一种SAR动目标二维自聚焦成像处理方法

本发明属于雷达图像处理，具体地说，是一种sar动目标二维自聚焦成像处理方法。

背景技术：

1、合成孔径雷达（sar）是一种全天时、全天候的高分辨率成像雷达，现已广泛应用于军事侦察、资源探测、灾害监视等重要场景中。双基地合成孔径雷达（sar）发射站和接收站分置于不同平台上，相比于单基地sar，具有反侦察、抗干扰和生存能力强等特点，在军用和民用领域具有十分重要的应用价值。双基地sar不仅可以监测静止目标，同时也可以对动目标进行监测和成像。

2、pfa（极坐标格式成像算法）是一种经典的sar聚束模式成像算法。在双基地sar系统成像中，pfa是一种有效的选择。在双基地sar成像系统中，由于机载运动时的抖动和轨迹的偏差以及目标物的运动会在雷达回波数据中引入距离徙动和方位向的相位偏移，从而导致图像出现散焦，质量下降。只采用一维方位向的相位误差补偿不能达到良好的聚焦效果，因此，为了获取高质量、高分辨率的sar图像，需要对图像进行二维相位误差补偿。

3、目前，对于自聚焦算法的研究，更多的是对方位向相位误差（ape）估计，而忽略了距离向的rcm估计和补偿，然而，为了得到高质量的聚焦图像，rcm的估计和补偿是不容忽视的。

技术实现思路

1、为了解决这一问题，本发明通过估计相位误差模型，先对原始pfa数据进行预补偿，然后利用isar的包络对齐方法首先估计rcm，再利用rcm与ape之间的分析关系，通过pga算法估计ape，以达到更好的聚焦效果，最后采用二维稀疏求解对图像处理，以获得质量更高的图像。

2、本发明采用回波信号的相位补偿技术，可以对匀速和非匀速运动的目标成像实现良好的聚焦效果，具体采用的技术方案如下：

3、一种sar动目标二维自聚焦成像处理方法，包括以下步骤：

4、s1、建立双基地sar数据采集模型，获取pfa处理后的动目标信号模型；

5、s2、利用拟合和插值推导动目标图像的二维空间频率域相位误差数值表达式；

6、s3、根据动目标的位置信息反推二维频率域相位误差数值，对图像进行预滤波处理，实现粗补偿；

7、s4、预滤波后，进行子孔径分解，距离徙动校正和方位向一维自聚焦处理，求解距离徙动曲线；

8、s5、对距离徙动曲线进行keystone变换，根据模型得到两维相位误差的初始估计数值；

9、s6、构造代价函数，进行二维稀疏约束求解;

10、s7、通过点目标仿真验证本发明对任意航迹、任意运动轨迹下动目标图像可以实现二维重聚焦处理。

11、本发明的进一步改进，s1通过构建双基地sar信号模型，得到回波信号，经过pfa算法处理后得到动目标相位误差为：

12、

13、其中，，

14、发射机和接收机平台在任意方位采样时间的斜视角度为和，俯仰角度为和，和是动目标极坐标格式转换后的坐标，和分别是方位向空间频率和距离向空间频率，是方位时间变量，为距离向频率，为载波频率，为动目标对应的双基地差分距离。

15、在本发明中，利用拟合和插值得到s2进行双基地pfa动目标相位误差，如下：

16、

17、其中：

18、

19、为pfa极坐标格式转换后的方位向采样数值，由数据插值确定。

20、依据动目标位置信息反推得到双基地差分距离泰勒展开系数，进而依据二维相位误差模型设计滤波器实现动目标图像的预滤波处理，可以实现相位误差粗补偿。

21、二维极坐标格式相位误差直接决定了动目标pfa成像后的图像域位置。求解对空间频率和的一阶导数，并反推可以得到与双基地差分距离有关的信息为

22、

23、其中

24、

25、通常情况，动目标在图像中的位置是已知的。因此，基于上述公式，可以利用图像域位置反推得到部分差分距离向信息，进而依据模型得到部分二维相位误差。利用上述信息设置预补偿滤波器为：

26、

27、基于图像域位置反推得到了双基地差分距离部分信息，进而采用上述滤波可以实现动目标图像的粗聚焦补偿。

28、本发明对预补偿动目标图像进行距离徙动估计，同时考虑图像的越距离单元走动和距离单元内走动，通过越距离单元徙动校正、降分辨率处理以及方位向自聚焦来实现距离徙动曲线估计。

29、本发明对估计得到的rcm曲线进行keystone变换反推得到处理后的二维相位误差估计值。

30、利用曲线拟合提高rcm估计精度，并去除方位相位误差中的线性相位误差，然后依据模型可以得到动目标回波差分距离曲线 。对上述差分距离曲线进行keystone插值处理，可以得到

31、然后依据模型得到二维相位误差初始估计值

32、

33、本发明的进一步改进，s6在完成二维相位误差初始估计后，利用二维稀疏约束，计算并实现数据的重聚焦和相位误差估计的迭代更新，最后实现数据的聚焦处理。

34、设置代价函数：

35、

36、其中，和表示对二维相位误差模型与和之间的对应关系， 为离散一阶梯度矩阵，，为二维傅里叶变换矩阵，为降采样矩阵，为加权因子，和分别为二范数和一范数。上式中，和分别为二范数和一范数，上述代价函数中，第一项为数据保真项，第二项为稀疏约束项。对上述最优化问题进行迭代求解可以实现相位误差的迭代更新和动目标图像的重聚焦处理。

37、本发明的有益效果：本发明推导了更为精确的动目标二维相位误差模型，根据推导得到的模型，对原始pfa数据进行预滤波粗补偿。然后基于插值和拟合运算估计rcm信息，并进行插值keystone变换计算二维相位误差的初始估计值。最后，基于测量数据以及rcm信息联合二维稀疏约束实现图像的重聚焦处理。

技术特征：

1.一种sar动目标二维自聚焦成像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的sar动目标二维自聚焦成像处理方法，其特征在于，所述s1通过构建双基地sar信号模型，得到回波信号，经过pfa算法处理后得到动目标相位误差为：

3.根据权利要求2所述的sar动目标二维自聚焦成像处理方法，其特征在于，利用拟合和插值得到所述s2进行双基地pfa动目标相位误差，如下：

4.根据权利要求3所述的sar动目标二维自聚焦成像处理方法，其特征在于，依据动目标位置信息反推得到双基地差分距离泰勒展开系数，进而依据二维相位误差模型设计滤波器实现动目标图像的预滤波处理，二维极坐标格式相位误差直接决定了动目标pfa成像后的图像域位置，求解对空间频率和的一阶导数，并反推得到与双基地差分距离有关的信息为：

5.根据权利要求4所述的sar动目标二维自聚焦成像处理方法，其特征在于，同时考虑图像的越距离单元走动和距离单元内走动，通过越距离单元徙动校正、降分辨率处理以及方位向自聚焦来实现距离徙动曲线估计。

6.根据权利要求5所述的sar动目标二维自聚焦成像处理方法，其特征在于，对估计得到的rcm曲线进行keystone变换反推得到处理后的二维相位误差估计值，利用曲线拟合提高rcm估计精度，并去除方位相位误差中的线性相位误差，然后依据模型可以得到动目标回波差分距离曲线 ，对上述差分距离曲线进行keystone插值处理，得到：

7.根据权利要求6所述的sar动目标二维自聚焦成像处理方法，其特征在于，所述s6在完成二维相位误差初始估计后，利用二维稀疏约束，计算并实现数据的重聚焦和相位误差估计的迭代更新，最后实现数据的聚焦处理，

技术总结
本发明属于雷达图像处理技术领域，具体地说，是一种SAR动目标二维自聚焦成像处理方法，其主要步骤包括：建立双基地数据采集模型，获取双基地PFA极坐标格式转换后的动目标空间频率域信号模型；推导动目标图像的二维空间频率域相位误差数值表达式；根据动目标的位置信息反推二维频率域相位误差数值，对图像进行预滤波处理，实现粗补偿；预滤波后，进行距离徙动校正、子孔径分解和方位向一维自聚焦处理，求解距离徙动曲线；对距离徙动曲线进行keystone变换，根据模型得到两维相位误差的初始估计数值；构造代价函数，进行二维稀疏约束求解；实验仿真验证本发明中对任意航迹、任意运动轨迹下的动目标二维稀疏自聚焦方法的有效性。

技术研发人员：王昕,王共赛,崔烨
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12