CN111208515B - 一种基于二维非线性映射的sar运动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，包括步骤：接收飞机姿态信息、瞬时速度信息和天线角度信息；对飞机姿态信息、天线角度信息和瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程；对SAR成像系统接收的回波信号依次进行下变频、距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号；根据斜距历程对距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号；对一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号；对基于二维非线性映射插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。该补偿方法解决了现有技术中运动补偿效果不佳的问题。

Description

一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法。

背景技术

SAR作为一种主动式对地观测系统，极大地提高了获取地面信息的能力，并已广泛用于国防领域。近年来，随着飞行器技术的快速发展，无人飞行器(UAV)常被用于遥感检测。由于机载SAR系统具有远距离、高分辨率、成像范围广等优点，通常与光电、红外设备配合使用，通过融合，极大地丰富了图像信息；特别是对于探测和识别地面移动目标，机载SAR系统一直扮演着非常重要的角色。

与星载SAR系统不同，载机在飞行过程中会受到气流的影响，导致速度和姿态发生变化，从而引起运动误差；特别是对于无人机等小型载机，在低空低速飞行时，气流引起的运动误差较大，会对成像产生较大影响。一方面，姿态变化引起的运动误差会影响天线的波束指向，斜视角度的变化会引起回波频率中心在方位角上的偏移，情况严重时，频谱也会发生折叠。另一方面，由速度变化引起的运动误差会引起轨道波动，可改变斜距历程，带来新的非线性相位误差并导致图像散焦；特别是对于机载高分辨率SAR系统，累积的运动误差将随着合成孔径长度的增加而增加。因此，需要一种有效而准确的运动补偿方法来获得可以满足实际要求的效果。

传统的运动补偿方法有两种：一种是通过参数估计方法从回波中获取由运动误差引起的非线性相位误差，这些参数包括相位梯度自动聚焦(PGA)、多普勒中心估计和多普勒调频，在没有高精度惯性导航系统(INS)的SAR系统中，这些参数有重要作用。但是为了提高估计的准确性，算法中采用了一些复杂的流程，例如迭代，运算量也增加了，不适合实时SAR系统；另一个方法是基于来自惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)的运动参数，这些参数提供了瞬时运动参数，用以构造成像几何形状并估算运动误差。

例如申请公布号为CN106291548A，名称为“基于惯导信息和回波数据的Ka调频连续波SAR运动补偿方法”，公开了基于惯导信息和回波数据的SAR运动补偿方法，包括：步骤一、根据惯导数据计算误差补偿函数，结合该误差补偿函数进行成像处理，得到初步聚焦图像；步骤二、基于所述聚焦图像的自聚焦处理，得到残余的距离向和高度向偏差；步骤三、结合残余的距离向和高度向偏差对误差补偿函数进行更新；步骤四、结合更新后的误差补偿函数进行成像处理，得到聚焦图像。但当SAR平台垂直航向法平面时，此时航向补偿效果不理想。此外，使用该方法将斜距历程展开，得到相对应的调频阶数，但是此时高阶调频存在近似，并且各阶方位维与俯仰维存在耦合，导致运动补偿效果变差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，包括步骤：

S1、在一个脉冲周期内M个采样点下，接收惯性测量单元输出的飞机姿态信息和东北天坐标系下的瞬时速度信息，并接收雷达状态信息系统输出的天线角度信息；

S2、结合运动方程，对所述飞机姿态信息、所述天线角度信息和所述瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程；

S3、对SAR成像系统接收的回波信号进行下变频，得到SAR成像系统接收的基带回波信号；

S4、对所述基带回波信号进行距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号；

S5、根据所述斜距历程，对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号；

S6、对所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号；

S7、对所述基于二维非线性映射关系插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。

在本发明的一个实施例中，步骤S2包括：

S21、在所述东北天坐标系下，对所述瞬时速度信息中东向瞬时速度、北向瞬时速度、天向瞬时速度分别进行拟合，并与所述运动方程进行结合，分别得到初始东向瞬时速度、初始北向瞬时速度、初始天向瞬时速度及各阶次的东向瞬时加速度、各阶次的北向瞬时加速度、各阶次的天向瞬时加速度；

S22、对所述初始东向瞬时速度、所述各阶次的东向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的东向坐标；

对所述初始北向瞬时速度、所述各阶次的北向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的北向坐标；

对所述初始天向瞬时速度、所述各阶次的天向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的天向坐标；

根据所述东向坐标、所述北向坐标和所述天向坐标得到载机的实际路径；

S23、根据所述飞机姿态信息和所述天线角度信息计算天线波束的斜视角；

S24、根据所述天线波束的斜视角计算载机到参考点的斜距矢量；

S25、根据所述载机到参考点的斜距矢量和所述载机的实际路径计算得到所述载机到参考点的斜距历程。

在本发明的一个实施例中，步骤S23包括：

S231、根据所述天线角度信息得到机载SAR平台照射波束的单位方向矢量ω；

S232、在非理想情况下，根据所述单位方向矢量ω随所述飞机姿态信息的变化计算得到新的波束单位方向矢量ω′：

ω′＝Tω

其中，T为分别绕x、y、z轴旋转的三个Givens矩阵的乘积；

S233、由所述新的波束单位方向矢量ω′计算得到所述天线波束的斜视角θ_r：

θ_r＝asin(ω′)

其中，a表示拟合后的加速度。

在本发明的一个实施例中，步骤S4包括：

S41、对所述基带回波信号进行傅里叶变换，得到变换后的距离频率域回波信号：

S42、通过距离脉压函数对所述变换后的距离频率域回波信号进行距离脉压，得到所述距离脉压后的距离频率域回波信号。

在本发明的一个实施例中，步骤S5包括：

S51、根据所述斜距历程构建一致相位补偿函数H₂(f_τ,η)：

其中，f_τ表示距离频率，f₀表示载频，c表示光速，|r_ref(η)|表示斜距历程；

S52、利用所述一致相位补偿函数H₂(f_τ,η)对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行相位补偿，得到所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号。

在本发明的一个实施例中，步骤S6包括：

S61、构建二维非线性映射关系g_τ、g_η：

其中，f_τ表示距离频率，f₀表示载频，c表示光速，ζ₀(η)、ζ₁(η)分别表示与慢时间η有关的系数g_τ、g_η；

S62、利用所述二维非线性映射关系，将所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号变为所述基于所述二维非线性映射关系g_τ、g_η插值空间的信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过对非理想情况下机载SAR成像系统实时惯导系统和雷达系统输出的瞬时数据进行预处理，获取后续运动补偿所需要的参数；通过这些参数可以表示载机瞬时速度、加速度、斜视角和斜距矢量等信息；后续通过对回波信号进行一致相位补偿，再利用二维非线性变换和四点sinc插值对一致相位补偿后的回波信号进行二维插值，弥补现有技术在非理想情况下机载SAR成像系统运动补偿精度低、目标成像聚焦差的缺陷，从而能够解决现有技术中存在的对于非理想情况下机载SAR运动补偿精度较低的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种仿真实验采用的地面场景布点图；

图3为本发明实施例提供的一种对地面场景中不同的点目标的成像结果等高线仿真图；

图4为本发明实施例提供的另一种对地面场景中不同的点目标的成像结果等高线仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本实施例的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，用以解决现有技术中存在的运动补偿效果不佳、精度过低而导致的非理想情况下，机载SAR成像聚焦精度差的问题。具体地，本实施例提出了一种SAR运动目标补偿算法，该算法通过二维非线性映射完成在不理想的机载SAR系统环境下成像，可以有效补偿运动误差引起的非线性相位误差。该方法在ENU坐标系中构建了机载SAR成像几何；通过分析运动误差引起的相位误差，简化了模型，并介绍了基于IMU数据的预处理方法；提出了一种通过斜距历程重新展开的算法，该算法与传统算法相比，可提高对目标聚焦质量。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法的流程示意图，该方法包括步骤：

S1、在一个脉冲周期内M个采样点下，接收惯性测量单元输出的飞机姿态信息和东北天坐标系下的瞬时速度信息，并接收雷达状态信息系统输出的天线角度信息。

具体地，SAR平台接收惯性测量单元输出一个脉冲周期内M个采样点的各类数据，包括飞机姿态信息：偏航角θ_yaw、翻转角θ_roll、俯仰角θ_pitch等，以及基于东北天坐标系下的东向瞬时速度v_E、北向瞬时速度v_N以及天向瞬时速度v_U。并且SAR平台接收雷达状态信息系统输出的天线角度信息，包括方位角

和俯仰角θ。

S2、结合运动方程，对飞机姿态信息、天线角度信息和瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程。

S21、在东北天(ENU)坐标系下，对瞬时速度信息中东向瞬时速度、北向瞬时速度、天向瞬时速度分别进行拟合，并与运动方程进行结合，分别得到初始东向瞬时速度、初始北向瞬时速度、初始天向瞬时速度及各阶次的东向瞬时加速度、各阶次的北向瞬时加速度、各阶次的天向瞬时加速度。

具体地，在ENU坐标系中，对IMU的输出进行多项式拟合：v→p₀+p₁η+...+p_nηⁿ；其中v表示需拟合的瞬时速度，p₀,p₁,...p_n表示拟合得到的各阶系数向量，n表示拟合阶次。

然后将拟合的多项式与运动方程结合后，得到：v(η)＝v₀+a₁η+...+a_n/n！ηⁿ；其中，v(η)表示基于慢时间η的拟合，n表示拟合阶次，a₁,a₂,...a_n表示载机在场景中心时刻时各阶次瞬时加速度。

接着将与运动方程结合的拟合公式v(η)＝v₀+a₁η+...+a_n/n！ηⁿ与原始拟合公式v→p₀+p_1η+...+p_nηⁿ进行类比，利用惯导测量系统测量得到的东向、北向、天向瞬时速度，可以得到准确的瞬时加速度a和瞬时速度v，即得到初始东向瞬时速度、初始北向瞬时速度、初始天向瞬时速度及各阶次的东向瞬时加速度、各阶次的北向瞬时加速度、各阶次的天向瞬时加速度。

以东向瞬时速度为例，由运动方程进行分解拟合，得到：v_E(η)＝v_E0+a_E1η+...+a_En/n！ηⁿ，其中v_E0是载机在场景中心时刻时东向瞬时速度，a_E1,a_E2,...a_En是载机在场景中心时刻时各阶次东向瞬时加速度，η表示慢时间。同理也可以得到北向瞬时速度、东向瞬时速度基于慢时间η的拟合。

S22、对初始东向瞬时速度、各阶次的东向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在东北天坐标系下载机的东向坐标；对初始北向瞬时速度、各阶次的北向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在东北天坐标系下载机的北向坐标；对初始天向瞬时速度、各阶次的天向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在东北天坐标系下载机的天向坐标；根据东向坐标、北向坐标和天向坐标得到载机的实际路径s(η)。

S23、根据飞机姿态信息和天线角度信息计算天线波束的斜视角。

S231、根据天线角度信息得到机载SAR平台照射波束的单位方向矢量ω：

其中，

是波束的方位角，θ是波束的俯仰角。

S232、在非理想情况下，ω随机载SAR平台姿态变化，则根据单位方向矢量ω随飞机姿态信息的变化计算得到新的波束单位方向矢量ω′，ω′可以表示为：

ω′＝Tω

其中，T表示分别绕x、y、z轴旋转的三个Givens矩阵的乘积；

其中，矩阵旋转角度分别为翻转角θ_roll、俯仰角θ_pitch、偏航角θ_yaw。

S233、由新的波束单位方向矢量ω′计算得到天线波束的斜视角θ_r：

θ_r＝asin(ω′)

其中，a表示拟合后的加速度，由东向瞬时加速度、北向瞬时加速度、天向瞬时加速度进行矢量求和得到。

S24、根据天线波束的斜视角计算载机到参考点的斜距矢量。

具体地，由θ_r可得到机载到参考点C_ref的斜距矢量r_ref，即偏航角为0时，参考点C_ref斜距矢量可以表示为：

其中，R₀是参考斜距范围，H是载机的高度。当偏航角不为0时，

其中

是绕Z轴旋转的Givens矩阵。

S25、根据载机到参考点的斜距矢量和载机的实际路径计算得到载机到参考点的斜距历程。

具体地，载机到参考点C_ref的斜距历程为：r_ref(η)＝s(η)+r_ref，其中，r_ref表示斜距矢量，s(η)表示载机的实际路径，η为方位慢时间。

S3、对SAR成像系统接收的回波信号进行下变频，得到SAR成像系统接收的基带回波信号。

具体地，定义发射信号S(τ,η)，经过对目标成像，得到SAR成像系统接收的回波信号S₀(τ,η)，由于回波信号S₀(τ,η)处于高频带，不便于信号处理，所以对S₀(τ,η)进行下变频，即把回波信号S₀(τ,η)与下变频函数H_down＝exp(-j2πf₀η)相乘，其中f₀为发射信号载频，把回波信号S₀(τ,η)转换到基带，得到SAR成像系统接收的基带回波信号S₁(τ,η)。

S4、对基带回波信号进行距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号。

具体地，由于在一个合成孔径时间内场景目标与机载SAR成像平台存在相对运动，场景目标的回波能量散落在不同的距离单元上，所以需要对基带回波信号S₁(τ,η)进行距离脉压处理，将回波能量聚焦到目标对应的距离单元上。

S41、对基带回波信号进行傅里叶变换，得到变换后的距离频率域回波信号。

按照下面的计算公式，对SAR成像系统接收到的基带回波信号S₁(τ,η)进行傅里叶变换，得到S₁(τ,η)的距离频率域回波信号S₂(f_τ,η)：

S₂(f_τ,η)＝∫S₁(τ,η)exp(-j2πf0τ)dτ

其中，S₂(f_τ,η)表示距离频率为f_τ、方位慢时间为η的距离频率域回波信号，∫dτ表示对距离时间τ进行积分操作，S₁(τ,η)表示SAR成像系统接收到距离时间为τ、方位慢时间为η的基带回波信号，exp(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，且

π表示圆周率。

S42、通过距离脉压函数对变换后的距离频率域回波信号进行距离脉压，得到距离脉压后的距离频率域回波信号。

具体地，按照下面计算公式，通过距离脉压函数H₁对距离频率域回波信号S₂(f_τ,η)进行距离脉压；

S₃(f_τ,η)＝S₂(f_τ,η)H₁(f_τ,η)

其中，S₃(f_τ,η)表示距离脉压后的距离频率f_τ、方位慢时间为η的距离频率域回波信号，H₁(f_τ,η)表示距离频率为f_τ的距离脉压函数，

K表示SAR成像系统发射信号S(τ,η)的距离调频率；

S5、根据斜距历程，对距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号。

距离脉压后的距离频率域信号S₃(f_τ,η)的相位中，参考点斜距历程|r_ref(η)|对应的相位是空不变的，可以直接构建一致相位补偿函数对这部分相位进行补偿，利用一致相位补偿函数可以实现相位补偿功能。

S51、根据斜距历程构建一致相位补偿函数H₂(f_τ,η)：

其中，f_τ表示距离频率，f₀表示载频，c表示光速，|r_ref(η)|表示斜距历程。

S52、利用一致相位补偿函数H₂(f_τ,η)对距离脉压后的距离频率域回波信号进行相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号。

具体地，按照下面计算公式，通过一致相位补偿函数H₂(f_τ,η)对距离脉压后的距离频率域信号S₃(f_τ,η)进行一致相位补偿；

S₄(f_τ,η)＝S₃(f_τ,η)H₂(f_τ,η)

其中，S₄(f_τ,η)表示一致相位补偿后的距离频率为f_τ、方位慢时间为η的距离频率域回波信号。

S6、对一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号。

S61、经过一致相位补偿后，距离维与方位维仍存在耦合，不能很好的完成目标聚焦，需要通过非线性二维映射将距离频率域信号S₄(f_τ,η)中的距离维与方位维分离出来。需构造二维非线性映射关系g_τ、g_η：

其中，f_τ为距离频率，f₀为载频，c为光速，ζ₀(η)、ζ₁(η)为与慢时间η有关的系数。

S62、利用二维非线性映射关系g_τ、g_η，将一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行映射，变换为基于二维非线性映射关系g_τ、g_η插值空间的信号S₅(g_τ,g_η)。

S7、对基于二维非线性映射关系插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。

具体地，按照下面变换公式，对基于g_τ、g_η插值空间的信号S₅(g_τ,g_η)进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像S₆(τ,η)：

S₆(τ,η)＝∫∫S₅(g_τ,g_η)exp(jg_ττ)exp(jg_ηη)dg_τdg_η

其中，S₆(τ,η)表示距离时间为τ、方位时间为η的SAR聚焦图像，S₅(g_τ,g_η)表示基于g_τ、g_η插值空间的信号，g_τ、g_η表示对应的二维非线性映射关系。

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容：

在地面场景中按照ENU坐标系布置5个点，P00点为场景中心点，四个边缘点的北向间距为100m，东向间距为100m，如图2所示，图2本发明实施例提供的一种仿真实验采用的地面场景布点图。在同一台计算机上，利用MATLAB R2017a进行仿真试验，仿真实验中使用的参数如表1所示：

表1仿真参数一览表

带宽	750MHz
		脉冲宽度	1μs
采样频率	800MHz
		脉冲重复频率	625Hz
载频	34.625GHz
		参考斜距	16.5km
斜视角	9.2°
		场景高度	3240m
ENU坐标系下速度	[0,45,0]m/s
		ENU坐标系下加速度	[0.05,-0.05,0.05]m/s<sup>2</sup>
方位维长度	2048
		距离维长度	8192

使用本实施例方法在非理想情况下基于二维非线性映射算法的机载SAR经过运动补偿后对点目标场景进行成像聚焦仿真实验，其结果如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种对地面场景中不同的点目标的成像结果等高线仿真图，其中横坐标为方位向采样，纵坐标为距离向采样；图3(a)为使用本发明对场景边缘点P02的成像结果等高线图，图3(b)为使用本发明对场景中心点C的成像结果等高线图，图3(c)为使用本发明对场景边缘点P04的成像结果等高线图。

使用FFBPA算法对非理想情况下机载SAR经过运动补偿后对于点目标场景进行成像聚焦仿真实验，其结果如图4所示，图4为本发明实施例提供的另一种对地面场景中不同的点目标的成像结果等高线仿真图，其中，横坐标为方位向采样，纵坐标为距离向采样；图4(a)为使用FFBPA算法对场景边缘点P02的成像结果等高线图，图3(b)为使用FFBPA算法对场景中心点C的成像结果等高线图，图3(c)为使用FFBPA算法对场景边缘点P04的成像结果等高线图。

同时，为了量化本发明的性能，根据本发明完成对非理想情况下机载SAR运动补偿后对点目标场景成像过程仿真，得到两幅SAR图，分别计算两幅SAR图中的场景中心点P00点与场景边缘点P02点和P04点的峰值旁瓣比、积分旁瓣比指标参数，指标参数如表2所示：

表2

根据FFBPA算法完成对非理想情况下机载SAR运动补偿后对点目标场景成像过程仿真，得到两幅SAR图，分别计算两幅SAR图中的场景中心点P00点与场景边缘点P02点和P04点的峰值旁瓣比、积分旁瓣比指标参数，指标参数如表3所示：

表3

表4

成像范围	本发明算法/s	FFBPA/s	提高
				1K*1K	0.29	0.61	52.5％
2K*2K	1.24	2.29	45.9％
				4K*4K	5.11	9.19	44.4％
8K*8K	22.31	41.93	46.4％

2.仿真结果分析：

对比图3(a)和图4(a)，可以发现，对于边缘点P02，使用FFBPA算法得到的成像结果等高线图的方位向主瓣和副瓣有明显混叠，说明FFBPA算法对于非理想情况下机载SAR平台对于目标成像聚焦精度不足，而使用本发明得到的成像结果等高线图的主瓣和副瓣都明显分开且呈现良好的“十字”状，说明本发明通过对机载SAR运动补偿能够提高目标成像的聚焦精度；

对比图3(b)和图4(b)，可以发现，对于中心点P00，使用FFBPA算法与本发明提出的算法均能实现良好的成像聚焦，成像结果等高线图的主瓣和副瓣都明显分开且呈现良好的“十字”状。

对比图3(c)和图4(c)，可以发现，对于边缘点P04，使用FFBPA算法得到的成像结果等高线图的方位向主瓣和副瓣有严重的混叠和散焦，说明现有技术对于存在高度起伏的目标成像聚焦精度不足，而使用本发明得到的成像结果等高线图的主瓣和副瓣都明显分开且呈现良好的“十字”状，说明本发明能够提高对目标成像的聚焦精度。

由此可见，相比于FFBPA算法，本发明的运动补偿方法对边缘点成像聚焦有很大改善。

参照表2和表3，可以发现，使用本发明算法后，在方位维上，目标成像分辨率较FFBPA算法有较大提高。对于中心点P00和边缘点P04，在方位维上，峰值旁瓣比下降较大，说明使用本发明算法有效抑制了主瓣与旁瓣的混叠，提高对目标成像聚焦精度。

参照表4，通过比较利用本发明算法和FFBPA算法的成像效率，可以看出利用本发明算法对成像效率有较大提升。

本实施例通过对非理想情况下机载SAR成像系统实时惯导系统和雷达系统输出的瞬时数据进行预处理，获取后续运动补偿所需要的参数；通过这些参数可以表示载机瞬时速度、加速度、斜视角和斜距矢量等信息；后续通过对回波信号进行一致相位补偿，再利用二维非线性变换和四点sinc插值完成对一致相位补偿后的回波信号进行二维插值，弥补现有技术在非理想情况下机载SAR成像系统运动补偿精度低、目标成像聚焦差的缺陷，从而能够解决现有技术中存在的对于非理想情况下机载SAR运动补偿精度较低的技术问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，其特征在于，包括步骤：

S1、在一个脉冲周期内M个采样点下，接收惯性测量单元输出的飞机姿态信息和东北天坐标系下的瞬时速度信息，并接收雷达状态信息系统输出的天线角度信息；

S2、结合运动方程，对所述飞机姿态信息、所述天线角度信息和所述瞬时速度信息进行预处理，得到载机到参考点的斜距历程；包括：

S21、在所述东北天坐标系下，对所述瞬时速度信息中东向瞬时速度、北向瞬时速度、天向瞬时速度分别进行拟合，并与所述运动方程进行结合，分别得到初始东向瞬时速度、初始北向瞬时速度、初始天向瞬时速度及各阶次的东向瞬时加速度、各阶次的北向瞬时加速度、各阶次的天向瞬时加速度；

S22、对所述初始东向瞬时速度、所述各阶次的东向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的东向坐标；

对所述初始北向瞬时速度、所述各阶次的北向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的北向坐标；

对所述初始天向瞬时速度、所述各阶次的天向瞬时加速度在一个合成孔径时间内求积分，得到在所述东北天坐标系下载机的天向坐标；

根据所述东向坐标、所述北向坐标和所述天向坐标得到载机的实际路径；

S23、根据所述飞机姿态信息和所述天线角度信息计算天线波束的斜视角；

S24、根据所述天线波束的斜视角计算载机到参考点的斜距矢量；

S25、根据所述载机到参考点的斜距矢量和所述载机的实际路径计算得到所述载机到参考点的斜距历程；

S3、对SAR成像系统接收的回波信号进行下变频，得到SAR成像系统接收的基带回波信号；

S4、对所述基带回波信号进行距离脉压处理，得到距离脉压后的距离频率域回波信号；

S5、根据所述斜距历程，对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行一致相位补偿，得到一致相位补偿后的距离频率域回波信号；

S6、对所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号进行二维插值，得到基于二维非线性映射关系插值空间的信号；包括：

S61、构建二维非线性映射关系g_τ、g_η：

其中，f_τ表示距离频率，f₀表示载频，c表示光速，ζ₀(η)、ζ₁(η)分别表示与慢时间η有关的系数；

S62、利用所述二维非线性映射关系g_τ、g_η，将所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号变为所述基于所述二维非线性映射关系g_τ、g_η插值空间的信号；

S7、对所述基于二维非线性映射关系插值空间的信号进行二维逆傅里叶变换，得到SAR聚焦图像。

2.如权利要求1所述的一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，其特征在于，步骤S23包括：

S231、根据所述天线角度信息得到机载SAR平台照射波束的单位方向矢量ω；

S232、在非理想情况下，根据所述单位方向矢量ω随所述飞机姿态信息的变化计算得到新的波束单位方向矢量ω′：

ω′＝T·ω

其中，T为分别绕x、y、z轴旋转的三个Givens矩阵的乘积；

矩阵旋转角度分别为翻转角θ_roll、俯仰角θ_pitch、偏航角θ_yaw；

S233、由所述新的波束单位方向矢量ω′计算得到所述天线波束的斜视角θ_r：

θ_r＝asin(ω′)

其中，a表示拟合后的加速度。

3.如权利要求1所述的一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41、对所述基带回波信号进行傅里叶变换，得到变换后的距离频率域回波信号：

S42、通过距离脉压函数对所述变换后的距离频率域回波信号进行距离脉压，得到所述距离脉压后的距离频率域回波信号。

4.如权利要求1所述的一种基于二维非线性映射的SAR运动补偿方法，其特征在于，步骤S5包括：

S51、根据所述斜距历程构建一致相位补偿函数H₂(f_τ,η)：

其中，f_τ表示距离频率，f₀表示载频，c表示光速，|r_ref(η)|表示斜距历程，η表示方位慢时间，r_ref(η)＝s(η)+r_ref，r_ref(η)为载机到参考点C_ref的斜距历程，r_ref表示斜距矢量，s(η)表示载机的实际路径；

S52、利用所述一致相位补偿函数H₂(f_τ,η)对所述距离脉压后的距离频率域回波信号进行相位补偿，得到所述一致相位补偿后的距离频率域回波信号。

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