CN105548972A - 合成孔径雷达的阶梯式线性调频信号的相位校准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合成孔径雷达的阶梯式线性调频信号的相位校准。公开了一种用于校准由合成孔径雷达(“SAR”)利用的阶梯式线性调频信号的相位的雷达校准处理器(“RCP”)。RCP包括周期相位误差(“PPE”)校准器，与PPE校准器信号通信的第一非周期相位误差(“NPPE”)校准器，以及与第一NPPE校准器信号通信的第二NPPE校准器。

Description

合成孔径雷达的阶梯式线性调频信号的相位校准

相关申请的交叉引用

本公开要求于2014年9月19日提交的申请号为14/491，354的美国专利申请的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本公开总体涉及雷达系统并且更具体地，涉及校正合成孔径雷达(“SAR”)数据的误差。

背景技术

雷达已经以诸如成像、导航、遥感和全球定位的各式各样的应用被长期用于军事和非军事目的。合成孔径雷达(“SAR”)是主要相干航空或卫星侧查看雷达系统(“SLAR”)，该雷达系统利用SAR位于其上的移动平台(即，运载工具，诸如飞机或卫星)的飞行路径来电子地模拟极大天线或孔径，而且生成高分辨率遥感图像。具体地，SAR用于使用安装在空中的移动平台上的相对小的天线的地面制图(terrainmapping)和/或遥感。

SAR可以利用小的天线的事实是SLAR的主要优点，因为天线的辐射方向图的波束宽度(通常被称为“天线波束宽度”)与天线孔径的尺寸成反比并且，通常，天线波束宽度越窄，目标区域的扫描图像的潜在分辨率越高。因此，由SLAR形成的目标区域的图像在方位分辨率上较差，因为方位天线波束宽度具有过宽的角分辨率以至于不能将在目标区域内的相同范围下的细小细节区分开。因此，对于SLAR，需要利用极大天线或者操作的甚高频(其中，波长如此短以至于雷达必须满足于大气中的严重衰减的影响)以产生目标区域的高分辨率图像以便指导地面制图和/或遥感，这对于安装在移动平台上的雷达系统是不切实际的。

SAR通过利用更小的天线和信号处理解决了与SLAR相关的问题。与SLAR不同，SAR能够通过使用小的孔径天线发射一系列脉冲并且为所有发射的脉冲相干地处理从地面反射的所得数据来实现与大天线相同的效果。通常，SAR是利用信号处理以改善超出平台(其中，实际天线的向前运动被用于‘合成’非常长的天线)上的物理天线孔径的限制的分辨率的技术。因此，SAR允许使用更长的波长并且利用具有合理尺寸的结构的天线仍实现良好的分辨率的可能性。

在操作的实例中，SAR与平台沿着飞行路径在目标上移动并且发射无线电波的连续脉冲以照射目标场景，接收并记录每个脉冲的回波(即，雷达返回信号)，并且然后从处理所接收的回波脉冲生成目标的高分辨率图像。以这种方式，SAR与相控阵系统(phasedarraysystem)相似地操作，但与相控阵列的大量平行天线元件相反，SAR以时间复用的形式使用一个天线。因此，作为移动平台的结果，SAR的天线的不同的几何位置模拟相控阵列的天线元件。

SAR以脉冲重复频率(“PRF”)速率发射脉冲，该速率表示由SAR每秒发射的脉冲的数量。PRF的倒数也被称为脉冲收集期或脉冲间期。每个脉冲在发射时间期间(通常称为脉宽(pulsewith)(“PW”))以SAR的操作的载波频率辐射(即，发射)。然后SAR在收听、或保持(rest)、时间期间等待返回回波(即，雷达返回信号)，并且然后辐射下一个脉冲。每个发射的脉冲之间的时间被称为脉冲重复时间(“PRT”)，表示一个脉冲的起点和下一个脉冲的开始之间的时间。

随着时间的过去，脉冲的单独发射和接收周期(具有等于PRT的操作周期)由SAR利用由SAR中的处理器电存储的来自每个周期的数据完成。数据包括从沿着飞行路径的SAR的第一位置至第二位置的时间周期“T”的所有雷达返回信号，如波幅和相位值。此时，可以重建将由长度v·T的天线获得的雷达返回信号，其中“v”是平台沿着飞行路径的速度。

然后SAR对存储的数据进行信号处理。信号处理利用在来自合成孔径的元件的连续脉冲上接收的雷达返回信号的幅度和相位。在给定数量的周期之后，存储数据被重新组合(在每个后续周期中，对目标几何形状考虑不同发射器的固有的多普勒效应)以生成由SAR飞过的地面的高分辨率图像。

应注意的是，随着视线方向沿着SAR的平台的飞行路径的变化，合成孔径通过信号处理产生，其中，信号处理具有人工延长SAR的天线的效果。因此，让T大使得SAR天线的“合成孔径”大，由此可以实现更高的SAR的分辨率。

通常，由SAR产生的SAR图像是由距离方向值和横向距离(即，方位)方向值组成的二维图像。本领域普通技术人员应理解的是，方位分辨率与目标由天线波束照射期间的收集周期T成反比。因此，方位的高分辨率可以通过增加聚光模式的阵列时间或者通过减少带状地图模式(stripmapmode)的天线孔径尺寸来实现。另外，距离分辨率(rangeresolution)与发射的信号的带宽成反比。因此，距离的高分辨率可以通过增加发射的信号的带宽来实现。

令人遗憾地，事实上，尽管在理论上，距离分辨率可以通过利用宽带信号改善，但同样事实上，在实际上，将发射的信号的带宽增加超出特定点的成本是很高的并且实际上在物理上难以实现。这是因为通常雷达系统中的前端硬件部件包括滤波器、放大器和天线，所有这些通常随着操作的信号带宽的增加具有劣化的性能。

避免这个问题的一个方法已将全部期望的宽带信号划分成多个窄子带信号的序列并且以具有阶梯式的中心频率的连续子脉冲发射子带信号。然后，对于每个发射脉冲，从任何反向散射反射的所接收的信号被组合以产生复合接收信号，该复合接收信号等于来自已发射的宽带信号的接收信号。

在SAR系统中，最常用的波形信号是线性调频(“LFM”)信号。LFM信号通常称为“线性调频调制信号(chirpmodulationsignal，啁啾调制信号)”。它们采用其瞬时频率随着时间增加或减小的正弦波形。本领域普通技术人员应理解，这些正弦波形比其他类型的波形具有优点并且通常称为“线性的线性调频”或简单称为“线性调频”。

具体地，在称为“阶梯线性调频”或“阶梯式线性调频”的模式中，利用阶梯式线性调频波形以改善诸如SAR的现有的脉冲压缩雷达的距离分辨率。脉冲被频率调制，以便帮助解决(resolve)可具有重叠的返回的并且期望的全宽带信号被分成多个窄带子带(它们的中心频率在它们之间呈阶梯式)的目标。子带信号以子脉冲被顺序地发射。然后，从地面上的反向散射、从每个发射的子脉冲反射的信号被接收并被组合以合成宽带复合接收信号，利用该宽带复合接收信号产生高分辨率SAR图像。通常，这个技术适合于获得具有限制的瞬间带宽但具有大的可调谐带宽的雷达系统的高的距离分辨率。

尽管高距离分辨率的SAR图像可以通过利用阶梯线性调频处理而获得，但依然需要避免由于从所有子脉冲产生的复合信号的波幅和相位误差而导致的图像质量的劣化。复合信号中的波幅和相位误差两者可以包括对所有阶梯所通用的周期分量和在阶梯之间变化的非周期的分量。另外，不连续的波幅和相位可以出现在阶梯式线性调频波形的阶梯边界处。

这些误差是阶梯线性调频中的问题，如果没有被合适地估计和校正，其会使得形成的SAR图像劣化。具体地，周期误差会使得在形成的图像中出现不希望有的成对回波。另外，非周期误差和波幅和相位不连续同样会使得在脉冲响应的旁瓣区域(sidelobearea)中的图像劣化。因此，需要估计和校正这些波幅和相位误差。

过去解决这个问题的尝试包括估计单阶梯信号中的波幅和相位误差的方法，如在2011年8月16日公布的，发明人为KwangM.Cho，题为“EstimationandCorrectionOfErrorInSyntheticApertureRadar”的美国专利No.7，999，724中描述的，并且通过引用将其全部内容结合在此。令人遗憾地，这个参考资料将其公开内容限于单阶梯SAR并且没有描述校正阶梯线性调频SAR中的误差的任何方法。

因此，本领域中依然需要估计并校正阶梯线性调频SAR系统中的这些波幅和相位误差的系统和方法。

发明内容

公开了一种用于校准由合成孔径雷达(“SAR”)利用的阶梯式线性调频信号(stepped-chirpsignal，阶梯式啁啾信号)的相位的雷达校准处理器(“RCP”)。RCP包括周期相位误差(“PPE”)校准器，与PPE校准器信号通信的第一非周期相位误差(“NPPE”)校准器，以及与第一NPPE校准器信号通信的第二NPPE校准器。

在操作的实例中，RCP执行以下方法，即，通过从使用利用多个阶梯式线性调频信号的SAR的扫描获取的雷达目标区域接收SAR图像数据并且校准阶梯式线性调频信号的相位来校准阶梯式线性调频信号的相位。相位的校准通过估计阶梯式线性调频信号中的相位误差来进行。RCP通过顺次首先利用PPE校准器校准SAR图像数据以去除SAR图像数据中的周期相位误差来执行该方法。然后RCP利用第一NPPE校准器校准PPE校准的SAR图像数据以便从PPE校准的SAR图像数据去除类型-1非周期相位误差以产生NPPE-1校准的SAR图像数据。然后RCP利用第二NPPE校准器校准NPPE-1校准的SAR图像数据以便从NPPE-1校准的SAR图像数据去除类型-2非周期相位误差以产生NPPE-2校准的SAR图像数据。然后RCP将NPPE-2校准的SAR图像数据传送至SAR的其他部件以便在产生SAR显示图像中使用。

通过参阅下面的附图和详细说明，本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征和优点对于本领域的技术人员将变得显而易见。本发明旨在将所有这种附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、在本发明的范围之内，并且由所附权利要求保护。

附图说明

本发明可以是通过参考以下附图更好地理解。附图中的部件并不一定是按照比例，而是强调阐释本发明的原理。在附图中，相同的标号表示贯穿不同示图的相应部分。

图1A是根据本发明的沿着大陆上的飞行路径的航线飞行的飞机上的合成孔径雷达(“SAR”)成像系统的实例的示图。

图1B是根据本发明的轨道卫星中的SAR成像系统的实例的示图。

图2是根据本发明的具有雷达校准处理器(“RCP”)的图1A或者图1B的SAR的实施方式的实例的框图。

图3是根据本发明的阶梯式线性调频波形的实施方式的实例的曲线。

图4是根据本发明的图2的射频(“RF”)接收器的实施方式的实例的框图。

图5是根据本发明的由RCP执行的确定相位误差的方法的实施方式的实例的流程图。

图6是根据本发明的用于执行图5中示出的PPE校准的子方法的实施方式的实例的流程图。

图7是根据本发明的用于设置图6中示出的功能性描述的子处理的实施方式的实例的流程图。

图8是根据本发明的描述用于PPE的估计的图6和图7中描述的处理的功能流程图。

图9是根据本发明的用于执行图5中示出的NPPE-1校准的子方法的实施方式的实例的流程图。

图10是根据本发明的用于设置在图9中示出的功能性描述的子处理的实施方式的实例的流程图。

图11是根据本发明描述用于NPPE-1的估计的图6和图7中描述的处理的功能流程图。

图12是根据本发明的用于执行图5中示出的NPPE-2校准的子方法的实施方式的实例的流程图。

图13是根据本发明的用于设置图12中示出的功能性描述的子处理的实施方式的实例的流程图。

图14是根据本发明描述用于NPPE-2的估计的图12和图13中描述的处理的功能流程图。

图15是根据本发明的相位调整处理的实施方式的实例的曲线。

图16是以相位随范围频率样本变化的方式曲线拟合和绘制的8个阶梯的曲线。

图17A是作为相位(度)随范围频率样本变化的函数的最初输入相位误差的曲线。

图17B是示出1阶至5阶的PPE校准之后的剩余相位误差的曲线。

图17C是示出2阶至5阶的NPPE-1校准之后的剩余相位误差的曲线。

图17D是示出0阶和1阶的NPPE-2校准之后的剩余相位误差的曲线。

图18示出作为相位(度)随频率样本的范围变化的函数的总相位误差的两个曲线，其中第一曲线是实际的相位误差并且第二曲线是估计的相位误差。

图19是作为分贝随频率样本中的范围变化的函数的具有-40dB泰勒权重的脉冲响应的曲线。

具体实施方式

公开了一种用于校准由合成孔径雷达(“SAR”)利用的阶梯式线性调频信号的相位的雷达校准处理器(“RCP”)。RCP包括周期相位误差(“PPE”)校准器，与PPE校准器信号通信的第一非周期相位误差(“NPPE”)校准器，以及与第一NPPE校准器信号通信的第二NPPE校准器。

在操作的实例中，RCP执行以下方法，即，通过从使用利用多个阶梯式线性调频信号的SAR的扫描获取的雷达目标区域接收SAR图像数据并且校准阶梯式线性调频信号的相位来校准阶梯式线性调频信号的相位。相位的校准通过估计阶梯式线性调频信号中的相位误差来进行。RCP通过顺次首先利用PPE校准器校准SAR图像数据以去除SAR图像数据中的周期相位误差来执行该方法。然后RCP利用第一NPPE校准器校准PPE校准的SAR图像数据以便从PPE校准的SAR图像数据去除类型-1非周期相位误差以产生NPPE-1校准的SAR图像数据。然后RCP利用第二NPPE校准器校准NPPE-1校准的SAR图像数据以便从NPPE-1校准的SAR图像数据去除类型-2非周期相位误差以产生NPPE-2校准的SAR图像数据。然后RCP将NPPE-2校准的SAR图像数据传送至SAR的其他部件以便在产生SAR显示图像中使用。

图1A和图1B示出包括飞机或卫星的两种类型的平台的SAR系统的应用的典型实例。在图1A中，平台是示出为在大陆102上方飞行的飞机100。相似地，在图1B中，平台是示出为行星体106上方飞行的卫星104。

在图1A中，飞机100被示出为沿着飞行路径108的航线以恒定高度110飞行，最低点112在飞机100的正下方。在操作的实例中，位于飞机100上的SAR系统(未示出)以与沿着飞行路径108的飞行方向116成直角倾斜地辐射(即，发射)SAR雷达信号脉冲114。SAR雷达信号脉冲114从位于飞机100上的具有相对小的孔径尺寸与相应小的天线长度的SAR天线118(即，“实际”天线)发射。随着飞机100沿着飞行路径108移动，SAR合成具有比实际天线118的长度长很多的合成长度122的SAR合成天线120。

随着SAR雷达信号脉冲114达到大陆102，它们照射了大陆102的区域124(即，覆盖区)。照射区域124对应于实际天线118的主波束在其截取大陆102时在沿着轨迹方向(along-trackdirection)130和横向轨迹方向(across-trackdirection)132上的宽度126和128。在这个实施例中，沿着轨迹方向130平行于飞机100的飞行路径108的方向116并且其表示SAR系统的方位130尺寸。相似地，横向轨迹方向132垂直于飞机100的飞行路径108并且其表示SAR系统的范围134尺寸。本领域的普通技术人员应理解的是，在这个实例中，沿着横向轨迹方向132的主波束的宽度128比沿着方位130的宽度126更长，因为SAR雷达信号脉冲114的主波束以从飞机100的向下看的角度辐射。

随着飞机100沿着飞行路径108行进，照射区域124限定具有扫描带(swath)宽度138的扫描带136，该扫描带是已由实际天线118的主波束产生的照射区域124照射的沿着大陆102的表面的条带。在这个实例中，合成天线120的长度122与范围134成正比，随着范围134增加，合成天线120的长度122增加。

转至图1B，示出轨道卫星104中的SAR成像系统的实例。在这个实例中，卫星104被配置为捕获行星体106的SAR图像数据以生成行星体106的“带状地图”SAR图像。如图1B所示，轨道卫星104沿着航线144(即，飞行路径)从第一位置142向着第二位置146轨道运行。

在操作的实例中，轨道卫星104在第一位置142通过天线(未示出)生成脉冲148并且利用同一天线接收从脉冲148所得的返回信号150。脉冲148沿着表示轨道卫星104和行星体106之间的视线的范围152生成。对于垂直于范围152并且通常平行于轨道卫星104的航线144的方位(即，横向范围尺寸)，收集成像数据。在这个实例中，脉冲148可被配置为对围绕方位154的区域156进行成像。

随着轨道卫星104沿着航线144行进，其将生成另外的脉冲并获取另外的数据。在第二位置146处，例如，轨道卫星104可以生成将产生另外的返回信号162的另一脉冲160。以这种方式，轨道卫星104可以对大的区域进行成像，在该大的区域上方，轨道卫星104的航线144在行星体106上方延伸。如果轨道卫星104的航线144不平行于行星体106的赤道，则轨道卫星的航线144可以最终使得轨道卫星104在行星体106的整个表面上方飞行，使得轨道卫星104能够捕获行星体106的整个表面的图像数据。

在图2中，示出根据本发明的具有RCP202的SAR200的实施方式的实例的框图。SAR200可以包括波形生成器204、频率源206、发射器208、射频(“RF”)接收器210、循环器212、天线214、中频(“IF”)处理单元216、以及模数(“A/D”)模块218。在这个实例中，波形生成器204沿着信号路径220与发射器208信号通信。频率源206经由信号路径222与发射器208和RF接收器210信号通信并且循环器212分别经由信号路径224、226和228与发射器208、天线214和RF接收器210信号通信。RF接收器210分别经由信号路径230和232与IF处理单元216并可选地与发射器208信号通信。A/D模块218分别经由信号路径234和236与IF处理单元216和RCP202信号通信。

RCP202可以包括可选的天线增益校准器238、PPE校准器240、第一NPPE校准器242和第二NPPE校准器244。在这个实例中，可选的天线增益校准器分别经由信号路径236和246与A/D模块218和PPE校准器240信号通信。如果可选地，不存在天线增益校准器238，则PPE校准器240将经由信号路径236与A/D模块218信号通信。第一NPPE校准器242分别经由信号路径248和250与PPE校准器240和第二NPPE校准器244信号通信。第二NPPE校准器244同样可以经由信号路径252与SAR图像处理器(未示出)信号通信。

在实例中，波形生成器204是被配置为产生脉冲波形的设备，该脉冲波形经由信号路径220被传送至发射器208以用于发送。通常，波形生成器204利用脉冲压缩技术产生以线性频率调制的(“FM”)线性调频编码的用于传输的脉冲。FM线性调频的脉冲以脉冲重复频率(“PRF”)发射，该脉冲重复频率是每秒发射的脉冲的数量。扩展的持续时间的FM线性调频的波形脉冲降低了峰值发射器功率，而在没有降低平均功率传输。由波形生成器204产生的线性调频波形在带宽上依然过宽以至于不能提供SAR的足够的距离分辨率。因此，为了进一步改善SAR的距离分辨率，波形生成器204可以产生多个阶梯式线性调频波形信号254。在阶梯式线性调频操作中，每个宽的带宽线性调频波形可以被划分为多个子带线性调频波形，所述子带线性调频波形具有是宽的带宽线性调频波形的阶梯的子频带。这些子带线性调频波形(称为阶梯式线性调频波形)可以由发射器208发射。一旦反射的阶梯式线性调频信号由RF接收器210接收，它们就可以被组合以合成与最初的宽的带宽线性调频波形相似的宽的复合线性调频信号。然后可以利用这个宽的复合线性调频信号(本文中还称为“复合线性调频信号”)产生高分辨率SAR图像。

在图3中，发射的阶梯式线性调频波形302的曲线300被示出为频率(“f_Tx”)304随时间(“t”)306变化的函数。发射的阶梯式线性调频波形302如示出的具有瞬间带宽308和可调谐带宽310。另外，在这个实例中，发射的阶梯式线性调频波形302被示出为具有三个阶梯312、314和316，这三个阶梯分别具有以三个中心频率f_C1324、f_C2326和f_C3328为中心的三个相应的频率子带Δf₁318、Δf₂320和Δf₃322。三个中心频率f_C1324、f_C2326和f_C3328以恒定频率间隔分隔开(即，阶梯式)。恒定频率间隔不涉及完整的线性调频波形(即，完整发射的阶梯式线性调频波形302)的脉冲重复时间(“PRT”)，该恒定频率间隔是PRF的倒数。从图3，可以理解的是，发射的阶梯式线性调频波形302分别具有阶梯一312和阶梯二314的阶梯边界334和336之间的和阶梯二314和阶梯三316的阶梯边界338和340之间的两个不连续330和332。在这个实例中，三个阶梯312、314和316是具有宽的带宽Δf_wide342(起始于第一频率(“f_start”)344且终止于第二频率(“f_end”)346)的宽的阶梯式线性调频波形信号302的阶梯。f_start344还对应于阶梯一312的起始频率并且f_end346对应于阶梯三316的终止频率。本领域的普通技术人员应理解的是，这个实例中为了便于说明仅示出三个阶梯，但发射的阶梯式线性调频波形302可以包括大大超出仅三个阶梯的大量阶梯。

转回到图2，波形生成器204可以产生传送至发射器208的阶梯式线性调频信号254。发射器208可以是调制和放大阶梯式线性调频信号254以产生(经由信号路径224和226)通过循环器212发射至天线214并且辐射258至由SAR200扫描的目标区域(即，124或156)的调制的阶梯式线性调频信号256的标准SAR类型的发射器。发射器使用频率参考信号260调制阶梯式线性调频信号254。频率参考信号260由频率源206产生并且经由信号路径222传送至发射器208。频率源206可以是能够产生高保真的和稳定的频率参考信号260的标准的已知的SAR类型的频率源(诸如，本机振荡器或频率合成器)。

RF接收器210可以是能够(经由天线214、信号路径226、循环器212和信号路径228)接收返回调制阶梯式线性调频信号262并且进行返回调制阶梯式线性调频信号262的相干检测的标准类型的SAR前端接收器。RF接收器210可以通过直接解调至基带信号(即，在RF接收器210具有直接转换解调器(未示出)的情况下的阶梯式线性调频信号254的返回版本)或者将返回调制阶梯式线性调频信号262从RF信号降频转换成可以由SAR容易的处理的更低的IF频率(即，在RF接收器210是超外差接收器的情况下)来进行返回调制阶梯式线性调频信号262的相干检测。在超外差式RF接收器210的情况下，RF接收器可以包括RF放大器(未示出)、混频器(未示出)和频率滤波器(未示出)。RF放大器被配置为接收返回调制阶梯式线性调频信号262，利用足够的增益将其放大使得其可以由混合器合适地外差(即，混合)，并且将放大的返回调制阶梯式线性调频信号传送至混合器。然后混合器将放大的返回调制阶梯式线性调频信号与频率参考信号260混合以产生放大的返回调制阶梯式线性调频信号的更低和更高频率版本加上其他谐波。在这个实例中，频率滤波器(诸如，一个或多个带通滤波器)将阻挡更高的频率版本和谐波以产生IF返回调制阶梯式线性调频信号264，该信号将经由信号路径230被传送至IF处理单元216。

RF接收器210同样可以可选地经由旁路循环器212和天线214两者的信号路径232接收调制阶梯式线性调频信号256的测试信号266，在这个实例中，发射器208可以包括允许调制阶梯式线性调频信号256的测试信号266经由信号路径232而不是信号路径224传送的回送测试开关(loopbacktestswitch)(未示出)。

本领域普通技术人员应理解的是，返回调制阶梯式线性调频信号262仅是发射的258调制阶梯式线性调频信号256的由反向散射产生的反射信号(未示出)的一部分(即，一部分的回波)。因此，返回调制阶梯式线性调频信号262通常是包括(连同其他一起)多普勒、振幅和相位误差的调制阶梯式线性调频信号256的低功率回波版本。

在这个实例中，IF处理单元216可以是能够接收IF返回调制阶梯式线性调频信号264、放大并过滤IF返回调制阶梯式线性调频信号264使得检测器可以将IF脉冲转换成可以被利用以形成由SAR200扫描的目标区域的SAR图像的图像脉冲的部件、模块或设备。可选地，IF处理单元216可以与频率源206和/或波形生成器204信号通信以接收频率参考信号260和/或阶梯式线性调频信号254。IF处理单元216可以是处理器(未示出)、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)，或数字信号处理器(“DSP”)上运行的硬件设备、软件模块或两者。所得的处理的IF信号数据266被传送至A/D模块218。

A/D模块218接收IF信号数据266并且将其转换成表示IF信号数据266的视频相位历史(“VPH”)的数字数据268。所得的VPH数据268然后经由信号路径236被传送至RCP202。VPH数据268可以是接收的阶梯式线性调频信号的复合信号的数据。应理解的是，A/D模块218和IF处理单元216可以合并成单个设备、部件和/或模块。

在这个实例中，需要补偿频率相关的天线增益(frequencydependentantennagain)，因为天线增益随着频率以及位置(即，相对目标区域的角度)改变。应理解的是，可以利用已知的技术补偿频率相关的天线增益。

RCP202接收VPH数据268并估计周期和非周期相位误差并适当校准VPH数据268以产生可以经由信号路径252传送至其他SAR图像系统(未示出)的相位校正的VPH数据270。RCP202同样可以利用可选择的天线增益校准器238可选地补偿频率相关的天线增益。

VPH数据268包括指示范围和方位(即，横向范围)信息的时间、频率和相位信息。具体地，SAR利用时间和频率信息确定由SAR扫描的目标区域的范围值并且利用连续样本之间的相位差确定目标区域的方位值。

在确定VPH数据268的过程中，A/D模块218、IF处理单元216或两者还可以包括能够产生VPH数据268的硬件和/或软件模块。通常，VPH数据268是来自扫描的目标区域的目标数据的范围、方位和仰角的三维原始SAR数据。通常，该原始数据以极坐标格式收集(需要在进行图像处理之前转换为直角坐标格式)。如果原始数据被认为由具有仰角和方位角的范围矢量k_R描述，则其可以被转换为表示k_R范围矢量的直角坐标投影的k_x、k_y和k_z的直角格式(利用极坐标格式算法(“PFA”))。在这个实例中，k_x表示返回信号(即，范围)的脉冲的指数并且k_y表示返回信号的空间频率(即，每个脉冲返回中的范围样本)。

RCP202接收VPH数据268并且首先利用PPE校准器240进行PPE校准以产生传送至第一NPPE校准器242的PPE校准的数据272。第一NPPE校准器242(本文中还称为NPPE-1校准器)进行类型1非周期相位误差的NPPE校准(“NPPE-1”)并且产生传送至第二NPPE校准器244的NPPE-1校准数据274。第二NPPE校准器244(本文中还称为NPPE-2校准器)进行类型-2非周期相位误差的NPPE校准(“NPPE-2”)并且产生对应于相位校正的VPH数据270的NPPE-2校准数据。RCP202进行首先估计总共三个类型的相位误差(即，PPE、NPPE-1和NPPE-2)中相同(common，通用)的PPE并且然后估计在包含于VPH数据268的线性调频波形的阶梯之间的变化的NPPE-1和NPPE2的组合方法。由RCP202进行的方法是参数方法(parametricapproach)，该参数方法利用勒让德多项式设定误差模型并且然后确定产生最好图像质量的多项式模型的系数。通常，该方法基于当相位误差减少时图像质量被改善的事实。

在操作的实例中，PPE校准包括通过应用相同的误差校正至VPH数据268的所有阶梯来进行对VPH数据268中的所有阶梯所通用的误差模型的系数的搜索以确定从VPH数据268形成的图像的最好质量。

NPPE-1校准包括进行PPE校准数据272中的所有阶梯的另一误差模型的系数的搜索以确定由PPE校准数据272形成的最好质量图像。然后NPPE-1校准产生NPPE-1校准数据274。

NPPE-2校准采用NPPE-1校准数据274并搜索NPPE-1校准数据274中的所有阶梯的第三误差模型的系数以确定从NPPE-1校准数据274形成的最好质量图像。NPPE-2校准执行以下方法，所述方法包括设置应用于NPPE-1校准中的数据的一阶(orderone)的相位误差模型并且搜索从NPPE-1校准数据274的两个阶梯的连结数据产生最好图像质量的第0阶和第一阶(“0^th和1^st”)项的系数。当图像质量度量(“IQM”)值被优化时，NPPE-1校准数据274的两个阶梯的复合信号具有与第一阶梯相同的相位误差倾斜，而不会在两个阶梯的阶梯边界处存在相位不连续，因为这是来自包括将NPPE-1校准数据274的相位调整的第二阶梯连结至第一阶梯的复合信号的最好图像质量的条件。

下面，方法采用具有相位调整的(NPPE-1校准数据274)的第二阶梯的更新数据和对应于NPPE-1校准数据274的第三阶梯的新的数据值并且进行与首先对第一阶梯进行的更新原始第二阶梯相同的将第三阶梯的相位与更新的第二阶梯的相位对准的处理。然后这个处理被重复直至(NPPE-1校准数据274)的最后阶梯产生所有阶梯的全部连续的线性相位。一旦完成该处理，NPPE-2校准之后的复合信号的相位倾斜是第一阶梯的相位倾斜，所以来自相位误差校正之后的复合信号的图像可以由于第一阶梯中的相位误差的倾斜而偏移。因此，为了避免由于第一阶梯的陡削的线性相位而产生的可能大的图像偏移，使用NPPE-2校准的全部阶梯的相位调整项进行线性相位的全局调整。

相位误差模型和图像质量度量

勒让德多项式被广泛用于在区间-1≤x≤1上在不同的阶项之间针对信号的正交特性而分解信号。其可以如下递归生成。

P₀(x)＝1，P₁(x)＝x

$P_n\left(x\right)=\frac{(2n-1){\mathrm{xP}}_{n-1}\left(x\right)-(n-1)P_{n-2}\left(x\right)}{n}$ 对于n≥2.

使用这个方法，相位误差ΔΦ(k)可以使用N阶的勒让德多项式模拟，如

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}\left(x\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}{a}_n{P}_n\left(x\right)$ 对于-1≤x≤1.

通常，当不存在相位误差时图像质量最好。作为一个实例，低阶相位误差使得目标图像主瓣附近的点目标图像劣化并且随着相位误差的阶的增加，图像劣化通常向着更远的旁瓣区域移动。另外，周期相位误差生成图像中的成对回波。

通常，当图像看起来更清晰并且图像对比度更大时图像质量更好。另外，当图像变得更清晰并且图像对比度增加时图像的不确定性减小。

基于这些属性，在分析相位误差的VPH数据268中，信息熵可以用作IQM。熵是已在通信理论领域中使用的不确定性测量的已知度量。其定义如下

$M_E=-\underset{i,j}{\Σ}Y(i,j)\log Y(i,j)$ 其中 $Y(i,j)=\frac{{\left|z(i,j)\right|}^2}{{\Σ}_{i,j}{\left|z\left(i,j\right)\right|}^2}$ (等式#1)

对于位置(i，j)处的图像像素z(i，j)。IQM可以被最小化。可以利用的另一个IQM是如下定义的否定4-范数函数

$M_4=\frac{-1}{I,J}\underset{i}{\Σ}\underset{j}{\Σ}{\left|\frac{z(i,j)}{\tilde{z}\left(i\right)}\right|}^4$ 其中 $\tilde{z}\left(i\right)=\sqrt{\frac{1}{J}\underset{J}{\Σ}{\left|z\left(i,j\right)\right|}^2}$ (等式#2)

对于位置(i，j)处的图像像素z(i，j)。

这两个IQM函数可以用于搜索PPE校准、NPPE-1校准和NPPE-2校准中的上述相位误差模型的系数。相位误差模型是利用勒让德多项式并使用最优化函数以利用误差应用和图像形成的适当设置来最小化两个IQM中的一个而对相位误差模型进行建模的。Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(“BFGS”)算法可以用作最优化函数，因为其是用于解决无约束非线性优化问题的已知的迭代法。通常，项最优化包括找到给定可以包括各种不同类型的目标函数的定义域(或者一组限制)和不同类型的域的一些目标函数(即，在这种情况下是IQM)的“最可用”值。

在这个实例中，因为低阶相位误差通常在每个阶梯中占主导，所以由于相位误差而导致的劣化出现在VPH数据268的主瓣附近。因此，4-范数函数IQM将更好地进行，因为其将更大的权重放在具有更高的强度的VPH数据268中的图像像素上。

相位校准的输入数据

存在估计阶梯式线性调频信号中的相位误差可以考虑的两种类型的输入数据。第一种是通过旁路天线214和循环器212而内部生成的回送信号(即，测试信号266)。内部生成的回送信号是没有被天线214辐射和接收的具有很高的信噪比(“SNR”)的高保真信号。然而，因为天线214已经被旁路，所以其不包括由天线214产生的相位误差和/或波幅误差。RCP202可被配置为从测量的回送信号266产生周期和非周期相位误差分量的单独估计。

第二种输入数据是发射阶梯式线性调频脉冲(即，调制阶梯式线性调频信号256)的返回信号(即，返回调制阶梯式线性调频信号262)。如先前论述的，因为天线增益的波幅和相位随着频率以及位置(角度)而改变，所以需要天线增益的合适的补偿。补偿可以由可选的天线增益校准器238进行。在这个实例中，在补偿空间和光谱补偿变量天线增益之后对数据进行相位校准。

如先前论述的，因为收集的线性调频脉冲处于空间-频率域中的径向上以用于极坐标形式处理(即，具有仰角和方位角的范围矢量k_R)，所以阶梯边界是弯曲的。另外，对于图像形成，收集的数据需要被内插为直角坐标网(即，对于二维图像的k_x、k_y)上的数据样本。令人遗憾地，这导致当对来自增益补偿图像的方位压缩数据进行逆处理时范围频率中的阶梯边界不是成直线排列的。然而，因为阶梯边界的交叉通常不太大，所以阶梯-阶梯相位误差和波幅误差可以利用当前描述的校准方法从增益补偿数据(近似地)估计并且可以对相同的数据组进行该校正。

如果阶梯边界的弯曲不是可忽视地小的(在超高分辨率的大的SAR收集角和带宽的情况下)，则中间阵列点附近的收集脉冲的限制部分可以被用于以精确的阶梯边界估计相位误差和波幅误差。

相位误差的估计

如先前论述的，阶梯式线性调频信号的相位误差可以被分成周期和非周期的分量，该周期和非周期分量已分别被表示为PPE和NPPE。PPE是对于所有的阶梯是通用的可重复相位误差，主要因为IF信号路径中的硬件特性导致。IF信号路径是后混合信号路径，其中，混合器(未示出)是位于RF接收器210中的RF混合器。

在图4中，示出根据本发明的RF接收器400的实施方式的实例的框图。RF接收器400是图2中示出的RF接收器210的实施方式的实例并且因而分别经由信号路径228和230与循环器212和IF处理单元216信号通信。RF接收器400可以包括RF放大器402、RF混合器404和一个或多个带通滤波器406。在这个实例中，RF混合器404分别经由信号路径408和410与RF放大器402和带通滤波器两者信号通信。

在操作的实例中，如先前描述的，RF放大器402接收返回调制阶梯式线性调频信号262并且将其放大以产生传送至RF混合器404的放大返回调制阶梯式线性调频信号412。RF混合器404将放大返回调制阶梯式线性调频信号412与来自频率源206的频率参考信号260混合，以便产生放大返回调制阶梯式线性调频信号412的更低和更高频率版本414加上其他谐波。然后带通滤波器406接收混合信号414并且阻挡更高的频率版本和谐波以产生经由信号路径230传送至IF处理单元216的IF返回调制阶梯式线性调频信号264。

在这个实例中，IF信号路径将起始于信号路径414(即，RF混合器404后)并且将连续直至进入RCP202的信号路径236。除由IF信号路径中的通用硬件所引起的相位误差之外，还存在贡献了在RF信号路径(即，在RF混合器404之前包括从天线214的信号路径至RF放大器402之后的信号路径408)中出现但独立于RF带宽的PPE的通用相位误差。

此时，应注意的是，PPE校准的估计和校正可以可选地被绕过而直接到NPPE-1和NPPE-2两者中的NPPE校准。然而，尽管提供了通常可接受的结果，但这个方法不像包括全部三个校准阶段(即，PPE校准、NPPE-1校准和NPPE-2校准)的完整方法的方法那么好，因为仅校准非周期相位误差与分开处理周期相位误差(即，PPE)和非周期相位误差(即，NPPE-1和NPPE-2)的校准相比较通常趋向于表现出稍微更大的不准确性。此外，在没有通过PPE校正消除线性相位误差的情况下，NPPE-2处理之后所得的剩余全局线性相位趋向于更大并且这导致增加的图像偏移。另外，进行PPE和NPPE的单独的估计可以对理解并诊断通过RF信号路径和IF信号路径所产生的误差有用处。图5中描述了该处理。

在图5中，示出由RCP202执行的确定相位误差的方法的实施方式的实例的流程图500。流程图500示出该方法具有顺序执行的三个子方法。具体地，处理开始502，并且执行的第一子方法504是可选择的PPE校准过程504。然后处理继续至第二子方法506并且执行NPPE-1校准处理506。然后处理进行至第三子方法508并且执行NPPE-2校准处理508。然后处理结束510。如先前论述的，不需要执行可选的PPE校准504并且方法可以仅包括子方法506和508，然而，优选执行所有的三个子步骤504、506和508。

转至NPPE，NPPE是每个阶梯中唯一的相位误差。其主要由RF信号路径中的硬件所引起。因为PPE和NPPE在范围频率数据中混合，所以相位误差可以对于来自返回调制阶梯式线性调频信号262的实际收集数据的VPH数据268以连续方式在选择的VPH数据268的中央数据块中被估计和补偿。在这个实例中，范围频率是从空间域的范围转换的尺寸，转换通过采用匹配滤波器方法中的VPH数据268的逆傅里叶变换完成。为简单起见方位压缩数据可以利用在阶梯“m”中的范围频率指数(“k”)和通过省去方位指数而得的反向散射系数σ_i的两个相位分量表达。在这个实例中，m表示线性调频信号中的阶梯“M”的总数的指数。

在这个方法中，具有指数“i”的反向散射的第一相位项在具有直接与目标位置有关的倾斜“u_i”的k中是线性的并且第二相位项是由PPE和NPPE组成的总相位误差。因此，利用这些定义，具有相位噪声η的方位压缩数据可以表示为

$s_{k,m}=\underset{i}{\Σ}{\mathrm{\σ}}_i\exp \[j\left({\mathrm{\Φ}}_{i,m}^{BS}+{\mathrm{\Φ}}_m^{PE}+\mathrm{\η}\right)\]$

其中

${\mathrm{\Φ}}_{i,m}^{BS}=2\mathrm{\π}\frac{u_i\·k}{K}$ 并且

${\mathrm{\Φ}}_m^{PE}={\mathrm{\Φ}}_m^{PPE}+{\mathrm{\Φ}}_m^{NPPE}.$

PPE校准

PPE校准是第一阶段的校准。在PPE校准过程中，当来自误差模型计算的通用相位误差对于每个阶梯在范围频率域中被补偿时，PPE通过从复合信号中搜索导致形成的图像的最小IQM的通用相位误差模型的系数而被估计。相位误差模型的最优系数的搜索可以利用，例如，BFGS的高效多维最优化方法实现。

对于所有阶梯是通用的PPE使用从一阶开始至O_ppe阶的勒让德多项式表达如下

${\mathrm{\Φ}}_m^{PPE}={\mathrm{\Φ}}^{PPE}=\underset{i=1}{\overset{O_{ppe}}{\Σ}}{a}_i{P}_i\left(\tilde{k}\right).$

可以包括影响由复合信号形成的图像的质量的全部多项式项，如从一阶开始的这个表达式中所示的。在这个表达式中，“O_ppe”项是多项式的最大阶，其可以基于预期的相位误差曲线设置为合理的数——例如，O_ppe可具有等于5的值。在这个分析中，应注意的是，可以在复合信号中估计的相位误差的最大阶是O_ppe的约M倍，因为估计的周期相位误差在全部阶梯中是重复的。

对于勒让德多项式的正交性，指数k值的范围被限定为为了使用勒让德多项式将收集的数据排列至应用的相位值，由“k”表示的范围频率样本的传统指数通过以下表达式映射至

$\hat{k}=\frac{2}{K-1}\·(k-\frac{K-1}{2})$ 对于k＝0，1，...，K-1。

在这个表达式中，K表示映射至的范围频率样本的总数，使得k等于0并且K-1分别映射至和1，因为勒让德多项式在这个范围中是正交的。从这些表达式，应注意的是，当PPE没有被完全补偿时出现成对回波，因为其是周期性的。因此，有必要使用对双回波的强度变化敏感的IQM。对于这个示例性方法，M_E(由等式#1描述的)和M₄(由等式#2描述的)两者均是可接收的，具有可比较的性能。在快速傅里叶变换(“FFT”)之前使用诸如Han(也被称为Hanning)或Taylor窗口(即，使用窗口函数)可以产生良好的结果。

如先前论述的，在图6中描述由RCP执行的确定相位误差的方法的第一子方法(图5中的PPE校准504)。在图6中，示出根据本发明的执行PPE校准504的子方法的实施方式的实例的流程图。处理通过在步骤602中对VPH数据进行M个频率阶梯的方位压缩开始600。然后在步骤604中，设置(即，限定)最优化的功能性描述并且建立误差模型。该步骤可以包括图7中将描述的多个步骤。在步骤606中，然后处理勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM。然后，在步骤608中，处理使用误差模型的最优系数计算估计的PPE并且通过将估计的PPE应用至方位压缩输入数据来补偿PPE。处理然后进行至在步骤610中的NPPE-1校准的第二子方法。子方法504中PPE处理之后的相位补偿数据被用作步骤610的NPPE-1校准中的NPPE-1处理的输入。

在图7中，示出根据本发明的用于设置步骤604的功能性描述的子处理的实施方式的实例的流程图。处理接收来自步骤602的方位压缩数据并且，在步骤700中，利用长度等于线性调频信号的一个阶梯中的样本数量的勒让德多项式确定相位计算的从一阶开始的O_ppe阶的Φ^PPE的表达式。在步骤702中，处理然后将相同的校正相位应用至范围频率中的所有阶梯的方位压缩数据。在步骤704中，处理然后在将窗口权重应用至范围压缩的范围频率中的连结的数据之后应用FFT。然后处理确定(在决定步骤706中)是否已处理了所有的图像方位像素(通常被称为“方位位(azimuthbin)”)，如果没有，则处理重复步骤702和704直至所有的方位位已被处理。如果所有的图像方位像素已被处理，则在步骤708中然后处理从处理的二维图像确定IQM，其中，IQM可以是M_E(由等式#1描述的)或M₄(由等式#2描述的)。然后信息被传送至搜索勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM的步骤606。

转至图8，示出功能流程图800，其进一步描述了根据本发明的估计PPE的图6和图7中示出的流程图先前描述的处理。在这个实例中，方位压缩数据{s_k,m}802乘以804所有m的PPE公差校正值(“C^PPE”)并且被连结至复合数据s_k＝{s_k,mC^PPE}808。最初，C^PPE806的值等于1。将窗口权重应用于频率范围中的复合信号的连结数据并且应用FFT(在功能块810中)。然后在功能块812中处理从处理的二维图像确定IQM，其中，IQM可以是M_E(由等式#1描述的)或M₄(由等式#2描述的)。如果最小IQM没有达到(在决定模块814中)，则处理搜索(在功能模块816中)勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM。具体地，处理搜索系数(“Δa_i”)的差值并且通过将差值应用至先前的系数，即，a_i＝a_i+Δa_i来更新系数(“a_i”)。在功能块818中，利用更新的系数确定每个以下先前描述的表达式的PPE相位误差

${\mathrm{\Φ}}^{PPE}=\underset{i=1}{\overset{O_{ppe}}{\Σ}}{a}_i{P}_i\left(\tilde{k}\right).$

然后C^PPE通过关系C^PPE＝exp(jΦ^PPE)更新并且新的C^PPE806乘以804(multipliedagainst)方位压缩数据{s_k,m}802并且功能流程重复直至达到最小IQM(在决定模块814中)，然后处理产生最优化的系数值{a_i}820。

NPPE校准

NPPE校准是第二阶段和第三阶段的校准。NPPE的估计被分成两个阶段，因为它们影响图像的方法是不同的由此需要在两个分开的阶段中被估计。

1.NPPE-1校准

NPPE-1校准是影响每个阶梯中的图像的IQM的二阶和更高阶误差的NPPE处理的第一部分。因为第0阶和第1阶的相位误差不会劣化线性调频信号内的每个阶梯中的图像质量，所以它们不用通过优化每个阶梯中的图像的IQM来估计。这样，它们将在下一个阶段中，即，NPPE-2处理阶段中被处理。

与PPE的模型相似，NPPE-1利用的相位误差模型由以下等式表达

${\mathrm{\Φ}}_m^{NPPE-1}=\underset{i=2}{\overset{O_{nppe}}{\Σ}}{a}_i{P}_i\left(\tilde{k}\right).$

相位误差线性调频信号中的阶梯之间变化如在以上表达式中由下标m指示并且勒让德多项式的最低阶等于2。另外，O_nppe是多项式的最大阶，该最大阶可以基于预期的相位误差曲线被设置为合理的数。在这个实例中，O_nppe可以被设置为等于5的值。如果线性调频信号的每个阶梯中的相位误差的阶通常不高，则M₄IQM显示出比M_EIQM稍微更好的结果。

如先前论述的，在图9中描述由RCP执行的确定相位误差的方法中的第二子方法(图5中的NPPE-1校准506)。在图9中，示出根据本发明的执行NPPE-1校准506的子方法的实施方式的实例的流程图。处理通过接收PPE处理(如图6中描述的)之后的M个频率阶梯的PPE校正数据开始610。在这个实例中，PPE校正数据的维度是方位位和范围频率。在步骤900中设置最优化的功能性描述并建立误差模型。该步骤900可以包括图10中将描述的多个子步骤。在步骤902中，然后处理搜索勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM。然后在步骤904中，处理使用误差模型的最优系数计算估计的NPPE并且通过将估计的NPPE应用至已PPE校正的方位压缩输入数据(即，PPE校正数据)来补偿二阶至O_nppe阶的NPPE。对于线性调频信号中所有频率阶梯(包括阶梯1至阶梯M)重复步骤900和904之间的处理。一旦所有M个阶梯已被处理，决定步骤906(确定循环值等于M+1)就将NPPE-1校正数据传送至校准NPPE-2相位误差的下一个子方法508。

在图10中，示出根据本发明的用于设置步骤900的功能性描述的子处理的实施方式的实例的流程图。处理接收从步骤610的PPE处理之后的M个频率阶梯的PPE校正数据并且，在步骤1000中，利用长度等于线性调频信号的阶梯中的样本数量的勒让德多项式确定相位计算的从二阶开始的O_ppe阶的的表达式。在步骤1002中，处理然后将校正相位应用至范围频率中的阶梯的方位压缩数据。在步骤1004中，处理然后在将窗口权重应用至范围压缩的频率范围中的连结的数据之后应用FFT。处理然后确定(步骤1006中的判定)是否所有方位位已被处理，如果不是，则处理重复步骤1002和1004直至所有的方位位已被处理。一旦所有方位位已被处理，然后处理就在步骤1008中从处理的二维图像确定IQM，其中IQM可以是M₄(由等式#2描述的)。然后信息被传送至步骤902，其搜索勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM。

转至图11，示出功能流程图1100，进一步描述了根据本发明的估计NPPE-1的图9和图10中示出的流程图先前描述的处理。在这个实例中，方位压缩数据{s_k,m}1102乘以804NPPE-1误差校正值1106并且连结至复合数据1108。最初，1106的值等于1。在功能块1110中，将窗口权重应用于频率范围中的复合信号的连结数据并且应用FFT。然后在功能块1112中处理从处理的二维图像确定IQM，其中，IQM可以是M₄(由等式#2描述的)。如果最小IQM没有达到(在决定模块1114中)，则处理搜索(在功能块1116中)勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM。具体地，处理搜索系数(“Δa_i,m”)的差值并且通过将差值应用至先前的系数，即，a_i,m＝a_i,m+Δa_i,m来更新系数(“a_i,m”)。在功能块1118中，利用更新的系数根据以下先前描述的表达式确定NPPE-1相位误差

${\mathrm{\Φ}}_m^{NPPE-1}=\underset{i=2}{\overset{O_{nppe}}{\Σ}}{a}_{i,m}{P}_i\left(\tilde{k}\right).$

然后通过关系 $C_m^{NPPE-1}=\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_m^{NPPE-1}\right)$ 更新并且新的1106乘以1104方位压缩数据{s_k,m}1102并且功能流程重复直至达到最小IQM(在决定模块1114中)，然后处理产生最优化的系数值{a_i,m}1120。

2.NPPE-2校准

尽管恒定和线性相位误差不会影响每个阶梯内的图像质量，但它们的确使得复合信号中阶梯边界处的相位不连续并且因此如果它们在范围压缩之前不被估计和校正，则图像质量会劣化。因为恒定和线性相位误差不会影响图像质量，所以它们不能通过观察每个阶梯中的IQM的改变来估计。估计恒定和线性相位误差的方法基于从两个连续频率阶梯的复合信号形成的图像的IQM。将恒定和线性相位应用至来自配对的第二阶梯的复合信号的第二半导致由具有修改的第二半的复合信号形成的图像的质量改变。原则上，当第二段的相位以相同的相位倾斜与第一个的相位对齐并且在来自两个阶梯的数据的边界线处没有相位跳变时，获得最好图像质量。

在NPPE-1校准中校正高于一阶的非周期相位误差之后，NPPE-2校准处理通过采用来自头两个步骤(PPE校准和NPPE-1校准)的数据开始。然后处理设置具有长度等于第二阶梯中的样本数量的恒定和线性相位项的相位表达式。然后相位应用于来自第二阶梯的数据，从两个阶梯生成复合信号，并且利用合适窗口函数进行傅里叶变换以产生图像。然后处理搜索导致形成的图像的最小IQM的恒定和一阶相位项的最优系数。该参数搜索的处理是如同PPE处理和NPPE-1处理中的多维最优化问题，并且因此可以通过BFBS实现。下面，处理通过将相位(使用最优系数计算的)应用至来自第二阶梯的原始数据来更新连结数据的第二半。然后在其余阶梯的连续阶梯的配对中重复该处理。更具体地，处理采用具有修改相位的更新的第二阶梯数据以及新的第三阶梯数据，进行最优化处理并且然后如与第一阶梯的先前配对中对第二阶梯所做的来更新第三阶梯数据。重复该处理直至配对达到最后阶梯完成。应当注意的是，第一阶梯数据的相位(假设PPE和NPPE-1的处理之后近似线性的)被用作参考以使得所有其它阶梯的相位与其对齐。

为了更好地示出该处理，在图12中描述了由RCP执行的确定相位误差的方法中的第三子方法(图5中的NPPE-2校准508)。在图12中，示出根据本发明的进行NPPE-2校准508的子方法的实施方式的实例的流程图。处理908通过接收在校正二阶至O_nppe阶的NPPE-1之后来自NPPE-1处理的输出数据开始。该二维数据具有空间方位角和范围频率的维度。在步骤1200中设置最优化的功能性描述并建立误差模型。该步骤1200可以包括图13中将描述的多个子步骤。在步骤1202中，然后处理搜索零阶和一阶的勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM。然后，在步骤1204中，处理通过BFGS使用最优化的误差模型多项式的最优系数计算第0阶和第1阶估计的NPPE-2。重复步骤1200和1204之间的处理以补偿除两个连续阶梯的连结数据的第一部分之外的所有阶梯(即，全部M)的第0阶和第1阶相位误差。一旦所有M个阶梯已被处理(除两个连续阶梯的连结数据的第一部分之外)，则决定步骤1206(确定循环值等于M+1)产生所得的NPPE-2校正数据。

在图13中，示出根据本发明的用于设置步骤1200的功能性描述的子过程的实施方式的实例的流程图。处理接收在步骤908的NPPE-1处理之后的M个频率阶梯的NPPE-1校正数据，并且，在步骤1300中，采用来自前两个频率阶梯的两个数据段。然后，在步骤1302中，利用长度等于第二阶梯中的范围频率样本数量的零阶和一阶的勒让德多项式确定相位计算的的表达式。在步骤1304中，然后处理将校正相位应用在第二阶梯的方位压缩数据的范围频率中。在步骤1306中，然后处理将窗口权重应用至使用第二阶梯的相位调整数据的两个阶梯的连结数据并且对范围压缩进行FFT。然后处理确定是否所有方位位已被处理，在决定步骤1308中，如果没有，则处理重复步骤1302、130和1306直至所有方位位已被处理。如果所有的方位位已被处理，则在步骤1310中然后处理从处理的二维图像确定IQM，其中，IQM可以是M_E(由等式#1描述的)或M₄(由等式#2描述的)。然后信息被传送至步骤1202，该步骤搜索零阶和一阶的勒让德多项式的最优系数以便利用BFGS方法确定误差模型中的最小IQM。

转至图14，示出功能流程图1400，进一步描述了根据本发明的估计NPPE-2的图12和图13中示出的流程图先前描述的处理。功能流程示出通过用配对两个阶梯而进行的NPPE-2处理。

在这个实例中，方位压缩数据s_k,m+11402乘以1404NPPE-2误差校正值1406(具有m＝1的开始指数值)并且被连结至复合数据s_k1408中。最初，的值等于1。在功能块1410中，将窗口权重应用于频率范围中的复合信号的连结数据并应用FFT。然后在功能块1412中，处理从处理的二维图像确定IQM，其中，IQM可以是M_E(由等式#1描述的)或M₄(由等式#2描述的)。如果最小IQM没有达到(在决定模块1414中)，则处理搜索(在功能块1416中)勒让德多项式的最优系数以便确定利用BFGS方法的误差模型中的最小IQM。具体地，处理搜索系数的差值(“Δa_i,m+1”)并且通过将差值应用至先前的系数，即，a_i,m+1＝a_i,m+1+Δa_i,m+1来更新系数(“a_i,m+1”)。在功能块1418中，利用更新的系数根据以下表达式确定NPPE-2相位误差

${\mathrm{\Φ}}_{m+1}^{NPPE-2}=a_{0.m+1}{P}_0\left(\hat{k}\right)+a_{1+m+1}{P}_1\left(\hat{k}\right)$

然后通过关系 $C_{m+1}^{NPPE-2}=\exp \left({\mathrm{j\Φ}}_{m+1}^{NPPE-2}\right)$ 更新并且新的1406乘以1404方位压缩数据s_k,m+11402并且功能流程重复直至达到最小IQM(在决定模块1414中)，然后处理产生最优化的系数值(a_0,m+1,a_1,m+1)1420。

应注意，在这个实例中，复合信号1408是两阶梯的复合信号并且

$s_k=\left\{\begin{array}{cc}{\hat{s}}_{k,m}& \\ s_{k,m+1}& C_{m+1}^{NPPE-2}\end{array}\right\},$

其中

${\hat{s}}_{k,m}=s_{k,m}\exp \left(j\underset{i=0}{\overset{1}{\Σ}}{a}_{i,m}{P}_i\left(\hat{k}\right)\right).$

一旦在决定模块1414中达到最小IQM值，则被更新并被传送至两阶梯的复合功能块1408以产生更新的复合数据。

NPPE-2校准处理的最后部分调整所有阶梯的恒定和线性相位以便将它们与第一阶段对齐。具体地，除第一阶梯之外，所述阶梯的输入数据的相位被调整为与第一阶梯的相位对齐。这样，在所有相位误差补偿之后的最后数据在数据上具有从第一阶梯延伸至最后阶梯的线性相位。在图15中，示出根据本发明的相位调整处理的实施方式的实例的曲线1500。曲线1500示出以相位1502随范围空间频率1504变化的方式绘制的M个示例性阶梯。四个示例性阶梯(1506、1508、1510和1512)被示出为在不同的相位值处。另外，还示出三个阶梯对(1514、1516和1518)。在这个实例中，第一阶梯对1514在阶梯一1506和阶梯二1508之间。第二阶梯对1516在阶梯二1508和阶梯三1510之间。第三阶梯对1518在阶梯三1510和阶梯四(未示出)之间。阶梯对的数量将包括所有阶梯对直到阶梯M-1和阶梯M1512。在这个实例中，阶梯二1508、阶梯三1510、直至阶梯M1512被示出为最初在对应于NPPE-1校准之后但在NPPE-2校准之前的相位值的相位的组1520中。一旦数据由NPPE-2校准处理，在相位的新组1522中的所有阶梯(1506、1508、1510和1512)的相位在一条线上。

应当注意的是，如果第一阶梯的剩余相位误差在NPPE-1功能之后具有陡削的线性相位，则存在由第一阶梯的大的相位倾斜所引起的不希望有的图像偏移。避免这个不希望有的图像偏移的方法是在所述阶梯使用平均相位调整。为了这样做，处理可以表示通过利用阶梯m的a0和a1的NPPE-2处理获得的第0阶和第1阶勒让德多项式的最优化系数。然后应用于阶梯m中的数据的相位由以下等式计算

对于-1≤k≤1且2≤m≤M。

然后，处理将从阶梯一至阶梯M的这些最优线性相位调整连结为 ${\mathrm{\Φ}}^{NPPE-2}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Φ}}_1^{NPPE-2}& {\mathrm{\Φ}}_2^{NPPE-2}& \mathrm{...}& {\mathrm{\Φ}}_M^{NPPE-2}\end{array}\right],$ 其中 ${\mathrm{\Φ}}_1^{NPPE-2}=0.$ 下面，处理利用第1阶多项式进行曲线拟合以消除NPPE-2处理之后的范围频率样本中的全局线性相位。使用该处理，具有8个阶梯的曲线拟合实例在图16的曲线1600中示出，全局线性相位使用曲线拟合系数a₀和a₁由表示。曲线1600示出以相位1604随范围频率样本1606变化的方式绘制的所有8个阶梯。

作为一个实例，为了帮助示出三个处理阶段的功能，具有任意生成的包括五阶的PPE和NPPE的相位误差的测试信号可以应用于一维数据以利用相位误差校准的每个阶段之后的中间结果示出示出目前描述的方法的性能。结果在图17A至图17D中示出。

图17A将最初输入相位误差的曲线1700示出为相位1702(度)随范围频率样本1704变化的函数。图17B至图17D分别示出校准处理PPE、NPPE-1和NPPE-2之后的剩余相位误差。所有三个曲线将剩余相位误差示出为相位1702(度)随范围频率样本1704变化的函数。因此，在图17B中，示出一阶至五阶的PPE校准之后的剩余相位误差的曲线1706。在图17C中，示出二阶至五阶的NPPE-1校准之后的剩余相位误差的曲线1708。最后，在图17D中，示出0阶和一阶的NPPE-2校准之后的剩余相位误差的曲线1710。如在图17D中示出的，剩余线性相位1710是在NPPE-2校准之后的结果并且这个剩余线性相位1710可以引起图像偏移。

基于NPPE-2处理期间线性拟合从所有阶梯估计的相位变化的当前描述的处理调整复合数据的线性相位产生实际值和估计值之间的线性相位分量的非常小的差异，如图18所示。在图18中，总相位误差的两个曲线1800和1802被示出为相位1804随频率样本中的范围1806变化的函数，其中，第一曲线1800是实际的相位误差并且第二曲线1802是估计的相位误差。从图18，可以理解的是，在两个曲线1800和1802之间存在高度一致。因此，利用公开的方法允许精确估计阶梯之间的相位跳变以及高阶相位误差。

总的估计的相位误差是通过三个阶段的校准的估计的总和并且全局线性相位调整在以下等式中表达

其中

这些调整被应用于每个方位位的相位历史数据的范围频率样本。

利用公开的方法允许改善信号的脉冲响应。作为一个实例，在图19中，具有-40dB泰勒权重的脉冲响应的曲线1900被示出为分贝1902随频率样本1904中的范围变化的函数。

将理解本发明的各个方面或细节可以在没有背离本发明的范围的情况下被改变。公开的精确形式不是所有的并且不限制要求保护的发明。此外，上文的描述仅为了说明，而不是为了限制。可以按照以上描述进行变形和变化或者变形和变化可以从实践本发明中获得。权利要求和它们的等同物限定本发明的范围。

Claims (17)

1.一种用于校准由合成孔径雷达利用的阶梯式线性调频信号的相位的方法，所述方法包括：

估计第一非周期相位误差；以及

在已估计所述第一非周期相位误差之后对第二非周期相位误差校准进行估计。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，估计周期相位误差并且其中所述周期相位误差是在估计所述第一非周期相位误差之前估计的。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中，估计所述周期相位误差包括

从所述合成孔径雷达接收视频相位历史数据，以及

响应接收到所述视频相位历史数据从所述视频相位历史数据产生周期相位误差校准数据，并且

其中，所述视频相位历史数据包括阶梯式线性调频波形和范围频率内的多个阶梯。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，估计所述周期相位误差进一步包括

对所述视频相位历史数据进行方位压缩以产生方位压缩输入数据，

将所述方位压缩输入数据连结至连结数据中，

限定用于所述方位压缩输入数据的最优化的功能性描述，

基于所述功能性描述建立误差模型，

搜索一个或多个勒让德多项式的最优系数以确定所述误差模型的最小图像质量度量，

使用所述误差模型的所述最优系数确定估计的周期相位误差，以及

将所述估计的周期相位误差应用至所述方位压缩输入数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，限定最优化的功能性描述包括

(a)利用长度等于所述阶梯式线性调频波形的所述多个阶梯的一个阶梯中的样本数量的勒让德多项式确定相位计算的从一阶开始的O_ppe阶的周期相位误差的表达式，其中，所述样本数量包括第一样本和最后样本，

(b)将所述周期相位误差的相位校正应用至所述范围频率中的所有所述阶梯的所述方位压缩输入数据，

(c)将窗口权重应用至范围频率中的所述连结数据，

(d)对范围压缩的所述连结数据应用快速傅里叶变换，

(e)从所述第一样本至所述最后样本重复所述步骤(b)至所述步骤(d)以产生处理的二维图像，以及

(f)从所述处理的二维图像确定所述图像质量度量。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，估计所述第一非周期相位误差包括

接收具有M个频率阶梯的所述周期相位误差校准数据，以及

响应接收到所述周期相位误差校准数据产生已进行类型-1非周期相位误差的校准的第一非周期相位误差校准数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，估计所述第一非周期相位误差进一步包括

(a)限定最优化的功能性描述并建立第一非周期相位误差的误差模型，

(b)搜索勒让德多项式的最优系数以利用BFGS算法确定所述第一非周期相位误差的所述误差模型中的最小图像质量度量，

(c)使用所述第一非周期相位误差的所述误差模型的所述最优系数确定估计的第一非周期相位误差，

(d)将所述估计的非周期相位误差应用至所述方位压缩输入数据，其中，对二阶至所述O_nppe阶补偿所述第一非周期相位误差，以及

(e)重复步骤(a)至步骤(d)直至所有M个频率阶梯已被处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，限定最优化的功能性描述包括

(a)利用长度等于所述阶梯式线性调频波形的所述多个阶梯的一个阶梯中的样本数量的勒让德多项式确定相位计算的从二阶开始的O_ppe阶的第一非周期相位误差的表达式，其中，所述样本数量包括第一样本和最后的样本，

(b)将相位校正应用至范围频率中的阶梯的方位压缩数据，

(c)将窗口权重应用至频率范围中的连结数据，

(d)对范围压缩的所述连结数据应用快速傅里叶变换(“FFT”)，

(e)从所述第一样本至所述最后样本重复所述步骤(b)至所述步骤(d)以产生处理的二维图像，以及

(f)从所述处理的二维图像确定所述图像质量度量。

9.根据权利要求3所述的方法，其中，估计所述第二非周期相位误差包括

接收所述第一非周期相位误差校准数据，以及

响应接收到所述第一非周期相位误差校准数据产生已进行类型-2非周期相位误差的校准的第二非周期相位误差校准数据。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，估计所述第二非周期相位误差进一步包括

(a)限定最优化的功能性描述并建立第二非周期相位误差的误差模型，

(b)搜索零阶和一阶的勒让德多项式的最优系数以利用BFGS算法确定所述第二非周期相位误差的所述误差模型中的最小图像质量度量，

(c)使用所述第二非周期相位误差的所述误差模型的所述最优系数确定0阶和一阶估计的非周期相位误差，

(d)重复步骤(a)至(c)直至所有M个频率阶梯已被处理。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，限定最优化的功能性描述包括

(a)采用来自所述M个频率阶梯的第一频率阶梯和第二频率阶梯的两个数据段，

(b)利用长度等于所述第二阶梯中的范围频率样本数量的零阶和一阶的勒让德多项式确定相位校正的所述第二非周期相位误差的表达式，

(c)将相位校正应用在所述第二阶梯的方位压缩数据的所述范围频率中，

(d)使用所述第二阶梯的相位可调数据将窗口权重应用至所述第一阶梯和所述第二阶梯的连结数据，

(e)对范围压缩的所述连结数据应用快速傅里叶变换，

(f)从所述第一样本至所述最后样本重复所述步骤(b)至所述步骤(e)以产生处理的二维图像，以及

(g)从所述处理的二维图像确定所述图像质量度量。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括，调整所有所述M个频率阶梯的恒定和线性相位以便将它们与所述第一阶梯对齐。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括，在估计所述周期相位误差之前校准天线增益。

14.一种用于校准由合成孔径雷达利用的阶梯式线性调频信号的相位的雷达校准处理器，所述雷达校准处理器包括：

用于估计周期相位误差的装置；

用于在估计所述周期相位误差之后估计第一非周期相位误差的装置；以及

用于在估计所述第一非周期相位误差之后估计第二非周期相位误差的装置，

其中，用于估计第一非周期相位误差的装置与用于估计周期相位误差的装置和用于估计第二非周期相位误差的装置信号通信。

15.一种用于校准由合成孔径雷达利用的阶梯式线性调频信号的相位的雷达校准处理器，所述雷达校准处理器包括：

第一非周期相位误差校准器；以及

第二非周期相位误差校准器，

其中，所述第一非周期相位误差校准器与所述第二非周期相位误差校准器信号通信。

16.根据权利要求15所述的雷达校准处理器，进一步包括，周期相位误差校准器，其中，所述周期相位误差校准器与所述第一非周期相位误差校准器信号通信。

17.根据权利要求16所述的雷达校准处理器，

其中，所述周期相位误差校准器被配置为从所述合成孔径雷达接收视频相位历史数据，并且响应于此从所述视频相位历史数据产生周期相位误差校准数据，并且

其中，所述视频相位历史数据包括阶梯式线性调频波形和范围频率内的多个阶梯。