基于方位空变误差补偿的机载高分辨SAR成像方法与流程

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种基于方位空变误差补偿的机载高分辨SAR成像方法，可用于机载高分辨SAR成像。

背景技术：

运动补偿是机载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像的重要信号处理环节。在长合成孔径高分辨成像条件下，运动补偿的精确性对于低空小型无人机载SAR成像结果至关重要，其影响将表现为距离向和方位向的空变性。机载SAR距离空变运动误差的补偿主要采用“两步补偿法”。但该方法存在局限性，当飞机运动起伏较大或雷达工作在高波段时，残余方位空变误差对方位聚焦的影响不可忽略。

目前，方位空变运动误差的补偿方法主要有子孔径地形与孔径依赖算法(SATA)和精确地形与孔径依赖运动补偿方法(PTA)。SATA效率高但由于引入子孔径运动误差为常数的假设而影响其精度。PTA能够较精确地补偿方位空变误差，但方位波数谱过程未考虑残余相位影响导致其精度仍受限。

技术实现要素：

本发明提供一种基于方位空变误差补偿的机载高分辨SAR成像方法，能够精确补偿高阶方位空变运动误差。

本发明的技术思路为：采用传统RD(距离多普勒)算法对原始回波进行距离脉压和RCMC(距离徙动校正)后在方位波数域划分子块，建立粗成像网络逐点计算精确的方位匹配滤波函数，进行粗分辨率成像。随后利用方位Fourier变换将各子块粗成像结果变换到方位波数域，并循环移位依次拼接得到完整方位波数谱，最后通过逆Fourier变换得到补偿后的全分辨SAR图像。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于方位空变误差补偿的机载高分辨SAR成像方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取机载高分辨SAR雷达的回波信号，对所述回波信号依次进行距离脉压、距离徙动校正、方位傅里叶变换，得到方位波束域信号，所述方位波束域信号包含在P个距离门内；P为大于零的正整数；

步骤2，对第p个距离门内的方位波束域信号进行方位分块，得到第p个距离门内的Q个方位子块信号；其中，p的初值为1，且p＝[1，...，P]，Q为大于零的正整数；

步骤3，对所述第p个距离门内的第q个方位子块信号，计算所述第q个方位子块信号内每个数据点对应的方位匹配滤波函数，从而得到所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别对应的方位匹配滤波函数；其中，q的初值为1，且q＝[1，...，Q]；

步骤4，将所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别对应的方位匹配滤波函数组成第p个距离门内的第q个方位子块信号的方位匹配滤波器组；并将所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别通过所述方位匹配滤波器组，得到第p个距离门内的第q个方位子块信号频域滤波后的时域信号，将第p个距离门内的第q个方位子块信号频域滤波后的时域信号作为第p个距离门内的第q个方位子块信号的粗分辨率成像结果；并对所述第p个距离门内的第q个方位子块信号的粗分辨率成像结果进行方位傅里叶变换，得到第p个距离门内的第q个方位子块信号的波束谱；

步骤5，令q的值加1，并依次重复执行步骤3-步骤4，直到得到第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱，对所述第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱进行移位和拼接，得到第p个距离门内完整的波束谱；

步骤6，令p的值加1，并依次重复执行步骤2-步骤5，直到得到P个距离门内完整的波束谱，并将所述P个距离门内完整的波束谱作为机载高分辨SAR成像结果。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)所述步骤1中，得到方位波束域信号具体为：方位波数域信号S(K_x，x，r)：

S(K_x，x，r)＝∫exp{-jK_rc[R_n(X，x，r)+Δr_ε(X，x，r)]-jK_xX}dX

其中，x为数据点相对于波束中心的方位位置变量，x为载机的方位坐标，r为当前距离门下波数中心斜距变量，K_x为方位波数变量，K_rc为波束域变换系数，K_rc＝4π/λ，λ为波长，R_n(X，x，r)为当前距离门下的目标斜距，为载机斜视角，波束中心在地面投影的横坐标为Δr_ε为残余方位空变误差。

(2)步骤2中，设第p个距离门内的方位波束域信号长度为N，则进行方位分块时，方位子块信号的长度N_a满足如下条件：

其中，PRF为脉冲重复频率，M为粗分辨网格长度。

(3)步骤3中，计算每个数据点对应的方位匹配滤波函数，具体为：对于数据点(x_p，r)，其对应的方位匹配滤波函数Φ(K_x，x_p，r)为：

Φ(K_x，x_p，r)＝K_rc[R_n(X^*，x_p，r)+Δr_ε(X^*)]+K_xX^*

其中，x^*为驻定相位点，x_p为数据点相对于波束中心的方位位置，r在当前距离门下为定值。

(4)步骤4中，将所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别通过所述方位匹配滤波器组，得到第p个距离门内的第q个方位子块信号频域滤波后的时域信号，具体为：

对于第p个距离门内的第q个方位子块信号内的数据点(x_p，r)，其通过所述方位匹配滤波器组后得到的频域滤波后的时域信号S_u(x，r)为：

其中，K_x∈[-ΔK_a/2，ΔK_a/2]为方位波数变量，ΔK_a为方位波数谱宽度，K_u为方位波数谱中心。

(5)步骤5中，对所述第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱进行移位和拼接，得到第p个距离门内完整的波束谱，具体包括：

得到第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱后，所述Q个方位子块信号的波束谱分别关于原点对称；

对所述Q个方位子块信号的波束谱中的每个波束谱按照方位顺序移位至其波数谱中心相对于全部谱宽的位置，并对所述Q个方位子块信号的波束谱进行拼接后使得每个方位子块信号的波束谱连续且互不重叠。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

(1)本发明采用后向投影处理思想，与传统方位空变运动补偿算法相比，可以实现在高波段大运动误差条件下的精确聚焦；(2)本发明采用分块处理思想，与传统后向投影算法相比有效降低运算量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于方位空变误差补偿的机载高分辨SAR成像方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的仿真采用的波数谱移位、拼接示意图；

图3是本发明实施例提供的仿真一中，点目标运动误差示意图；

图4是本发明实施例提供的仿真一中，FFBP算法与各类算法方位脉冲响应曲线对比示意图；

图5是本发明实施例提供的仿真二中，FFBP处理实测数据结果示意图；

图6是本发明实施例提供的仿真二中，FFBP与各类算法处理局部放大结果对比示意图；

图7是本发明实施例提供的仿真二中，参考散射点方位脉冲响应曲线对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于方位空变误差补偿的机载高分辨SAR成像方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取机载高分辨SAR雷达的回波信号，对所述回波信号依次进行距离脉压、距离徙动校正、方位傅里叶变换，得到方位波束域信号，所述方位波束域信号包含在P个距离门内；P为大于零的正整数。

所述步骤1中，得到方位波束域信号具体为：方位波数域信号S(K_x，x，r)：S(K_x，x，r)＝∫exp{-jK_rc[R_n(X，x，r)+Δr_ε(X，x，r)]-jK_xX}dX

其中，x为数据点相对于波束中心的方位位置变量，x为载机的方位坐标，r为当前距离门下波数中心斜距变量，K_x为方位波数变量，K_rc为波束域变换系数，K_rc＝4π/λ，λ为波长，R_n(X，x，r)为当前距离门下的目标斜距，为载机斜视角，波束中心在地面投影的横坐标为Δr_ε为残余方位空变误差。

步骤2，对第p个距离门内的方位波束域信号进行方位分块，得到第p个距离门内的Q个方位子块信号；其中，p的初值为1，且p＝[1，...，P]，Q为大于零的正整数。

步骤2中，设第p个距离门内的方位波束域信号长度为N，则进行方位分块时，方位子块信号的长度N_a满足如下条件：

其中，PRF为脉冲重复频率，M为粗分辨网格长度。

则上述依据使方位子块所包含的频谱不大于粗分辨网格的频谱，也就是说方位子块的频谱在粗分辨网格内不能发生混叠。

步骤3，对所述第p个距离门内的第q个方位子块信号，计算所述第q个方位子块信号内每个数据点对应的方位匹配滤波函数，从而得到所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别对应的方位匹配滤波函数；其中，q的初值为1，且q＝[1，...，Q]。

步骤3中，计算每个数据点对应的方位匹配滤波函数，具体为：对于数据点(x_p，r_p)，其对应的方位匹配滤波函数Φ(K_x，x_p，r_p)为：

Φ(K_x，x_p，r_p)＝K_rc[R_n(X^*，x_p，r_p)+Δr_ε(X^*)]+K_xX^*

其中，x^*为驻定相位点，x_p为数据点相对于波束中心的方位位置，r在当前距离门下为定值。

具体的，x^*为驻定相位点：

X^*＝p₁y+p₂y²+p₃y³+x

其中，a₀-a₄为将R_n在X-x＝0附近Taylor展开的多项式拟合系数，有：

Δr_ε(X)≈a₀+a₁(X-x)+a₂(X-x)²+a₃(X-x)³+a₄(X-x)⁴

步骤4，将所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别对应的方位匹配滤波函数组成第p个距离门内的第q个方位子块信号的方位匹配滤波器组；并将所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别通过所述方位匹配滤波器组，得到第p个距离门内的第q个方位子块信号频域滤波后的时域信号，将第p个距离门内的第q个方位子块信号频域滤波后的时域信号作为第p个距离门内的第q个方位子块信号的粗分辨率成像结果；并对所述第p个距离门内的第q个方位子块信号的粗分辨率成像结果进行方位傅里叶变换，得到第p个距离门内的第q个方位子块信号的波束谱。

步骤4中，将所述第p个距离门内的第q个方位子块信号内所有数据点分别通过所述方位匹配滤波器组，得到第p个距离门内的第q个方位子块信号频域滤波后的时域信号，具体为：

对于第p个距离门内的第q个方位子块信号内的数据点(x_p，r)，其通过所述方位匹配滤波器组后得到的频域滤波后的时域信号S_u(x，r)为：

其中，K_x∈[-ΔK_a/2，ΔK_a/2]为方位波数变量，ΔK_a为方位波数谱宽度，K_u为方位波数谱中心。

步骤5，令q的值加1，并依次重复执行步骤3-步骤4，直到得到第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱，对所述第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱进行移位和拼接，得到第p个距离门内完整的波束谱。

步骤5中，对所述第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱进行移位和拼接，得到第p个距离门内完整的波束谱，如图2所示，具体包括：

得到第p个距离门内的Q个方位子块信号的波束谱后，所述Q个方位子块信号的波束谱分别关于原点对称；

对所述Q个方位子块信号的波束谱中的每个波束谱按照方位顺序移位至其波数谱中心相对于全部谱宽的位置，并对所述Q个方位子块信号的波束谱进行拼接后使得每个方位子块信号的波束谱连续且互不重叠。

步骤6，令p的值加1，并依次重复执行步骤2-步骤5，直到得到P个距离门内完整的波束谱，并将所述P个距离门内完整的波束谱作为机载高分辨SAR成像结果。

本发明的效果可通过以下仿真实验作进一步说明：

1)仿真条件：

本发明点目标仿真参数如表1所示：

表1点目标仿真参数

其中运动参数根据实测飞机惯导记录计算获得，如图3所示。

2.仿真内容及结果分析：

仿真1：用本发明方法在0度、5度斜视角下，对波数中心点进行一维成像并与TWO-STEP、PTA、SATA算法处理结果进行对比，如图4所示，分别用峰值旁瓣比(Peak Side-Lobe Ratio，PSLR)、积分旁瓣比(Integrated Side-Lobe Ratio，PSLR)和脉冲响应宽度(Impulse Response Width，IRW)作为评价标准量化比较处理结果如表2、表3所示。

表2仿真一0度斜视角下量化分析结果

表3仿真一5度斜视角下量化分析结果

仿真2：用本发明方法在正侧视条带模式下成像，并与Two-step、PTA、SATA算法结果进行对比。仿真参数同仿真一，数据大小为8192*16384，截取部分处理结果如图5所示。选取图中场景1、场景2与其他算法处理结果进行对比如图6所示。选取图中两个散射点A、B，对比其方位脉冲响应函数如图7所示，其量化统计结果如表4、5所示。

表4仿真二散射点A量化分析结果

表5仿真二散射点B量化分析结果

3.仿真结果分析：

从表2、表3可以看出，本发明提供的方法的PLSR、ISLR、IRW值均小于其余各算法，因此效果最好。

从图6中可以发现“Two-Step”运动补偿处理效果最差，PTA和SATA的处理结果均存在不同程度散焦现象，这是因为分块边缘点存在残余未补偿的运动误差，而本发明提供的方法效果最好，对于孤立点A、B的处理结果也验证了本发明提供的方法的性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。