本发明涉及方位多通道高分辨宽测绘带合成孔径雷达系统成像技术领域，特别涉及一种基于谱分析的多通道sar系统通道偏差估计方法，适用于对多通道系统中的通道偏差进行精确估计并校正。
背景技术：
传统的天基sar系统受最小天线面积的限制，不能同时满足方位高分辨率和宽测绘带宽的要求；为了获得大测绘带和方位高分辨率必须利用宽波束发射天线和接收天线(即小孔径天线)；为了保证距离不模糊，须采用较低的脉冲重复频率(prf)，然而较低的prf可能导致接收回波在方位向上产生模糊(即多普勒模糊)，如果不解决上述模糊就无法得到高质量的sar图像。
为了解决这一问题，部分学者提出了方位多通道系统体制；目前国内外针对方位多通道hrwssar系统已提出了多种有效的多普勒模糊抑制算法，且所述多种有效的多普勒模糊抑制算法均要求方位多通道系统中各接收通道间的幅相特性等保持一致；然而，实际中由于辐射、温度、加工工艺等原因，各个通道间的幅相特性不可能完全一致，通道间的不一致性偏差等将会引起多普勒模糊抑制性能下降，从而导致多通道系统无法得到清晰的sar图像。
目前常用的通道间时延偏差估计校正方法分为两类：第一类，通过复图像配准方法对回波数据进行整体配准以校正通道时延偏差；第二类，根据傅里叶变换的性质，即信号在时域的时间延迟等于在频域叠加线性相位，通过提取通道距离频谱的干涉相位梯度估计距离向偏移；然而，图像配准方法严重依赖回波数据的相干性，同时需要精细插值才能获得精准的距离向偏移量，而原始的距离频域干涉方法是通过对干涉相位梯度进行平均或者多项式拟合求取距离时延偏差，在干涉相位缠绕和跳变等情况下表现不够稳健；与此同时，针对通道间幅相偏差和多普勒中心的估计问题，国内外专家学者提出了很多有效的估计算法，但是这些有效的估计算法中并没有考虑通道间时延偏差的影响；因此，各类的通道偏差项通常需要分步地估计校正，这将在实际数据处理中引入繁琐和冗余的操作，也在一定程度上增加了程序的编写难度和时间复杂度。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于谱分析的多通道sar系统通道偏差估计方法，该种基于谱分析的多通道sar系统通道偏差估计方法通过分析多通道回波数据在距离频域的性质，对相邻通道回波数据进行干涉处理、相位解缠绕处理及加权多项式拟合处理以获得通道间距离时延偏差的稳健估计，并结合空间互相关的理论知识，进而利用拟合得到的通道间常数干涉相位估计基带多普勒中心和通道间相位偏差，能够在实现通道间距离时延偏差稳健估计的同时得到基带多普勒中心和通道间幅相偏差。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于谱分析的多通道sar系统通道偏差估计方法，包括以下步骤：
步骤1，确定方位多通道sar系统，所述方位多通道sar系统包含m个接收通道，将第1个接收通道作为参考接收通道；
设定方位多通道sar系统检查范围内存在多个点目标，任意选取一个点目标，记为点目标p，并且参考接收通道接收点目标p的回波信号；然后计算第m个接收通道接收点目标p的回波信号；其中，2≤m≤m，m表示方位多通道sar系统的接收通道总个数，m为大于1的正整数；
步骤2，根据第m个接收通道接收点目标p的回波信号，计算得到第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的相频差异最终结果和第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号距离向幅度特性差异
其中，i＝1,2,…,n，n表示对第m个接收通道接收点目标p的回波信号沿距离向做傅里叶变换的点数，n为大于1的正整数；
步骤3，根据第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的相频差异最终结果，计算得到第m个接收通道的多项式拟合系数和第m个接收通道的通道时延偏差最终结果
步骤4，根据第m个接收通道的多项式拟合系数，计算得到第m个接收通道相对于参考接收通道的相位偏差φm；
步骤5，令m的值分别取2至m，重复执行步骤2至步骤4，进而分别得到第2个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号距离向幅度特性差异
本发明的有益效果：本发明的目的在于为方位多通道系统提供一种稳健有效的通道间偏差估计方法，不仅能够克服传统算法中相位跳变和相位缠绕对估计结果的影响，而且能在实现通道间距离时延偏差稳健估计的同时得到基带多普勒中心和通道间幅相偏差；相比于传统算法，本发明方法的优势在于克服了相位缠绕和跳变的影响，能够在实现通道间距离时延偏差稳健估计的同时得到基带多普勒中心和通道间幅相偏差。
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为本发明的一种基于谱分析的多通道sar系统通道偏差估计方法流程图；
图2为方位三通道sar系统的回波录取模型图；
图3(a)为各通道和参考通道回波在距离频域的干涉缠绕相位图；
图3(b)为各通道和参考通道回波在距离频域的干涉解缠绕相位图；
图4(a)为原始单通道数据成像结果图；
图4(b)为仅幅相偏差校正的多通道数据成像结果图；
图4(c)为本发明方法校正后的多通道数据成像结果图；
图5(a)为通道1和通道2的相干系数分布图；
图5(b)为通道2和通道3的相干系数分布图。
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。
参照图1，为本发明的一种基于谱分析的多通道sar系统通道偏差估计方法；其中所述基于谱分析的多通道sar系统通道偏差估计方法，包括以下步骤：
步骤1，确定方位多通道sar系统，所述方位多通道sar系统包含m个接收通道，并采用地球固定坐标系建立回波获取模型，其中m个接收通道依次记为第1个接收通道、第2个接收通道、…、第m个接收通道，将第1个接收通道作为参考接收通道，将第
采用地球固定坐标系建立回波获取模型，得到三维坐标系xoyz，在三维坐标系xoyz中，方位多通道sar平台的速度为v；设定方位多通道sar系统检查范围内存在多个点目标，任意选取一个点目标，记为点目标p，发射通道距点目标p的瞬时斜距矢量为rt(ta,p)，ta表示方位向时间；参考接收通道距点目标p的瞬时斜距矢量为rr1(ta,p)，第m个接收通道距点目标p的瞬时斜距矢量为rrm(ta,p)，2≤m≤m，m表示方位多通道sar系统的接收通道总个数，瞬时斜距矢量rrm(ta,p)与参考接收通道在沿方位多通道sar航向方向的基线为bm；其中，下标t表示发射，下标r表示接收。
零多普勒时刻时发射通道离点目标p最近，此时发射通道距点目标p的斜距矢量记为rt,0(p)，参考接收通道距点目标p的斜距矢量记为rr1,0(p)，相邻接收通道间的间隔均为d。
根据图1所示的几何关系，可知参考接收通道接收点目标p的回波信号为s1(τ,ta)，其表达式为：
其中
其中，r1(ta,p)表示设定的中间变量，||·||表示向量取模，τ表示距离向时间，ta表示方位向时间，c表示光速，λ表示方位多通道sar的载波波长，σ(p)表示点目标p的后向散射系数，g(ta)表示方位多通道sar收发通道的联合通道方向图，h(τ)表示方位多通道sar的发射脉冲，e表示指数函数，j表示虚数单位，rt(ta,p)表示发射通道距点目标p的瞬时斜距矢量，rr1(ta,p)表示参考接收通道距点目标p的瞬时斜距矢量，rt,0(p)表示零多普勒时刻发射通道距点目标p的斜距矢量，rr1,0(p)表示零多普勒时刻参考接收通道距点目标p的斜距矢量，v表示方位多通道sar平台的速度。
由式(1)可相应得到第m个接收通道接收点目标p的回波信号为sm(τ,ta)，其表达式为：
其中
其中，rm(ta,p)表示第m个接收通道的瞬时斜距矢量，rrm(ta,p)表示第m个接收通道距点目标p的瞬时斜距矢量，rt(ta,p)表示发射通道距点目标p的瞬时斜距矢量，bm表示瞬时斜距矢量rrm(ta,p)与参考接收通道在沿方位多通道sar航向方向的基线，△tm表示第m个接收通道的通道时延偏差。
对第m个接收通道的瞬时斜距矢量rm(ta,p)进行一阶泰勒级数展开得到第m个接收通道的瞬时斜距矢量rm(ta,p)的一阶泰勒级数展开结果
由于发射通道和接收通道间不存在垂直航向基线，所以对所述一阶泰勒级数展开结果
其中，r1(ta+△tm,p)＝||rt,0(p)-v·(ta+△tm)||+||rr1,0(p)-v·(ta+△tm)||，
联合公式(1)至(8)，得到第m个接收通道接收回波与参考接收通道接收回波之间的关系为：
其中，sm(τ,ta)表示第m个接收通道接收点目标p的回波信号，τ表示距离向时间，ta表示方位向时间，s1(τ,ta+△tm)表示参考接收通道接收点目标p的回波信号s1(τ,ta)在方位向延迟△tm后的回波信号，△tm表示第m个接收通道的通道时延偏差。
由上式可以看出，给第m个接收通道接收点目标p的回波信号sm(τ,ta)补偿一个
sm(τ,ta)＝s1(τ,ta+△tm)＝s1(τ,ta+xm/v)(10)
其中，xm为第m个接收通道相对参考接收通道的等效天线相位中心间隔，与瞬时斜距矢量rrm(ta,p)与参考接收通道在沿方位多通道sar航向方向的基线bm同方向，且取值为bm的一半。
步骤2，分别将方位多通道sar接收信号的采样频率记为距离采样频率fs，将方位多通道sar发射的信号载频记为中心载频，将方位多通道sar发射的信号带宽记为距离带宽；由于方位多通道sar满足距离采样频率fs远小于中心载频，当获取多通道回波数据后，对相邻通道的回波数据在距离频域进行干涉处理，可获得其干涉相位。
2.1当距离采样频率fr远小于中心载频时，多普勒中心在整个距离频域可视为常数，对由式(10)得到的第m个接收通道接收点目标p的回波信号sm(τ,ta)沿距离向做n点傅里叶变换，得到第m个接收通道接收点目标p的回波信号距离向频谱，其中第m个接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的频谱信号为sm(fi,ta)，其表达式为：
其中，i＝1,2,…,n，fi表示第m个接收通道接收点目标p的回波信号距离向第i点距离频率，fdc为多普勒中心频率，s1(fi,ta)表示参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的频谱信号，n表示对第m个接收通道接收点目标p的回波信号sm(τ,ta)沿距离向做傅里叶变换的点数。
2.2考虑通道间存在幅相偏差和距离时延偏差，将第m个接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的频谱信号sm(fi,ta)改写为存在幅相偏差和距离时延偏差的第m个接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的频谱信号sm,ε(fi,ta)，其表达式为：
其中，am(fi,ta)表示第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向频域第i点距离频率处的幅度特性差异，s1(fi,ta)表示参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的频谱信号，φm表示第m个接收通道相对于参考接收通道的相位偏差，第一个指数项
观察上式可得，第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向频域第i点距离频率处的幅度特性差异am(fi,ta)为：
am(fi,ta)＝abs((sm,ε(fi,ta))/abs(s1(fi,ta))(13)
其中，abs(·)表示取幅值操作，sm,ε(fi,ta)表示存在幅相偏差和距离时延偏差的第m个接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的频谱信号，s1(fi,ta)表示参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的频谱信号，下标ε表示第m个接收通道相对参考接收通道存在幅相偏差和距离时延偏差。
2.3将第m个接收通道与参考接收通道在距离频域做干涉处理可得第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的相频差异ψm(fi,ta)，其表达式为：
其中，conj(·)表示共轭操作，arg(·)表示取相位操作。
为了提高估计精度和稳健性，可在方位时域上进行几何平均，则对式(14)重新化简，得到第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的相频差异最终结果
2.4对式(13)重新化简，得到第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第i点距离频率处的幅度特性差异最终结果
其中，e(·)表示在方位向上取期望操作。
2.5令i的值分别取1至n，重复执行2.4，进而分别得到第m个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号在距离向第1点距离频率处的幅度特性差异最终结果
步骤3，对干涉相位进行解缠绕处理后，进而对其进行加权多项式拟合操作实现对常数相位项和线性相位项系数(对应通道时延偏差)的稳健估计。
为保证本发明方法的稳健性和有效性，此处需要考虑相位跳变及相位缠绕的影响；为了说明该影响，这里采用一组机载实测三通道数据来说明其影响。系统参数如表1所示，各通道回波相对于参考通道回波在距离频域的干涉相位如图3(a)所示，从图3(a)中可以看出干涉相位不但在高频部分存在明显的梯度偏差，而且在整个频谱范围内都存在相位缠绕现象及由噪声等引起的相位起伏，这些情况将导致传统算法的估计结果不再准确。
为了消除相位跳变及相位缠绕现象对通道偏差估计的影响，本发明方法在对干涉相位多项式拟合之前，事先通过对干涉相位进行一维相位解缠绕以消除相位缠绕的影响，如下式所示，计算得到位于距离频率fi处的第m个接收通道与参考接收通道解缠绕后的干涉相位
其中，
经相位解缠后，干涉相位如图3(b)所示；从图3(b)中可看出，解缠绕后的干涉相位中仅剩相位的微小起伏和带宽外的错误相位需要处理；本实施例对解缠绕后的干涉相位进行加权多项式拟合的方法以提高系数估计的稳健性，其具体过程如下：
将第m个接收通道与参考接收通道解缠绕后的干涉相位矢量记为
其中，diag(·)表示构造对角矩阵操作，
这里以一次多项式拟合为例，给出参数矩阵a和权系数矩阵w的定义如下所示
w＝diag{[w1w2...wn-1wn]}(20)
其中，wi表示距离向第i点距离频率fi对应的权值。
为使运算更加简便，距离向第i点距离频率fi对应的权值wi可如下设置：当距离向第i点距离频率fi位于距离带宽内时，取wi＝1；否则取wi＝0，则通过式计算得到第m个接收通道的多项式拟合系数
其中，上标t表示转置，上标-1表示求逆，cm,0表示第m个接收通道的常数项拟合系数，cm,1表示第m个接收通道的线性项拟合系数，结合式(14)可得：
cm,0＝φm+2π·fdc·xm/v(22)
cm,1＝2π·△τm(23)
故第m个接收通道的通道时延偏差最终结果
步骤4，利用空间互相关系数理论，通过常数相位项估计值可以同时估计得到基带多普勒中心和通道间相位偏差。
实际中，为利用相邻通道间回波信号的高相干性，上述处理操作一般选择在相邻通道间进行。结合空间互相干系数(sccc)算法原理可得第m个接收通道与第m-1个接收通道的相干系数相位arg(γm,m-1)，其表达式为：
arg(γm,m-1)＝cm,0-cm-1,0＝(φm-φm-1)+2π·fdc·(xm-xm-1)/v(m＝2,3,...,m)(25)
其中，γm,m-1表示第m个接收通道与第m-1个接收通道的相干系数，其表达式为：
m表示方位多通道sar系统的接收通道总个数，cm-1,0表示第m-1个接收通道的常数项拟合系数。
根据空间互相干系数(sccc)算法原理，可估计出多普勒中心频率fdc，其表达式为：
其中，fprf表示脉冲重复频率，ck,t表示t方位时刻第k个接收通道的相位常数项，其得到过程为：通过t方位时刻第k个接收通道接收点目标p的回波信号与t+1方位时刻参考接收通道的回波信号做干涉解缠处理并做一次拟合，拟合后得到的常数项系数就是ck,t；参数k的确定方法可参见空间互相干系数(sccc)算法原理文献，k为大于1的正整数；大多数情况下k与方位多通道sar系统的接收通道总个数m取值。
由式(25)可知，第m个接收通道相对于参考接收通道的相位偏差φm为：
φm＝cm，0-c1，0-2π·(m-1)·fdc·d/2/v(27)
其中，fdc为多普勒中心频率，v表示方位多通道sar平台的速度，d表示相邻接收通道间的间隔均为，cm,0表示第m个接收通道的常数项拟合系数，cm,1表示第m个接收通道的线性项拟合系数。
步骤5，令m的值分别取2至m，重复执行步骤2至步骤4，进而分别得到第2个接收通道接收点目标p的回波信号相对参考接收通道接收点目标p的回波信号距离向幅度特性差异
下面结合多通道实测数据对本发明的效果做进一步说明。
有效性验证
为了验证本发明方法的有效性，实验中采用了机载x波段方位三通道实测数据，三个接收通道在方位向上等间隔分布，主要系统仿真参数如表1所示。
表1
由于各通道原始回波数据均满足奈奎斯特采样，为了获得方位模糊多通道数据，本实验对原始数据在方位向进行了3倍降采样处理，得到新的脉冲重复频率为200hz的回波数据；单通道成像结果、传统通道幅相偏差校正的多通道成像结果和经本发明方法校正通道偏差后的多通道成像结果如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示；数据处理过程中，选择天线中间的通道2作为参考通道，本发明方法估计得到的各通道相对于参考通道的时延偏差分别为1.332、0和-0.009，单位为像素。
显然，如果没有进行通道时延偏差校正，同一目标在各通道的回波中位于不同距离单元，将对方位通道相位偏差校正和方位模糊抑制产生严重的影响，所以图4(b)中出现了明显的方位模糊。相比于图4(b),图4(c)中的方位模糊得到了很好的抑制，且与图4(a)中所示的单通道无模糊成像结果相比没有明显的方位模糊，这表明本发明方法估计的相位偏差，距离时延偏差等均基本准确。此外，本发明方法估计的基带多普勒中心8.93hz，经过通道时延偏差校正后传统sccc算法的估计结果为10.5hz，而利用平均相位增量法通过对通道1、通道2和通道3无模糊数据单独估计的结果分别为11.5234hz、11.1328hz和8.3984hz。上述结果表明本发明方法能够准确地估计基带多普勒中心。
另一方面，本发明方法和sccc算法估计得到的通道相位偏差估计结果如表2所示，单位为度。
表2
该结果表明本发明方法在通道相位偏差估计中的有效性和准确性。
对比验证
本发明方法可以一次性对多种通道偏差进行估计，对比其余仅针对其中部分通道偏差项的估计算法具有明显优势；因此，此处只对部分通道偏差项的估计算法估计稳健性进行了分析，稳健性体现在对通道时延偏差的估计。
本实验分别采用了幅度互相关配准方法、原始的多项式拟合方法和本发明方法进行通道时延偏差估计；其中，配准精度分别为1像素、0.1像素、0.01像素，而多项式系数拟合均采用一次拟合；通道距离时延偏差估计结果如表3所示，单位为像素。
表3
显然，原始的多项式拟合方法和其余方法获得的结果存在较大的偏差，表现不够稳健；实验中对相邻通道回波间相干系数进行了统计对比以验证校正精度，如图5(a)和图5(b)所示，经过通道时延偏差校正后各通道回波和参考通道回波间的相干性得到明显提升；同时发现，校正精度越高则相干性提升越明显，而本发明方法结果明显优于配准精度0.01像素时的结果和原始方法；图5(b)中校正前后通道3和参考通道间相干性提升不明显，这是由于通道3相比于参考通道的时延偏差仅有0.01像素。
综上所述，通道时延偏移校正的精度直接影响了通道间回波相干性，继而将影响通道相位偏差估计以及多普勒解模糊性能；而相比于复图像配准方法和原始多项式拟合方法，本发明方法的估计结果更为稳健准确。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。