基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于雷达成像技术领域，公开了一种基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法、系统及应用，通过BiSAR信号建模和波数矢量分解，得到极坐标下图像频谱解析表示，找到运动误差引起的相位误差和非系统性距离单元徙动之间的相关性；采用联合估计和补偿的方法对相位误差进行粗估计。对回波信号进行FFBP成像处理，得到误差补偿前的极坐标下的SAR图像；将该图像变换至距离压缩‑方位频域并对其进行相位误差粗估计，得到粗略的相位误差；利用粗估计得到的相位误差补偿NsRCM，再进行相位误差精估计和精补偿，最终改善图像聚焦质量。本发明专利技术大大降低了对高精度惯导测量系统的依赖，并且具有较高的处理效率和工程实用性。

【技术实现步骤摘要】
基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法、系统及应用
本专利技术属于雷达成像
，尤其涉及一种在快速分解后向投影(Fastfactorizedbackprojection，FFBP)处理框架下基于回波的BiSAR相关运动误差补偿方法、系统及应用。
技术介绍
合成孔径雷达(syntheticapertureradar,SAR)具有全天候、全天时和远距离作用的特点，在导弹制导、对地观测、灾害监控和环境保护等军用和民用领域有着广泛的应用，而双基SAR(bistaticSAR,BiSAR)的配置更为灵活，能够获得更为丰富的目标散射信息，此外由于其接收站隐蔽的特性还能够大大提高其在战场的生存能力，因此，BiSAR应用一直受到非常广泛的关注，对BiSAR的研究也一直近年来的热点。然而，与传统单基站SAR成像相比，BiSAR的几何构型和信号特性更为复杂，并且BiSAR信号本身也不再满足方位不变的假设，这给传统频域成像算法的应用引入难点，而采用时域成像算法处理具有非常重要的优势。在实际的机载应用条件下，由于平台载机平台的运动误差对成像的影响。尤其针对一些小型的BiSAR系统，由于受到载重和成本的限制，系统本身难以配置高精度的惯导测量设备，需要采用自聚焦的方法从回波数据中估计和补偿运动误差，达到改善图像聚焦质量的目的。然而，现有的自聚焦误差补偿方法大多针对频域成像算法的处理框架设计，这类自聚焦方法难以直接结合时域快速成像算法的处理框架。虽然基于最优化和搜索的自聚焦误差补偿方法可以在时域快速成像的框架下进行，但是其搜索处理本身运算量较大，难以满足实时成像的效率要求。因此，针对时域快速成像的处理框架，设计高效的自聚焦误差补偿方法仍然是BiSAR成像的难题。尤其在运动误差比较剧烈的情况，还需要考虑由运动误差引起的非系统距离单元徙动(nonsystematicrangecellmigration,NsRCM)问题。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)机载BiSAR中，由于气流、载机平台的不稳定等因素将引入未知运动误差，该误差严重影响BiSAR成像的聚焦质量。(2)针对运动误差问题，可以配备高精度的惯导设备测量运动误差并进行误差补偿，然而高精度的惯导设备价格高、体积大、甚至受进口限制，因此现有BiSAR系统难以配备高精度的惯导设备，难以采用测量的方法进行误差补偿。(3)与传统的频域成像算法相比，时域快速成像算法处理BiSAR具有更多的优势，然后现有的自聚焦误差算法通常是结合频域成像处理，难以在时域快速成像处理中应用。解决上述技术问题的难度：如何在时域快速成像算法的处理框架下设计高效的自聚焦误差补偿方法，同时精确补偿由运动误差引起的方位相位误差(azimuthalphaseerror，APE)和NsRCM，改善合成孔径雷达(syntheticapertureradar，SAR)图像聚焦质量。解决上述技术问题的意义：1.本专利技术给出了一种高精度高效率的误差补偿方法，解决机载BiSAR中的运动误差问题，保证了BiSAR图像的聚焦质量。2.本专利技术采用基于回波数据估计的方法，直接从BiSAR回波数据高效估计误差并进行高精度补偿，从而不再依赖于高精度惯导设备对误差进行测量，因此降低了系统对高精度惯导设备的依赖，大大降低了BiSAR系统的成本和复杂度。3.本专利技术给出了在时域快速成像的处理构架下如何设计自聚焦误差补偿，拓展了现有自聚焦方法在时域快速成像中的应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法、系统及应用，具体涉及一种在FFBP处理框架下基于BiSAR回波数据的APE和NsRCM联合运动误差补偿方法。本专利技术是这样实现的，一种基于快速分解后向投影成像算法框架下的任意构型双基SAR联合自聚焦误差补偿方法包括：步骤一，建立信号模型，将原始回波信号进行FFBP成像处理，得到误差补偿前的极坐标下的SAR图像，再对SAR图像进行方位向快速傅里叶变换(fastFouriertransform,FFT)，得到距离压缩域-方位频域下的SAR图像信号，同时，基于波数矢量分解得到极坐标下图像频谱的解析表示；步骤二，利用上述频谱解析表示找到APE和NsRCM的相关性，先用加权相位梯度自聚焦(weightedphasegradientautofocusing，WPGA)初步估计得到粗略的APE，同时补偿APE和NsRCM；步骤三，补偿NsRCM后，再进行APE精估计和精补偿，然后将补偿后的距离压缩域-方位频域下的图像信号进行方位逆FFT(inverseFFT，IFFT)，得到极坐标下的SAR图像，再把SAR图像投影至笛卡尔坐标系下，获得聚焦良好的SAR图像。进一步，步骤一进一步包括：(1)雷达发射站和接收站分别安装在不同的飞行器上，PT表示雷达发射站位置，PR表示雷达接收站位置；对场景中任一目标点P0的回波信号表示为：式中，表示雷达PT到P0的距离矢量，表示发射信号对应的波数矢量；表示雷达PR到P0的距离矢量，表示发射信号对应的波数矢量；按照BP算法，投影到直角坐标网格得到的图像表示为：式中，α表示散射系数，表示雷达PT到任意网格P的距离矢量，表示雷达PR到任意网格P的距离矢量，K表示发射信号波数矢量的模值，t表示方位向时间；在真实情况下，由于存在运动误差，发射站接收站的平台偏离预定的航迹，真实的航迹为C1’和C2’；在此条件下，投影得到的直角坐标网格得到的图像表示为：式中，Δ表示运动误差，且有：(2)令(a,θ⊥)表示椭圆极坐标系下的网格坐标，其中，a表示椭圆长轴距，θ⊥表示角度，同时，引入Kr和Kr⊥波数矢量，其中，Kr和Kr⊥互相垂直，Kr⊥沿椭圆切线方向；将所有的信号波数矢量和距离矢量按照Kr和Kr⊥的方向进行分解，同时利用驻相点原理分析，得到图像在极坐标系下的图像解析表示：式中：Ka对应a的频域变量，Kr⊥对应θ⊥的频域变量，得到图像在极坐标下的解析表示：基于频谱解析表示，分析APE和NsRCM的相关性，将极坐标图像i(a，θ⊥)进行方位FFT，变换到距离压缩-方位频域I(a,KΥ⊥)。进一步，其特征在于，步骤二进一步包括：(1)根据图像在极坐标下的解析表示形式，获得APE和NsRCM的相互关系；在图像在极坐标下的解析表示式中，第一个指数项为相位误差项，并根据该误差项给出相位误差表示式：式中的误差表示为θt的函数：其中，(2)对在Ka＝Ka0处做一阶泰勒级数展开，得到：式中的第二项为NsRCM分量，该分量包括：为初步估计得到的相位误差，然后NsRCM分量中的两个部分用表示，为：和(3)采用WPGA方法估计，粗略得到的相位误差根据构造本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法，其特征在于，所述基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法包括：/n步骤一，建立信号模型，将原始回波信号进行FFBP成像处理，得到误差补偿前的极坐标下的SAR图像，再对SAR图像进行方位向快速傅里叶变换，得到距离压缩域-方位频域下的SAR图像信号，同时，基于波数矢量分解得到极坐标下图像频谱的解析表示；/n步骤二，利用上述频谱解析表示找到方位相位误差和NsRCM的相关性，先用加权相位梯度自聚焦初步估计得到粗略的APE，同时补偿APE和NsRCM；/n步骤三，补偿NsRCM后，再进行APE精估计和精补偿，然后将补偿后的距离压缩域-方位频域下的图像信号进行方位逆FFT，得到极坐标下的SAR图像，再把SAR图像投影至笛卡尔坐标系下，获得聚焦良好的SAR图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法，其特征在于，所述基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法包括：
步骤一，建立信号模型，将原始回波信号进行FFBP成像处理，得到误差补偿前的极坐标下的SAR图像，再对SAR图像进行方位向快速傅里叶变换，得到距离压缩域-方位频域下的SAR图像信号，同时，基于波数矢量分解得到极坐标下图像频谱的解析表示；
步骤二，利用上述频谱解析表示找到方位相位误差和NsRCM的相关性，先用加权相位梯度自聚焦初步估计得到粗略的APE，同时补偿APE和NsRCM；
步骤三，补偿NsRCM后，再进行APE精估计和精补偿，然后将补偿后的距离压缩域-方位频域下的图像信号进行方位逆FFT，得到极坐标下的SAR图像，再把SAR图像投影至笛卡尔坐标系下，获得聚焦良好的SAR图像。


2.如权利要求1所述的基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法，其特征在于，步骤一进一步包括：
(1)雷达发射站和接收站分别安装在不同的飞行器上，PT表示雷达发射站位置，PR表示雷达接收站位置；对场景中任一目标点P0的回波信号表示为：



式中，表示雷达PT到P0的距离矢量，表示发射信号对应的波数矢量；表示雷达PR到P0的距离矢量，表示发射信号对应的波数矢量；按照BP算法，投影到直角坐标网格得到的图像表示为：



式中，α表示散射系数，表示雷达PT到任意网格P的距离矢量，表示雷达PR到任意网格P的距离矢量，K表示发射信号波数矢量的模值，t表示方位向时间；在真实情况下，由于存在运动误差，发射站接收站的平台偏离预定的航迹，真实的航迹为C1’和C2’；在此条件下，投影得到的直角坐标网格得到的图像表示为：



式中，Δ表示运动误差，且有：






(2)令(a,θ⊥)表示椭圆极坐标系下的网格坐标，其中，a表示椭圆长轴距，θ⊥表示角度，同时，引入Kr和Kr⊥波数矢量，其中，Kr和Kr⊥互相垂直，Kr⊥沿椭圆切线方向；将所有的信号波数矢量和距离矢量按照Kr和Kr⊥的方向进行分解，同时利用驻相点原理分析，得到图像在极坐标系下的图像解析表示：



式中：



Ka对应a的频域变量，Kr⊥对应θ⊥的频域变量，得到图像在极坐标下的解析表示：



基于频谱解析表示，分析APE和NsRCM的相关性，将极坐标图像i(a，θ⊥)进行方位FFT，变换到距离压缩-方位频域I(a,KΥ⊥)。


3.如权利要求1所述的基于BiSAR回波的相关运动误差补偿方法，其特征在于，步骤二进一步包括：
(1)根据图像在极坐标下的解析表示形式，获得APE和NsRCM的相互关系；在图像在极坐标下的解析表示式中，第一个指数项为相位误差项，并根据该误差项给出相位误差表示式：



式中的误差表示为θt的函数：



其中，


...

【专利技术属性】
技术研发人员：周松，王庆庆，包敏，杨磊，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36