CN104316923A - 针对合成孔径雷达bp成像的自聚焦方法 - Google Patents

Abstract

一种针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法，根据BP方法层析成像的特点，基于对比度最优化准则以及图像对比度与相位误差之间的关系，利用BP反投得到一小块成像场景层析图进行相位误差估计获取相位误差补偿向量，然后将最终的相位误差补偿向量补偿到对应脉冲反投所得到的整个场景复图像上去，再将复图像相干叠加，即可得到最终聚焦后的SAR图像。并且提出了适用于BP成像方法的自聚焦方法两种流程，分析比较了这两种流程的运算量和适用场合，以及该自聚焦方法总体性能，最后通过处理实测数据，比较图像结果，避免了传统的适合频域成像方法的自聚焦方法就不适用于BP方法并且其有效性和可行性不高的缺陷。

Description

针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域,涉及一种合成孔径雷达(syntheticaperture radar，简称SAR)成像处理方法，具体是涉及一种针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种全天时、全天候的微波成像雷达，高分辨率的特点使它在军用和民用领域有着不可替代的作用。传统的SAR成像方法分为频域和时域两种：频率域处理的SAR成像方法普遍运用了快速傅里叶变换等快速方法，计算效率较高，但要求处理的孔径是线性的，不方便嵌入运动补偿，很难对有运动误差的非线性孔径进行处理。时域成像方法考虑了波前弯曲，采用逐点成像的方法，因此对场景大小无限制，在原理上不存在任何理论近似，并且非常适合于利用数字信号处理器件在硬件上作并行处理；但是点对点的图像重建过程需要大量的插值操作，导致计算量巨大，这也是时域方法在实际应用中必须考虑的问题。

机载合成孔径雷达在采集数据时，由于雷达平台很难保持恒定高度的匀速直线飞行姿态，所以运动补偿就成为SAR成像系统获得高分辨率能力的关键。由于国内载机惯导精度不高，因此，基于图像数据本身的自聚焦方法是SAR运动补偿的研究热点。自聚焦方法通过调节相位误差的估计值，最优化衡量图像聚焦与否的参数，使图像聚焦效果达到最佳来确定补偿的相位，常用的衡量图像聚焦与否的准则有：最大锐度，最小熵，最大对比度等。BP成像方法是一种时域成像方法，其成像过程就是计算各方位时刻雷达平台位置与目标点的双程延时，再将不同方位时刻对应的回波信号后向反投进行相干叠加，最后得出目标函数的过程。该过程不存在明显的傅里叶变换关系，因此，传统的适合频域成像方法的自聚焦方法就不适用于BP方法，并且其有效性和可行性不高。

发明内容

本发明的目的提供一种针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法，本发明基于图像对比度最优化准则，提出适于BP成像方法对比度最优化(Back projection Contrast Optimization,BP-CO)自聚焦方法。结合BP方法层析成像的特点，估计每个脉冲反投层析图像的相位误差并进行相位补偿，以图像对比度大小为标准评判聚焦效果，通过多次迭代实现图像的聚焦，提高图像分辨率。通过处理实测数据处理，比较图像结果，避免了传统的适合频域成像方法的自聚焦方法就不适用于BP方法并且其有效性和可行性不高的缺陷。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法的解决方案，具体如下：

一种针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法，步骤如下：

步骤1：选择一块成像场景，其中方位向网格点数为N_x，索引为x，距离向网格点数为N_y，索引为y，利用这块小场景估计出相位误差来获取相位误差补偿向量，具体如下：

(a)初始化相位误差补偿向量φ＝[φ(0),φ(1),...,φ(N_a-1)]，其中φ(0)为相位误

差补偿向量的第一列列向量，φ(1)为相位误差补偿向量的第二列列向量，φ(N_a-1)为相位误差补偿向量的第N_a列列向量，N_a为雷达回波脉冲总个数；

(b)对于N_a个雷达回波脉冲，将每个回波脉冲进行脉冲压缩，然后对脉

冲压缩后的回波脉冲进行BP反投影得到回波脉冲各自对应的场景复图像S_m(x,y)，其中m＝0,1,2,...,N_a-1，根据公式(1)求出第一系数I(x,y)，其中，x、y分别为图像像素点方位向和距离向索引，x＝0,1,2,...,N_x-1，y＝0,1,2,...,N_y-1：

$I(x,y)=\underset{m=0}{\overset{N_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·\exp [-\mathrm{j\φ}\left(m\right)]---\left(1\right)$

再根据公式(2)计算对比度的等价式C_eq：

$C_{\mathrm{eq}}=\underset{x=0}{\overset{\mathrm{Nx}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{\mathrm{Ny}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|I(x,y)\right|}^4---\left(2\right)$

(c)根据公式(3)估计exp[-jφ(m)]，其中，为相位误差补偿向量，m为脉冲索引，m＝0,1,2,...,N_a-1：

$\exp [-\mathrm{j\φ}\left(m\right)]\frac{{[\underset{x=0}{\overset{N_x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N_y-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·{\left|I(x,y)\right|}^2{I}^{*}(x,y)]}^{*}}{|\underset{x=0}{\overset{N_x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N_y-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·{\left|I(x,y)\right|}^2{I}^{*}(x,y)|}---\left(3\right)$

将第m个回波脉冲反投影得到的场景复图像S_m(x,y)乘以若按基于脉冲更新的算法流程，此时根据基于脉冲更新的算法计算更新I(x,y)，循环此步骤(c)操作直至最后一个脉冲；

(d)若按基于孔径更新的方法流程，此时根据基于孔径更新的方法计算更新I(x,y)，并根据公式(4)计算对比度的等价式C_eq：

$C_{\mathrm{eq}}=\underset{x=0}{\overset{\mathrm{Nx}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{\mathrm{Ny}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|I(x,y)\right|}^4---\left(4\right)$

(e)通过公式(5)算出对比度增加的比例T_l：

$T_l=\frac{C_{\mathrm{eq}}\left(I^{l+1}\right)-C_{\mathrm{eq}}\left(I^l\right)}{C_{\mathrm{eq}}\left(I^l\right)}---\left(5\right)$

对比度增加的比例T_l与设定的终止门限T₀比较，判断是否进入下一次迭代，其中l为迭代次数，如果T_l＞T₀，进入下一次迭代，即则从步骤c开始继续操作；或者直接设定迭代次数代替计算对比度增加的比例T_l来判断是否进行下次迭代；

步骤2，总的相位误差补偿向量等于每次迭代所得相位误差向量之和，将最终的相位误差补偿向量补偿到对应脉冲反投影所得到的整个场景复图像上去，再将场景复图像相干叠加，即可得到最终聚焦后的SAR图像。

所述的直接设定迭代次数代替计算对比度增加的比例来判断是否进行下次迭代的迭代次数的范围为1～2次。

应用本发明上述方案，与传统的自聚焦算法相比，该算法利用BP算法层析成像的特点并与其结合，估计出每个脉冲反投层析图像的相位误差并进行相位补偿，使得BP成像算法依旧不受场景大小限制。以对比度准则衡量聚焦效果，直接针对复图像进行操作，能够很精确地估计出相位误差，具有很强的鲁棒性。另外选取小范围场景估计相位误差，减小了计算量与内存资源消耗，使得该方法得以实际运用。

附图说明

图1为本发明的基于孔径更新的算法流程的对比度最优化自聚焦方法实现流程图。

图2为本发明的基于脉冲更新的算法流程的的对比度最优化自聚焦方法实现流程图。

图3为无自聚焦BP算法而得SAR图像。

图4为局部放大的无自聚焦SAR图像。

图5为有自聚焦BP算法而得的SAR图像。

图6为局部放大的有自聚焦SAR图像。

具体实施方式

为了弥补反投影成像自聚焦方法研究的不足，发明一种针对于合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法。本发明所有步骤、结论都用实测数据在IDL上验证正确，本发明实现分为以上两大步，具体实现流程有两种：一种是基于孔径更新I(x,y)，即在每一次迭代时，估计所有层析图的相位误差进行补偿，并计算更新I(x,y)，如图1所示；另一种是基于脉冲更新I(x,y)，即在每一次迭代中，估计对应层析图的相位误差并进行补偿，然后计算更新I(x,y)，如图2所示。分析比较两种方法可知，前者比后者消耗内存资源多，但I(x,y)更新次数相对较少，计算量小，成像速度更快。所以，在选取两种方法的时候要兼顾内存资源和计算速度要求，如果内存资源不足，则考虑采用后者方法，如果要求更小的计算量，则在内存资源允许的情况下采用前者方法，但两种方法的最终聚焦效果相当。

下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明：

本实施例利用SAR实测数据对这种方法做出验证和分析，实测数据是由某型机载X波段脉冲雷达对地聚束式探测得到的回波，雷达带宽为1.16GHz，载频为10GHz，调频斜率为78956GHz/s，脉冲采样频率为1.5GHz，脉冲重复频率PRF为2200Hz，载机航速为154m/s，载机高度5700m。SAR实测数据方位向孔径大小N_a为4096，距离向大小为32768，最终成像网格大小为4096×4096，网格间隔为0.1m×0.1m。选取估计相位误差的成像网格大小为512×512，网格间隔为0.2m×0.2m。

参照图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法，步骤如下：

步骤1：选择一块成像场景，其中方位向网格点数为N_x，N_x的值为512，索引为x，距离向网格点数为值为N_y，N_y的值为512，索引为y，网格间隔为0.2m×0.2m，利用这块小场景估计出相位误差来获取相位误差补偿向量，具体如下：

(a)初始化相位误差补偿向量φ＝[φ(0),φ(1),...,φ(N_a-1)]，其中φ(0)为相位误

差补偿向量的第一列列向量，φ(1)为相位误差补偿向量的第二列列向量，φ(N_a-1)为相位误差补偿向量的第N_a列列向量，N_a为雷达回波脉冲总个数，其值为4096；

(b)对于N_a个雷达回波脉冲，将每个回波脉冲进行脉冲压缩，然后对脉

冲压缩后的回波脉冲进行BP反投影得到回波脉冲各自对应的场景复图像S_m(x,y)，其中m＝0,1,2,...,N_a-1，根据公式(1)求出第一系数I(x,y)：

$I(x,y)=\underset{m=0}{\overset{N_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·\exp [-\mathrm{j\φ}\left(m\right)]---\left(1\right)$

再根据公式(2)计算对比度的等价式C_eq：

$C_{\mathrm{eq}}=\underset{x=0}{\overset{\mathrm{Nx}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{\mathrm{Ny}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|I(x,y)\right|}^4---\left(2\right)$

(c)根据公式(3)估计exp[-jφ(m)]：

$\exp [-\mathrm{j\φ}\left(m\right)]\frac{{[\underset{x=0}{\overset{N_x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N_y-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·{\left|I(x,y)\right|}^2{I}^{*}(x,y)]}^{*}}{|\underset{x=0}{\overset{N_x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N_y-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·{\left|I(x,y)\right|}^2{I}^{*}(x,y)|}---\left(3\right)$

将第m个回波脉冲反投影得到的场景复图像S_m(x,y)乘以若按基于脉冲更新的算法流程，此时根据基于脉冲更新的算法计算更新I(x,y)，循环此步骤(c)操作直至最后一个脉冲；

(d)若按基于孔径更新的方法流程，此时根据基于孔径更新的方法计算更新I(x,y)，并根据公式(4)计算对比度的等价式C_eq：

$C_{\mathrm{eq}}=\underset{x=0}{\overset{\mathrm{Nx}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{\mathrm{Ny}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|I(x,y)\right|}^4---\left(4\right)$

(e)通过公式(5)算出对比度增加的比例T_l：

$T_l=\frac{C_{\mathrm{eq}}\left(I^{l+1}\right)-C_{\mathrm{eq}}\left(I^l\right)}{C_{\mathrm{eq}}\left(I^l\right)}---\left(5\right)$

对比度增加的比例T_l与设定的终止门限T₀比较，T₀的值为0.1，判断是否进入下一次迭代，其中l为迭代次数，如果T_l＞T₀，进入下一次迭代，即则从步骤c开始继续操作；或者直接设定迭代次数代替计算对比度增加的比例T_l来判断是否进行下次迭代；

步骤2，总的相位误差补偿向量等于每次迭代所得相位误差向量之和，将最终的相位误差补偿向量补偿到对应脉冲反投影所得到的整个场景复图像(4096×4096)上去，再将场景复图像相干叠加，即可得到最终聚焦后的SAR图像。所述的直接设定迭代次数代替计算对比度增加的比例来判断是否进行下次迭代的迭代次数的范围为1～2次。图2、图4分别是无BP-CO自聚焦和有BP-CO自聚焦SAR成像，图3、图5分别是图2、图4的局部放大图，从图中可以看出，图2比图4要模糊，从局部放大图中更能看出这一点。表1给出了有无BP-CO自聚焦BP算法得出图像的熵和对比度，从图像的熵和对比度值的变化来看，带有自焦的图像比没有自焦的更清晰。由图像结果以及表1可知，带有BP-CO自聚焦BP算法得出的图像聚焦效果较好，表1为分别有BP-CO自聚焦BP算法和无BP-CO自聚焦BP算法得出图像的熵和对比度。

表1

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神及其原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：选择一块成像场景，其中方位向网格点数为N_x，索引为x，距离向网格点数为N_y，索引为y，利用这块小场景估计出相位误差来获取相位误差补偿向量，具体如下：

(a)初始化相位误差补偿向量φ＝[φ(0),φ(1),...,φ(N_a-1)]，其中φ(0)为相位误

差补偿向量的第一列列向量，φ(1)为相位误差补偿向量的第二列列向量，φ(N_a-1)为相位误差补偿向量的第N_a列列向量，N_a为雷达回波脉冲总个数；

(b)对于N_a个雷达回波脉冲，将每个回波脉冲进行脉冲压缩，然后对脉

冲压缩后的回波脉冲进行BP反投影得到回波脉冲各自对应的场景复图像S_m(x,y)，其中m＝0,1,2,...,N_a-1，根据公式(1)求出第一系数I(x,y)：

$I(x,y)=\underset{m=0}{\overset{N_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·\exp [-\mathrm{j\φ}\left(m\right)]---\left(1\right)$

再根据公式(2)计算对比度的等价式C_eq：

$C_{\mathrm{eq}}=\underset{x=0}{\overset{\mathrm{Nx}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{\mathrm{Ny}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|I(x,y)\right|}^4---\left(2\right)$

(c)根据公式(3)估计exp[-jφ(m)]：

$\exp [-\mathrm{j\φ}\left(m\right)]=\frac{{[\underset{x=0}{\overset{N_x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N_y-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·{\left|I(x,y)\right|}^2{I}^{*}(x,y)]}^{*}}{|\underset{x=0}{\overset{N_x-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{N_y-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m(x,y)\·{\left|I(x,y)\right|}^2{I}^{*}(w,y)|}---\left(3\right)$

将第m个回波脉冲反投影得到的场景复图像S_m(x,y)乘以若按基于脉冲更新的算法流程，此时根据基于脉冲更新的算法计算更新I(x,y)，循环此步骤(c)操作直至最后一个脉冲；

(d)若按基于孔径更新的方法流程，此时根据基于孔径更新的方法计算更新I(x,y)，并根据公式(4)计算对比度的等价式C_eq：

$C_{\mathrm{eq}}=\underset{x=0}{\overset{\mathrm{Ns}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{\mathrm{Ny}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|I(x,y)\right|}^4---\left(4\right)$

(e)通过公式(5)算出对比度增加的比例T_l：

$T_l=\frac{C_{\mathrm{eq}}\left(I^{l+1}\right){-C}_{\mathrm{eq}}\left(I^l\right)}{C_{\mathrm{eq}}\left(I^l\right)}---\left(5\right)$

对比度增加的比例T_l与设定的终止门限T₀比较，判断是否进入下一次迭代，其中l为迭代次数，如果T_l＞T₀，进入下一次迭代，即则从步骤c开始继续操作；或者直接设定迭代次数代替计算对比度增加的比例T_l来判断是否进行下次迭代；

步骤2，总的相位误差补偿向量等于每次迭代所得相位误差向量之和，将最终的相位误差补偿向量补偿到对应脉冲反投影所得到的整个场景复图像上去，再将场景复图像相干叠加，即可得到最终聚焦后的SAR图像。

2.根据权利要求1所述的针对合成孔径雷达BP成像的自聚焦方法，其特征在于所述的直接设定迭代次数代替计算对比度增加的比例来判断是否进行下次迭代的迭代次数的范围为1～2次。