ScanSAR滾動角估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子信息行業(yè)雷達技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)聯(lián) 合解算的ScanSAR滾動角估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] ScanSAR模式是合成孔徑雷達的重要模式之一，其主要通過波束在距離向的掃描 切換，擴展了觀測帶寬度，對縮短全球觀測周期及檢測大規(guī)模地表現(xiàn)象等都有著重要意義。 由于ScanSAR的寬測繪能力是通過對各個子帶進行組合實現(xiàn)的，因此需要保證各個子帶的 輻射均勻性。而在實際系統(tǒng)中，子帶間仍存在一定的輻射不均勻，需要對其進行輻射校正。
[0003] 影響ScanSAR距離向輻射均勻性的因素主要有三個：一是天線方向圖的形狀誤 差，主要是指由于測量導致的天線方向圖本身的誤差，此誤差由外定標技術(shù)指標決定；二是 滾動角誤差引起的天線方向圖校正誤差，主要是指在輻射校正中由于存在滾動角誤差導致 距離向天線方向圖應用出現(xiàn)錯位；三是由其他多種因素引起的波束間相對增益偏差，主要 是指各個子帶間存在整體性的增益偏差。因此在距離向進行輻射校正的關(guān)鍵就是進行精確 的滾動角估計和波束間相對增益估計。
[0004] 目前，國內(nèi)外針對ScanSAR模式距離向輻射校正的研究大多針對滾動角估計算法 的研究，參考文獻1提出通過比較相鄰子帶的重疊區(qū)域的圖像等強度點與兩個距離向天線 方向圖的等增益點之間的位置偏差來估計滾動角。參考文獻2提出以一定的滾動角估計值 計算距離向天線方向圖校正函數(shù)，比較校正后兩子帶圖像重疊區(qū)功率的對比關(guān)系后，逐步 調(diào)制滾動角直至二者相等。參考文獻3和參考文獻4在滾動角估計中也考慮了波束間相對 增益偏差，同時參考文獻4的方法在滾動角估計中考慮到了各個子帶具有不同的滾動角誤 差，因此下面著重對參考文獻4的基于最小二乘估計的改進算法進行介紹。
[0005] 考慮第i個子帶的圖像，對功率取對數(shù)，以dB為單位，在方位向上進行平均，可得 圖像功率隨距離向視角Θ的變化關(guān)系，記為 Sl(0)，則可建立下面的常用模型：
[0006] 8ι(θ)^Ψ?(Θ + φ?) + ?(θ) + 01+Ν (1)
[0007] 其中，G表示歸一化后的系統(tǒng)增益，示雙程距離向天線方向圖，Ι( Θ )表示與 目標相關(guān)的因素，包括散射特性，入射角等，N表示斑點噪聲，約;就是滾動角。
[0008] 對第i+Ι個子帶，用同樣的方式可以得到S1+1( Θ )，將兩者相減以消除目標相關(guān)的 因素并忽略噪聲，可得式（2):
[0009] S1 ( Θ ) -S1+1 ( Θ ) = [G1-G1J + [W1 ( θ + φ J -Wi+1 ( θ + φ i+1) ] (2)
[0010] 在實際工作中，由于波束間相對增益偏差的存在，-G=,并不為零，一般來講 波束間相對增益偏差是一個常數(shù)，因此引入一個常數(shù)h來表示，將式（2)記為：
[0011] S1(Q)-S1^e) = [ΚΘ+ΦΟ-ΚΘ+Φμ)]+!! (3)
[0012] 對式中W1做泰勒展開，記其導數(shù)為D 1可得下式：
[0013] 8,(9)-8^(0) = [￥1(θ)-Ιι+1(θ)] + [φι01(θ)-φι+1?1+1(θ)]+Κ (4)
[0014] 由于距離向視角Θ的取值范圍為相鄰子帶重疊區(qū)域內(nèi)的每個距離門對應的距離 向視角，因此式（4)所示為一個方程組，可以用矩陣的方法進行求解。為了提高精度，還可 以加入迭代的思想，每次求出估計結(jié)果與真實值間的偏差，逐次逼近真實值。
[0015] 值得注意的是，當有多個子帶（大于兩個）時，式（4)仍是每兩個子帶進行一次求 解，并通過平均的方法對各個子帶的滾動角進行最終估計。
[0016] 參考文獻1、2、3的方法都假設(shè)了各個子帶有相同的滾動角誤差，這并不滿足實際 系統(tǒng)的情況，因此難以獲得較高的精度。同時，參考文獻1、2的方法還沒有考慮波束間相對 增益偏差在滾動角估計中的影響，因此估計精度會更差。
[0017] 參考文獻4的方法考慮了各個子帶間滾動角的不同，并同時對滾動角和波束間相 對增益偏差進行了估計，但其解方程的過程中仍存在難以克服的問題，即：當相鄰兩個子 帶的重疊區(qū)域天線方向圖的線性性很強時，盡管式（4)所示的方程組中方程個數(shù)很多，但 由于各個方程間相關(guān)性太強，事實上方程組是欠定的，算法無法實施，此時的估計結(jié)果會很 差。而在實際ScanSAR系統(tǒng)中，某些子帶的距離向天線方向圖邊緣的線性性會非常強，這導 致算法難以應用于實際處理系統(tǒng)。
[0018] 另外，以上所有的方法都是只根據(jù)兩個子帶的重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)分別對各個子帶進 行滾動角估計，當有多個子帶時，相當于忽視了子帶間的相互約束關(guān)系，會導致估計精度的 下降。
[0019] 總之，現(xiàn)有方法在估計精度上都不能滿足ScanSAR系統(tǒng)的要求，因此本發(fā)明主要 解決的就是滾動角估計方法的精度問題。
[0020] 參考文獻 I :R. Bamler，"Roll Angle Estimation in SIR-C ScanSAR Processing'，，Jet Proplusion Lab，Pasadenna，CA，JPL Interoffice Memo334〇-94-〇30, 1994.
[0021] 參考文獻2 :M. Goulding，"Roll Angle Estimation for ScanSAR Processing in the CDPF"，MacDoald，Dettwilerand Assoc. Ltd，Richmond，BC，Canada，Tech. Rep. 1997.
[0022] 參考文獻 3 :Μ· V. Dragosevic，"Roll Angle Measurement and Compensation Strategy for RADARSAT ScanSAR''，in CEOS SAR Workshop，Toulouse，ECS-CNES，October 26-29,1999.
[0023] 參考文獻4 :李幸，洪峻，"一種基于最小二乘法的星載ScanSAR滾動角迭代估計算 法"，電子與信息學報，vol. 30, no. 9, 2008, PP. 2099-2102.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] (一）要解決的技術(shù)問題
[0025] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)聯(lián)合解算的 ScanSAR滾動角估計方法，以提高滾動角估計方法的精度。
[0026] (二）技術(shù)方案
[0027] 本發(fā)明基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)聯(lián)合解算的ScanSAR滾動角估計方法包括：步驟A : 對于重疊區(qū)中N個子帶中第i個子帶的圖像，對功率取對數(shù)，在方位向上進行平均，得到圖 像功率隨距離向視角Θ的變化關(guān)系，記為S 1(Q),對其進行建模；步驟B:基于迭代方式，對 于N個子帶，將相鄰的第i個和第i+Ι個子帶的模型相減；步驟C :對于N個子帶的N-I個 重疊區(qū)中的第i個重疊區(qū)，以矩陣的形式表示方程組；步驟D :將關(guān)于N-I個重疊區(qū)的方程 組合并為一個，并將其轉(zhuǎn)換為矩陣形式；步驟E :對矩陣形式的關(guān)于N-I個重疊區(qū)的方程組 進行求解，得到當前估計值與真實值之間的偏差的序列；以及步驟F :基于當前估計值與真 實值之間的偏差的序列的值，采用迭代方式求解滾動角序列的值。
[0028] (三）有益效果
[0029] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)聯(lián)合解算的ScanSAR滾 動角估計方法具有以下有益效果：
[0030] (1)在滾動角估計中聯(lián)合考慮了全部重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)，利用了各個子帶滾動角的 相互約束關(guān)系，估計精度有較大提高，對ScanSAR模式下距離向輻射校正有著重要意義；
[0031] (2)在估計中對距離向天線方向圖的非線性性要求較低，即使子帶重疊區(qū)域天線 線性性很強時，也能得到準確的估計結(jié)果，有較強的魯棒性。
【附圖說明】
[0032] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)的ScanSAR滾動角估計方法的流 程圖；
[0033] 圖2為仿真實驗中雙程距離向天線方向圖；
[0034] 圖3為仿真實驗中，加入隨機滾動角誤差和波束間相對增益偏差時，用現(xiàn)有技術(shù) 方法及本實施例方法分別得到的估計結(jié)果進行距離向輻射校正后殘余誤差情況的對比。
【具體實施方式】
[0035] 本發(fā)明提出了一種基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)的ScanSAR滾動角估計方法，同時對滾 動角和波束間相對增益偏差進行了估計，提高了二者的估計精度，對ScanSAR模式下距離 向輻射校正有著重要意義。
[0036] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0037] 在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)的ScanSAR 滾動角估計方法。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)的ScanSAR滾動角估計 方法的流程圖。如圖1所示，本實施例基于多個重疊區(qū)域數(shù)據(jù)的ScanSAR滾動角估計方法 包括：
[0038] 步驟A :對于重疊區(qū)中N個子帶中第i個子帶的圖像，對功率取對數(shù)，在方位向上 進行平均，得到圖像功率隨距離向視角Θ的變化關(guān)系，記為S 1(Q),對其進行建模，得