一种机载sar方位空变运动误差的高精度补偿方法
【专利摘要】本发明属于雷达技术领域，公开了一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，能够精确补偿高阶方位空变运动误差；包括：机载SAR雷达接收回波信号，对回波信号进行两步补偿法；对两步补偿后的回波信号进行距离分块；对距离分块后的回波信号进行方位分块；计算方位分块后的回波信号中第i个子块的中心点的方位空变运动误差，进而求解该子块驻定相位点的多项式；以第i个子块的中心点作为参考，求解该子块的驻定相位点，构造补偿函数，并采用补偿函数对该子块进行补偿，再进行逆FFT，从而得到补偿后该子块的图像；直到得到补偿后所有子块的图像，进而得到补偿后的机载SAR图像。
【专利说明】
一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法
技术领域
[0001] 本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补 偿方法，可用于对机载SAR方位空变运动进行误差补偿。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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(PTAhSATA效率最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。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种机载SAR方位空变运动误 差的高精度补偿方法，可精确补偿高阶方位空变运动误差。
[0005] 本发明的技术思路为:在传统的"两步补偿法"基础上，对输出图像域信号进行距 离分块和方位分块处理，计算各子块中心点的方位空变运动误差，对计算结果在方位向进 行多项式拟合。随后对于各子块以其中心点为参考，运用级数反演法求解PTA算法中的高阶 运动误差从而进行精确运动补偿，得到精确补偿后的SAR图像。
[0006] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
[0007] -种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，所述方法包括如下步骤：
[0008] 步骤1，机载SAR雷达接收回波信号，对所述回波信号依次进行距离徙动校正、距离 空变运动补偿，得到距离空变运动补偿后的回波信号；
[0009] 步骤2,对所述距离空变运动补偿后的回波信号进行距离分块，得到距离分块后的 回波信号；
[0010] 步骤3,对所述距离分块后的回波信号进行方位分块，得到方位分块后的回波信 号；
[0011] 步骤4,计算所述方位分块后的回波信号中第i个子块的中心点的方位空变运动误 差，进而求解该子块驻定相位点的多项式；i的初值为l，i = l，…，N，N为方位分块后的回波 信号中总子块个数;所述第i个子块的中心点为该子块几何中心对应的像素单元；
[0012] 步骤5,以第i个子块的中心点作为参考，求解该子块的驻定相位点，根据该子块的 驻定相位点构造补偿函数，并采用补偿函数对该子块进行补偿，再进行逆FFT，从而得到补 偿后该子块的图像；
[0013] 步骤6,令i的值加1，并依次重复执行步骤4和步骤5,直到得到补偿后所有子块的 图像，进而得到补偿后的机载SAR图像。
[0014] 本发明与现有技术相比所具有的优点：
[0015] (1)本发明可精确补偿高阶方位空变运动误差，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，实现高精度运动补偿的同时不显著增加运算 量。
【附图说明】
[0016] 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。
[0017] 图1是本发明实施例提供的一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法的 流程示意图；
[0018] 图2是本发明实施例提供的仿真采用的方位空变运动误差几何模型；
[0019] 图3是本发明实施例提供的仿真采用的运动参数误差仿真结果示意图；
[0020] 图4是本发明实施例提供的仿真一中，SR-PTA算法与各类算法一维仿真对比结果 示意图；
[0021] 图5是本发明实施例提供的仿真二中，SR-PTA算法与各类算法一维仿真对比结果 示意图；
[0022]图6是本发明实施例提供的仿真三中，Two-step与SR-PTA算法处理结果示意图； [0023]图7是本发明实施例提供的仿真三中，Two-step与SR-PTA算法处理局部放大结果 示意图；
[0024]图8是本发明实施例提供的仿真三中，参考散射点方位脉冲响应曲线示意图。
【具体实施方式】
[0025]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。
[0026]本发明实施例提供一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，如图1所 示，所述方法包括如下步骤：
[0027]步骤1，机载SAR雷达接收回波信号，对所述回波信号依次进行距离徙动校正、距离 空变运动补偿，得到距离空变运动补偿后的回波信号。
[0028]步骤1的具体过程为:第一步对回波信号进行距离脉压，对距离脉压后的信号在二 维时域进行距离徙动校正;第二步对距离徙动校正后的信号在二维时域进行距离空变运动 补偿。
[0029]步骤2,对所述距离空变运动补偿后的回波信号进行距离分块，得到距离分块后的 回波信号。
[0030] 步骤2中，对所述两步补偿后的回波信号进行距离分块时，距离子块长度△ R满足 如下规则：
[0031]
[0032]其中，X为天线相位中心位置，λ为雷达发射信号波长，RS为成像中心斜距，Δχ为目 标沿X轴方向的运动误差分量、Ay为目标沿Υ轴方向的运动误差分量、Δζ为目标沿Ζ轴方向 的运动误差分量，为参考斜距处波束擦地角。
[0033]示例性的，距离分块为重叠分块，一般选取重叠部分为距离子块长度的1/4。
[0034]步骤3,对所述距离分块后的回波信号进行方位分块，得到方位分块后的回波信 号。
[0035]步骤3中，对所述距离分块后的回波信号进行方位分块时，方位子块长度δΧ满足如 下规则：
[0036]
[0037]其中，PRF表示脉冲重复频率，V表示平台速度，λ为雷达发射信号波长，1为成像中 心斜距，Δ X为目标沿X轴方向的运动误差分量。
[0038]步骤4,计算所述方位分块后的回波信号中第i个子块的中心点的方位空变运动误 差，进而求解该子块驻定相位点的多项式；i的初值为l，i = l，…，N，N为方位分块后的回波 信号中总子块个数;所述第i个子块的中心点为该子块几何中心对应的像素单元。
[0039]步骤4具体包括如下子步骤：
[0040] (4a)根据下式计算第i个子块的中心点的方位空变运动误差ΔΤ:
[0041] AT=RT-Rn-5RBc
[0042] 其中，△ τ为方位空变运动误差，Rt为惯导测量瞬时载机位置与第i个子块的中心点 的距离，Rn为理想载机位置与第i个子块的中心点的理论距离，? BC为误差量，具体为两步补 偿法所补偿掉的运动误差量；
[0043] (4b)对方位空变运动误差ΔΤ进行三次多项式拟合得到常数项ko、一次项系数h、 二次项系数k2、三次项系数k3;令
[0044]
[0045] (4c)根据(4b)中得到的参数ai、a2、a3，计算驻定相位点的多项式系数bi、b 2、b3:
[0046]
[0047] 则 xs = biy+b2y2+b3y3，xs 为驻定相位点。
[0048] 步骤5,以第i个子块的中心点作为参考，求解该子块的驻定相位点，根据该子块的 驻定相位点构造补偿函数，并采用补偿函数对该子块进行补偿，再进行逆FFT，从而得到补 偿后该子块的图像。
[0049] 步骤5具体包括如下子步骤：
[0050] (5a)计算理想驻定相位点之和实际驻定相位点xs:
[0051]
[0052] xs = biy+b2y2+b3y3
[0053] 其中，λ为雷达发射信号波长，ξ为方位波数的表示符号，rQ为天线相位中心到目标 的最近斜距，xs为驻定相位点，y为目标的距离向坐标；
[0054] (5b)计算理想驻定相位点与实际驻定相位点的差值，得到对第i个子块进行补偿 后的结果Ητ(ξ，ι·〇):
[0055]
[0056] 其中，ξ为方位向波数谱表达式，xs为实际驻定相位点，氣为理想驻定相位点，ro为 天线相位中心到目标的最近斜距，函数Φ(χ，ro，ξ)的表达式如下；
[0057]
[0058] (5c)对补偿后的结果进行IFFT得到补偿后的该子块图像ho(X，r0):
[0059] ho(X,r〇) = IFFT[Ht(C ,r0) ] 〇
[0060] 步骤6,令i的值加1，并依次重复执行步骤4和步骤5,直到得到补偿后所有子块的 图像，进而得到补偿后的机载SAR图像。
[0061 ]本发明的效果可通过以下仿真实验作进一步说明：
[0062] 1)仿真条件：
[0063]本发明点目标仿真参数如表1所示：
[0064] 表1点目标仿真参数
[0065]
[0066] 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。
[0067] 为了保证图像拼接的完整性，仿真选取方位子块长度为128点，方位子块与前后子 块之间有1/2的重叠部分。
[0068] 2.仿真内容及结果分析：
[0069]仿真1:用本发明方法在20°斜视角下，对目标点1、目标点2方位向进行处理并与 Tw〇-step、PTA、SATA算法结果进行对比，如图4所示，其量化结果如表2所示。为使对比结果 更加明显，将运动误差置为真实误差的2倍，也即运动误差量达到14米量级。
[0070] 表2仿真一目标点1、目标点2综合聚焦性能量化分析结果
[0071]
[0072]仿真2:用本发明方法在0°斜视角下，对目标点1、目标点2方位向进行处理并与 Tw〇-step、PTA、SATA算法结果进行对比，如图5所示，其量化结果如表3所示。其中，运动误差 置为真实误差的4倍。
[0073] 表3仿真二目标点1、目标点2综合聚焦性能量化分析结果
[0074]
[0075]仿真3,用本发明方法对实测数据进行处理并与Two-step算法结果进行对比，如图 6所示，其方框区域放大结果如图7所示。在成像结果中选取同名孤立散射点1、散射点2,两 点在各算法下的方位向脉冲响应曲线如图8所示。散射点1、散射点2聚焦性能量化分析结果 如表4、表5所;^:。
[0076] 表4仿真三散射点1聚焦性能量化分析结果
[0077]
[0078] 表5仿真三散射点2聚焦性能量化分析结果
[0079]
[0080] 3.仿真结果分析：
[0081]从图4、图5可以看出，SR-PTA算法较其它算法具有更低的第一零陷，可以得到更加 精确的补偿效果。由表2、表3数据可知，SR-PTA算法的PLSR、ISLR、IRW值均小于其余各算法， 因此效果最好。
[0082] 从图6、图7中可以看出，Two-step算法在部分区域存在散焦现象，而SR-PTA算法的 聚焦性能良好。由表4、表5数据可知，SR-PTA算法的PLSR、I SLR、IRW值均小于其余各算法，因 此效果最好。
[0083]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。
【主权项】
1. 一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤： 步骤1，机载SAR雷达接收回波信号，对所述回波信号依次进行距离徙动校正、距离空变 运动补偿，得到距离空变运动补偿后的回波信号； 步骤2,对所述距离空变运动补偿后的回波信号进行距离分块，得到距离分块后的回波 信号； 步骤3，对所述距离分块后的回波信号进行方位分块，得到方位分块后的回波信号； 步骤4,计算所述方位分块后的回波信号中第i个子块的中屯、点的方位空变运动误差， 进而求解该子块驻定相位点的多项式;i的初值为1，i = 1，…，N，N为方位分块后的回波信号 中总子块个数，且N为自然数;所述第i个子块的中屯、点为该子块几何中屯、对应的像素单元； 步骤5, W第i个子块的中屯、点作为参考，求解该子块的驻定相位点，根据该子块的驻定 相位点构造补偿函数，并采用补偿函数对该子块进行补偿，再进行逆FFT，从而得到补偿后 该子块的图像； 步骤6,令i的值加1，并依次重复执行步骤4和步骤5,直到得到补偿后所有子块的图像， 进而得到补偿后的机载SAR图像。2. 根据权利要求1所述的一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，其特征在 于，步骤2中，对所述两步补偿后的回波信号进行距离分块时，距离子块长度AR满足如下规 则：其中，X为天线相位中屯、位置，λ为雷达发射信号波长，为成像中屯、斜距，Αχ为目标沿X 轴方向的运动误差分量、Ay为目标沿Υ轴方向的运动误差分量、A Ζ为目标沿Ζ轴方向的运 动误差分量，为参考斜距处波束擦地角。3. 根据权利要求1所述的一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，其特征在 于，步骤3中，对所述距离分块后的回波信号进行方位分块时，方位子块长度δΧ满足如下规 则：其中，PRF表示脉冲重复频率，V表示平台速度，λ为雷达发射信号波长瓜为成像中屯、斜 距，Δ X为目标沿X轴方向的运动误差分量。4. 根据权利要求1所述的一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，其特征在 于，步骤4具体包括如下子步骤： (4a)根据下式计算第i个子块的中屯、点的方位空变运动误差Δτ: Δ T = Rx-Rn-5RBc 其中，At为方位空变运动误差，Rt为惯导测量瞬时载机位置与第i个子块的中屯、点的距 离，Rn为理想载机位置与第i个子块的中屯、点的理论距离，δ化C为误差量； (4b)对方位空变运动误差Δτ进行Ξ次多项式拟合得到常数项ko、一次项系数ki、二次 项系数k2、Ξ次项系数k3;令(4c)根据(4b)中得到的参数曰1、曰2、曰3，计算驻定相位点的多项式系数61心、63:贝帖=biy+b2y2+b3y3，Xs为驻定相位点。5.根据权利要求1所述的一种机载SAR方位空变运动误差的高精度补偿方法，其特征在 于，步骤5具体包括如下子步骤： 巧a)计算理想驻定相位点荣,和实际驻定相位点t:Xs = biy+b 巧 2+b3y3 其中，λ为雷达发射信号波长，ξ为方位波数的表示符号，ro为天线相位中屯、到目标的最 近斜距，Xs为驻定相位点，y为目标的距离向坐标； (5b)计算理想驻定相位点与实际驻定相位点的差值，得到对第i个子块进行补偿后的 结果Ητ(ξ，：Γ〇):其中，ξ为方位向波数谱表达式，Xs为实际驻定相位点，表为理想驻定相位点，ro为天线 相位中屯、到目标的最近斜距； (5c)对补偿后的结果进行IFFT得到补偿后的该子块图像h〇(X，r〇):h〇(X，r〇) = IFFT^ (C,r〇)]〇
【文档编号】G01S13/90GK105974415SQ201610478601
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】张磊, 王冠勇, 周叶剑, 王虹现
【申请人】西安电子科技大学, 西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司