CN111551935A - 一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法，涉及合成孔径雷达领域。该方法通过建立距离误差模型，得到随距离门空变的距离误差，然后以场景中心距离做参考，进行距离误差的一次补偿，能够同时补偿包络和相位误差，补偿后仅剩下空变的包络和相位误差。接着进行二次补偿，二步补偿在距离时域进行，补偿空变的相位误差，二次补偿后，还剩下包络空变误差。最后通过在距离时域对二次补偿后的回波信号进行分段，以每一个小段内的中心距离构造补偿函数，补偿包络空变误差，补偿完后，各小段回波信号再拼合，得到包络空变误差补偿完毕的信号，解决了传统运动误差补偿方法无法对包络空变误差进行补偿的问题，提高了补偿的可靠度。

Description

一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达领域，尤其涉及一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法。

背景技术

在SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像中，运动误差补偿与成像质量关系密切，运动误差补偿分为距离运动误差补偿与方位运动误差补偿。对于距离运动误差补偿，当前常用的方法是两步补偿方法，其中，第一步首先补偿场景中心的幅度和相位误差，第二步补偿距离空变的相位误差。

然而，在高分辨率的情况下，由于无法忽略距离运动误差沿距离门的空变对包络产生的影响，因此，传统的两步补偿方法的补偿精度不能满足需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法，包括：

获取雷达的工作参数，根据所述工作参数建立距离误差模型；

根据所述距离误差模型确定场景中心距离的距离误差，根据所述场景中心距离的距离误差构建一次补偿函数，在距离频域根据所述一次补偿函数对回波信号进行一次补偿；

根据所述场景中心距离的距离误差构建二次补偿函数，在距离时域根据所述二次补偿函数对一次补偿后的回波信号进行二次补偿；

根据预设切分方式对二次补偿后的回波信号进行分段，根据每段回波信号的场景中心距离的距离误差构建三次补偿函数，在距离频域根据所述三次补偿函数分别对每段回波信号进行三次补偿；

根据预设拼接方式将三次补偿后的各段回波信号拼合，得到完整的回波信号。

本发明的有益效果是：本发明提供的运动误差补偿方法，适用于高分辨机载合成孔径雷达成像过程中距离运动误差包络空变的补偿，通过建立距离误差模型，得到随距离门空变的距离误差，然后以场景中心距离做参考，进行距离误差的一次补偿，能够同时补偿包络和相位误差，补偿后仅剩下空变的包络和相位误差。接着进行二次补偿，二步补偿在距离时域进行，补偿空变的相位误差，二次补偿后，还剩下包络空变误差。最后通过在距离时域对二次补偿后的回波信号进行分段，以每一个小段内的中心距离构造补偿函数，补偿包络空变误差，补偿完后，各小段回波信号再拼合，得到包络空变误差补偿完毕的信号，本发明在对包络和相位误差进行补偿以及空变的相位误差的基础上，还能够对包络空变误差进行补偿，解决了传统运动误差补偿方法无法对包络空变误差进行补偿的问题，提高了补偿的可靠度。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述技术方案所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明运动误差补偿方法的实施例提供的流程示意图；

图2为本发明运动误差补偿方法的实施例提供的雷达系统参数示意图；

图3为本发明运动误差补偿方法的实施例提供的二次补偿后成像结果示意图；

图4为本发明运动误差补偿方法的实施例提供的三次补偿后成像结果示意图；

图5为本发明运动误差补偿方法的实施例提供的简单信号的切分和拼接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明运动误差补偿方法的实施例提供的流程示意图，该运动误差补偿方法适用于合成孔径雷达，尤其是机载合成孔径雷达成像中距离运动误差包络空变的补偿，包括：

S1，获取雷达的工作参数，根据工作参数建立距离误差模型。

需要说明的是，雷达的工作参数可以包括距离门对应的斜距，雷达的飞行高度，雷达在水平面上偏离航线的位移量等。

例如，假设雷达工作于正侧视模式，飞行高度为H，存在垂直预定航向且在水平方向的运动误差。在某个采样时刻，雷达在水平面上偏离航线的位移量为d，距离门数为N_r，每个距离门对应的斜距为：

S2，根据距离误差模型确定场景中心距离的距离误差，根据场景中心距离的距离误差构建一次补偿函数，在距离频域根据一次补偿函数对回波信号进行一次补偿。

S3，根据场景中心距离的距离误差构建二次补偿函数，在距离时域根据二次补偿函数对一次补偿后的回波信号进行二次补偿。

需要说明的是，第一次补偿和第二次补偿可以使用现有的两步补偿方法，先补偿场景中心的幅度和相位误差，再补偿距离空变的相位误差。

S4，根据预设切分方式对二次补偿后的回波信号进行分段，根据每段回波信号的场景中心距离的距离误差构建三次补偿函数，在距离频域根据三次补偿函数分别对每段回波信号进行三次补偿。

S5，根据预设拼接方式将三次补偿后的各段回波信号拼合，得到完整的回波信号。

应理解，第一次补偿，是同时补偿包络和相位误差，第二次补偿，是补偿空变的相位误差，第三次补偿，是补偿包络空变误差。

需要说明的是将二次补偿后的回波信号进行分段，是为了对包络空变误差进行补偿，因此，本领域技术人员可以选择合适的切分方式和拼接方式。

例如，可以以预设长度进行距离分段处理，对应的SAR数据为距离分块处理，每段信号可以重叠一部分。

拼接方式就是切分的逆过程，例如，可以对每段信号重叠的部分进行拼接，得到完成的信号。

如图2所示，给出了一种雷达成像实例，图2为雷达系统参数示意图，表1给出了一种示例性的雷达参数值，可以根据表1参数建立距离误差模型，各距离门误差与场景中心距离之差为距离误差的空变部分，距离近端和远端空变量如图2所示。

表1雷达参数

经过一次补偿和二次补偿后，成像结果如图3所示，然后对二次补偿结果进行分段，构造包络空变补偿函数，进行包络空变补偿，把各段包络空变补偿后的结果进行拼合，得到包络补偿完毕的图像，如图4所示。从图4中可以清楚地看出，相比于图3，经过包络空变补偿，成像更加清晰，成像精度更高。

本实施例提供的运动误差补偿方法，适用于高分辨机载合成孔径雷达成像过程中距离运动误差包络空变的补偿，通过建立距离误差模型，得到随距离门空变的距离误差，然后以场景中心距离做参考，进行距离误差的一次补偿，能够同时补偿包络和相位误差，补偿后仅剩下空变的包络和相位误差。接着进行二次补偿，二步补偿在距离时域进行，补偿空变的相位误差，二次补偿后，还剩下包络空变误差。最后通过在距离时域对二次补偿后的回波信号进行分段，以每一个小段内的中心距离构造补偿函数，补偿包络空变误差，补偿完后，各小段回波信号再拼合，得到包络空变误差补偿完毕的信号，本发明在对包络和相位误差进行补偿以及空变的相位误差的基础上，还能够对包络空变误差进行补偿，解决了传统运动误差补偿方法无法对包络空变误差进行补偿的问题，提高了补偿的可靠度。

可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式建立距离误差模型：

其中，D为距离误差，R为距离门对应的斜距，H为雷达的飞行高度，d为雷达在水平面上偏离航线的位移量。

应理解，D为水平面上偏离航线的位移量在雷达与距离门连线上的投影，为需要补偿掉的位移量。由于：

因此，D也有N_r个不同的值，第i个值D_i为：

其中，D_i随斜距R_i变化，不同距离门斜距R_i对应的D_i不同，这就是运动误差的距离空变性。

可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式建立一次补偿函数H₁：

其中，f_r为距离频率，f_c为载波频率，D_s为场景中心距离的距离误差，c为光速。

应理解，一次补偿以场景中心距离作参考距离进行，场景中心距离R_s如下：

距离门R_s对应的距离误差D_s为：

那么令c为光速，f_c为载波频率，

f_r为距离频率，那么可以得到一次补偿函数H₁：

可选地，在一些可能的实施方式中，假设回波信号为S_t，在距离频域根据一次补偿函数对回波信号进行一次补偿，具体包括：

对回波信号S_t进行距离傅里叶变换，得到距离频域的回波信号S_f：

S_f＝FFT[S_t]

将一次补偿函数H₁与距离频域的回波信号S_f相乘，得到一次补偿后的距离频域的回波信号S_f1：

对一次补偿后的距离频域的回波信号S_f1进行距离逆傅里叶变换，得到一次补偿后的距离时域回波信号S_t1：

通过对所有距离门统一使用场景中心距离R_s对应的距离误差D_s进行补偿，最后得到距离时域的回波信号S_t1。

可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式建立二次补偿函数H₂：

其中，f_c为载波频率，D_s为场景中心距离的距离误差，c为光速，D_i为第i个距离门的距离误差，N_r为距离门的数量。

可选地，在一些可能的实施方式中，在距离时域根据二次补偿函数对一次补偿后的回波信号进行二次补偿，具体包括：

将二次补偿函数H₂与一次补偿后的回波信号S_t1相乘，得到二次补偿后的回波信号S_t2：

S_t2＝S_t1H₂

应理解，经过二次补偿，完成了距离空变的相位误差补偿，但是距离空变的包络误差仍然存在。

可选地，在一些可能的实施方式中，根据预设切分方式对二次补偿后的回波信号进行分段，具体包括：

在回波信号S_t2中，以每段长度为N_sub，相邻两段重叠长度为N_sub/2，对二次补偿后的回波信号S_t2进行分段。

可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式建立三次补偿函数H₃：

其中，f_r为距离频率，D_s为场景中心距离的距离误差，c为光速，D_ks为第k段回波信号的中心距离对应的距离误差。

具体地，假设第k段对应的信号为S_t2k，距离如下：

第k段的中心距离为：

根据距离误差模型可得R_ks对应的距离误差为D_ks，根据D_ks可以构造包络空变补偿函数如下：

可选地，在一些可能的实施方式中，在距离频域根据三次补偿函数分别对每段回波信号进行三次补偿，具体包括：

对第k段回波信号进行距离傅里叶变换，得到距离频域的第k段回波信号；

将三次补偿函数与距离频域的第k段回波信号相乘，得到三次补偿后的距离频域的第k段回波信号；

对三次补偿后的距离频域的第k段回波信号进行距离逆傅里叶变换，得到三次补偿后的第k段回波信号；

其中，k＝1,2,…,K，K为回波信号的分段数量。

可选地，第k段对应的信号S_t2k可以通过下式进行包络空变补偿，即第三次补偿，得到包络空变补偿后的信号S_t3k：

S_t3k＝IFFT[FFT[S_t2k]H₃]

得到信号S_t3k后，再把得到的所有小段信号按照切分方式的逆过程重新拼装起来，就能够得到包络空变补偿完毕的信号。

如图5所示，以一种示例性的回波信号为例，为便于说明，以简单信号为例，对切分和拼接的方法进行说明。

图5为简单信号的频域波形，假设切分后，每段信号的的长度为L，重叠的部分为L/2，那么可以按照如图所示的方式进行切分，这样除了第一段信号和最后一段信号，每个信号都与相邻的两个信号完全重叠，从而提高补偿的精度。

拼装时，从第一段信号开始，以第一段信号重叠的L/2部分为拼接部分，将其与第二段信号中重叠的L/2部分进行拼接，再依次将各个分段信号重叠的部分拼接起来，就得到了完整的回波信号。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，包括：

获取雷达的工作参数，根据所述工作参数建立距离误差模型；

根据所述距离误差模型确定场景中心距离的距离误差，根据所述场景中心距离的距离误差构建一次补偿函数，在距离频域根据所述一次补偿函数对回波信号进行一次补偿；

根据所述场景中心距离的距离误差构建二次补偿函数，在距离时域根据所述二次补偿函数对一次补偿后的回波信号进行二次补偿；

根据预设切分方式对二次补偿后的回波信号进行分段，根据每段回波信号的场景中心距离的距离误差构建三次补偿函数，在距离频域根据所述三次补偿函数分别对每段回波信号进行三次补偿；

根据预设拼接方式将三次补偿后的各段回波信号拼合，得到完整的回波信号。

2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，根据以下公式建立所述距离误差模型：

其中，D为距离误差，R为距离门对应的斜距，H为雷达的飞行高度，d为雷达在水平面上偏离航线的位移量。

3.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，根据以下公式建立所述一次补偿函数H₁：

其中，f_r为距离频率，f_c为载波频率，D_s为场景中心距离的距离误差，c为光速。

4.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，在距离频域根据所述一次补偿函数对回波信号进行一次补偿，具体包括：

对回波信号进行距离傅里叶变换，得到距离频域的回波信号；

将所述一次补偿函数与所述距离频域的回波信号相乘，得到一次补偿后的距离频域的回波信号；

对一次补偿后的距离频域的回波信号进行距离逆傅里叶变换，得到一次补偿后的回波信号。

5.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，根据以下公式建立所述二次补偿函数H₂：

其中，f_c为载波频率，D_s为场景中心距离的距离误差，c为光速，D_i为第i个距离门的距离误差，N_r为距离门的数量。

6.根据权利要求1所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，在距离时域根据所述二次补偿函数对一次补偿后的回波信号进行二次补偿，具体包括：

将所述二次补偿函数与一次补偿后的回波信号相乘，得到二次补偿后的回波信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，根据预设切分方式对二次补偿后的回波信号进行分段，具体包括：

以每段长度为N_sub，相邻两段重叠长度为N_sub/2，对二次补偿后的回波信号进行分段。

8.根据权利要求7所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，根据以下公式建立所述三次补偿函数H₃：

其中，f_r为距离频率，D_s为场景中心距离的距离误差，c为光速，D_ks为第k段回波信号的中心距离对应的距离误差。

9.根据权利要求7所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法，其特征在于，在距离频域根据所述三次补偿函数分别对每段回波信号进行三次补偿，具体包括：

对第k段回波信号进行距离傅里叶变换，得到距离频域的第k段回波信号；

将所述三次补偿函数与所述距离频域的第k段回波信号相乘，得到三次补偿后的距离频域的第k段回波信号；

对三次补偿后的距离频域的第k段回波信号进行距离逆傅里叶变换，得到三次补偿后的第k段回波信号；

其中，k＝1,2,…,K，K为回波信号的分段数量。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至9中任一项所述的合成孔径雷达的运动误差补偿方法。

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