缺乏高精度运动补偿系统下实现机载雷达重聚焦成像方法技术方案

一种缺乏高精度运动补偿系统下实现机载雷达重聚焦成像方法。包括两大步骤：（１）基于去斜率处理的ＳＡＲ初始复图像生成；（２）基于改进的ＰＧＡ算法测量多普勒信号相位误差并进行相位补偿的复图像重新聚焦。包括以下步骤：复图像输入；最强点目标的中心循环移位；加窗；方位向的傅立叶变换；相位误差估计；相位矫正；傅立叶逆变换返回复图像域。本发明专利技术在缺乏高精度机载平台运动补偿系统提供飞机运动状况信息的情况下，仅靠原始信号数据驱动可获得方位向分辨率显著提高的机载Ｌ－ＳＡＲ重聚焦图像，图像对比度越高，聚焦效果越好。由于Ｌ波段ＳＡＲ波长较长，具有穿透性，对于军事侦查和民用中灾害监测能发挥重要的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于合成孔径雷达(SAR)信号数字成像处理

技术介绍
合成孔径雷达是成像雷达的一种。它通常安装在飞机、飞船或卫星等运动平台上，通过接收处理雷达自身向地面辐射的电磁波获得地面目标的图像信息。作为微波有源遥感的一种手段，它具有光学遥感手段所不具备的优势。首先，具有全天候，全天时的工作能力从而不受光照和云雨覆盖的影响；其次，由于雷达信号具有相参特性，特殊设计的合成孔径雷达能提取地面的三维信息，可以快速准确的绘制数字地形图；再者，由于较低频率的电磁波具有一定的穿透能力，工作在微波频率低段(如L波段)的合成孔径雷达可以探测植被覆盖下的目标，对于军事侦查和民用中灾害监测能发挥极其重要的作用。 随着合成孔径雷达(SAR)数字信号处理理论的完善和发展，数字信号处理手段逐渐替代了早期SAR的光学处理方法。当前，即使在普通的个人计算机上也可以实现非实时的SAR信号成像处理。数字成像技术有光学成像技术不可比拟的灵活性，只要适当调整算法的某些参数就可以处理不同条件下获得的雷达原始数据。即使雷达工作在非理想的条件下，利用数字成像方法仍然有可能得到理想的雷达图像，而这需要依赖特殊的成像算法使图像重新聚焦达到理想的分辨率。合成孔径雷达的分辨能力包含距离分辨率和方位分辨率，由于获得高的距离分辨率在技术上已经比较成熟，故方位分辨率的提高对合成孔径雷达是最为关键的。 SAR的方位向分辨率是利用飞行平台与地面点目标之间相对运动产生的多普勒频率变化(相位历程)来获得的，因此，SAR信号相位的稳定性对于成像处理后图像的方位向分辨率的高低有至关重要的影响。平台在理想的匀速直线运动状态下，只要正确计算出多普勒中心频率和多普勒调频斜率这两个参数就可以完整描述目标回波信号的多普勒相位历程，实现方位向的聚焦处理。理论上，正侧视SAR的方位分辨率近似为天线长度的一半。在机载SAR成像中，由于飞机运动有很强的随机性，很多情况下多普勒信号很难用线性调频信号准确表示。方位向非理想的相位历程将导致图像分辨率的下降，合成孔径雷达的分辨率将很难随合成孔径的增大而提高，甚至会下降，也就是随着合成孔径时间的增加图像的散焦现象更明显。一般飞行平台运动变化导致的相位误差在一定程度上可以通过各种运动补偿系统补偿，如通过采用惯性导航系统(INS)、惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)等组成的运动测量系统精确地测定平台的姿态与运动参数计算出多普勒参数，从而实现距离徙动校正和方位聚焦，但补偿效果受到系统性能的制约。当雷达分辨率较高时，飞机的扰动将使惯导数据计算出的多普勒参数存在较大的误差。 作为相参雷达，径向距离的检测误差要求达到厘米级水平，合成孔径雷达与目标之间的定位精度必须达到波长的四分之一以下。在高速运动的平台上，想达到这个指标非常困难。如L波段使用的波长是22-23cm，对于以150m/s以上速度飞行的飞机来说，获得如此精确的定位信息十分困难。目前，我国还没有建立起完善的高精度全球定位导航系统，机载平台内部的惯导精度也还不能满足雷达要求。这必将导致机载雷达多普勒信号相位历程参数不能很好控制，使获得的雷达图像质量不稳定、模糊散焦和分辨率下降。所以，受现有硬件水平的限制，运动补偿系统的精度并不能完全地补偿平台的非理想运动，必须在实际成像中利用接收信号数据本身的信息作进一步的估计和补偿，这种成像处理通常称自动聚焦方法。在中国专利申请号为“03154422.3”的专利“一种适用于低对比度场景合成孔径雷达成像的自聚焦方法”中，提出了一种适用于低对比度场景的自聚焦方法，并用Ku波段作为实施例。国际上在雷达处理领域引起广泛关注的自聚焦方法-相位梯度自动聚焦算法(PGA)(①Eichel P H，Wahl D E.Phase gradient algorithms as an optimal estimator of the phase derivative.OptSociety of America，1989，14(20)1101-1103.②WAHL，D.E.，EICHEL，P.H.，GHIGLIA，D.C.，et al.Phase gradient autofocus-A robust tool for high resolutionSAR phase correction.IEEE Trans.，AES.1994，30(3)827-835.)，可以较好的实现相位误差估计和补偿，具有对目标特性依赖程度比较低的优点。 如上所述，合成孔径雷达信号的数字聚焦成像对定位导航系统有很强的依赖性，对运动补偿系统的定位精度要求相当高。当缺乏高精度运动补偿系统，或者搭载平台的运动补偿系统突然失效或工作不正常时，在接收的信号数据中没有搭载平台的任何运动信息数据时，如何仅靠雷达原始信号数据生成聚焦良好的图像，并适合各种各样的目标场景仍是当前研究的重要课题。 本专利技术的目的就是提供一种缺乏高精度运动补偿系统下实现完全数据驱动的机载L-SAR高精度数字重聚焦成像方法。实现在信号数据中没有记录任何飞机运动状况信息的情况下，从机载原始信号记录系统记录的原始信号数据开始处理，通过有效地估计和补偿相位误差，最终获得信噪比显著改善、方位向分辨率明显提高、质量稳定且聚焦良好的机载L-SAR图像。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的。本专利技术提供缺乏高精度运动补偿系统下实现机载雷达L-SAR重聚焦成像方法，包括如下两大步骤 (1)基于去斜率处理的SAR初始复图像生成。该部分起始于雷达原始信号的处理，包括具体以下步骤距离处理，多普勒参数估计，距离徙动矫正，方位压缩。其中距离处理和方位压缩采用去斜率算法，距离徙动矫正通过距离向的频率移动实现。 (2)基于改进的相位梯度自动聚焦(PGA)算法测量多普勒信号相位误差并进行相位补偿的复图像重新聚焦。相位误差估计在机载合成孔径雷达信号处理过程中是不能避免的，PGA算法作为一种数据驱动的相位误差估计方法，从雷达成像的基本原理和信号的统计特性出发，解决了目标区域点扩散函数的估计问题。该步骤接受(1)生成的复图像作为输入，具体包括以下几个步骤复图像输入；最强点目标的中心循环移位；加窗；方位向的傅立叶变换；相位误差估计；方位向相位误差补偿，即相位矫正；傅立叶逆变换返回复图像域。该步骤中，本专利技术对相位误差估计过程中相位信息的更新方法采用信息论里的迭代纠错技术，并通过设计合理的算法有效避免了过度收敛和收敛不足两种情况。 本专利技术优点是 1)机载合成孔径雷达由于没有高精度定位系统支持及受大气微波折射率变化影响，图像的方位分辨率达不到设计指标，采用常规雷达成像处理方法所得图像模糊，散焦严重；利用本专利技术可以在很大程度上通过重聚焦恢复图像的分辨率； 2)在重聚焦过程中，参与相位误差估计的原始信号样点是随机截断的，没有任何人为的干预； 3)对目标特性的依赖程度比较低，这种方法不但对点目标有效，对分布目标同样可以获得很好的效果，可适合各种各样的目标场景。重聚焦图像的方位向分辨率明显提高，信噪比获得显著改善。 附图说明 图1为本专利技术初始复图像生成处理流程方框图； 图2为本专利技术基于改进PGA算法重聚焦处理流程方框本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种缺乏高精度运动补偿系统下实现机载雷达重聚焦成像方法，其特征在于包括如下两大步骤：（１）基于去斜率处理的ＳＡＲ初始复图像生成，该部分起始于雷达原始信号的处理，包括以下步骤：距离处理，多普勒参数估计，距离徙动矫正，方位压缩； （２）基于改进的ＰＧＡ算法测量多普勒信号相位误差并进行相位补偿的复图像重新聚焦，该步骤接受（１）生成的复图像作为输入，包括以下步骤：复图像输入，最强点目标的中心循环移位，加窗，方位向的傅立叶变换，相位误差估计，相位矫正，傅立叶逆变换返回复图像域。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭衢霖，胡吉平，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[]