CN110261833B - 高分辨星载sar成像误差估计与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法，针对扰动对流层延迟误差。技术方案是：首先，对得到的高分辨星载SAR图像进行方位向解压缩处理得到方位向解压缩数据；进行去斜处理，得到去斜后的方位向解压缩数据；沿距离向划分成子带，再沿方位向划分成子块；利用MDA算法估计每个子块中扰动对流层延迟误差引入的方位向调频斜率误差，然后，估计扰动对流层延迟误差：最后，利用扰动对流层延迟误差，对方位向解压缩数据做扰动对流层延迟误差补偿处理；然后，对上述结果做方位向重聚焦处理，得到精确聚焦的高分辨星载SAR图像。本发明在高分辨星载SAR图像质量提升、随机误差估计与补偿中有广泛的应用前景。

Description

高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法

技术领域

本发明属于航天与微波遥感结合的交叉技术领域，特别涉及高分辨星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像中扰动对流层延迟误差的估计与补偿方法。

背景技术

星载SAR系统是一种主动式雷达探测成像系统，可全天候、全天时的对地面目标进行观测成像，被广泛应用于陆地测绘、海洋测绘、自然灾害检测、农业观测、全球碳、水循环观测、军事侦察等方面，为遥感领域的重要传感器之一^[1]。

然而，随着高分辨星载SAR系统的提出与发展，成像过程中对流层传播所引入的扰动延迟误差影响越来越突出。上述扰动对流层延迟误差通常是指由于对流层中空气、水汽的密度随时间与空间的不规则变化，所引入的电磁波传播时延的变化^[2]。扰动对流层延迟误差的影响主要有：一方面，高分辨星载SAR系统具有大的合成孔径，扰动对流层延迟误差沿方位向的分布变化及观测角度的变化会导致方位向匹配滤波器的失配；另一方面，在高分辨星载SAR系统的测绘带内，扰动对流层延迟误差沿距离向的分布变化会导致回波数据相位的距离向空变。基于以上因素，扰动对流层延迟误差通常视为二维误差，会导致高分辨星载SAR系统的成像结果存在沿距离向和方位向不同程度的散焦，从而影响高分辨星载SAR图像的可读性及后续应用。

为解决高分辨星载SAR图像的散焦问题，相关学者已经提出了多种误差估计与补偿方法。MDA(Map Drift Algorithm)算法^[3]与PGA(Phase Gradient Algorithm)算法^[4]可用于估计与补偿由于运动误差、时钟误差等引入的一维方位向相位误差，PGA算法适用于人造场景，而MDA算法同时适用于人造和自然场景，但估计精度低于PGA算法；PCA(phasecurvature autofocus)算法^[5]可用于估计与补偿方位向相位误差及随距离向缓慢变化的残余误差。而扰动对流层延迟误差具有沿方位-距离二维快变特性，上述方法都不具有估计与补偿扰动对流层延迟误差的能力。因此，有必要针对高分辨星载SAR系统，研究二维空变误差相位的估计与补偿处理方法。

发明内容

本发明的目的是：提出一种高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法，针对扰动对流层延迟误差，解决引入的空变散焦问题。与现有方法相比，本发明能够有效地实现二维空变相位误差的估计与补偿。

本发明的技术方案是：一种高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法，针对扰动对流层延迟误差，其特征在于：

首先，对得到的高分辨星载SAR图像进行方位向解压缩处理得到方位向解压缩数据；再进行去斜处理，得到去斜后的方位向解压缩数据；再沿距离向划分成子带，沿方位向划分成子块；利用MDA算法估计每个子块中扰动对流层延迟误差引入的方位向调频斜率误差。

然后，利用下述方法估计扰动对流层延迟误差：

针对同一子带下的各子块，根据子块位置与估计所得方位向调频斜率误差，做方位向拼接处理，得到扰动对流层延迟误差随各子块中心对应的方位向时间变化的二阶导数；对上述二阶导数做方位向插值处理，得到插值后二阶导数；对插值后二阶导数做方位向积分处理，得到一维扰动对流层延迟误差的估计结果；

针对各子带，根据子带位置与估计所得一维扰动对流层延迟误差，做距离向拼接处理，得到随子带中心对应斜距与方位向时间变化的二维扰动对流层延迟误差；对二维扰动对流层延迟误差做距离向插值处理，得到插值后二维扰动对流层延迟误差。

最后，利用插值后二维扰动对流层延迟误差，对方位向解压缩数据做扰动对流层延迟误差补偿处理；然后，对上述结果做方位向重聚焦处理，得到精确聚焦的高分辨星载SAR图像。

采用本发明可取得以下技术效果：

本发明通过对去斜后的方位向解压缩数据进行分块处理，以及在方位向和距离向分别进行处理，可以有效估计扰动对流层延迟误差在两个方向上的变化趋势；本发明在对高分辨星载SAR图像做方位向解压缩-相位补偿-方位向重聚焦处理时，通过采用随距离向变化的参数进行方位向解压缩和方位向重聚焦，解决了扰动对流层延迟误差二维空变的补偿问题。仿真实验结果表明本发明能够降低扰动对流层延迟误差的影响，有效地提高高分辨星载SAR系统的成像质量。本发明在高分辨星载SAR图像质量提升、随机误差估计与补偿中有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法的处理示意与流程图；

图2是仿真中设定的高分辨星载SAR系统参数；

图3是仿真中的扰动对流层延迟误差相位，本发明方法估计相位以及二者的干涉相位；

图4是仿真中的高分辨星载SAR图像对应的光学图像，扰动对流层延迟误差影响下的粗聚焦SAR图像以及误差补偿后的精确聚焦SAR图像；

图5是本发明所述方法具体实施方式使用在仿真试验中的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

图1是本发明提供的高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法处理示意与流程图，整个流程分为六步。对得到的高分辨星载SAR图像，第一步：方位向解压缩与去斜处理；第二步：划分子带与子块；第三步：子块MDA处理；第四步：方位向处理；第五步：距离向处理；第六步：误差相位补偿与方位向重聚焦处理。最终得到扰动对流层延迟误差补偿后的精确聚焦SAR图像，图5也示出上述步骤。详细描述如下：

已知高分辨星载SAR系统的参数是：信号波长λ，带宽Br，距离向采样率fs，合成孔径时间Ta，地面等效速度Vr，脉冲重复频率PRF，方位向带宽Ba，斜视角θsq，扰动对流层延迟均方误差δ。

其特征在于，对得到的高分辨星载SAR图像数据进行以下步骤：

第一步：方位向解压缩与去斜处理

首先，针对高分辨星载SAR图像数据，做方位向解压缩处理^[6]，得到方位向解压缩数据s_adc(r,η)，r表示斜距变量，η表示方位向时间变量；

然后，利用下式进行去斜处理：

其中，s_dadc(r,η)表示去斜处理后的方位向解压缩数据，exp{}表示自然指数函数，

表示虚数单位，π表示圆周率，K_a(r)表示随斜距r变化的方位向调频斜率。在本发明中，采取变化的方位向调频斜率K_a(r)可以减小去斜处理后的方位向解压缩数据的相位误差，使得最终估计结果更加精确。

第二步：划分子带与子块

首先，针对去斜处理后的方位向解压缩数据s_dadc(r,η)，确定距离向子带划分的步长Δr和子带宽度W_r，沿距离向划分子带，得到各子带距离向位置序列：

其中，r_s[i]表示第i个子带中心对应的斜距，r₀表示最短斜距，M_r表示总的子带个数，子带宽度W_r由图像大小而定，通常取10¹～10²量级；步长Δr由距离向估计相位精度与估计效率而定。

然后，确定方位向子块划分的步长Δa和子块宽度W_a，针对每一条子带，沿方位向划分子块，得到各子块方位向位置序列：

其中，η_s[j]表示第j个子块中心对应的方位向时间，η₀表示方位向起始时刻，M_a表示每个子带中子块的个数，子块宽度W_a由高分辨星载SAR系统合成孔径大小而定，通常取合成孔径的10^-1～10^-2倍；步长Δa由方位向估计相位精度与估计效率而定。

经过划分处理，设得到子块数据为：

b[i,j],0≤i＜M_r,0≤j＜M_a，

其中，b[i,j]表示第i个子带中的第j个子块数据。如图1中的①所示，纵向表示方位向，横向表示距离向。图1中的①中标识了三个子带做为示意，如图中的虚线矩形框所示，而实际情况下三个子带之间存在多个子带，且相邻子带间有重叠区域。同样的，图1中的②中标识了三个子块做为示意，如图中的虚线矩形框所示，而实际情况下三个子块之间存在多个子块，且相邻子块间有重叠区域。

第三步：子块MDA处理

利用已有的MDA方法，估计每个子块中扰动对流层延迟误差引入的方位向调频斜率误差：

φ″[i,j]＝E_MDA{b[i,j]}，

其中，φ″[i,j]表示估计所得的第i个子带第j个子块的方位向调频斜率误差，E_MDA{}表示MDA估计方法。子块MDA处理示意如图1中的③所示。

第四步：方位向处理

针对每一条子带重复如下处理步骤：

针对第i条子带，根据各子块中心对应的方位向时间η_s[j]与估计所得方位向调频斜率误差φ″[i,j]，做方位向拼接处理，构造扰动对流层延迟误差随各子块中心对应的方位向时间变化的二阶偏导数

即如下式所述：

其次，针对

做方位向插值处理，得到随方位向时间_η变化的二阶偏导数

即如下式所述：

其中，Interp{}表示插值处理。[i,η)表示二阶偏导数沿距离向i是离散的，沿方位向_η是连续的，以下涉及相同表述具有相似的意义；

最后，针对

做方位向积分处理，得到第i条子带中一维扰动对流层延迟误差相位

其中，Ω表示_η的取值范围，方位向处理示意与流程如图1中的④⑤⑥所示，图1中的④表示方位向拼接处理得到的随各子块中心对应的方位向时间变化的二阶偏导数

图1中的⑤表示方位向插值处理得到的随方位向时间_η变化的二阶偏导数

图1中的⑥表示方位向积分处理得到的第i条子带中一维扰动对流层延迟误差相位

第五步：距离向处理

首先，针对各子带，根据子带中心对应斜距r_s[i]与估计所得一维扰动对流层延迟误差相位

做距离向拼接处理，得到随子带中心对应斜距r_s[i]与方位向时间_η变化的二维扰动对流层延迟误差，即如下式所述：

其次，针对

做距离向插值处理，得到随斜距r与方位向时间_η变化的二维扰动对流层延迟误差

即如下式所述：

距离向处理示意与流程如图1中的⑦⑧所示，图1中的⑦表示由图1中的⑥做距离向拼接处理得到的二维扰动对流层延迟误差

图1中的⑧表示距离向插值处理得到的二维扰动对流层延迟误差

第六步：误差相位补偿与方位向重聚焦处理

首先，针对方位向解压缩数据s_adc(r,η)，利用二维扰动对流层延迟误差

做误差相位补偿处理，得到误差相位补偿后的方位向解压缩数据

然后，针对

做方位向重聚焦处理^[6]，得到精确聚焦的SAR图像数据

图2～图5是利用本发明具体实施方式进行仿真实验的处理结果。

图2为仿真中设定的高分辨星载SAR系统参数。包括波长、信号带宽、信号采样率、合成孔径时间、地面等效速度、脉冲重复频率、方位向带宽、斜视角、对流层延迟均方误差等。依据分辨率计算公式得到斜距向和方位向的分辨率标称值分别为0.5米和0.165米。从分辨率标称值可以看出仿真中设定的是高分辨星载SAR系统。

利用本发明对图2所示参数下的TerraSAR高分辨图像添加扰动对流层延迟影响，然后进行估计与补偿处理。

图3是仿真处理中涉及的相位信息。图3(a)是引入的扰动对流层延迟误差原始相位，图3(b)是利用本发明处理得到的估计相位；图3(c)是原始相位与估计相位的干涉结果，即图3(a)与图3(b)的干涉结果。其中，横坐标表示距离向点数，纵坐标表示方位向点数。从图中可以看出，估计相位能够很好地重现原始相位的二维变化趋势，二者的干涉相位变化幅度明显变小，在0rad附近上下浮动。说明本发明具有准确估计二维扰动对流层延迟误差的能力。

图4是仿真处理中涉及的图像信息。图4(a)是仿真中采用的TerraSAR图像对应的光学图像，位于深圳市宝安区；图4(b)是扰动对流层影响下的粗聚焦高分辨星载SAR图像，图4(c)是补偿处理后的精确聚焦高分辨星载SAR图像；从图中可以看出，受扰动对流层影响，高分辨星载SAR图像在不同距离、方位位置处出现了不同程度的散焦；而通过本发明方法，高分辨星载SAR图像散焦得到明显抑制，图像质量得到显著提升。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

[1]A.Moreira,P.Prats-Iraola,M.Younis,et al.A Tutorial on SyntheticAperture Radar[J].IEEE Geosci.Remote Sens.Mag.,2013,March,6-43.

[2]R.Hanssen.Radar Interferometry:Data Interpretation and ErrorAnalysis[M].Dordrecht:The Netherlands:Kluwer,2001.

[3]J.C.Curlander,C.Wu,and A.Pang.Automated preprocessing ofspaceborne SAR data[C].In International Geoscience and Remote SensingSymposium IGARSS 1982,1982,FA–1/3.11–6.

[4]P.H.Eichel,D.C.Ghiglia,and C.V.Jakowatz.Speckle processing methodfor synthetic aperutre radar phase correction[J].Optics.Lett.,1989,14(1):1-3.

[5]K.A.C.Macedo,R.Scheiber,and A.Moreira.An autofocus approach forresidual motion errors with application to airborne repeat-pass SARinterferometry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(10):3151–3161.

[6]I.G.Cumming,F.H.Wong,Digital processing of synthetic apertureradar:algorithms and implementation.London:Artech House,2005.

Claims (2)

1.一种高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法，针对扰动对流层延迟误差，SAR是指合成孔径雷达，其特征在于：

首先，对得到的高分辨星载SAR图像进行方位向解压缩处理得到方位向解压缩数据；再进行去斜处理，得到去斜后的方位向解压缩数据；再沿距离向划分成子带，沿方位向划分成子块；利用MDA算法估计每个子块中扰动对流层延迟误差引入的方位向调频斜率误差；

然后，利用下述方法估计二维扰动对流层延迟误差：

针对同一子带下的各子块，根据子块位置与估计所得方位向调频斜率误差，做方位向拼接处理，得到扰动对流层延迟误差随各子块中心对应的方位向时间变化的二阶导数；对上述二阶导数做方位向插值处理，得到插值后二阶导数；对插值后二阶导数做方位向积分处理，得到一维扰动对流层延迟误差的估计结果；

针对各子带，根据子带位置与估计所得一维扰动对流层延迟误差，做距离向拼接处理，得到随子带中心对应斜距与方位向时间变化的二维扰动对流层延迟误差；对二维扰动对流层延迟误差做距离向插值处理，得到插值后二维扰动对流层延迟误差；

最后，利用插值后二维扰动对流层延迟误差，对方位向解压缩数据做扰动对流层延迟误差补偿处理；然后，对上述结果做方位向重聚焦处理，得到高分辨星载SAR图像。

2.根据权利要求1所述的高分辨星载SAR成像误差估计与补偿方法，其特征在于，利用下式进行去斜处理：

其中，s_adc(r,η)表示方位向解压缩数据，r表示斜距变量，η表示方位向时间变量，s_dadc(r,η)表示去斜处理后的方位向解压缩数据，exp{}表示自然指数函数，

表示虚数单位，π表示圆周率，K_a(r)表示随斜距r变化的方位向调频斜率。

Images