基于搜索sar圖像相位梯度自聚焦運動補償方法
【專利摘要】本發明公開一種基于搜索SAR圖像相位梯度自聚焦運動補償方法，解決了現有技術相位梯度自聚焦運動補償方法存在的熵值收斂速度慢，且對具有極少孤立強散射點的圖像聚焦效果較差甚至不能聚焦的問題。本發明的步驟為：(1)輸入圖像域數據信號矩陣；(2)獲取距離單元數據信號矩陣；(3)循環移位；(4)加窗處理；(5)校正相位誤差；(6)判斷是否滿足熵值收斂條件；(7)輸出相位校正數據信號矩陣。本發明相比現有技術相比，加快了熵值收斂的速度，提高了相位誤差校正的效率，并且對具有極少孤立強散射點的圖像有良好的聚焦效果。
【專利說明】基于搜索SAR圖像相位梯度自聚焦運動補償方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于圖像處理【技術領域】，更進一步涉及圖像成像【技術領域】中的一種基于搜索合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar SAR)圖像相位梯度自聚焦運動補償方法。本發明可以解決由于飛機偏離方位向航跡，造成的合成孔徑雷達SAR圖像相位誤差，對該相位誤差進行運動補償。
【背景技術】
[0002]運動補償是合成孔徑雷達SAR成像得到良好聚焦圖像的關鍵步驟。現有的運動補償方法主要分以下兩類:基于儀器儀表測量的和基于信號處理的。目前，現有的自聚焦方法中聚焦效果最好的是相位梯度自聚焦相位補償方法。
[0003]ZhuDaiyin, JiangRui, MaoXinhua 和 ZhuZhaoda 在論文 “Mult1-Subaperture PGAfor SAR Autofocusing，， (IEEE Transact1ns on Aerospace and Emectronics Systems,2013，49 (I))中提出了一種相位補償方法。該方法利用選取數據，循環移位，加窗處理，進行相位梯度估計并校正相位誤差，并對上述五個步驟中的循環移位，加窗處理，校正相位誤差三個主要步驟進行迭代來重構聚焦的圖像。該方法存在的不足是，三個主要的運算步驟要進行五到十次迭代，基于最小熵值原則熵值收斂時迭代次數較多，收斂速度較慢，并且該算法不能聚焦有極少孤立強散射點的圖像。
[0004]電子科技大學擁有的專利技術“基于改進相位梯度自聚焦的雙基SAR運動補償方法”(申請號201410119343.X，申請日2014.3.27，申請公布號CN103885061 A，申請公布日2014.6.25)。公布了一種改進相位梯度自聚焦的雙基SAR運動補償方法。該方法利用對孔徑數據進行距離徙動校正，距離壓縮和去斜處理，用相位梯度自聚焦方法對信號非空變相位誤差估計和并用該估計結果對數據粗補償，將剩余相位誤差展開并得到常數項，一次項和二次項系數，利用相位加權相位梯度自聚焦方法得到所述三個系數的最小均方梯度估計并由梯度估計結果得到子孔徑相位誤差估計，將各子孔徑數據的相位誤差拼接得到全孔徑相位誤差并用全孔徑相位誤差進行運動補償和雙基合成孔徑雷達SAR成像。但該方法存在的不足之處是，雖然進行了子孔徑劃分并在一定程度上解決了大相位誤差的問題，但大相位誤差的補償仍然是對于一般圖像而言的，對于具有極少孤立強散射點的圖像，利用最小熵值原則最小熵值不能精確收斂，相位誤差的估計仍然不精確，故不能對該類圖像進行良好聚焦，同時，子孔徑的劃分對圓位移，加窗，相位梯度估計和相位梯度校正四個主要步驟要進行五到十次迭代，迭代次數較多，收斂速度較慢。
【發明內容】
[0005]本發明的目的針對上述現有技術存在不足，提出了一種基于搜索SAR圖像相位梯度自聚焦運動補償方法。本方法提高了每次迭代過程中相位補償的精度，減少了相位梯度自聚焦PGA運動補償方法的迭代次數，同時很好的解決了基于相位梯度自聚焦PGA運動補償方法中對具有極少孤立強散射點圖像的聚焦效果較差甚至不能聚焦的問題。
[0006]為實現上述目的，本發明包括以下步驟:
[0007](I)輸入圖像域數據信號矩陣:
[0008](Ia)輸入合成孔徑雷達圖像域數據信號矩陣；
[0009](Ib)從圖像域數據信號矩陣中任意選取一行，將所選取行的圖像域數據信號作為距離單元數據信號；
[0010](2)獲取距離單元數據信號矩陣:
[0011](2a)采用相干公式，對距離單元數據信號進行相干和歸一化處理，得到距離單元數據信號的能量；
[0012](2b)將距離單元數據信號按能量的大小從大到小排序；
[0013](2c)從排序后距離單元數據信號中選取前30個距離單元數據信號，將選出的30個距離單元數據信號合成一個矩陣，得到距離單元數據信號矩陣；
[0014](3)循環移位:
[0015](3a)從距離單元數據信號矩陣的第一行中選取能量最大的元素，將該元素移動到該行的中心位置；
[0016](3b)判斷距離單元數據信號矩陣中全部行的能量最大的元素的移動是否完畢，若是，執行步驟(4)，否則，執行步驟(3a)；
[0017](4)加窗處理:
[0018]采用加窗截斷方式，對距離單元數據信號矩陣的每一行進行加窗操作，得到加窗距離單元數據信號矩陣；
[0019](5)校正相位誤差:
[0020](5a)對加窗距離單元數據信號矩陣進行方位向傅里葉變換，得到距離多普勒域數據信號矩陣；
[0021](5b)采用步長搜索相位誤差估計方法，得到距離多普勒域數據信號矩陣的相位誤差;
[0022]所述步長搜索相位誤差估計方法的步驟如下:
[0023](5bl)按照下式，計算距離多普勒域數據信號矩陣的相位梯度中心值:
【權利要求】
1.一種基于搜索合成孔徑雷達圖像相位梯度自聚焦運動補償方法，包括如下步驟: (1)輸入圖像域數據信號矩陣: (Ia)輸入合成孔徑雷達圖像域數據信號矩陣； (Ib)從圖像域數據信號矩陣中任意選取一行，將所選取行的圖像域數據信號作為距離單元數據信號； (2)獲取距離單元數據信號矩陣: (2a)采用相干公式，對距離單元數據信號進行相干和歸一化處理，得到距離單元數據信號的能量； (2b)將距離單元數據信號按能量的大小從大到小排序； (2c)從排序后距離單元數據信號中選取前30個距離單元數據信號，將選出的30個距離單元數據信號合成一個矩陣，得到距離單元數據信號矩陣； (3)循環移位: (3a)從距離單元數據信號矩陣的第一行中選取能量最大的元素，將該元素移動到該行的中心位置； (3b)判斷距離單元數據信號矩陣中全部行的能量最大的元素的移動是否完畢，若是，執行步驟(4)，否則，執行步驟(3a)； (4)加窗處理: 采用加窗截斷方式，對距離單元數據信號矩陣的每一行進行加窗操作，得到加窗距離單元數據信號矩陣； (5)校正相位誤差: (5a)對加窗距離單元數據信號矩陣進行方位向傅里葉變換，得到距離多普勒域數據信號矩陣； (5b)采用步長搜索相位誤差估計方法，得到距離多普勒域數據信號矩陣的相位誤差； 所述步長搜索相位誤差估計方法的步驟如下: (5bl)按照下式，計算距離多普勒域數據信號矩陣的相位梯度中心值:
其中，η表示距離多普勒域數據信號矩陣的相位梯度中心值，arg表示取相位值操作，W表示距離多普勒域數據信號矩陣的歸一化權值，n表示距離多普勒域數據信號矩陣中任意一個距離向位置，n的取值范圍為l，2，3，...，f，f表示距離多普勒域數據信號矩陣的列數，y(m_1)n分別表示距離多普勒域數據信號矩陣第m行第n列和第m-1行第n列的信號點，m表示距離多普勒域數據信號矩陣的任意一個距離向位置，m的取值范圍為1，2，3，...，e，e表示距離多普勒域數據信號矩陣的行數，conj (.)表示取共軛操作； (5b2)按照下式，計算距離多普勒域數據信號矩陣的切比雪夫熵值展開式各階節點系數:
其中，G0表示距離多普勒域數據信號矩陣的切比雪夫熵值展開式零階節點的系數，Gi表示距離多普勒域數據信號矩陣的切比雪夫熵值展開式i階節點的系數，i表示距離多普勒域數據信號矩陣的切比雪夫熵值展開式中項的階數，Φ (.)表示距離多普勒域數據信號矩陣的熵值函數，P表示距離多普勒域數據信號矩陣的切比雪夫熵值展開式的累加變量，P的取值范圍為0，1,2, 3,4 ； (5b3)按照下式，計算距離多普勒域數據信號矩陣的熵值展開式:
φ ( δ ) = G0+G4+ (6^263-363) δ + (2G2-8G4) δ 2+4G3 δ 3+8G4 δ 4 其中，Φ(δ)表示距離多普勒域數據信號矩陣的熵值，δ表示距離多普勒域數據信號矩陣的相位梯度步長值，S的取值范圍為[-1JLG1, G2, G3, G4分別表示距離多普勒域數據信號矩陣的一階、二階、三階和四階節點的系數； (5b4)按照下式，計算距離多普勒域數據信號矩陣的相位誤差:(p{k)=.φ(k-1) + δη(k) 其中，φ(k)、φ(k-1)分別表示距離多普勒域數據信號矩陣第k個和第k-Ι個方位向位置的相位誤差，n(k)表示距離多普勒域數據信號矩陣第k個方位向位置的相位梯度中心值，k表示距離多普勒域數據信號矩陣的任意一個方位向位置，k的取值范圍為1，2，3，...，g，g表示距離多普勒域數據信號矩陣的列數，δ表示距離多普勒域數據信號矩陣的相位梯度步長值，S的取值范圍為[-1，I]; (5c)用距離多普勒域數據信號矩陣乘以距離多普勒域數據信號矩陣的相位誤差，得到校正后的距離多普勒域數據信號矩陣； (5d)對校正后的距離多普勒域數據信號矩陣進行方位向逆傅里葉變換，得到相位校正數據信號矩陣； (6)判斷相位校正數據信號矩陣是否滿足熵值收斂條件，若是，執行步驟(3)，否則，執行步驟⑵； (7)輸出相位校正數據信號矩陣。
2.根據權利要求1所述的基于搜索合成孔徑雷達圖像相位梯度自聚焦運動補償方法，其特征在于，步驟(2a)中所述的相干公式如下:
其中，Pa表示圖像域數據信號矩陣第a行距離單元數據信號的能量，a表示圖像域數據信號矩陣中任意一個距離向位置，a的取值范圍為l，2，3，...，c，c表示圖像域數據信號矩陣的行數，b表示圖像域數據信號矩陣中任意一個方位向位置，b的取值范圍為1，2，3，...，d，d表示圖像域數據信號矩陣的列數，yab表示圖像域數據信號矩陣第a行第b列的信號點，conj (.)表示取共軛操作。
3.根據權利要求1所述的基于搜索合成孔徑雷達圖像相位梯度自聚焦運動補償方法，其特征在于，步驟(4)中所述加窗截斷方式的步驟如下: 第一步，從距離單元數據信號矩陣第一行的中心位置開始，將窗口內總能量設定為該行信號總能量的15%截取距離單元數據信號矩陣，得到窗矩陣，使用該窗矩陣對該行信號加窗截斷； 第二步，判斷距離單元數據信號矩陣中全部行的加窗截斷都執行完畢，若是，得到加窗距離單元數據信號矩陣，否則，執行第一步。
4.根據權利要求1所述的基于搜索合成孔徑雷達圖像相位梯度自聚焦運動補償方法，其特征在于，步驟￠)中所述的熵值收斂條件為，對相位校正數據信號矩陣進行相位誤差校正，相位校正數據信號矩陣的熵值保持不變。
【文檔編號】G01S13/90GK104199033SQ201410469466
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】熊濤, 劉紅英, 李寧, 王爽, 侯彪, 馬文萍, 楊淑媛, 張向榮 申請人:西安電子科技大學
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