CN111007505A - 一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法及系统，包括步骤1：获得合成孔径雷达各通道的原始回波后，进行单通道SAR成像处理，获得各通道的SAR图像；步骤2：零陷SAR图像生成；步骤3：构造通道相位偏差优化函数并求解；步骤4：通道相位偏差校正。本发明解决了由通道相位偏差存在而导致图像质量下降的问题，在距离向通道相位偏差估计方面，无有效的相位偏差估计方法，利用天线方向图零限估计通道相位偏差，能够有效估计通道相位偏差。

Description

一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法及系统，属于合成孔径雷达信号处理领域，具体涉及多通道合成孔径雷达通道误差校正领域。
背景技术
距离向多通道系统将接收天线布置于距离方向，在同一脉冲重复时间间隔内通过接收地面不同距离的若干波束合成距离向宽测绘带。距离向多通道系统有若干实现方式，典型的实现方式是接收端扫描接收，其优点是通过多个通道接收同一区域的地面反射回波，多通道数字波束形成后，能够提高合成孔径雷达图像的信噪比。但是采用数字波束形成技术处理生成合成孔径雷达图像时，要求各通道之间的幅度和相位等特性一致。
较多学者针对方位多通道系统，提出了若干通道相位偏差校正方法，距离向通道相位偏差估计方法研究较少，需要开展深入研究。因此，本领域存在一种对于能够估计距离向通道相位偏差方法的上述缺陷的需要。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法及系统，能够克服传统通道误差估计方法的不足，满足距离向多通道成像方面的要求。
本发明的技术解决方案是：
一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，步骤如下：
步骤1：获得合成孔径雷达各通道的原始回波后，进行单通道SAR成像处理，获得各通道的SAR图像；
步骤2：零陷SAR图像生成；
步骤3：构造通道相位偏差优化函数并求解；
步骤4：通道相位偏差校正。
进一步的，所述步骤(1)进行单通道SAR成像处理通过距离-多普勒成像方法或线性调频成像方法实现。
进一步的，各通道接收的数据形成的零陷SAR图像输出为FΔ(t,θc)：
Figure BDA0002266092700000021
式中，t表示方位向时间，距离向等间隔布置M个接收通道，相邻通道间距为Δd，m表示第m通道，目标T到天线方向与天线法线方向的夹角为θc，λ表示雷达波长，I表示单位矩阵，α1与α2分别为上下半阵的导向矩阵；
Figure BDA0002266092700000022
距离多通道各通道接收信号记为矩阵形式，具体表示为
s＝[s1,s2,…sM]T；
Γ为通道相位偏差矩阵，其定义为
Figure BDA0002266092700000023
Figure BDA0002266092700000024
是通道间相位偏差。
进一步的，上半阵的导向矢量为
Figure BDA0002266092700000025
下半阵的导向矢量为
Figure BDA0002266092700000031
其中，[·]T表示矩阵转置。
进一步的，所述步骤(3)通道相位偏差优化函数具体为：
Figure BDA0002266092700000032
其中，
Figure BDA0002266092700000033
为通道间相位偏差，具体表示为
Figure BDA0002266092700000034
t表示方位向时间，距离向等间隔布置M个接收通道，相邻通道间距为Δd，m表示第m通道，目标T到天线方向与天线法线方向的夹角为θc，λ表示雷达波长。
进一步的，求解通道相位偏差时，通道相位偏差优化函数的目的是获取一组
Figure BDA0002266092700000035
能够使相位偏差优化函数取得最小值，通过迭代的最小化过程进行求解。
进一步的，所述步骤4通道偏差校正具体为：根据步骤3中估计的各通道的通道相位偏差对各通道进行相位补偿，然后利用各回波数据进行距离向宽测绘带成像。
进一步的，本发明还提出一种相位偏差估计系统，包括：
单通道SAR成像模块：获得合成孔径雷达各通道的原始回波后，进行单通道SAR成像处理，获得各通道的SAR图像；
零陷SAR图像生成模块：生成零陷SAR图像；
优化函数求解模块：构造通道相位偏差优化函数并求解；
偏差校正模块：通道相位偏差校正。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提出一种新的距离向通道相位偏差估计方法，解决由通道相位偏差存在而导致图像质量下降的问题
(2)在距离向通道相位偏差估计方面，无有效的相位偏差估计方法，利用天线方向图零限估计通道相位偏差，能够有效估计通道相位偏差。
附图说明
图1为差波束系统形成示意图；
图2是距离向多通道对地观测示意图；
图3是基于零陷估计的距离通道相位偏差校正方法示意图；
图4是车载系统天线示意图。
图5为车载SAR系统成像处理结果示意图，
其中(a)为单通道SAR图像，(b)为差波束SAR图像；(c)为校正前SAR图像，(d)为校正后SAR图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
为了实现上述目的，本发明提供了一种距离多通道通道间相位偏差估计方法，通过单通道SAR成像、零陷SAR生成、通道相位偏差优化函数构造与求解、通道间相位偏差补偿，实现距离多通道相位偏差校正。
如图3所示，本发明提供了一种距离多通道通道间相位偏差校正方法，该方法可以包括：
步骤1：单通道SAR成像；
获得合成孔径雷达各通道的原始回波后，首先进行单通道SAR成像处理。在雷达信号处理中形成了若干处理方法，都可用于单通道SAR成像。其中常用的高效、精确的方位为距离-多普勒成像方法和线性调频成像方法，这两种方法均可用于本步骤的成像处理。经过单通道成像处理后，获得各通道的SAR图像。
步骤2：零陷SAR图像生成；
利用差波束技术可以在目标方向形成零陷，本申请介绍采用半阵的方式实现差波束，即上下或者左右半阵形成的天线方向图相减得到差波束。假设M个阵元等间隔布置形成均匀线阵，阵元之间的距离为Δd，假设目标方向为θ，则上半阵的导向矢量为
Figure BDA0002266092700000051
其中，[·]T表示矩阵转置，下半阵的导向矢量为
Figure BDA0002266092700000052
假设阵列的权矢量为
W＝[w1,w2,…,wM]T (3)
上半阵的信号输出为
Figure BDA0002266092700000053
相同地，下半阵的信号输出为
Figure BDA0002266092700000054
如图1所示，阵列的差波束方向图由上下半阵的天线方向图作差形成，则差波束输出为
FΔ(θ)＝s1(θ)-s2(θ) (6)
为了使差波束在θ0方向形成零陷，令W＝α(θ0)，则阵列差波束方向图输出为
FΔ(θ0)＝WHPα(θ) (7)
其中，
Figure BDA0002266092700000055
Figure BDA0002266092700000056
将式(3)、(8)和式(9)代入式(7)，得到阵列的差波束天线方向图为
Figure BDA0002266092700000061
该波束将在θ0方向形成零陷，在SAR天线设计中主要用于高精度测角。本申请将根据零陷估计通道相位偏差。
星载距离向多通道SAR系统对地观测示意图如图2所示，图中，距离向等间隔布置M个接收通道，相邻通道间距为Δd，目标T到天线方向与天线法线方向的夹角为θc，天线阵面与水平方向的夹角为α，参考通道的天线高度为Hs，测绘带宽为Wg，参考通道与通道i距离目标点的斜距分别为R与Ri。
将距离多通道各通道接收信号记为矩阵形式，具体表示为
s＝[s1,s2,…sM]T (11)
由图2可以看出，目标的波达方向与斜距的几何关系如下式
Figure BDA0002266092700000062
在不同的距离门处，即不同的斜距距离处，可以利用差波束形成指定零陷位置，由各通道接收的数据形成的零陷输出为
Figure BDA0002266092700000063
式中，t表示方位向时间，λ表示雷达波长，I表示单位矩阵，α1与α2分别为上下半阵的导向矩阵；
Figure BDA0002266092700000064
距离多通道各通道接收信号记为矩阵形式，具体表示为
s＝[s1,s2,…sM]T；
Γ为通道相位偏差矩阵，其定义为
Figure BDA0002266092700000071
Figure BDA0002266092700000072
是通道间相位偏差。
上半阵的导向矢量为
Figure BDA0002266092700000073
下半阵的导向矢量为
Figure BDA0002266092700000074
其中，[·]T表示矩阵转置。
步骤3：通道相位偏差优化函数构造与求解；
由于通道间相位偏差的存在，导致DBF后输出的零陷位置与指定方向出现偏差，DBF后SAR图像强度在该位置与无相位偏差时会增大，因此，通过优化指定位置处零陷最深可以估计通道间相位偏差
Figure BDA0002266092700000075
Figure BDA0002266092700000076
为通道间相位偏差，具体表示为
Figure BDA0002266092700000077
上式的目的是获取一组
Figure BDA0002266092700000078
能够使上式取得最小值，由于上式无闭式解，上式可以通过迭代的最小化过程进行求解。
步骤4：通道相位偏差校正；
根据步骤3中估计的各通道的通道相位偏差对各通道进行相位补偿，然后利用各回波数据进行距离向宽测绘带成像。
本发明的效果可通过以下实验进一步说明：
采用西安电子科技大学开发的车载系统对本节算法进行验证，该系统参数如下表1：
表1车载多通道SAR系统参数
Figure BDA0002266092700000081
车载系统如图4所示，采用2014年3月26日在陕西西安地区录取的实测数据进行本算法验证。距离向多通道系统由天线1、3、5、7沿距离向等间隔布置构成，由通道1发射线性调频信号，所有通道接收由观测场景返回的回波信号，经运动补偿和等效相位中心成像处理后，各通道之间相距0.22m，通道1成像之后的SAR图像如图5(a)所示，按照提出的算法优化得到的各通道之间的相位偏差如表2所示，优化后的差波束图像如图5(b)所示，由图可以看出在指定位置(场景中心对应的距离线)处出现差波束零陷，在该位置处的SAR图像的能量最小。
表2各通道之间的相位偏差
Figure BDA0002266092700000091
利用表2中的通道相位偏差对各通道进行相位补偿处理后，对四个通道接收的数据作DBF处理后得到的SAR图像如图5(d)所示，未经通道相位偏差补偿处理得到的DBF后的SAR图像如图5(c)所示，对比图5(c)与图5(d)可以看出，图5(d)的SNR相比较图5(c)有所提升，而相比于单通道SAR图像(图5(a))，信噪比提升较大，为了定性说明性能提升，统计图5(a)(c)(d)的信噪比分别如表3所示。
单通道与DBF后SAR图像信噪比
Figure BDA0002266092700000092
上表中，进行通道误差校正处理后，DBF合成的SAR图像的信噪比相比于未经通道误差校正的图像提升约4dB，相对于单通道的提升约5dB。因此，本专利提出的相位偏差估计算法能够对距离向通道相位偏差进行准确估计。
根据本申请提供的技术方案，针对距离向多通道SAR系统相位偏差估计问题，本申请介绍了一种基于差波束的距离向相位偏差估计方法。该方法利用距离向接收通道形成差波束天线方向图，通过优化使指定零陷处能量最低以获得通道之间的相位偏差，能够有效估计并校正距离向通道相位偏差，为距离向多通道成像提供技术支撑，显著提高多通道SAR技术的应用效果。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获得合成孔径雷达各通道的原始回波后，进行单通道SAR成像处理，获得各通道的SAR图像；
步骤2：零陷SAR图像生成；
步骤3：构造通道相位偏差优化函数并求解；
步骤4：通道相位偏差校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，其特征在于：所述步骤(1)进行单通道SAR成像处理通过距离-多普勒成像方法或线性调频成像方法实现。
3.根据权利要求1所述的一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，其特征在于：各通道接收的数据形成的零陷SAR图像输出为FΔ(t,θc)：
Figure FDA0002266092690000011
式中，t表示方位向时间，距离向等间隔布置M个接收通道，相邻通道间距为Δd，m表示第m通道，目标T到天线方向与天线法线方向的夹角为θc，λ表示雷达波长，I表示单位矩阵，α1与α2分别为上下半阵的导向矩阵；
Figure FDA0002266092690000012
距离多通道各通道接收信号记为矩阵形式，具体表示为
s＝[s1,s2,…sM]T；
Γ为通道相位偏差矩阵，其定义为
Figure FDA0002266092690000021
Figure FDA0002266092690000022
是通道间相位偏差。
4.根据权利要求3所述的一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，其特征在于：上半阵的导向矢量为
Figure FDA0002266092690000023
下半阵的导向矢量为
Figure FDA0002266092690000024
其中，[·]T表示矩阵转置。
5.根据权利要求1所述的一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，其特征在于：
所述步骤(3)通道相位偏差优化函数具体为：
Figure FDA0002266092690000025
其中，
Figure FDA0002266092690000026
为通道间相位偏差，具体表示为
Figure FDA0002266092690000027
t表示方位向时间，距离向等间隔布置M个接收通道，相邻通道间距为Δd，m表示第m通道，目标T到天线方向与天线法线方向的夹角为θc，λ表示雷达波长。
6.根据权利要求5所述的一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，其特征在于：求解通道相位偏差时，通道相位偏差优化函数的目的是获取一组
Figure FDA0002266092690000028
能够使相位偏差优化函数取得最小值，通过迭代的最小化过程进行求解。
7.根据权利要求1所述的一种基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法，其特征在于：所述步骤4通道偏差校正具体为：根据步骤3中估计的各通道的通道相位偏差对各通道进行相位补偿，然后利用各回波数据进行距离向宽测绘带成像。
8.一种根据权利要求1所述的基于零陷估计的距离通道相位偏差估计方法实现的相位偏差估计系统，其特征在于包括：
单通道SAR成像模块：获得合成孔径雷达各通道的原始回波后，进行单通道SAR成像处理，获得各通道的SAR图像；
零陷SAR图像生成模块：生成零陷SAR图像；
优化函数求解模块：构造通道相位偏差优化函数并求解；
偏差校正模块：通道相位偏差校正。
9.根据权利要求8所述的相位偏差估计系统，其特征在于：各通道接收的数据形成的零陷SAR图像输出为FΔ(t,θc)：
Figure FDA0002266092690000031
式中，t表示方位向时间，距离向等间隔布置M个接收通道，相邻通道间距为Δd，m表示第m通道，目标T到天线方向与天线法线方向的夹角为θc，λ表示雷达波长，I表示单位矩阵，α1与α2分别为上下半阵的导向矩阵；
Figure FDA0002266092690000032
距离多通道各通道接收信号记为矩阵形式，具体表示为
s＝[s1,s2,…sM]T；
Γ为通道相位偏差矩阵，其定义为
Figure FDA0002266092690000041
Figure FDA0002266092690000042
是通道间相位偏差。
10.根据权利要求8所述的相位偏差估计系统，其特征在于：通道相位偏差优化函数具体为：
Figure FDA0002266092690000043
其中，
Figure FDA0002266092690000044
为通道间相位偏差，具体表示为
Figure FDA0002266092690000045
t表示方位向时间，距离向等间隔布置M个接收通道，相邻通道间距为Δd，m表示第m通道，目标T到天线方向与天线法线方向的夹角为θc，λ表示雷达波长。
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