基于雜波相消的hrws sar通道相位偏差校正方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術領域，更進一步，涉及基于雜波相消的方位多通道高分辨率 寬測繪帶（HRWS)合成孔徑雷達（SAR)系統(tǒng)通道相位偏差校正方法。
【背景技術】
[0002] 合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR)因其全天時全天候高分辨 率對地觀測能力已在海洋監(jiān)測、農(nóng)業(yè)普查等方面得到了廣泛的應用。方位多通道SAR 可有效克服傳統(tǒng)單通道SAR系統(tǒng)面臨的"最小天線面積"約束，實現(xiàn)高分辨率寬測繪帶 (High-Resolution and Wide-Swath，HRWS)對地觀測。在該體制下，雷達脈沖重復頻率 (Pulse Repetition Frequency，PRF)低于雷達系統(tǒng)各接收通道信號的多普勒帶寬，系統(tǒng)需 在成像處理前利用數(shù)字波束形成技術進行多普勒譜重構(gòu)。
[0003] 為保證方位多通道HRWS SAR系統(tǒng)的多普勒譜重構(gòu)性能，系統(tǒng)需保證良好的通道間 幅相一致性。但在實際系統(tǒng)中，由于空間溫度變化等非理想因素的存在，系統(tǒng)通道間通常存 在一定的幅相誤差，這將嚴重影響SAR成像性能。因此，在方位多通道HRWS SAR成像處理 前需對通道間幅相誤差進行校正。
[0004] 在方位多通道HRWS SAR系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)通道相位偏差的校正是研制人員必須考 慮、無法回避的問題。目前，該問題已成為國內(nèi)外研究的熱點問題。張雙喜等人提出了通過 最大化聚焦后圖像的對比度估計相位偏差的方法，但該方法運算量大；李真芳等人提出利 用子空間估計理論給出了相位偏差校正算法，但該方法需進行特征值分解，運算量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足，，提供了一種基于雜波相消的HRWS SAR 通道相位偏差校正方法，該方法利用除參考通道外的信號重構(gòu)參考通道回波信號，并以此 信號對參考通道實際信號進行雜波相消，以最大化參考通道雜波相消為優(yōu)化目標，實現(xiàn)通 道間相位偏差估計，消除了方位多通道HRWS SAR面臨的相位偏差，實現(xiàn)高精度SAR成像。
[0006] 為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。
[0007] -種基于雜波相消的HRWS SAR通道相位偏差校正方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，輸入多通道HRWS SAR回波數(shù)據(jù)：將方位多通道HRWS SAR回波數(shù)據(jù)進行輸 入進合成孔徑雷達系統(tǒng)，通道個數(shù)為M ;
[0009] 步驟2,方位向傅里葉變換：將各通道回波數(shù)據(jù)進行方位向傅里葉變換；
[0010] 步驟2,選擇參考通道：將第1個通道選擇為通道相位偏差參考通道；
[0011] 步驟4,計算各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s ;
[0012] 步驟5,構(gòu)造雜波相消優(yōu)化代價函數(shù)；
[0013] 步驟6,通過步驟5中得到的雜波相消優(yōu)化代價函數(shù)，將雜波相消問題轉(zhuǎn)為恒模優(yōu) 化問題；
[0014] 步驟7,以最大化雜波相消為目標，利用經(jīng)典優(yōu)化算法，求解恒模優(yōu)化問題；
[0015] 步驟8,根據(jù)步驟7中得到的恒模優(yōu)化結(jié)果，輸出通道間相位偏差估計值。
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟4中計算各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s，包括步驟 如下：
[0017] 步驟4. 1，構(gòu)造方位多通道HRWS SAR傳遞函數(shù)矩陣H，傳遞函數(shù)矩陣H各行向量分 別為通道m(xù)(m = 2,3，"·，Μ)的導向矢量；
[0018] 步驟4. 2,傳遞函數(shù)矩陣H求逆，求得信號重構(gòu)矩陣P ;
[0019] 步驟4. 3,構(gòu)造對角矩陣SD，該對角矩陣Sd對角線元素分別為各通道回波信號；
[0020] 步驟4. 4,構(gòu)造參考通道導向矢量h。；
[0021] 步驟4. 5,將信號重構(gòu)矩陣P、對角矩陣Sd和參考通道導向矢量h。相乘，獲得各通 道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s = hPSp
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟5中構(gòu)造雜波相消優(yōu)化代價函數(shù)，包括如下步驟：
[0023] 步驟5. 1，自變量選為通道間相位偏差；
[0024] 步驟5. 2,計算在步驟5. 1中得到的相位偏差下合成的參考通道信號；
[0025] 步驟5. 3,計算步驟5. 2得到的參考通道信號與實際接收信號的差。
[0026] 優(yōu)選地，所述步驟6中將雜波相消問題轉(zhuǎn)為恒模優(yōu)化問題，包括如下步驟：
[0027] 步驟6. 1，求取各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s的協(xié)方差矩陣A ;
[0028] 步驟6. 2,求取各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s與參考通道實際接收 信號的互相關系數(shù)b;
[0029] 步驟6. 3,根據(jù)協(xié)方差矩陣A和互相關系數(shù)b得出恒模優(yōu)化代價函數(shù)f(x)=
，其中，上標H為共輒轉(zhuǎn)置符，
， M-1)為第i個通道的相位偏差，j為虛數(shù)單位。
[0030] 優(yōu)選地，所述步驟7中經(jīng)典優(yōu)化算法采用牛頓迭代法。
[0031] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0032] 1、本發(fā)明采用從雜波相消原理出發(fā)進行的相位偏差估計方法，在國內(nèi)外尚屬首 次，填補了現(xiàn)有技術中的空白；
[0033] 2、本發(fā)明具有運算量小的優(yōu)點；
[0034] 3、本發(fā)明有效解決方位多通道HRWS SAR成像處理中面臨的相位偏差問題，有效保 障方位多通道HRWS SAR系統(tǒng)成像處理性能，實現(xiàn)高精度SAR成像。
【附圖說明】
[0035] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0036] 圖1為方位多通道HRWS SAR系統(tǒng)對地觀測示意圖；
[0037] 圖中，坐標系以衛(wèi)星參考通道天線相位中心（這里假定為通道0)在零方位時刻的 位置為原點，X軸指向衛(wèi)星速度方向，Z軸背向地心指向發(fā)射天線相位中心，Y軸垂直于衛(wèi)星 軌道平面，構(gòu)成右手坐標系。r為雷達參考通道天線相位中心到目標T的斜距矢量，斜距矢 量r在零多普勒平面內(nèi)的投影為r。，其與雷達零多普勒面的夾角Φ稱為錐角，W gl^J測繪帶 寬。
[0038] 圖2為本發(fā)明相位偏差估計步驟圖。
[0039] 圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別為驗證本發(fā)明的實驗數(shù)據(jù)及成像結(jié)果。
【具體實施方式】
[0040] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。
[0041] 實施例
[0042] 本實施例提供了一種基于雜波相消的HRWS SAR通道相位偏差校正方法，包括如 下步驟：
[0043] 步驟1，輸入多通道HRWS SAR回波數(shù)據(jù)：將方位多通道HRWS SAR回波數(shù)據(jù)進行輸 入，通道個數(shù)為M ;
[0044] 步驟2,方位向傅里葉變換：將各通道回波數(shù)據(jù)進行方位向傅里葉變換；
[0045] 步驟2,選擇參考通道：將第1個通道選擇為通道相位偏差參考通道；
[0046] 步驟4,計算各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s ;
[0047] 步驟5,構(gòu)造雜波相消優(yōu)化代價函數(shù)；
[0048] 步驟6,通過步驟5中得到的雜波相消優(yōu)化代價函數(shù)，將雜波相消問題轉(zhuǎn)為恒模優(yōu) 化問題；
[0049] 步驟7,以最大化雜波相消為目標，利用經(jīng)典優(yōu)化算法，求解恒模優(yōu)化問題；
[0050] 步驟8,根據(jù)步驟7中得到的恒模優(yōu)化結(jié)果，輸出通道間相位偏差估計值。
[0051] 進一步地，所述步驟4中計算各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s，包括步 驟如下：
[0052] 步驟4. 1，構(gòu)造方位多通道HRWS SAR傳遞函數(shù)矩陣H，傳遞函數(shù)矩陣H各行向量分 別為通道m(xù)(m = 2,3，"·，Μ)的導向矢量；
[0053] 步驟4. 2,傳遞函數(shù)矩陣H求逆，求得信號重構(gòu)矩陣P ;
[0054] 步驟4. 3,構(gòu)造對角矩陣SD，該對角矩陣Sd對角線元素分別為各通道回波信號；
[0055] 步驟4. 4,構(gòu)造參考通道導向矢量h。；
[0056] 步驟4. 5,將信號重構(gòu)矩陣P、對角矩陣Sd和參考通道導向矢量h。相乘，獲得各通 道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s = hPSp
[0057] 進一步地，所述步驟5中構(gòu)造雜波相消優(yōu)化代價函數(shù)，包括如下步驟：
[0058] 步驟5. 1，自變量選為通道間相位偏差；
[0059] 步驟5. 2,計算在步驟5. 1中得到的相位偏差下合成的參考通道信號；
[0060] 步驟5. 3,計算步驟5. 2得到的參考通道信號與實際接收信號的差。
[0061] 進一步地，所述步驟6中將雜波相消問題轉(zhuǎn)為恒模優(yōu)化問題，包括如下步驟：
[0062] 步驟6. 1，求取各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s的協(xié)方差矩陣A ;
[0063] 步驟6. 2,求取各通道用于重構(gòu)參考通道回波的信號分量s與參考通道實際接收 信號的互相關系數(shù)b;
[0064] 步驟6. 3,根據(jù)協(xié)方差矩陣A和互相關系數(shù)b得出恒模優(yōu)化代價函數(shù)f(x)= CN 105158759 A 兄明書 4/8 頁 xHAx_2real (bHx)，其中，上標H為共輒轉(zhuǎn)置符，
M-1)為第i個通道的相位偏差，j為虛數(shù)單位。
[0065] 進一步地，所述步驟7中經(jīng)典優(yōu)化算法采用牛頓迭代法。
[0066] 下面結(jié)合附圖對本實施例進一步描述。
[0067] 參照圖1，本實施例的理論分析基礎簡介如下：
[0068] 假定星載方位多通道HRWS SAR系統(tǒng)共有M個接收通道并沿航向分布，如附圖1所 示。在典型星載方位多通道SAR系統(tǒng)參數(shù)下，通過對第i通道原始回波補償一常數(shù)相位，其 SAR原始回波即可視為參考通道回波信號的方位時延。
[0069]
(1)
[0070] 其中，S1為第i通道回波信號，τ為快時間，13為方位慢時間，Δ t a, i為第i通道 相對參考通道的相位偏差，下標a代表方位。
[0071] 星載SAR系統(tǒng)采用脈沖體制進行對地觀測，這將導致回波信號多普勒譜發(fā)生周期 性折疊，即
[0072]
_齡
[0073] 式中，< 為多普勒域回波信號，k為多普勒模糊數(shù)，j為虛數(shù)單位，fd為多普勒頻 率，P