机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达系统制造方法及图纸

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。

Self focusing imaging method, device and radar system of maneuvering trajectory synthetic aperture radar

The application relates to a self focusing imaging method of maneuvering trajectory synthetic aperture radar, which includes: acquiring the echo data of synthetic aperture radar; obtaining the BP sub image of each azimuth time data; estimating the phase error of each azimuth time to obtain the phase error vector; unwrapping the estimated phase error vector; unwrapping the unwrapping phase error vector according to the unwrapping phase error vector and synthetic aperture radar The data envelope offset of each azimuth time is calculated by the wave length of the transmitted signal, and the echo data after envelope compensation is obtained by moving the range direction according to the envelope offset; the echo data after envelope compensation is used to replace the above-mentioned echo data after distance compression, and the sub image of each azimuth time is obtained; the phase error of each azimuth time is obtained by repeating the steps; the sub image is obtained by moving the range direction according to the envelope offset The phase error corresponding to the image compensation is used to obtain the full aperture SAR image. The method of the application compensates both envelope offset and phase error, and can more accurately eliminate the influence of motion error on SAR imaging.

【技术实现步骤摘要】
机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达系统
本申请属于雷达成像
，特别涉及一种机动轨迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、装置及雷达系统。
技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，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(BackProjection，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。
技术实现思路
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、装置及雷达系统，用于解决或减轻
技术介绍
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：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，设置初始相位误差向量为0向量，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：估计误差相位因子计算公式如下：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：其中，σ[·]表示方差，E[·]表示均值；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：4.2)计算缠绕相位差：△(k)＝arctan(sinD(k)/cosD(k)),k＝1,2,…,K-13)对缠绕相位差进行求和，得到解缠结果在本申请的方法中，步骤S5具体包括：1)包络偏移量反演：根据误差相位向量计算每个方位时刻的包络偏移量其中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△ID(k)＝△r(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，记为在本申请的方法中，步骤S8中全孔径SAR图像为在另一方面，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投影本文档来自技高网...

【技术保护点】
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/nS1、获取合成孔径雷达的回波数据；/nS2、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；/nS3、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；/nS4、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；/nS5、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；/nS6、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；/nS7、重复步骤S3得到每个方位时刻的相位误差；/nS8、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。/n

【技术特征摘要】
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；
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。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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：



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。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，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，设置初始相位误差向量为0向量，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周灵杰，张红波，郭振宇，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32