合成孔徑雷達自聚焦方法
【專利摘要】本發明公開了一種合成孔徑雷達自聚焦方法；具體包括以下步驟：距離向脈沖壓縮、距離徙動校正、方位去斜、坐標下降多維相位誤差估計、估計單個方位單元相位誤差、輸出多維相位誤差估計值和補償相位誤差。本發明的合成孔徑雷達自聚焦方法使用坐標下降法對各方位時刻相位誤差進行多維聯合估計，使用多維投影的方法將一維搜索求解最大對比度的問題轉化為求解四次多項式的問題，大大減小了運算量；同時本發明對方位向相位誤差的估計具有無階數限制的特點。
【專利說明】合成孔徑雷達自聚焦方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雷達【技術領域】，尤其涉及一種合成孔徑雷達自聚焦方法。
【背景技術】
[0002] 合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR)是一種全天時、全天候的高分 辨率微波遙感成像雷達。在軍事偵察、地形測繪、海洋及水文觀測、環境及災害監視、資源勘 探以及地殼微變檢測等領域，SAR發揮了越來越重要的作用。理想條件下的SAR成像，均是 假設平臺勻速直線運動，然而實際中，由于風、湍流的影響，平臺往往偏離實際運動軌跡，從 而引入相位誤差，造成成像質量下降。因而，運動補償是SAR高分辨成像的關鍵技術。目 前，SAR運動補償主要分為兩種，一種是基于傳感器信息的運動補償，另一種是基于回波數 據的運動補償，也就是所說的自聚焦。近年來，隨著成像分辨率要求的不斷提高，對運動補 償的要求也越來越高，傳感器提供的運動信息往往不能滿足補償精度需求，特別是在某些 條件下，如小型無人機，甚至沒有慣導信息可用，從而基于回波數據的運動補償，即自聚焦， 變的尤為重要。在已有的自聚焦方法中，文獻"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（MD)方法， 通過劃分孔徑及孔徑間相關運算來估計多普勒調頻率，實現自聚焦。但該方法基于二階近 似模型，無法補償高次相位誤差的影響。文獻"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· " 根據相 位梯度的概念，提出了一種建立在無階數限制相位誤差模型之上的相位梯度自聚焦算法 (PGA)，能夠估計各次相位誤差，彌補了 MD算法只能估計低階相位誤差的不足。然而PGA算 法在場對場景對比度要求較高，在均勻場景和低信雜比條件下，因為不能成功提取特顯點 的相位歷程而聚焦效果往往不好。文獻"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，以圖像質量評價函數作為度量，提出了逐級逼 近自聚焦算法，通過逐步減小步長來搜索高維空間中的相位誤差，從而實現自聚焦，適用于 各種類型的場景，但是由于涉及到高維搜索，運算量較大。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是：針對【背景技術】存在的缺陷，研究設計了一種基于圖像最大對比 度的自聚焦算法，以期解決現有自聚焦算法僅針對低階相位誤差，以及無階數限制相位誤 差估計中存在的高維空間搜索過程的大運算量問題。
[0004] 為了方便描述本發明的內容，首先對以下術語進行解釋：
[0005] 術語1 :SAR自聚焦算法
[0006] SAR自聚焦算法是指基于SAR回波數據的方位向相位誤差估計和補償算法。
[0007] 術語2:坐標下降法
[0008] 坐標下降法是一種多變量非梯度優化算法。算法在每次迭代中，在當前點處沿一 個坐標方向進行一維搜索以求得一個函數的局部極小值，在整個過程中循環使用不同的坐 標方向。
[0009] 術語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] 本發明的技術方案是：一種合成孔徑雷達自聚焦方法，包括以下步驟：
[0012] S1.獲取二維回波數據，利用匹配濾波方法實現距離向脈沖壓縮，脈沖壓縮后的點 目標回波數據S(I(T，η)表示為 ：
[0013]
【權利要求】
1. 一種合成孔徑雷達自聚焦方法，其特征在于，包括以下步驟：
51. 獲取二維回波數據，利用匹配濾波方法實現距離向脈沖壓縮，脈沖壓縮后的點目標 回波數據S(I(T，η)表示為 ：
其中，c為光速，η為方位向慢時間，τ為距離向快時間，waz( η)為方位向時域包絡， 入為波長，R( Π )為場景中心點距離歷史；
52. 對步驟S1中點目標回波數據S(l( τ，η)進行二維傅里葉變換得到二維頻域回波 信號Sjf τ，f n)，然后將二維頻域回波信號Sjf τ，f n)乘以徙動校正相位HKQC(f τ，f n)，并 將相乘得到的結果進行傅里葉反變換到二維時域，得到距離徙動校正后的二維時域信號 Si ( τ，η )，表不為：
其中，徙動校正相位
為載波頻率，V為平臺運動速度， R〇為多普勒中心穿越時刻瞬時斜，為距離向參考頻率，fn為方位向參考頻率；
53. 利用平臺理想速度、作用距離信息，構造方位向去斜函數Hdec;top(ii)，表示為：
將方位向去斜函數Hdec;top(ii)與步驟S2中得到的距離徙動校正后的二維時域信號 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為距離向采樣點數，N為方位向采樣點數；回波數據方位向的相位誤差為Φ =(Φ^ Φ2, Φ3,…，ΦΝ)，其中Φη(η = 1，2, 3,. . .，Ν)表示回波數據中第n個方位單元的 相位誤差，則將ymin表示為：
其中，為理想情況下距離徙動校正后二維時域回波信號與方位向去斜函數相乘 后離散表示的結果；將ym，n進行方位向離散傅里葉變換，得到未經自聚焦處理的二維圖像 zm，n，表不為：
其中，k = 1，2. .. N為方位向單元個數；對未經自聚焦處理的二維圖像zm，n，計算其圖像 對比度Q，表示為：
其中，z<j為二維圖像zm，n的第q個矩陣元素 ,q = 1，2, . . .，NXM為矩陣元素個數，[·Γ 為共軛運算；
54. 設定相位誤差估計向量
，當i = 1時固定：
估計t，當 i>l時，固定
估計Φ?，其中i為方位單元個數； S5.當相位誤差的方位單元數i = 1時，利用待估計相位誤差t和其余方位單元相 位誤差估計值?.λ.....4構造相位誤差補償向量k * I;當i關1時，利用待估 計相位誤差t和其余方位單元相位誤差估計值g.....4 d、,....λ構造相位誤差補償向量 [if氣",if氣e氣Ρ氣；將步驟S3中的乘以相位誤差補償向量，然后將相乘后得到 的結果進行方位向傅里葉變換，得到
對得到的zm，n根據步驟S3中圖像對比度Q的表達式導出對比度的解析式，并化簡可 得： 〇(Φ?) = | |F〇+A οοβΦ?+Β β?ηΦ?Ι 12 其中，11 · I |2為向量二范數，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。的距離最遠點，其中X。為坐標原點在A、B所張成的二維平面內的投影點，坐標為X(l =---]1 ·匕，Ερ E2為向量A、B的單位正交基，[· ]τ為矩陣轉置運算；利用最遠點到X。 的向量平行于橢圓法線向量的幾何關系，求解關于待求參數α的四次多項式，表示為：
其中，ρ = 0, 1，2, 3, 4，為多項式階數，參數α與待求解相位誤差t關系為：
入^ λ 2為橢圓參數矩陣R的特征值，Vl、v2為其對應的特征向量，[β i β 2]T = [Vlv2] 求解關于待求參數α的四次多項式，得到α的最小實數解amin，將amin帶入參數α 與待求解相位誤差Φ?關系式中，解得相位誤差的估計值
56. 更新步驟S4中的相位誤差估計向量
，判斷步驟S5中所估計的相 位誤差^的方位單元數i是否等于Ν，若不成立，貝U令i = i+1，轉入步驟S6估計Φ? ;若成 立，則將步驟S3中的ym，n乘以相位誤差補償向量|? ^ 并進行方位向傅里葉變換， 得到相位誤差補償后的二維聚焦圖像4.-，表示為：
根據步驟S3中圖像對比度Q的表達式計算圖像I,,的對比度Q，判斷此時圖像對比 度是否滿足條件
，若滿足，直接輸出相位誤差估計值Φ |若不滿足，則更新初始 圖像對比度Q，把此時圖像對比度Q的值賦給Q，返回步驟S4,重復步驟S5和S6,估計 Φρ Φ2, Φ3，···，ΦΝ，直至滿足條件，則輸出此時相位誤差估計值Φ;
57. 由步驟S6中輸出的相位誤差估計值I?構造相位誤差補償向量
，將 步驟S3中的ym，n乘以相位誤差補償向量并進行方位向傅里葉變換，得到相位誤差補償后的 二維聚焦圖像，表示為：
2.如權利要求1所述的合成孔徑雷達自聚焦方法，其特征在于，所述步驟S5中橢圓參 數矩陣定義具體為：
【文檔編號】G01S7/02GK104251990SQ201410467978
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】李文超, 蒲巍, 楊建宇, 黃鈺林, 武俊杰, 李中余, 楊海光 申請人:電子科技大學
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