[发明专利]一种适用于距离徙动算法的两维自聚焦方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成孔径雷达成像信号处理方法，特别是涉及一种合成孔径雷达两维自聚焦方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是通过信号处理技术对地面景物进行成像的一种新体制雷达，它的出现极大地扩展了原有的雷达概念，使雷达具有了对目标(如地面、坦克、装甲车辆等)进行成像和识别的能力，能够为人们提供越来越多的有用信息。SAR对目标的成像通过距离和方位两维高分辨实现，其中距离向高分辨率通过对宽带信号进行脉冲压缩处理得到，而方位高分辨率则通过对合成孔径数据进行相干处理实现，这种相干处理依赖于精确获知雷达和目标之间的瞬时相对位置信息。实际应用中，受雷达位置扰动和电磁波传播介质不均匀等因素影响，这种相干性往往很难直接得到保证。目前采取的主要措施是增加辅助的运动测量单元(典型地如惯性测量单元和全球定位系统)来测量获取雷达位置信息，而忽略传播介质不均匀的影响。然而，随着成像分辨率的提高，运动测量单元提供的位置信息精度可能仍然无法满足相干性要求，而且，传播介质不均匀导致的雷达回波延迟误差效应也变得不可忽略。因此有必要研究从雷达回波数据中提取并补偿误差的办法，即自聚焦方法。

回波的延迟误差对SAR信号有两个方面的影响，一是会在方位向引入一个相位误差，导致图像发生方位散焦，另外就是会产生额外的距离徙动，在SAR成像过程中无法得到补偿，而且经过成像算法处理后，残留距离徙动效应还会导致图像距离向出现二次散焦，因此SAR信号相位误差本质上是一种两维误差。当延迟误差较小，产生的额外距离徙动小于一个距离分辨单元时，这时残留距离徙动效应可以忽略不计，因此自聚焦时只需估计和补偿方位一维相位误差，这也是目前常规自聚焦算法(典型算法如子孔径算法，相位差分算法，相位梯度自聚焦算法，特征值方法等)假设的前提，如文献1(Mancill,C.E.,and J.M.Swiger.A Map Drift Autofocus Technique for Correcting High Order SAR Phase Errors.27th Annual Tri-Service Radar Symposium.Record,Monterey,CA,1981,pp.391-400.)、文献2(G.N.Yoji.Phase Difference Auto Focusing for Synthetic Aperture Radar Imaging.United States Patent No.4999635,1991.)、文献3(Wahl,D.E.,P.H.Eichel,D.C.Ghiglia,and C.V.Jakowatz,Jr.Phase Gradient Autofocus-A Robust Tool for High Resolution SAR Phase Correction.IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems,30(3),1994,pp.827-834.)和文献4(C.V.Jakowatz,Jr.,D.E.Wahl.Eigenvector Method for Maximum-likelihood Estimation of Phase Errors in Synthetic Aperture Radar Imagery.J.Opt.Soc.Am.A.,10(12),1993,pp.2539-2546.)中所公开的技术。然而，随着误差的增加，尤其是成像分辨率特别高时，残留距离徙动跨越距离单元将变得不可避免，因此，在此条件下有效的自聚焦算法必须要考虑两维相位误差的估计和补偿。文献5(D.W.Warner,D.C.Ghiglia,A.FitzGerrel,J.Beaver.Two-dimensional Phase Gradient Autofocus.Proceedings of SPIE,Vol.4123,2000,pp.162-173.)公开的技术中将传统的一维相位梯度自聚焦算法(PGA)扩展到两维，提出了两维相位梯度自聚焦算法(2-D PGA)来试图解决这一问题，但正如文章作者在结论中所说，该方法要像一维PGA一样达到实用，仍然存在不少的问题需要解决。文献6(A.Gallon,F.Impagnatiello,“Motion Compensation in Chirp Scaling SAR Processing using Phase Gradient Autofocusing,”Proceedings of Geoscience and Remote Sensing Symposium,1998.IGARSS'98.Vol.2,pp.633-635.)公开的技术中则将相位误差简化为两维可分离误差，然后通过在距离和方位分别进行一维PGA处理来实现两维相位误差校正，由于没有考虑相位耦合项，因此该算法的补偿精度仍然受到很大限制。文献7(D.Zhu,“SAR Signal Based Motion Compensation Through Combining PGA and 2-D Map drift,”Proceeding of 2nd Asian-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar,2009,pp.435-438.)、文献8(A.W.Doerry,F.E.Heard,and J.Thomas Cordaro,“Comparing Range Data across the Slow-time Dimension to Correct Motion Measurement Errors Beyond the Range Resolution of A Synthetic Aperture Radar”,United States Patent,Patent No.7777665B1,August 2010.)公开的技术中忽略距离向二次散焦，将两维相位误差近似为残留距离徙动和方位相位误差，并对两者分别进行估计和补偿。以上两维自聚焦方法存在的主要缺陷是没有利用SAR两维相位误差的内部结构信息，认为两维相位误差是完全未知的，因此是对两维相位误差的一种盲估计，目前在估计精度和效率上都还存在一定的问题。文献9(A.W.Doerry,“Autofocus Correction of Excessive Migration in Synthetic Aperture Radar Images,”Sandia Report,SAND2004-4770,September 2004.)和文献10(毛新华，朱岱寅，“一种适用于超高分辨率SAR成像的自聚焦方法”，中国专利，申请号：201110128491.4)公开的技术中注意到了两维相位误差的内部结构，并给出了极坐标格式算法(Polar Format Algorithm，简称PFA)处理框架下的一些简化分析结果，如文献9给出了正侧视条件下残留距离徙动和方位相位误差的解析关系，文献10对文献9进行了推广，使其能够应用于斜视情况。但这两种方法都忽略了距离向的高阶相位误差，在分辨率特别高时往往仍然不能满足聚焦精度要求。文献11(毛新华，朱岱寅，“一种基于先验相位结构知识的SAR两维自聚焦方法”，中国专利，申请号：201210429401.X)公开了一种适用于极坐标格式算法的精确两维自聚焦算法，这种两维自聚焦方法基于两维相位误差的解析结构，而不同成像算法处理后两维相位误差的解析结构各不相同，因此该方法无法直接应用于除极坐标格式算法外的其它算法处理得到的图像。