专利名称：一种适用于低对比度场景合成孔径雷达成像的自聚焦方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径雷达(SAR)的成像，特别是涉及一种适用于低对比度场景成像的SAR自聚焦方法。
背景技术：
合成孔径雷达雷达以飞机、卫星为平台，能够实现大面积地面场景的成像。并以其具有的穿透性、全天时、全天候等优良特性在遥感、侦察、警戒、测绘、考古等许多领域中得到了广泛的应用。
在SAR成像中，单目标的方位回波信号通常可由一个二阶的多项式相位信号(PPS)来建模。当PPS的各阶系数已知，即多普勒中心(fc)和多普勒调频率(fr)已知时，现有的成像算法(如距离-多普勒(R-D)、波数域(ω-K)等)能够很好地重构散射点的“二维像”。然而，由于平台运动的不稳定性、算法的近似处理、系统参数的波动等原因，PPS系数是时变和不确定的。并且，系数的估计误差会导致图像偏移、散焦和几何失真等问题，其中最为严重的影响通常为fr估计误差导致的图像散焦。因此，实际成像中需要实时准确地估计出PPS的各阶系数。
对于fc和fr的估计和补偿，一种最直接的方法是通过硬件记录的平台运动信息来进行动态的补偿将平台等参数补偿到理想状态。但是，受现有硬件水平的限制，运动测量设备(如惯导系统等)的精度并不能完全地补偿平台的非理想运动。因此，实际成像中需要利用接收信号数据本身的信息作进一步的估计和补偿。通常，基于接收数据进行的fc的估计称为“杂波锁定”，而基于接收数据对fr的估计称为“自聚焦”(实际的成像及运动补偿过程见附图1)。
由于在SAR照射期间强散射成分可由前述的PPS信号建模，而其余弱散射成分相对强散射成分可以忽略，因此现有SAR自聚焦方法通常通过直接估计PPS信号的系数来得到fr的估计，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，现有且其对fr的估计一般是建立在对fc的估计基础上的，因此fc的估计误差必然会传递到fr的估计中，即存在“误差传递”效应。更为严重的是当成像场景由均匀分布的背景成分组成(如沙漠、田野、水面等)时，即场景中无独立的强散射成分，则SAR接收信号是前述大量的具有不同时延的PPS信号的叠加。那么，基于强散射成分的现有方法的性能必然会严重下降甚至完全失效。另外，由于缺乏对场景的背景的有效描述，现有的自聚焦方法通常忽略场景的背景成分，因此它们通常不能准确地获取自聚焦方法的内在精度限制，难以选择合适的系统参数。
本发明人在中国专利申请号为“03160052.2”的专利“一种机载雷达的模型化杂波多普勒参数估计方法”中，提出了一种机载雷达的“多普勒分布式杂波模型(DDC)”，杂波和噪声多普勒信号可以由一个非相干分布源模型来建模。其中，高斯型DDC模型的协方差矩阵的解析表达式如下式所示[R]m,n=1M=σc2ej2πfcΔe(-(2π(m-n)ρfΔ)22)+σv2δmn----(1)]]>其中M为杂波信号的采样点数，Δ为雷达的脉冲重复间隔，fc和ρf为DDC模型的多普勒中心和多普勒扩展参数，且 而σc2和σv2代表杂波和噪声的散射强度。该专利所提供的方法可利用DDC模型，在i.i.d样本数较少的情况下得到模型中[fc，ρf，σc2，σv2]的参数估计。
发明内容
本发明的目的在于采用多普勒分布式杂波(DDC)模型对SAR的均匀的背景散射成分进行建模，在低对比度场景下实现成像的自聚焦。
为了实现上述目的，本发明提供一种适用于低对比度场景合成孔径雷达成像的自聚焦方法，包括如下步骤(1)由合成孔径雷达获取低对比度场景的采样数据；(2)用采样数据构成样本协方差矩阵；(3)将样本协方差矩阵与多普勒分布式杂波模型拟合估计多普勒中心fc和多普勒谱宽扩展系数ρf；(4)根据多普勒中心fc和多普勒谱宽扩展系数ρf获得多普勒调频率fr的估计。
其中，步骤(4)对于多普勒调频率fr的估计具体包括如下步骤(a)由多普勒中心fc和多普勒谱宽扩展系数ρf估计平台的前向速度vs；
(b)通过顺序得到的两个fc估计平台径向加速度a；(c)根据平台的前向速度vs和径向加速度a估计多普勒调频率fr。
本发明提出的自聚焦方法的优点在于1)本发明是利用成像场景中的背景成分，即杂波和噪声，进行参数估计而达到成像自聚焦的目的，当目标强散射成分越低，即场景的对比度越低，本发明的自聚焦效果越好。因此，本发明可以与现有的自聚焦方法形成互补，实现对任意场景的SAR自聚焦。
2)本发明的方法对自聚焦参数估计的内在精度限制是可以解析表达的，因此可以根据这个解析式进行有效的自聚焦过程中的参数选择。
3)fc和fr是联合估计得到的，因此可以避免“杂波锁定”与“自聚焦”之间的“误差传递”效应。
图1是典型的合成孔径雷达(SAR)的成像流程图；图2是依照本发明的合成孔径雷达成像的自聚焦方法的流程图；图3是ECRIEE的Ku波段SAR对极低对比度场景的自聚焦成像图，其中(a)为不经过自聚焦，直接由硬件记录信息得到的成像结果；(b)为采用传统的Mapdrift方法得到的成像结果，(c)为利用本发明的方法获得的成像图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。
图1是典型的合成孔径雷达(SAR)的成像流程图，首先SAR通过发射机和天线系统不断地向探测区域发射接收脉冲信号，并利用采集器获取实际回波的采样数据。SAR的成像处理器首先对每一个脉冲接收数据分别进行距离压缩，从而得到目标的距离分辨，即获取目标的“距离像”。为了进一步获取对目标的方位分辨，同样需对方位数据采用类似的压缩处理。而目标的方位信号如前所述可用前述的二阶PPS信号建模，而其二阶PPS系数需通过杂波锁定(估计多普勒中心fc)和自聚焦(估计多普勒调频率fr)来进行实时动态地估计。通过估计得到的fc和fr，对距离压缩后信号在方位做压缩处理，就可以得到目标的“方位像”。通过以上的成像过程，便能够得到目标的“二维像”并显示出来。
综上所述，fc和fr的估计是涉及到获取目标“方位像”的关键。而fc和fr和SAR平台运动及雷达参数的关系为
fc＝2πvscosc/λ (2)fr＝-2vs2/(λr)+2a/λ(3)其中λ是载波波长，c是方位波束指向的方位角，r表示散射点的斜距，vs和a分别是平台的前向速度和径向加速度。
本发明就是对图1中的“杂波锁定”和“自聚焦”步骤给出一种改进的方法。本发明提供的方法按照图2所示的流程图执行。
首先由合成孔径雷达(SAR)获取短相干积累的采样数据。此时SAR接收到的信号S可以被分解为目标信号T、杂波信号C和噪声v三类独立的散射成分，即S＝T+C+v (4)当成像场景的目标成分微弱，即对比度极低时，目标信号T可近似被忽略，这样S≈C+v(5)在一个相干处理间隔CPI内，SAR将一个距离单元的数据形成M个CPI采样，则可由L个距离单元的数据构成了L×M个独立同分布的采样矢量，则对于L×M个采样中的每一个采样都表示为S(i)≈C(i)+v(i) i＝1，ΛΛL×M (6)将L×M个采样构成样本协方差矩阵，将该样本协方差矩阵与DDC模型联合求解，即可得到DDC模型中的未知多普勒参数。例如，采用SAR具有高斯型的双向功率方向图时，可使用如公式(1)所示出的高斯型DDC模型。其中，可估计得到的多普勒未知参数包括多普勒中心fc、多普勒谱宽扩展系数ρf、杂波起伏参数σc2和噪声起伏参数σv2。
SAR的平台前向速度vs可以由多普勒中心fc、多普勒谱宽扩展系数ρf获得，即 而平台径向加速度a可以由两个顺序估计的fc来获取。在得到平台前向速度vs和平台径向加速度a后，即可根据公式(3)得到多普勒调频率fr的估计。最后通过估计得到的fc和fr，与图1所示的现有的典型成像流程相同，对距离压缩后信号在方位做压缩处理，就可以得到目标的“方位像”。
为了简洁地给出自聚焦参数估计内在精度的限制，不妨设a≈0。根据(3)式和(7)式，得到
其中，在公式(7)和(8)中，ρ是雷达的方位扩展参数，该参数在雷达设计阶段即已确定。针对(1)式的模型，采用最大似然(ML)方法获取的估计参数x＝[fc，ρf，σc2，σv2]的均方误差矢量的协方差矩阵可表示为E[(x-x^)2]=J-1=1LM[(DH(R-T⊗R-1)D)]-1----(9)]]>其中D=vecR/xT，是估计的参数矢量，代表Kronecker积，L为采样矢量数。另外，(9)式也是估计的Cramer-Rao下界(cRLB)，即基于该模型参数估计的内在精度限制。而fr的CRLB可进一步表示为CRLBfr=DJ-1D]]>其中矢量 显然，当成像场景足够均匀，即L和M足够大，本发明提出的方法能够获取足够精确的参数估计性能。反之，同样可以根据设定的精度要求，确定L和M的大小，这个过程是传统方法难以达到的。
图3是利用中国电子科技集团华东电子工程研究所(ECRIEE)的Ku波段SAR对低对比度场景的自聚焦成像图，其中(a)为不经过自聚焦，直接由硬件记录信息得到的成像结果(b)为采用传统的Mapdrift方法得到的成像结果，(c)为利用本发明的方法获得的成像图。从图中可看出未自聚焦的成像结果最差，经过Mapdrift自聚焦方法在高对比度场景中能够得到较好的聚焦效果，而对低对比度场景的聚焦效果不佳。本发明提出的方法能够对不同对比度场景均获得理想的聚焦效果。
权利要求
1.一种适用于低对比度场景合成孔径雷达成像的自聚焦方法，包括如下步骤(1)由合成孔径雷达获取低对比度场景的采样数据；(2)用采样数据构成样本协方差矩阵；(3)将样本协方差矩阵与多普勒分布式杂波模型拟合估计多普勒中心fc和多普勒谱宽扩展系数ρf；(4)根据多普勒中心fc和多普勒谱宽扩展系数ρf获得多普勒调频率fr的估计。
2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达成像的自聚焦方法，其特征在于，步骤(4)对于多普勒调频率fr的估计具体包括如下步骤(a)由多普勒中心fc和多普勒谱宽扩展系数ρf估计平台的前向速度vs；(b)通过顺序得到的两个fc估计平台径向加速度a；(c)根据平台的前向速度vs和径向加速度a估计多普勒调频率fr。
全文摘要
本发明涉及一种适用于低对比度场景合成孔径雷达成像的自聚焦方法，该包括如下步骤(1)由合成孔径雷达获取低对比度场景的采样数据；(2)用采样数据构成样本协方差矩阵；(3)将样本协方差矩阵与多普勒分布式杂波模型拟合估计多普勒中心f
文档编号G01S13/90GK1601297SQ0315442
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月28日 优先权日2003年9月28日
发明者许稼, 彭应宁, 夏香根, 林彦, 苏志刚 申请人:清华大学