CN113933804B

CN113933804B - 一种图像域方位向多通道sar误差校正方法

Info

Publication number: CN113933804B
Application number: CN202111543003.6A
Authority: CN
Inventors: 邓云凯; 蔡永华; 张衡; 王宇; 吴羽纶
Original assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2041-12-16
Also published as: CN113933804A

Abstract

本发明公开了一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，包括：步骤1、接收多个通道的回波信号，所述的回波信号以第一脉冲重复频率采样；步骤2、对所述接收到的多个通道的回波信号进行幅度误差估计与校正；步骤3、基于方位互相关法进行相位误差初步预估；步骤4、将第一脉冲重复频率采样的多通道信号重构为第二脉冲重复频率的多通道信号，第二脉冲重复频率高于第一脉冲重复频率；步骤5、使用CS算法将第二脉冲重复频率的多通道信号成像为多幅模糊的SAR图像；步骤6、在图像域建立最小L ¹范数最优化模型，以预估相位为初值迭代得到精确的相位误差；步骤7、对图像进行相位误差校正后求和所有I幅图像；步骤8、得到无虚假目标的成像结果。

Description

一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种方位向多通道合成孔径雷达（SyntheticAperture Radar, SAR）通道间幅度与相位误差校正算法。

背景技术

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）自20世纪50年代后期诞生以来，经过长达60年的发展，已经成为高分辨率对地观测和全球管理的重要手段之一。合成孔径雷达作为一种工作在微波频段的主动式遥感器，相较与光学传感器而言，具有不受日照和天气条件限制，能够全天候、全天时、全方位对地观测的特点，因而在现代微波遥感领域有着重要的应用。为了进一步缩小全球观测周期和对变化较快的大规模地表现象进行监测，更高分辨率与更宽测绘刈幅成为各种微波遥感领域不断突破的方向。方位多通道SAR以空间采样换取时间采样，绕开了单通道SAR的分辨率与幅宽的固有矛盾，目前已经成为实现高分辨率宽幅SAR成像的重要体制之一。

方位向多通道SAR系统将整个天线划分为多个子孔径，并采用单通道发射、多通道接收的工作模式，以低脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency, PRF）情况下的不同子孔径位置处的空间采样等效高PRF情况下的时间采样，在保证方位向分辨率的同时延长信号接收窗长度，进而增加距离向测绘带宽。通道间幅度与相位误差校正和多通道信号重构是方位多通道SAR信号处理中的两个关键技术环节。多通道信号重构旨在对空间非均匀低PRF采样信号等效为单通道均匀高PRF信号。更重要的是，通道间的幅度与相位误差需要校正一致，以避免SAR图像中出现干扰图像判断和目标识别的虚假目标。

目前发展的通道相位误差校正方法中，以信号子空间方法及其衍生方法为主，然而在低信噪比情况下，信号子空间与噪声子空间将难以分开，因此其校正性能将受到较大影响。此外信号子空间类方法需要额外的冗余通道，也限制了其应用的场景。在图像域建立最小L ¹范数优化模型，运用聚焦后的高信噪比SAR图像进行迭代求解，是精确估计通道间相位误差的一种可靠方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于图像域最小L ¹范数的方位多通道SAR误差校正方法，能够精确地校正通道间的幅度与相位误差，消除SAR图像方位向虚假目标。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，该方法包括：

步骤1、接收多个通道的回波信号，所述的回波信号以第一脉冲重复频率采样；

步骤2、对所述接收到的多个通道的回波信号进行幅度误差估计与校正；

步骤3、基于方位互相关法进行相位误差初步预估；

步骤4、将第一脉冲重复频率采样的多通道信号重构为第二脉冲重复频率的多通道信号，第二脉冲重复频率高于第一脉冲重复频率；

步骤5、使用CS算法将第二脉冲重复频率的多通道信号成像为多幅模糊SAR图像；

步骤6、在图像域建立最小L ¹范数最优化模型，以预估相位为初值迭代得到精确的相位误差；

步骤7、对图像进行相位误差校正后求和所有I 幅图像；

步骤8、得到无虚假目标的成像结果。

有益效果：

相比于现有的信号子空间方法及其衍生方法，本发明充分利用了聚焦SAR图像的高信噪比特性，即便是在信噪比低的情况下，也能够表现出优异的估计性能，精确地校正相位误差并获取无虚假目标的成像结果。此外，本发明无需多余的冗余通道，可适应于更多的方位向多通道SAR系统。

附图说明

图1为基于图像域最小L ¹范数的方位向多通道SAR幅度与相位误差校正流程；

图2为星载方位向多通道SAR工作机制示意图；

图3为GF-3卫星双通道数据未进行误差校正的成像结果；

图4为GF-3卫星双通道数据进行误差校正的成像结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，如图1所示，一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，基于图像域最小L ¹范数的方位多通道SAR幅度与相位误差校正，该方法包括：

步骤3、基于方位互相关法进行相位误差初步预估；

步骤7、对图像进行相位误差校正后求和所有I 幅图像；

步骤8、得到无虚假目标的成像结果。

具体的，所述步骤2、对所述接收到的多个通道的回波信号进行幅度误差估计与校正，具体如下：

在对多通道SAR系统的通道误差估计和校正时，幅度误差与相位误差通常是分开进行的。通道间幅度误差

可以容易地通过对信号幅度谱的均值作商估计得到：

（1）

其中，

与

分别表示沿方位向和距离向取均值，τ为距离向快时间，

多普勒频率，PRF为脉冲重复频率，

表示第i通道在距离多普勒域上的信号，

，I为通道数。以第1通道为参考通道，进而通道间的幅度不平衡可以先一步进行校正：

（2）

所述步骤3、基于方位互相关法进行相位误差初步预估，具体如下：

为提高相位误差估计的迭代速度，在完成幅度误差校正后，再对信号进行相关，运用方位互相关方法获取粗略的误差相位，以用作迭代初值。

所述步骤4、将第一脉冲重复频率采样的多通道信号重构为第二脉冲重复频率的多通道信号，第二脉冲重复频率高于第一脉冲重复频率，具体如下：

其中，第一脉冲重复频率为低PRF，第二脉冲重复频率为高PRF，采用多通道重构技术，将低PRF采样的多通道信号重构为高PRF多通道信号。

方位多通道SAR工作机制示意图如图2所示。幅度误差校正后的多通道接收信号矩阵形式表示：

（3）

根据多通道信号重构技术，使用重构滤波器矩阵

和P对接收信号进行重构处理。当不存在相位误差时，信号重构具体流程可以分为以下两步：

消除与多普勒频率相关项：

（4）

其中，

表示矩阵的共轭转置。

消除与多普勒频率无相关项：

（5）

其中，

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

其中，S ₀表示单通道（参考通道）无混叠信号，即为重构结果，其采样频率为N·PRF，N表示多普勒模糊数，并且小于通道数I，即有N≤I。S ₀在方位向上均分为N个频段，

表示第1个频段，

表示第n个频段。

与

分别表示第i通道信号相对于参考通道信号的时间偏移与相位偏置。

当各通道存在相位误差时

时，相位误差矩阵可以表示为：

（11）

则此时多通道接收信号表示为：

（12）

依然使用重构滤波器矩阵

和P对带有相位误差的信号进行重构处理：

（13）

从映射的角度分析上式，向量

左乘矩阵P，即把向量

各维度的分量

在新的基底p_i下变换到新的位置（

为向量

的各元素），然后通过向量加和得到映射结果，因此可以将式(13)重新表示为：

（14）

其中，

（15）

于是多通道信号重构过程可以重新描述为：第i通道信号通过式(15)重构为

，将采样率提升N倍，再根据式(14)求和所有I个通道的信号得到最终的重构信号

。

所述步骤5、使用CS（Chirp Scaling）算法将第二脉冲重复频率的多通道信号成像为多幅模糊SAR图像；

运用CS成像算法，对每个通道信号进行成像处理，设CS算法成像过程的系统函数为F，则有：

（16）

其中，I_i表示无相位误差时，重构后的第i通道信号成像所得高信噪比单视复图像。

分别表示图像的行列坐标，N _a和N _r分别表示图像的行数和列数。

所述步骤6、在图像域建立最小L ¹范数最优化模型，以预估相位为初值迭代得到精确的相位误差；具体如下：

在相位误差存在的情况下，相位误差会带来额外的虚假目标，导致SAR图像方位向模糊，进而抬升整幅图像的幅度。因此通道间的相位误差估计，可以转化为寻找一组相位，使之与I幅单视复图像加权求和后的整体幅度最小化，便可以认为该组相位的倒数即为通道间的相位误差。基于上述，建立最小L ¹范数优化模型：

（17）

其中，表示

向量的无穷范数，即绝对值的最大值。I_e和

分别为：

（18）

（19）

其中，

表示列拉直运算。

最小L ¹范数模型不存在解析解，需要运用迭代法进行求解数值解。针对迭代法对初值的依赖问题，运用方位互相关法估计出相位误差作为迭代初值，进一步缩减迭代次数，加快数值求解的速度，得到更加精确的估计值。

步骤7、对图像进行相位误差校正后求和所有I幅图像；步骤8、得到无虚假目标的成像结果，具体如下：

校正相位误差后，加和所有通道的图像，得到无虚假目标的高分辨率宽幅SAR图像。

在估计出通道相位误差之后，运用估计的相位误差对每幅图像进行校正：

（20）

其中，

表示复共轭运算。根据线性系统的叠加性，将校正后的所有I幅单视复图像求和，即可获得无方位模糊的高分宽幅SAR图像I₀：

（21）

实施例1

实施例选取星高分三号（GF-3）卫星双通道实测数据进行处理，该景图像采集于2016年8月21日，位于巴西里约地区。

图3展示了未进行误差校正的成像结果。其中图3中，区域1和3均为图3中区域2的虚假目标，图像方位模糊非常严重，以至于位于区域2中的真实目标几乎淹没于模糊能量之中。

图4展示了经过本发明算法校正后的结果。本发明算法估计所得通道2相对于通道1的幅度与相位误差分别为1.17和﹣174.58°。经过本发明的算法校正幅相误差后，可以看到图4中区域4和6的模糊已经完全消失，虚假目标得到有效抑制。

以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，其特征在于，该方法包括：

步骤3、基于方位向互相关法进行相位误差初步预估；

步骤6、在图像域建立最小L ¹范数最优化模型，以初步预估的相位误差为初值迭代得到精确的相位误差；

步骤7、对图像进行相位误差校正后求和所有I幅图像；

步骤8、得到无虚假目标的成像结果。

2.根据权利要求1所述的一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，其特征在于，所述步骤2对所述接收到的多个通道的回波信号进行幅度误差估计与校正，具体为：

将各通道回波信号进行方位向傅里叶变换，并分别沿方位向和距离向对幅度谱取均值，将其结果与参考通道的结果作商，进行幅度误差估计, 然后根据估计的幅度误差，对各通道信号进行幅度校正。

3.根据权利要求1所述的一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，其特征在于，所述步骤3、基于方位向互相关法进行相位误差初步预估，具体为：

根据方位向相关方法，对距离多普勒域的多通道信号进行互相关，获得粗略的相位误差估计值。

4.根据权利要求1所述的一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，其特征在于，所述步骤4、将第一脉冲重复频率采样的多通道信号重构为第二脉冲重复频率的多通道信号，具体为：

根据矩阵的映射关系，在多通道信号重构方法上，将第一脉冲重复频率采样的多通道信号重构为第二脉冲重复频率的多通道信号，第二脉冲重复频率高于第一脉冲重复频率。

5.根据权利要求1所述的一种图像域方位向多通道SAR误差校正方法，其特征在于，所述步骤6、在图像域建立最小L ¹范数最优化模型，以初步预估的相位误差为初值迭代得到精确的相位误差，具体包括：

利用成像后的高信噪比图像，在图像域建立最小L ¹范数最优化模型，并以初步预估的相位误差为迭代初值，迭代求解得到精确的相位误差，根据精确的相位误差估计值，对每幅图像进行相位误差校正后，加和所有通道的图像，得到无模糊的高分辨率宽幅SAR图像，即得到无虚假目标的成像结果。