進(jìn) 行投影成像，僅能在一定條件下消除場(chǎng)景中心部分區(qū)域的目標(biāo)散焦空變特性；此外，基于 FFBP的子孔徑自聚焦沒有考慮高階相位誤差，并且大斜視條件下應(yīng)用困難。因此現(xiàn)有技術(shù) 中在機(jī)載超高分辨率條件下，反投影類重建圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償上仍存在缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供機(jī)載超高分辨率SAR 反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，本發(fā)明采用空變非均勻間隔柵格重建圖像，然后進(jìn)行 子帶寬分解后PGA處理，可以實(shí)現(xiàn)SAR圖像中的相位誤差函數(shù)的高精度補(bǔ)償；此外利用二維 互相關(guān)運(yùn)算提取峰值位置，計(jì)算相位補(bǔ)償函數(shù)并拼接可以得到重聚焦圖像。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提出的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，包括 以下步驟：
[0007] 步驟一、修正成像柵格進(jìn)行反投影處理，重建反投影圖像，去除反投影圖像中目標(biāo) 散焦方向的空變特性；
[0008] 步驟二、將步驟一中的反投影處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)距離向帶寬分解后采用相位梯度自 聚焦進(jìn)行自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理，得到粗分辨率子圖像；
[0009] 步驟三、將步驟二中的粗分辨率子圖像進(jìn)行二維相關(guān)運(yùn)算并提取峰值位置，計(jì)算 相位偏差并換算為相位補(bǔ)償函數(shù)，粗分辨率子圖像乘以各自的相位補(bǔ)償函數(shù)后再拼接得到 全分辨率重聚焦圖像。
[0010] 作為本發(fā)明的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的進(jìn)一步 優(yōu)化的方案，所述步驟三之后還包括步驟四，具體如下：采用圖像插值校正在步驟一中修正 成像柵格時(shí)在反投影圖像中引入的空變幾何失真。
[0011] 作為本發(fā)明的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的進(jìn)一步 優(yōu)化的方案，所述步驟一中的去除反投影圖像中目標(biāo)散焦方向的空變特性是將投影平面設(shè) 置為數(shù)據(jù)采集斜平面，修正后的柵格坐標(biāo)為:
[0012] 其中，Riq是成像位置（X1,Y1)對(duì)應(yīng)的航路捷徑距離，d。。是場(chǎng)景中心到孔徑中心的 瞬時(shí)距離，Θ為斜視角度。
[0013] 作為本發(fā)明的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的進(jìn)一步 優(yōu)化的方案，所述步驟三中二維相關(guān)運(yùn)算的表達(dá)式為
[0014] i?(i； ,R10)= / ?；(χ,,Λ/0) ?Iu (-X1 ,-/?/〇);
[0015] 其中，?表示卷積運(yùn)算，為ZftCbD沿方位向和距離向翻折后的數(shù) 據(jù)，//義V為》)是第〇幅粗分辨率子圖像數(shù)據(jù)，，為《,)表示第i幅粗分辨率子圖像數(shù)據(jù)，i為大于或等于〇的整數(shù)。
[0016] 作為本發(fā)明的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的進(jìn)一步 優(yōu)化的方案，所述步驟三中相位補(bǔ)償函數(shù)為
[0017] H(i,Kj=exp(jπKaRmax)；
[0018] 其中，Rniax為相關(guān)運(yùn)算后數(shù)據(jù)R(XxdRiq)的峰值位置,Kci為方位向空間頻率,j為 虛數(shù)。
[0019] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0020] (1)本發(fā)明首次引入沿斜距平面設(shè)置的空變非均勻間隔柵格，去除了SAR數(shù)據(jù)反 投影重建圖像中目標(biāo)散焦方向的空變特性；
[0021] (2)本發(fā)明首次引入反投影處理后數(shù)據(jù)的子帶寬分解PGA處理，降低分辨率后利 用PGA運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，然后拼接實(shí)現(xiàn)波束照射范圍內(nèi)全場(chǎng)景圖像的有效運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；
[0022] (3)本發(fā)明方法采用空變非均勻間隔柵格重建圖像，然后進(jìn)行子帶寬分解后PGA 處理，可以實(shí)現(xiàn)SAR圖像中的相位誤差函數(shù)的高精度補(bǔ)償。此外，利用二維互相關(guān)運(yùn)算提取 峰值位置，計(jì)算相位補(bǔ)償函數(shù)并拼接可以得到重聚焦圖像。因此，本發(fā)明方法使聚焦點(diǎn)目標(biāo) 聚焦得到了有效改善，場(chǎng)景聚焦范圍也得到了顯著擴(kuò)展。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖Ia是聚束SAR數(shù)據(jù)采集空間幾何關(guān)系圖。
[0024] 圖Ib是反投影成像模型圖。
[0025] 圖2a是BP重建圖像時(shí)對(duì)應(yīng)柵格。
[0026] 圖2b是修正后成像柵格。
[0027] 圖2c是BP重建圖像。
[0028] 圖2d是修正柵格后重建圖像。
[0029] 圖3a是無運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)超高分辨率SAR反投影重建圖像。
[0030] 圖3b是運(yùn)動(dòng)誤差存在時(shí)重建圖像。
[0031] 圖4是本發(fā)明中修正柵格子帶寬自聚焦流程圖。
[0032] 圖5a是運(yùn)動(dòng)誤差存在時(shí)BP重建圖像的正側(cè)視仿真結(jié)果圖。
[0033] 圖5b是運(yùn)動(dòng)誤差存在時(shí)修正成像柵格重建圖像的正側(cè)視仿真結(jié)果圖。
[0034] 圖5c是BP圖像直接進(jìn)行PGA處理的正側(cè)視仿真結(jié)果圖。
[0035] 圖5d是修正投影柵格重建圖像直接PGA處理的正側(cè)視仿真結(jié)果圖。
[0036] 圖5e是BP圖像子帶寬PGA處理的正側(cè)視仿真結(jié)果圖。
[0037] 圖5f是修正柵格重建圖像子帶寬PGA處理的正側(cè)視仿真結(jié)果圖。
[0038] 圖6a是運(yùn)動(dòng)誤差存在時(shí)BP重建圖像的斜視仿真結(jié)果圖。
[0039] 圖6b是運(yùn)動(dòng)誤差存在時(shí)修正成像柵格重建圖像的斜視仿真結(jié)果圖。
[0040] 圖6c是BP圖像直接進(jìn)行PGA處理的斜視仿真結(jié)果圖。
[0041] 圖6d是修正投影柵格重建圖像直接PGA處理的斜視仿真結(jié)果圖。
[0042] 圖6e是BP圖像子帶寬PGA處理的斜視仿真結(jié)果圖。
[0043] 圖6f是修正柵格重建圖像子帶寬PGA處理的斜視仿真結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0045] 圖Ia是聚束SAR數(shù)據(jù)采集空間幾何關(guān)系圖，其中，場(chǎng)景中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，雷達(dá) 平臺(tái)沿著X軸以速度Vt和恒定高度h飛行，反投影柵格沿著地平面設(shè)置，Rp(t)表示坐標(biāo)為 (Xp，yp)的點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)航跡的瞬時(shí)距離，Xp和yp分別為該目標(biāo)沿X軸和Y軸的坐標(biāo)（鑒 于雷達(dá)平臺(tái)沿著X軸飛行，Xp也可以稱為方位向坐標(biāo)）。圖Ib是反投影成像模型圖。
[0046] 雷達(dá)發(fā)射調(diào)頻斜率為k，載頻是f。的線性調(diào)頻信號(hào)，基于波動(dòng)方程和Born近似可 以得到SAR回波為：
[0047] sr(τ,t) ^F[T] (τ,t)
[0048] = /exp[-j4πRp(t)/λ] ·exp{-j2πfr[τ-2Rp(t)/c0]} *ATE(t,fr) ·T(xp,yp) dfrdxpdyp
[0049] (I)
[0050] 其中，Ctl為光速，λ是載波波長，τ表示距離向時(shí)間，t是以t。為中心的方位向時(shí) 間，t。為方位向的中間時(shí)間，/ ·df；dxpdyp表示對(duì)距離向頻率f；和目標(biāo)坐標(biāo)Xp和yp的多重 積分，T(Xp，yp)是坐標(biāo)為（Xp，yp)的點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)反射系數(shù)，Atk為復(fù)數(shù)幅度函數(shù)，包含發(fā)射 機(jī)和接收機(jī)的天線方向圖、發(fā)射信號(hào)波形、幾何延展因子等參數(shù)，sjτ，t)為SAR回波。對(duì) 各向同性的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，Atk可以表示為

【權(quán)利要求】
1. 機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟一、修正成像柵格進(jìn)行反投影處理，重建反投影圖像，去除反投影圖像中目標(biāo)散焦 方向的空變特性； 步驟二、將步驟一中的反投影處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)距離向帶寬分解后采用相位梯度自聚焦 進(jìn)行自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理，得到粗分辨率子圖像； 步驟三、將步驟二中的粗分辨率子圖像進(jìn)行二維相關(guān)運(yùn)算并提取峰值位置，計(jì)算相位 偏差并換算為相位補(bǔ)償函數(shù)，粗分辨率子圖像乘以各自的相位補(bǔ)償函數(shù)后再拼接得到全分 辨率重聚焦圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，其 特征在于，所述步驟三之后還包括步驟四，具體如下：采用圖像插值校正在步驟一中修正成 像柵格時(shí)在反投影圖像中引入的空變幾何失真。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，其 特征在于，所述步驟一中的去除反投影圖像中目標(biāo)散焦方向的空變特性是將投影平面設(shè)置 為數(shù)據(jù)采集斜平面，修正后的柵格坐標(biāo)為卜々4,-.―巧2)； 其中，Rltl是成像位置（X1^1)對(duì)應(yīng)的航路捷徑距離，d。。是場(chǎng)景中心到孔徑中心的瞬時(shí) 距離，θ為斜視角度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，其 特征在于，所述步驟三中二維相關(guān)運(yùn)算的表達(dá)式為 R(if X1 ,Rin) = Ifj(χ,,Λ/0) ?Ih(-X1,-Λ?())； 其中，?表示卷積運(yùn)算，焉o)為沿方位向和距離向翻折后的數(shù)據(jù)， J是第0幅粗分辨率子圖像數(shù)據(jù)，表示第i幅粗分辨率子圖像數(shù)據(jù)，i為 大于或等于〇的整數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)載超高分辨率SAR反投影圖像的自聚焦運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，其 特征在于，所述步驟三中相位補(bǔ)償函數(shù)為 H(i，Ka) =exp(jπKaRmax); 其中，Rmax為相關(guān)運(yùn)算后數(shù)據(jù)R(i，Xl，Rici)的峰值位置，Ka為方位向空間頻率，j為虛 數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK104316924SQ201410547103
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】王昕 , 朱劍, 蔣銳 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)