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合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法；具體包括以下步驟：距離向脈沖壓縮、距離徙動(dòng)校正、方位去斜、坐標(biāo)下降多維相位誤差估計(jì)、估計(jì)單個(gè)方位單元相位誤差、輸出多維相位誤差估計(jì)值和補(bǔ)償相位誤差。本發(fā)明的合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法使用坐標(biāo)下降法對(duì)各方位時(shí)刻相位誤差進(jìn)行多維聯(lián)合估計(jì)，使用多維投影的方法將一維搜索求解最大對(duì)比度的問題轉(zhuǎn)化為求解四次多項(xiàng)式的問題，大大減小了運(yùn)算量；同時(shí)本發(fā)明對(duì)方位向相位誤差的估計(jì)具有無(wú)階數(shù)限制的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種全天時(shí)、全天候的高分 辨率微波遙感成像雷達(dá)。在軍事偵察、地形測(cè)繪、海洋及水文觀測(cè)、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)視、資源勘 探以及地殼微變檢測(cè)等領(lǐng)域，SAR發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。理想條件下的SAR成像，均是 假設(shè)平臺(tái)勻速直線運(yùn)動(dòng)，然而實(shí)際中，由于風(fēng)、湍流的影響，平臺(tái)往往偏離實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，從 而引入相位誤差，造成成像質(zhì)量下降。因而，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是SAR高分辨成像的關(guān)鍵技術(shù)。目 前，SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償主要分為兩種，一種是基于傳感器信息的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，另一種是基于回波數(shù) 據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，也就是所說(shuō)的自聚焦。近年來(lái)，隨著成像分辨率要求的不斷提高，對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ) 償?shù)囊笠苍絹?lái)越高，傳感器提供的運(yùn)動(dòng)信息往往不能滿足補(bǔ)償精度需求，特別是在某些 條件下，如小型無(wú)人機(jī)，甚至沒有慣導(dǎo)信息可用，從而基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，即自聚焦， 變的尤為重要。在已有的自聚焦方法中，文獻(xiàn)"Subaperture Autofocus for Synthetic Aperture Radar, T. M. Calloway, and G. ff. Dohohoe, IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 30, No. 2, pp. 617-621，Aprill994"提出 了子視圖相關(guān)（MD)方法， 通過劃分孔徑及孔徑間相關(guān)運(yùn)算來(lái)估計(jì)多普勒調(diào)頻率，實(shí)現(xiàn)自聚焦。但該方法基于二階近 似模型，無(wú)法補(bǔ)償高次相位誤差的影響。文獻(xiàn)"Phase gradient autofocus-a robust tool for high resolution SAR phase correction, Wahl D E, Eichel P H, Ghiglia D C, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1994,3〇(3):827-835· " 根據(jù)相 位梯度的概念，提出了一種建立在無(wú)階數(shù)限制相位誤差模型之上的相位梯度自聚焦算法 (PGA)，能夠估計(jì)各次相位誤差，彌補(bǔ)了 MD算法只能估計(jì)低階相位誤差的不足。然而PGA算 法在場(chǎng)對(duì)場(chǎng)景對(duì)比度要求較高，在均勻場(chǎng)景和低信雜比條件下，因?yàn)椴荒艹晒μ崛√仫@點(diǎn) 的相位歷程而聚焦效果往往不好。文獻(xiàn)"Autofocusing of ISAR images based on entropy minimization, L. Xi and J. Ni, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Syst ems，vol. 35, no. 4, pp. 1240 - 1252, 1999"中，以圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)作為度量，提出了逐級(jí)逼 近自聚焦算法，通過逐步減小步長(zhǎng)來(lái)搜索高維空間中的相位誤差，從而實(shí)現(xiàn)自聚焦，適用于 各種類型的場(chǎng)景，但是由于涉及到高維搜索，運(yùn)算量較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是：針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)了一種基于圖像最大對(duì)比 度的自聚焦算法，以期解決現(xiàn)有自聚焦算法僅針對(duì)低階相位誤差，以及無(wú)階數(shù)限制相位誤 差估計(jì)中存在的高維空間搜索過程的大運(yùn)算量問題。
[0004] 為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對(duì)以下術(shù)語(yǔ)進(jìn)行解釋：
[0005] 術(shù)語(yǔ)1 :SAR自聚焦算法
[0006] SAR自聚焦算法是指基于SAR回波數(shù)據(jù)的方位向相位誤差估計(jì)和補(bǔ)償算法。
[0007] 術(shù)語(yǔ)2:坐標(biāo)下降法
[0008] 坐標(biāo)下降法是一種多變量非梯度優(yōu)化算法。算法在每次迭代中，在當(dāng)前點(diǎn)處沿一 個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)行一維搜索以求得一個(gè)函數(shù)的局部極小值，在整個(gè)過程中循環(huán)使用不同的坐 標(biāo)方向。
[0009] 術(shù)語(yǔ)3 :多維投影法
[0010] 多維投影法是指把多維空間中的向量投影到特定二維平面上的方法。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法，包括以下步驟：
[0012] S1.獲取二維回波數(shù)據(jù)，利用匹配濾波方法實(shí)現(xiàn)距離向脈沖壓縮，脈沖壓縮后的點(diǎn) 目標(biāo)回波數(shù)據(jù)S(I(T，η)表示為 ：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法，其特征在于，包括以下步驟：
51. 獲取二維回波數(shù)據(jù)，利用匹配濾波方法實(shí)現(xiàn)距離向脈沖壓縮，脈沖壓縮后的點(diǎn)目標(biāo) 回波數(shù)據(jù)S(I(T，η)表示為 ：
其中，c為光速，η為方位向慢時(shí)間，τ為距離向快時(shí)間，waz( η)為方位向時(shí)域包絡(luò)， 入為波長(zhǎng)，R( Π )為場(chǎng)景中心點(diǎn)距離歷史；
52. 對(duì)步驟S1中點(diǎn)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)S(l( τ，η)進(jìn)行二維傅里葉變換得到二維頻域回波 信號(hào)Sjf τ，f n)，然后將二維頻域回波信號(hào)Sjf τ，f n)乘以徙動(dòng)校正相位HKQC(f τ，f n)，并 將相乘得到的結(jié)果進(jìn)行傅里葉反變換到二維時(shí)域，得到距離徙動(dòng)校正后的二維時(shí)域信號(hào) Si ( τ，η )，表不為：
其中，徙動(dòng)校正相位
為載波頻率，V為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度， R〇為多普勒中心穿越時(shí)刻瞬時(shí)斜，為距離向參考頻率，fn為方位向參考頻率；
53. 利用平臺(tái)理想速度、作用距離信息，構(gòu)造方位向去斜函數(shù)Hdec;top(ii)，表示為：
將方位向去斜函數(shù)Hdec;top(ii)與步驟S2中得到的距離徙動(dòng)校正后的二維時(shí)域信號(hào) Si ( τ，η )相乘得到 y ( τ，η )，并將 y ( τ，η )離散表示為 ym，n，其中 m = 1，2, 3, . . .，M, n = 1，2, 3, . . .，N，M為距離向采樣點(diǎn)數(shù)，N為方位向采樣點(diǎn)數(shù)；回波數(shù)據(jù)方位向的相位誤差為Φ =(Φ^ Φ2, Φ3,…，ΦΝ)，其中Φη(η = 1，2, 3,. . .，Ν)表示回波數(shù)據(jù)中第n個(gè)方位單元的 相位誤差，則將ymin表示為：
其中，為理想情況下距離徙動(dòng)校正后二維時(shí)域回波信號(hào)與方位向去斜函數(shù)相乘 后離散表示的結(jié)果；將ym，n進(jìn)行方位向離散傅里葉變換，得到未經(jīng)自聚焦處理的二維圖像 zm，n，表不為：
其中，k = 1，2. .. N為方位向單元個(gè)數(shù)；對(duì)未經(jīng)自聚焦處理的二維圖像zm，n，計(jì)算其圖像 對(duì)比度Q，表示為：
其中，z<j為二維圖像zm，n的第q個(gè)矩陣元素 ,q = 1，2, . . .，NXM為矩陣元素個(gè)數(shù)，[·Γ 為共軛運(yùn)算；
54. 設(shè)定相位誤差估計(jì)向量
，當(dāng)i = 1時(shí)固定：
估計(jì)t，當(dāng) i>l時(shí)，固定
估計(jì)Φ?，其中i為方位單元個(gè)數(shù)； S5.當(dāng)相位誤差的方位單元數(shù)i = 1時(shí)，利用待估計(jì)相位誤差t和其余方位單元相 位誤差估計(jì)值?.λ.....4構(gòu)造相位誤差補(bǔ)償向量k * I;當(dāng)i關(guān)1時(shí)，利用待估 計(jì)相位誤差t和其余方位單元相位誤差估計(jì)值g.....4 d、,....λ構(gòu)造相位誤差補(bǔ)償向量 [if氣",if氣e氣Ρ氣；將步驟S3中的乘以相位誤差補(bǔ)償向量，然后將相乘后得到 的結(jié)果進(jìn)行方位向傅里葉變換，得到
對(duì)得到的zm，n根據(jù)步驟S3中圖像對(duì)比度Q的表達(dá)式導(dǎo)出對(duì)比度的解析式，并化簡(jiǎn)可 得： 〇(Φ?) = | |F〇+A οοβΦ?+Β β?ηΦ?Ι 12 其中，11 · I |2為向量二范數(shù)，fq為常向量，滿足 F〇 - [ (f〇) 1，1，（f〇) 1，2，· · ·，（f〇) 1，N, (f〇) 2, 1，（f〇) 2,2，· · ·，（f〇) 2，N, · · ·，（f〇) M，1，（f〇) M, 2，· · ·，(f〇) M，N]
A、B為橢圓參數(shù)向量，滿足 A [ (￡〇 1，1，(￡〇 1，2，· · ·，(&) 1，N，(&) 2, 1，(&) 2, 2，· · ·，(&) 2, N，· · ·，(&) Μ, 1，(&) Μ, 2，· · ·，(&) Μ, N] B [ (b) i，i，（b) i，2，· · ·，（b) i，n，（b) 2, i，（b) 2,2，· · ·，（b) 2,n，· · ·，（b) m, 1，（b) m, 2，· · ·，（b) m，n]
采用多維投影方法將向量h投影到向量A、B所張成的二維平面，求解二維平面上橢 圓到X。的距離最遠(yuǎn)點(diǎn)，其中X。為坐標(biāo)原點(diǎn)在A、B所張成的二維平面內(nèi)的投影點(diǎn)，坐標(biāo)為X(l =---]1 ·匕，Ερ E2為向量A、B的單位正交基，[· ]τ為矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算；利用最遠(yuǎn)點(diǎn)到X。 的向量平行于橢圓法線向量的幾何關(guān)系，求解關(guān)于待求參數(shù)α的四次多項(xiàng)式，表示為：
其中，ρ = 0, 1，2, 3, 4，為多項(xiàng)式階數(shù)，參數(shù)α與待求解相位誤差t關(guān)系為：
入^ λ 2為橢圓參數(shù)矩陣R的特征值，Vl、v2為其對(duì)應(yīng)的特征向量，[β i β 2]T = [Vlv2] 求解關(guān)于待求參數(shù)α的四次多項(xiàng)式，得到α的最小實(shí)數(shù)解amin，將amin帶入?yún)?shù)α 與待求解相位誤差Φ?關(guān)系式中，解得相位誤差的估計(jì)值
56. 更新步驟S4中的相位誤差估計(jì)向量
，判斷步驟S5中所估計(jì)的相 位誤差^的方位單元數(shù)i是否等于Ν，若不成立，貝U令i = i+1，轉(zhuǎn)入步驟S6估計(jì)Φ? ;若成 立，則將步驟S3中的ym，n乘以相位誤差補(bǔ)償向量|? ^ 并進(jìn)行方位向傅里葉變換， 得到相位誤差補(bǔ)償后的二維聚焦圖像4.-，表示為：
根據(jù)步驟S3中圖像對(duì)比度Q的表達(dá)式計(jì)算圖像I,,的對(duì)比度Q，判斷此時(shí)圖像對(duì)比 度是否滿足條件
，若滿足，直接輸出相位誤差估計(jì)值Φ |若不滿足，則更新初始 圖像對(duì)比度Q，把此時(shí)圖像對(duì)比度Q的值賦給Q，返回步驟S4,重復(fù)步驟S5和S6,估計(jì) Φρ Φ2, Φ3，···，ΦΝ，直至滿足條件，則輸出此時(shí)相位誤差估計(jì)值Φ;
57. 由步驟S6中輸出的相位誤差估計(jì)值I?構(gòu)造相位誤差補(bǔ)償向量
，將 步驟S3中的ym，n乘以相位誤差補(bǔ)償向量并進(jìn)行方位向傅里葉變換，得到相位誤差補(bǔ)償后的 二維聚焦圖像，表示為：
2.如權(quán)利要求1所述的合成孔徑雷達(dá)自聚焦方法，其特征在于，所述步驟S5中橢圓參 數(shù)矩陣定義具體為：
【文檔編號(hào)】G01S7/02GK104251990SQ201410467978
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】李文超, 蒲巍, 楊建宇, 黃鈺林, 武俊杰, 李中余, 楊海光 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)