CN110554385B - 机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达*** - Google Patents

机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达*** Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法，其包括：获取合成孔径雷达的回波数据；并得到每个方位时刻数据的BP子图像；估计每个方位时刻的相位误差得到相位误差向量；对估计得到的相位误差向量解缠绕；根据无缠绕相位误差向量和合成孔径雷达的发射信号波长计算出每个方位时刻的数据包络偏移量，并根据包络偏移量对距离向进行搬移获得包络补偿后的回波数据；通过包络补偿后的回波数据替换上述的距离压缩后的回波数据，得到每个方位时刻的子图像；重复步骤得到每个方位时刻的相位误差；将子图像补偿对应的相位误差得到全孔径SAR图像。本申请的方法同时补偿了包络偏移和相位误差，能更加精确地消除运动误差对SAR成像的影响。

Description

机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达***
技术领域
本申请属于雷达成像技术领域，特别涉及一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达***。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种主动式有源微波遥感成像雷达，通过天线的运动得到等效大口径天线，获取雷达方位向高分辨率，通过脉冲压缩技术获取距离向高分辨率，最终得到观测场景的二维高分辨率雷达图像。SAR成像处理中需要使用天线相位中心(APC)的运动轨迹，由于测量设备精度、气流扰动等因素，APC轨迹测量值存在误差，称为运动误差，会导致SAR图像出现散焦、畸变等现象，降低图像质量。因此，运动误差补偿对获取高分辨率SAR图像至关重要。
当合成孔径雷达搭载在战斗机、侦察机等平台执行任务时，往往需要进行直线加/减速、转弯、拉升/俯冲、蛇形轨迹等机动轨迹飞行，对工程上使用的CS、WK等以匀速直线轨迹为前提的经典成像算法构成了重大挑战。后向投影算法(Back Projection，BP)是一种典型的时域成像算法，是一个点对点的图像重建过程，其基本思想是计算各方位时刻雷达平台的位置与成像区域内每个像素点的双程时延，据此选取每个像素点在各个方位时刻的数据并进行相位补偿得到各方位时刻数据在成像网格中的投影值，将所有方位时刻的投影值累加得到完整孔径的SAR图像。BP成像不受雷达平台运动轨迹限制，可用于机动轨迹下的SAR成像处理。在运动补偿方面，由于BP成像算法得到SAR图像的散焦特性与传统SAR图像不同，因此BP算法难以与经典的PGA算法结合。BP算法一般采用最优化方法估计各个方位时刻的相位误差并用于相位补偿，完成SAR图像自聚焦。
无论是经典的PGA算法还是基于最优化理论的BP自聚焦算法，现有的运动补偿方法只针对运动误差引起的相位误差进行了估计和补偿。除了相位误差外，运动误差还会引入回波信号包络的偏移，在高分辨率SAR成像中，运动误差引入的包络偏移量往往超过一个或多个距离分辨单元，在成像处理中不可忽略。而现有的运动误差补偿方法只进行相位补偿而忽略了包络偏移，这会导致运动补偿不够精确，SAR图像聚焦效果不够理想。这是现有运动补偿方法的一大缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达***，用于解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
在一方面，本申请提供了一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法，所述方法包括：
S1、获取合成孔径雷达的回波数据；
S2、将所述回波数据通过距离压缩和BP投影得到各个方位时刻在成像网格中的投影值，即每个方位时刻数据的BP子图像；
S3、以图像对比度为图像评价指标，通过最优化方法估计每个方位时刻的相位误差，使得每个方位时刻的BP子图像对比度最大，得到一组相位误差向量；
S4、通过相位梯度积分对估计得到的相位误差向量进行解缠绕，得到一组无缠绕的相位误差向量；
S5、根据解缠得到的无缠绕相位误差向量和合成孔径雷达的发射信号波长计算出每个方位时刻的数据包络偏移量，并根据每个方位时刻的数据包络偏移量对距离压缩后的回波数据在距离向进行搬移获得包络补偿后的回波数据；
S6、使用包络补偿后的回波数据替换步骤S2中的距离压缩后的回波数据，并进行BP投影得到每个方位时刻的子图像；
S7、重复步骤S3得到每个方位时刻的相位误差；
S8、将每个方位时刻的子图像补偿对应的相位误差后累加，得到最后的全孔径SAR图像，完成自聚焦成像。
在本申请的方法中，步骤S2具体包括：
2.1)距离压缩：对每个方位时刻的回波数据进行傅里叶变换，乘以距离参考函数refr之后再进行逆傅里叶变换，得到距离压缩后的回波数据，记为Sr(k,nr)，其中距离参考函数的计算公式为：
Figure GDA0003772995620000031
其中，Kr为发射LFM信号的调频斜率。
2.2)划分成像网格：将成像区域划分为M×N的网格，m表示成像网格点在网格中的行位置，n表示成像网格点在网格中的列位置，将第(m，n)个网格点的空间位置记为P(m,n)；
2.3)计算回波延时：计算每个成像网格点在第k个方位时刻的回波时延τk(m,n)，计算公式为：τk(m,n)＝2·||Pk-P(m,n)||2/c
其中，c表示电磁波在空气中的传播速度；
2.4)距离向数据插值：根据时延计算当前网格点对应的回波数据在距离向数据向量中的位置IDk，计算公式为：IDk(m,n)＝(τk(m,n)-τ0)/fs
通过sinc插值计算当前方位时刻距离向数据中IDk(m,n)位置的值，记为SID,k(m,n)＝Sr(k,IDk(m,n))；
2.5)方位多普勒相位补偿：对sinc插值得到的数据进行相位补偿，得到当前方位时刻数据在当前网格点的投影值Sk(m,n)，计算方法如下：
Sk(m,n)＝SID,k(m,n)·exp(-j·2π·fc·τk(m,n))
其中，fc为发射信号载频。
2.6)重复2.3～2.5得到每一个网格点的投影值作为第k个方位时刻的子图像，记为Sk；遍历所有方位时刻，得到整个孔径的子图像序列S1,S2,…,SK，用于后续处理。
在本申请的方法中，步骤S3具体包括：
3.1)初始化：输入每个方位时刻的BP子图像，
Figure GDA0003772995620000041
设置初始相位误差向量为0向量，
Figure GDA0003772995620000042
设置迭代次数为0，l＝0；设置最大迭代次数为Lmax；设置最小对比度增加值为Tmin；
3.2)估计相位误差：估计误差相位因子
Figure GDA0003772995620000043
计算公式如下：
Figure GDA0003772995620000044
Figure GDA0003772995620000045
Figure GDA0003772995620000046
其中，·*表示取共轭；
3.3)更新相位误差：将迭代次数增加1并更新相位误差向量，l＝l+1
Figure GDA0003772995620000047
Figure GDA0003772995620000048
其中，angle(·)表示求相位操作；
3.4)计算评价指标：计算图像对比度C(I)和对比度增加比例Tl，计算公式如下：
Figure GDA0003772995620000049
Figure GDA00037729956200000410
其中，σ[·]表示方差，E[·]表示均值；
3.5)判断迭代终止条件：如果l≥Lmax或者Tl≤Tmin，输出估计的相位误差向量
Figure GDA0003772995620000051
并停止迭代，否则重复3.2～3.4。
在本申请的方法中，步骤S4具体包括：
4.1)计算相邻方位时刻间的相位梯度：
Figure GDA0003772995620000052
4.2)计算缠绕相位差：Δ(k)＝arctan(sinD(k)/cosD(k)),k＝1,2,…,K-1
4.3)对缠绕相位差进行求和，得到解缠结果
Figure GDA0003772995620000053
Figure GDA0003772995620000054
在本申请的方法中，步骤S5具体包括：
1)包络偏移量反演：根据误差相位向量
Figure GDA0003772995620000055
计算每个方位时刻的包络偏移量
Figure GDA0003772995620000056
其中λ为发射信号的波长。
2)包络补偿：计算每个方位时刻包络偏移量对应的像素点数ΔID(k)＝Δr(k)·c/fs，通过sinc插值对每个方位时刻的数据向量进行搬移，得到新的数据矩阵，记为
Figure GDA0003772995620000057
在本申请的方法中，步骤S8中全孔径SAR图像为
Figure GDA0003772995620000058
在另一方面，本申请提供了一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像装置，所述装置包括
BP成像模块，用于获取合成孔径雷达的回波数据，以及将所述回波数据通过距离压缩和BP投影得到各个方位时刻在成像网格中的投影值，即每个方位时刻数据的BP子图像；
相位误差估计模块，用于以图像对比度为图像评价指标，通过最优化方法估计每个方位时刻的相位误差，使得每个方位时刻的BP子图像对比度最大，得到一组相位误差向量；
包络反演和补偿模块，用于通过相位梯度积分对估计得到的相位误差向量进行解缠绕，得到一组无缠绕的相位误差向量，以及根据解缠得到的无缠绕相位误差向量和合成孔径雷达的发射信号波长计算出每个方位时刻的数据包络偏移量，并根据每个方位时刻的数据包络偏移量对距离压缩后的回波数据在距离向进行搬移获得包络补偿后的回波数据；以及
BP成像模块使用包络补偿后的回波数据替换步骤S2中的距离压缩后的回波数据，并进行BP投影得到每个方位时刻的子图像；
相位误差估计模块重复步骤S3得到每个方位时刻的相位误差；
BP成像模块将每个方位时刻的子图像补偿对应的相位误差后累加，得到最后的全孔径SAR图像，完成自聚焦成像。
在最后一方面，本申请提供了一种雷达***，雷达***包括：一个或多个处理装置；存储装置，其上存储有一个或多个程序；当一个或多个程序被一个或多个处理装置执行，使得一个或多个处理器实现如上任一的方法。
本申请的机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法同时补偿了包络偏移和相位误差，能更加精确地消除运动误差对SAR成像的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为现有的合成孔径雷达成像示意图。
图2为本申请的机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法流程图。
图3为本申请实施例中未使用本申请方法得到的实测数据SAR图像图。
图4为本申请实施例中使用本发明方法得到的实测数据SAR图像图。
图5为本申请的机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像装置框架流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了对现有运动补偿方法只进行相位补偿而忽略包络偏移，本申请提出一种方法，在补偿相位误差的同时补偿包络偏移，以求在最大程度上消除运动误差的影响，得到更高精度的SAR图像。
本申请的方法同时完成对包络偏移和相位误差的补偿，通过最优化方法估计每个方位时刻的误差相位，再对所估计的相位进行解缠绕并反演出每个方位时刻的包络偏移量，以此为依据进行包络补偿，利用包络补偿后的数据进行BP成像处理并补偿误差相位得到自聚焦后的SAR图像。
为了更好的说明本申请的实施步骤，首先对合成孔径雷达数据采集、存储和***参数做必要说明。
如图1所示雷达***一边随着载机运动一边向目标区域发射电磁波并采集回波数据。每隔一段时间发射一个线性调频信号并对回波进行采样，得到一个一维数据向量，在经过一个完整的孔径后得到一个数据矩阵。将雷达发射信号并采集数据的时刻称为方位时刻，在一个合成孔径时间内从1到K进行编号。雷达***在第k个方位时刻的空间位置记为Pk，一个完整的合成孔径内包含K个方位时刻，***的采样率记为fs，每次采样的起始波门延时记为τ0，采样点数记为Nr，最后得到一K×Nr维的数据矩阵，即为本方案的输入数据，记为S(k,nr)，k表示方位时刻。
如图2所示，本申请的机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法具体包括步骤如下：
步骤1、BP成像处理：通过距离压缩和BP投影得到各个方位时刻在成像网格中的投影值，即每个方位时刻数据的BP子图像。
具体处理过程如下：
1)距离压缩：对每个方位时刻的回波数据进行傅里叶变换，乘以距离参考函数refr之后再进行逆傅里叶变换，得到距离压缩后的回波数据，记为Sr(k,nr)。其中距离参考函数的计算公式为：
Figure GDA0003772995620000081
其中，Kr为发射LFM信号的调频斜率。
2)划分成像网格：将成像区域划分为M×N的网格，m表示成像网格点在网格中的行位置，n表示成像网格点在网格中的列位置，将第(m，n)个网格点的空间位置记为P(m,n)。
3)计算回波延时：计算每个成像网格点在第k个方位时刻的回波时延τk(m,n)，计算公式为：
τk(m,n)＝2·||Pk-P(m,n)||2/c
其中，c表示电磁波在空气中的传播速度。
4)距离向数据插值：根据时延计算当前网格点对应的回波数据在距离向数据向量中的位置IDk，计算公式为：
IDk(m,n)＝(τk(m,n)-τ0)/fs
通过sinc插值计算当前方位时刻距离向数据中IDk(m,n)位置的值，记为SID,k(m,n)＝Sr(k,IDk(m,n))。
5)方位多普勒相位补偿：对sinc插值得到的数据进行相位补偿，得到当前方位时刻数据在当前网格点的投影值Sk(m,n)，计算公式如下：
Sk(m,n)＝SID,k(m,n)·exp(-j·2π·fc·τk(m,n))
其中，fc为发射信号载频。
6)重复3)～5)得到每一个网格点的投影值作为第k个方位时刻的子图像，记为Sk；遍历所有方位时刻，得到整个孔径的子图像序列S1,S2,…,SK，用于后续处理。
步骤2、相位误差估计：以图像对比度为图像评价指标，估计每个方位时刻的相位误差，使得每个方位时刻的BP子图像对比度最大。得到一组相位误差向量。
具体处理过程如下：
1)初始化：输入每个方位时刻的BP子图像，
Figure GDA0003772995620000091
设置初始相位误差向量为0向量，
Figure GDA0003772995620000092
设置迭代次数为0，l＝0；设置最大迭代次数为Lmax；设置最小对比度增加值为Tmin。
2)估计相位误差：估计误差相位因子
Figure GDA0003772995620000093
计算公式如下：
Figure GDA0003772995620000094
Figure GDA0003772995620000095
Figure GDA0003772995620000096
其中，·*表示取共轭。
3)更新相位误差：将迭代次数增加1并更新相位误差向量，l＝l+1
Figure GDA0003772995620000097
Figure GDA0003772995620000098
其中，angle(·)表示求相位操作。
4)计算评价指标：计算图像对比度C(I)和对比度增加比例Tl，计算公式如下：
Figure GDA0003772995620000099
Figure GDA00037729956200000910
其中，σ[·]表示方差，E[·]表示均值，Il(m,n)的计算公式与2)相同。
5)判断迭代终止条件：如果l≥Lmax或者Tl≤Tmin，输出估计的相位误差向量
Figure GDA0003772995620000101
并停止迭代，否则重复2)～4)。
步骤3、相位解缠：通过缠绕相位梯度的积分对估计得到的相位误差向量
Figure GDA0003772995620000102
进行解缠绕，得到一组无缠绕的误差相位向量
Figure GDA0003772995620000103
具体步骤如下：
1)计算相邻方位时刻间的相位梯度(即相位差)：
Figure GDA0003772995620000104
2)计算缠绕相位差：Δ(k)＝arctan(sinD(k)/cosD(k)),k＝1,2,…,K-1
3)对缠绕相位差进行求和(积分)，得到解缠绕后的误差相位向量
Figure GDA0003772995620000105
Figure GDA0003772995620000106
Figure GDA0003772995620000107
步骤4.包络偏移量反演和补偿：根据估算得到的无缠绕误差相位向量
Figure GDA0003772995620000108
和发射信号波长计算出每个方位时刻数据包络的偏移量，并根据每个方位时刻的包络偏移量对数据在距离向进行搬移。
具体执行过程如下：
1)包络偏移量反演：根据误差相位向量
Figure GDA0003772995620000109
计算每个方位时刻的包络偏移量
Figure GDA00037729956200001010
其中λ为发射信号的波长。
2)包络补偿：计算每个方位时刻包络偏移量对应的像素点数ΔID(k)＝Δr(k)·c/fs，通过sinc插值对每个方位时刻的数据向量进行搬移，得到新的数据矩阵，记为
Figure GDA00037729956200001011
步骤5、相位补偿与成像：使用包络补偿后的数据
Figure GDA00037729956200001012
代替原数据Sr(k,nr)，重复步骤1和步骤2，得到每个方位时刻的子图像
Figure GDA00037729956200001013
和相位误差估计值
Figure GDA00037729956200001014
将每个方位时刻的子图像补偿对应的误差相位后累加，得到最后的全孔径SAR图像
Figure GDA00037729956200001015
完成自聚焦成像。
如图3和图4所示，通过对比现有技术的运动补偿方法和本申请的机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法可以看到，图4中的成像效果相比于图3来说，清晰度提升明显。
如图5所示，本申请提供了一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像装置，所述装置包括：
BP成像模块11，用于获取合成孔径雷达的回波数据，以及将所述回波数据通过距离压缩和BP投影得到各个方位时刻在成像网格中的投影值，即每个方位时刻数据的BP子图像；
相位误差估计模块12，用于以图像对比度为图像评价指标，通过最优化方法估计每个方位时刻的相位误差，使得每个方位时刻的BP子图像对比度最大，得到一组相位误差向量；
包络反演和补偿模块13，用于通过相位梯度积分对估计得到的相位误差向量进行解缠绕，得到一组无缠绕的相位误差向量，以及根据解缠得到的无缠绕相位误差向量和合成孔径雷达的发射信号波长计算出每个方位时刻的数据包络偏移量，并根据每个方位时刻的数据包络偏移量对距离压缩后的回波数据在距离向进行搬移获得包络补偿后的回波数据；以及
BP成像模块11使用包络补偿后的回波数据替换步骤S2中的距离压缩后的回波数据，并进行BP投影得到每个方位时刻的子图像；
相位误差估计模块12重复步骤S3得到每个方位时刻的相位误差；
BP成像模块11将每个方位时刻的子图像补偿对应的相位误差后累加，得到最后的全孔径SAR图像，完成自聚焦成像。
最后，本申请提供了一种雷达***，雷达***包括：一个或多个处理装置；存储装置，其上存储有一个或多个程序；当一个或多个程序被一个或多个处理装置执行，使得一个或多个处理器实现如上任一的方法。
其中，处理装置可以由雷达***中的处理机担任，也可以另外增加处理装置。
本申请可用于匀速直线轨迹或机动轨迹合成孔径雷达成像，实现运动补偿。与现有运动补偿技术相比，本申请具有以下优势：运动误差会在SAR回波数据中引入相位误差和包络偏移，现有运动补偿方法忽略了包络偏移，只对相位误差进行估计和补偿，补偿精度有限；而本申请中的方法同时补偿了包络偏移和相位误差，能更加精确地消除运动误差对SAR成像的影响，因此使用本申请的方法可以得到比现有运动补偿方法聚焦效果更好的SAR图像。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法，其特征在于，所述方法包括
S1、获取合成孔径雷达的回波数据；
S2、将所述回波数据通过距离压缩和BP投影得到各个方位时刻在成像网格中的投影值，即每个方位时刻数据的BP子图像，过程包括：
2.1)距离压缩：对每个方位时刻的回波数据进行傅里叶变换，乘以距离参考函数refr之后再进行逆傅里叶变换，得到距离压缩后的回波数据，记为Sr(k,nr)，其中距离参考函数的计算公式为：
Figure FDA0003772995610000011
其中，Kr为发射LFM信号的调频斜率，k为方位时刻，Nr为总采样点数，fs为***采样率，Pk为第k个方位时刻的空间位置，τ0为每次采样的起始波门延时；
2.2)划分成像网格：将成像区域划分为M×N的网格，m表示成像网格点在网格中的行位置，n表示成像网格点在网格中的列位置，将第(m，n)个网格点的空间位置记为P(m,n)；
2.3)计算回波时延：计算每个成像网格点在第k个方位时刻的回波时延τk(m,n)，计算公式为：τk(m,n)＝2·||Pk-P(m,n)||2/c
其中，c表示电磁波在空气中的传播速度；
2.4)距离向数据插值：根据回波时延计算当前成像网格点对应的回波数据在距离向数据向量中的位置IDk，计算公式为：IDk(m,n)＝(τk(m,n)-τ0)/fs
通过sinc插值计算当前方位时刻距离向数据中IDk(m,n)位置的值，记为SID,k(m,n)＝Sr(k,IDk(m,n))；
2.5)方位多普勒相位补偿：对sinc插值得到的数据进行相位补偿，得到当前方位时刻数据在当前成像网格点的投影值Sk(m,n)，计算方法如下：
Sk(m,n)＝SID,k(m,n)·exp(-j·2π·fc·τk(m,n))
其中，fc为发射信号载频；
2.6)重复2.3～2.5得到每一个成像网格点的投影值作为第k个方位时刻的BP子图像，记为Sk；遍历所有方位时刻，得到整个孔径的BP子图像序列S1,S2,…,SK，用于后续处理；
S3、以图像对比度为图像评价指标，通过最优化方法估计每个方位时刻的相位误差，使得每个方位时刻的BP子图像对比度最大，得到一组相位误差向量，过程包括：
3.1)初始化：输入每个方位时刻的初始BP子图像
Figure FDA0003772995610000021
设置初始相位误差向量为0向量，
Figure FDA0003772995610000022
设置迭代次数为0，l＝0；设置最大迭代次数为Lmax；设置最小对比度增加值为Tmin；
3.2)估计相位误差：估计相位误差因子
Figure FDA0003772995610000023
计算公式如下：
Figure FDA0003772995610000024
Figure FDA0003772995610000025
Figure FDA0003772995610000026
其中，·*表示取共轭；
3.3)更新相位误差：将迭代次数增加1并更新相位误差向量，l＝l+1
Figure FDA0003772995610000027
Figure FDA0003772995610000028
其中，angle(·)表示求相位操作；
3.4)计算评价指标：计算图像对比度C(I)和对比度增加比例Tl，计算公式如下：
Figure FDA0003772995610000031
Figure FDA0003772995610000032
其中，σ[·]表示方差，E[·]表示均值；
3.5)判断迭代终止条件：如果l≥Lmax或者Tl≤Tmin，输出估计的相位误差向量
Figure FDA0003772995610000033
并停止迭代，否则重复3.2～3.4；
S4、通过相位梯度积分对估计得到的相位误差向量进行解缠绕，得到一组无缠绕的相位误差向量；
S5、根据解缠绕得到的无缠绕相位误差向量和合成孔径雷达的发射信号波长计算出每个方位时刻的数据包络偏移量，并根据每个方位时刻的数据包络偏移量对距离压缩后的回波数据在距离向进行搬移获得包络补偿后的回波数据；
S6、使用包络补偿后的回波数据替换步骤S2中的距离压缩后的回波数据，并进行BP投影得到每个方位时刻的BP子图像；
S7、重复步骤S3得到每个方位时刻的相位误差；
S8、将每个方位时刻的BP子图像补偿对应的相位误差后累加，得到最后的全孔径SAR图像，完成自聚焦成像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4具体包括
4.1)计算相邻方位时刻间的相位梯度：
Figure FDA0003772995610000034
4.2)计算缠绕相位差：Δ(k)＝arctan(sinD(k)/cosD(k)),k＝1,2,…,K-1
4.3)对缠绕相位差进行求和，得到解缠绕后的误差相位向量
Figure FDA0003772995610000035
Figure FDA0003772995610000041
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括
1)包络偏移量反演：根据误差相位向量
Figure FDA0003772995610000042
计算每个方位时刻的包络偏移量
Figure FDA0003772995610000043
其中λ为发射信号的波长；
2)包络补偿：计算每个方位时刻包络偏移量对应的像素点数ΔID(k)＝Δr(k)·c/fs，通过sinc插值对每个方位时刻的数据向量进行搬移，得到新的数据矩阵，记为
Figure FDA0003772995610000044
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S8中全孔径SAR图像为
Figure FDA0003772995610000045
5.一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像装置，其特征在于，所述装置包括
BP成像模块，用于获取合成孔径雷达的回波数据，以及将所述回波数据通过距离压缩和BP投影得到各个方位时刻在成像网格中的投影值，即每个方位时刻数据的BP子图像，包括：
2.1)距离压缩：对每个方位时刻的回波数据进行傅里叶变换，乘以距离参考函数refr之后再进行逆傅里叶变换，得到距离压缩后的回波数据，记为Sr(k,nr)，其中距离参考函数的计算公式为：
Figure FDA0003772995610000046
其中，Kr为发射LFM信号的调频斜率，k为方位时刻，Nr为总采样点数，fs为***采样率，Pk为第k个方位时刻的空间位置，τ0为每次采样的起始波门延时；
2.2)划分成像网格：将成像区域划分为M×N的网格，m表示成像网格点在网格中的行位置，n表示成像网格点在网格中的列位置，将第(m，n)个网格点的空间位置记为P(m,n)；
2.3)计算回波时延：计算每个成像网格点在第k个方位时刻的回波时延τk(m,n)，计算公式为：τk(m,n)＝2·||Pk-P(m,n)||2/c
其中，c表示电磁波在空气中的传播速度；
2.4)距离向数据插值：根据回波时延计算当前成像网格点对应的回波数据在距离向数据向量中的位置IDk，计算公式为：IDk(m,n)＝(τk(m,n)-τ0)/fs
通过sinc插值计算当前方位时刻距离向数据中IDk(m,n)位置的值，记为SID,k(m,n)＝Sr(k,IDk(m,n))；
2.5)方位多普勒相位补偿：对sinc插值得到的数据进行相位补偿，得到当前方位时刻数据在当前成像网格点的投影值Sk(m,n)，计算方法如下：
Sk(m,n)＝SID,k(m,n)·exp(-j·2π·fc·τk(m,n))
其中，fc为发射信号载频；
2.6)重复2.3～2.5得到每一个成像网格点的投影值作为第k个方位时刻的BP子图像，记为Sk；遍历所有方位时刻，得到整个孔径的BP子图像序列S1,S2,…,SK，用于后续处理；
相位误差估计模块，用于以图像对比度为图像评价指标，通过最优化方法估计每个方位时刻的相位误差，使得每个方位时刻的BP子图像对比度最大，得到一组相位误差向量，包括：
3.1)初始化：输入每个方位时刻的BP子图像
Figure FDA0003772995610000051
设置初始相位误差向量为0向量，
Figure FDA0003772995610000052
设置迭代次数为0，l＝0；设置最大迭代次数为Lmax；设置最小对比度增加值为Tmin；
3.2)估计相位误差：估计相位误差因子
Figure FDA0003772995610000061
计算公式如下：
Figure FDA0003772995610000062
Figure FDA0003772995610000063
Figure FDA0003772995610000064
其中，·*表示取共轭；
3.3)更新相位误差：将迭代次数增加1并更新相位误差向量，l＝l+1
Figure FDA0003772995610000065
Figure FDA0003772995610000066
其中，angle(·)表示求相位操作；
3.4)计算评价指标：计算图像对比度C(I)和对比度增加比例Tl，计算公式如下：
Figure FDA0003772995610000067
Figure FDA0003772995610000068
其中，σ[·]表示方差，E[·]表示均值；
3.5)判断迭代终止条件：如果l≥Lmax或者Tl≤Tmin，输出估计的相位误差向量
Figure FDA0003772995610000069
并停止迭代，否则重复3.2～3.4；
包络反演和补偿模块，用于通过相位梯度积分对估计得到的相位误差向量进行解缠绕，得到一组无缠绕的相位误差向量，以及根据解缠得到的无缠绕相位误差向量和合成孔径雷达的发射信号波长计算出每个方位时刻的数据包络偏移量，并根据每个方位时刻的数据包络偏移量对距离压缩后的回波数据在距离向进行搬移获得包络补偿后的回波数据；以及
BP成像模块使用包络补偿后的回波数据替换步骤S2中的距离压缩后的回波数据，并进行BP投影得到每个方位时刻的BP子图像；
相位误差估计模块重复步骤S3得到每个方位时刻的相位误差；
BP成像模块将每个方位时刻的BP子图像补偿对应的相位误差后累加，得到最后的全孔径SAR图像，完成自聚焦成像。
6.一种雷达***，其特征在于，所述雷达***包括：
一个或多个处理装置；
存储装置，其上存储有一个或多个程序；
当一个或多个程序被一个或多个处理装置执行，使得一个或多个处理器实现权利要求1至4任一所述的方法。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111273292B (zh) * 2020-02-20 2022-02-22 中国科学院电子学研究所 合成孔径雷达高频振动补偿方法、装置、电子设备及介质
CN111537999B (zh) * 2020-03-04 2023-06-30 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种稳健高效的分解投影自动聚焦方法
CN111693995B (zh) * 2020-06-17 2023-10-03 中国科学院光电技术研究所 一种逆合成孔径激光雷达成像振动相位误差估计装置与方法
CN112034459B (zh) * 2020-08-14 2024-05-28 湖南鉴微智能科技有限公司 基于天线方向图补偿的直线合成孔径雷达成像方法和***
CN113196098B (zh) * 2021-03-25 2022-05-17 华为技术有限公司 一种基于回波数据的速度估计方法及装置
CN113156436B (zh) * 2021-03-26 2023-04-25 中国科学院空天信息创新研究院 圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、***及电子设备
CN113176570B (zh) * 2021-04-21 2022-11-15 北京航空航天大学 一种斜视sar时域成像自聚焦方法
CN117764884A (zh) * 2023-12-05 2024-03-26 中国科学院空天信息创新研究院 合成孔径雷达图像自聚焦方法、装置及设备

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103675813A (zh) * 2013-09-22 2014-03-26 中国科学院电子学研究所 一种基于标志点相位梯度提取的圆迹sar轨迹重建方法
CN103760562A (zh) * 2014-01-27 2014-04-30 中国科学院电子学研究所 一种机载圆迹合成孔径雷达航线的获取方法
CN103913741A (zh) * 2014-03-18 2014-07-09 电子科技大学 一种合成孔径雷达高效自聚焦后向投影bp方法
CN104251990A (zh) * 2014-09-15 2014-12-31 电子科技大学 合成孔径雷达自聚焦方法
CN104316923A (zh) * 2014-10-14 2015-01-28 南京航空航天大学 针对合成孔径雷达bp成像的自聚焦方法
CN104730520A (zh) * 2015-03-27 2015-06-24 电子科技大学 基于子孔径合成的圆周sar后向投影自聚焦方法
CN104931967A (zh) * 2015-06-12 2015-09-23 西安电子科技大学 一种改进的高分辨率sar成像自聚焦方法
CN105842694A (zh) * 2016-03-23 2016-08-10 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种基于ffbp sar成像的自聚焦方法
CN105974414A (zh) * 2016-06-24 2016-09-28 西安电子科技大学 基于二维自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
CN106802416A (zh) * 2017-02-21 2017-06-06 电子科技大学 一种快速因式分解后向投影sar自聚焦方法
CN107748362A (zh) * 2017-10-10 2018-03-02 电子科技大学 一种基于最大锐度的线阵sar快速自聚焦成像方法
CN108919264A (zh) * 2018-06-12 2018-11-30 长安大学 一种InSAR干涉相位真值确定及差分干涉测量方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106842200A (zh) * 2017-01-11 2017-06-13 中国科学院电子学研究所 一种双基合成孔径雷达成像方法和装置

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103675813A (zh) * 2013-09-22 2014-03-26 中国科学院电子学研究所 一种基于标志点相位梯度提取的圆迹sar轨迹重建方法
CN103760562A (zh) * 2014-01-27 2014-04-30 中国科学院电子学研究所 一种机载圆迹合成孔径雷达航线的获取方法
CN103913741A (zh) * 2014-03-18 2014-07-09 电子科技大学 一种合成孔径雷达高效自聚焦后向投影bp方法
CN104251990A (zh) * 2014-09-15 2014-12-31 电子科技大学 合成孔径雷达自聚焦方法
CN104316923A (zh) * 2014-10-14 2015-01-28 南京航空航天大学 针对合成孔径雷达bp成像的自聚焦方法
CN104730520A (zh) * 2015-03-27 2015-06-24 电子科技大学 基于子孔径合成的圆周sar后向投影自聚焦方法
CN104931967A (zh) * 2015-06-12 2015-09-23 西安电子科技大学 一种改进的高分辨率sar成像自聚焦方法
CN105842694A (zh) * 2016-03-23 2016-08-10 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种基于ffbp sar成像的自聚焦方法
CN105974414A (zh) * 2016-06-24 2016-09-28 西安电子科技大学 基于二维自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
CN106802416A (zh) * 2017-02-21 2017-06-06 电子科技大学 一种快速因式分解后向投影sar自聚焦方法
CN107748362A (zh) * 2017-10-10 2018-03-02 电子科技大学 一种基于最大锐度的线阵sar快速自聚焦成像方法
CN108919264A (zh) * 2018-06-12 2018-11-30 长安大学 一种InSAR干涉相位真值确定及差分干涉测量方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Simplified and approximation autofocus back-projection algorithm for SAR;Zhenyu Guo et al.;《The Journal of Engineering》;20190531;第1-5页 *
一种适用于快速分解后向投影聚束SAR成像的自聚焦方法;李浩林 等;《航空学报》;20140725;第35卷(第7期);第2011-2018页 *
快速分解后向投影SAR成像的自聚焦算法研究;李浩林 等;《电子与信息学报》;20140430;第36卷(第4期);第938-945页 *
相位梯度自聚焦在FFBP聚束SAR处理中的应用;李浩林 等;《西安电子科技大学学报（自然科学版）》;20140630;第41卷(第3期);第26-32页 *

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