CN118112567A - 一种多通道sar运动误差关联成像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法，属于合成孔径雷达成像技术领域。所述方法通过几何解析多通道SAR各个通道之间的运动误差关联关系，消除不同通道之间运动误差的差异部分，然后采用一致的PGA误差提取与补偿处理，解决了传统处理流程下成像聚焦质量与相位保持特性难以兼得的问题，为后续的动目标检测及运动参数提取奠定基础。

Description

一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法。

背景技术

合成孔径雷达（SAR）具有全天时、全天候、主动式、远距离成像特点，在军民各领域中发挥着越来越重要的作用。SAR图像携带相位信息，可实现高精度的干涉测量，可精确反演地面高程和地表形变，是区别于光学传感器的独特优势所在。

多通道SAR通过将天线划分为多个独立收发的子孔径来实现功能或者性能的提升。多子孔径可以按照不同方向排列，以实现不同的功能。其中，子孔径沿飞行平台航迹方向（方位向）排布，主要用于实现高分辨率宽幅成像或运动目标探测；子孔径垂直航迹向排布，主要用于实现三维立体成像、高程测量或高信噪比成像。

方位多通道SAR通过在飞行方向设置多个接收孔径，以额外的空间采样换取时间采样，以此突破星载SAR最小天线面积限制，实现成像分辨率和幅宽性能的整体提升。除实现高分宽幅成像之外，方位多通道体制的另一个重要应用是运动目标探测。

与星载SAR相比，机载SAR在成像处理方面有着显著的不同，一方面，机载SAR不受地球自转和地球曲率影响，没有速度空变性；另一方面，机载SAR受气流等大气环境影响较大，需要开展复杂的空时变运动补偿。针对机载SAR数据处理，运动误差补偿是重要且必要的处理环节。

相位梯度自聚焦（PGA）算法是一种常用的相位误差估计与补偿方法，由于其未基于任何误差模型，可有效估计二阶及高阶相位偏差，在机载SAR数据处理中获得广泛应用。PGA算法虽然能够提升图像聚焦质量，却无法保证聚焦后图像相位的准确性，主要原因来自于以下几个方面：①PGA从数据中的强点目标获取残余相位误差历程，但是图像中的强散射点并非理想的点目标，则估计的相位误差不能保证与运动偏差完全一致；②PGA采用迭代校正策略，即逐渐逼近相位误差真实值的过程，最终迭代获取的相位与迭代次数有关；③条带模式进行PGA操作是航迹向数据分块进行的，估计得到每一块数据的相位误差后拼接得到整体相位误差，在拼接过程中，需要用到误差拟合及一次项消除，因此难以保证最终相位误差的精准性。

在多通道机载SAR数据处理中，受飞行姿态以及天线结构的影响，各通道经历的运动误差不同，采用相同的PGA相位进行补偿无法保证所有通道精确聚焦；另一方面，如果不进行自聚焦处理，残余运动误差将导致所有通道图像散焦，SAR图像的相位准确性也难以保证。因此，是否采用PGA成为一个两难的矛盾选择。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法，通过几何解析多通道机载SAR各个通道之间的运动误差关联关系，消除不同通道之间运动误差的差异部分，然后采用一致的PGA误差提取与补偿处理，解决了传统处理流程下成像聚焦质量与相位保持特性难以兼得的问题，为后续的动目标检测及运动参数提取奠定基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法，包括如下步骤：

步骤1，在多通道机载SAR系统中，设平台航迹方向第一个通道为主通道，其他通道为辅通道，并基于多通道机载SAR主通道数据，进行多普勒中心估计，得到系统多普勒中心；

步骤2，基于步骤1获得的系统多普勒中心，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据分别进行多普勒中心平移；

步骤3，基于步骤2多普勒中心平移后的数据，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据分别进行距离向压缩；

步骤4，基于飞机上装备的惯性测量单元或者定位定姿设备输出的东北天速度分量，计算多通道机载SAR主通道数据的三维运动误差；

步骤5，基于惯性测量单元或者定位定姿设备输出的偏航、横滚、俯仰姿态信息以及通道之间的物理间隔，建立多通道相位中心误差关联模型，所述多通道相位中心误差关联模型表征多通道机载SAR主通道数据、辅通道之间的误差关联关系；

步骤6，基于获得的主通道数据的三维运动误差以及多通道相位中心误差关联模型，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据进行三维运动误差补偿；

步骤7，完成三维运动误差补偿后，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据进行距离徙动校正操作；

步骤8：对距离徙动校正后的多通道机载SAR主通道数据采用相位梯度自聚焦方法提取残余相位误差，将提取的残余相位误差用于对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据进行相位误差补偿；

步骤9，对完成相位误差补偿的主通道数据、辅通道数据进行方位聚焦处理，通过方位匹配滤波完成多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据成像处理，得到保相且聚焦良好的图像。

本发明的有益效果在于：在单通道SAR信号处理中，高精度聚焦是最重要的目标。针对多通道SAR系统，考虑到运动目标检测等应用对多通道SAR图像相干性的要求，多通道SAR图像既要求精确聚焦又要求保相。本发明提供一种多通道机载SAR运动误差关联成像处理方法，采用误差关联模型实现了多通道SAR数据成像的保相性，采用PGA实现了多通道SAR数据成像的高精度聚焦，为后续的动目标检测及运动参数提取奠定基础。

附图说明

图1为本发明一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法流程图；

图2为本发明轨道参考坐标系与平台坐标系示意图；

图3为基于本发明处理流程获得图像效果图；

图4为本发明实施例中通道2与通道1（参考通道）干涉相位图；

图5为本发明实施例中通道2与通道1（参考通道）干涉相位的统计直方图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明中一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法流程图。如图所示，该方法的具体实现步骤如下：

步骤1：在多通道机载SAR系统中，设平台航迹方向第一个通道为主通道，其他通道为辅通道。不失一般性，本发明在具体实施方式中采用两通道进行说明，对任意通道数SAR系统都适用，其他通道均可与主通道构成主辅通道，本发明的技术路线同样适用。为便于分析，将主通道数据记为，辅通道数据记为/>，其中/>表示距离时间轴，/>表示方位时间轴。基于机载SAR主通道数据，进行多普勒中心估计，首先对主通道回波数据进行方位向快速傅里叶变换（FFT）操作，得到距离多普勒域数据/>,

，

其中，表示沿方位向FFT操作，/>表示多普勒频率；其次对距离多普勒域数据进行幅度检波，将带相位的复图像转换为幅度图像/>，

，

其中，表示取复数实部操作，/>表示取复数虚部操作。对幅值检波结果沿距离向进行平均操作，得到多普勒域频谱幅度曲线/>，

，

其中，表示图像距离向像素数量，/>表示回波接收时间窗。由于回波采样为离散采样，这里用离散累加求和代替积分。对多普勒域频谱幅度曲线/>进行多项式拟合，获得平滑的拟合曲线，在条带成像模式下，多普勒频谱平滑拟合曲线与天线方向图形状一致，其中峰值对应波束中心指向。对平滑多项式曲线进行取峰值操作，

，

其中，表示取最大值操作，/>表示多项式拟合操作，/>表示寻找符合要求序列索引操作，/>即为舰船对应的多普勒域多普勒中心。

步骤2：对主通道数据、辅通道数据分别进行多普勒中心平移，基于傅里叶变换性质，频域平移相当于时域与对应线性相位相乘；

，

，

其中，表示虚数。

步骤3：对主通道数据、辅通道数据分别进行距离向压缩。由于主辅通道均发射相同的线性调频信号，通过与相同的匹配滤波函数进行卷积即可；

，

，

其中，表示发射脉冲调频斜率，/>表示两个矩阵卷积操作。

步骤4：计算主通道数据三维运动误差。

在机载SAR飞行过程中，通常配备惯性测量单元（IMU）或者定位定姿（POS）设备，用于获取过程中同步测量飞机平台的速度、位置及姿态信息（如IMU或POS数据）。速度信息包括东向速度分量，北向速度分量/>和天向速度分量/>；位置信息包括经度、纬度/>和高度/>；姿态信息包括偏航角/>、俯仰角/>和横滚角/>。首先，对三维速度分量进行方位时间积分，得到东向、北向和天向三维位置分量/>、/>和/>，由于SAR采用脉冲发射体制，在实际处理过程中采用累加求和代替积分；

，

，

，

其中，PRT为脉冲重复间隔，即相邻两个发射脉冲之间的时间间隔。

以东向位置分量和北向位置分量进行最小二乘直线拟合，使东向和北向位置误差偏移量均方根最小。

，

其中，表示一阶线性拟合，/>表示飞机平台在水平方向偏离匀速直线航迹的偏差，接下来，进行成像坐标系转换，转换前X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，Z轴垂直地面向上。转换后X轴指向飞机平台前进方向，Z轴垂直地面向上，Y轴与X和Z轴垂直且构成右手直角三维坐标系。因此，坐标投影后，飞机在水平方向的运动误差为沿飞行方向的误差分量/>和垂直航迹方向的误差分量/>。

一般在SAR成像过程中，飞机总体处于水平前进方向，高度方向误差分量为偏离水平方向的误差：

，

其中为取平均操作。

步骤5：建立基于平台姿态参数的多通道相位中心误差关联模型。

建立轨道参考坐标系和平台坐标系两个三维直角坐标系，轨道参考坐标系以多通道天线主通道等效相位中心为坐标原点，X轴指向理想航迹前进航向，Z轴垂直地面向上，Y轴垂直X轴和Z轴，且满足右手直角坐标系。平台坐标系以主通道等效相位中心为坐标原点，X轴指向机头方向，Z轴垂直机体向上，Y轴垂直X轴和Z轴，且满足右手坐标系。轨道参考坐标系与平台坐标系之间的关联关系为平台偏航、横滚和俯仰角的变化。如图2所示，轨道参考坐标系表示为，平台坐标系表示为/>；

具体地，平台坐标系到轨道参考坐标系需要经过三次旋转，首先围绕Z轴旋转偏航角，

，

其次围绕Y轴旋转俯仰角，

，

最后围绕X轴旋转横滚角，

，

其中，、/>、/>分别表示平台坐标系绕Z轴、Y轴和X轴的旋转矩阵。三次旋转可以级联进行：

，

其中，表示/>、/>、/>的级联旋转矩阵。在平台坐标系中，主通道的坐标为（0,0,0），辅通道到主通道的物理间隔为/>，在平台坐标系下，辅通道的坐标为/>。假设主通道相位中心在参考坐标系下的实际位置为在对应理想航迹的位置为/>，主通道相位中心在三维空间偏离匀速直线的运动误差可以表示为：

，

其中，为主通道相位中心三维运动误差分量。假设辅通道相位中心在参考坐标系下的实际位置为/>，在对应理想航迹的位置为/>。辅通道的实际位置与主通道实际位置之间的关系为：

，

辅通道的理想位置与主通道理想位置之间的关系为：

，

以上两式相减，可得辅通道误差与主通道的关系：

，

即：

，

其中，为辅通道相位中心三维运动误差分量。以上，即建立了辅通道与主通道之间的误差关联关系。当通道数大于2时，其他通道作为辅通道分别与主通道建立关联关系。

步骤6：基于步骤5的方程进行关联误差计算，对主通道数据、辅通道数据分别进行运动误差补偿。

至此，已获得主通道相位中心三维运动误差分量和辅通道相位中心三维运动误差分量/>，SAR的基本成像原理为三维空间向二维平面的投影，因此运动误差补偿分为沿航迹向运动误差补偿和斜距误差补偿。

沿航迹向运动误差通过插值方式补偿，一般采用sinc插值函数；

，

其中，表示平均飞行速度，/>表示sinc插值运算，表示插值前带运动误差的信号，/>表示插值后消除误差后的信号。垂直航迹向运动误差/>和高度向运动误差/>通过成像几何关系转换为斜距误差，如下式所示，其中，/>为斜距误差，/>为场景斜距；/>为平台平均飞行高度。

，

将斜距空间位置误差转化为包络误差和相位误差，为便于实施校正，包络误差转化为距离向像素数量：

，

其中，为需要补偿的距离向像素数目，/>为光速，/>为距离向采样率；相应的相位误差补偿量/>为：

，

其中，表示发射载频波长。以上即得到主通道的距离徙动校正误差和相位误差，通过sinc插值和相位补偿方式进行补偿即可。

步骤7：对主通道数据、辅通道数据分别进行距离徙动校正。

完成基于姿轨控测量数据的运动误差补偿后，对主辅通道数据进行距离徙动校正操作；首先进行二维FFT，在二维频域进行一致相位匹配，匹配函数相位为：

其中，表示距离向频率，/>表示发射载频，/>表示方位向频率，/>表示参考斜距，完成一次相位匹配后，位于参考斜距处的点目标得到完全聚焦，其他距离处的点目标由于存在残余距离徙动、残余方位距离耦合和残余方位调制散焦。采用经典的距离徙动算法，主要是采用距离向插值操作，如下所示：

，

其中，为插值后新的频率轴；为便于后续采用PGA方法进行残余相位误差估计补偿，在方位向进行逆匹配滤波，匹配滤波相位/>表示为，

，

其中，为方位调频率，最后进行二维傅里叶逆变换，将回波重新变换到二维时域。

步骤8：基于相位梯度自聚焦（PGA）的残余相位误差提取。

由于测量精度有限以及补偿过程中存在近似，运动误差的影响并没有完全消除，通常采用PGA方法进行残余相位误差补偿。需要指出的是，并不是针对主辅通道数据分别进行PGA操作，而是对主通道数据采用PGA误差提取方法提取相位误差，将提取的相位误差对主通道数据、辅通道数据分别进行PGA误差补偿。

步骤9：对主通道数据、辅通道数据进行方位聚焦处理，即方位匹配滤波处理。

采用方位匹配滤波完成主辅通道数据成像处理，得到聚焦且保相的成像结果，方位匹配滤波函数如下，

。

实施例

将本发明方法应用于机载方位四通道SAR飞行试验数据，验证发明方法的有效性，具体试验参数如下：

，

采用本发明方法处理得到的SAR图像如图3所示，聚焦质量良好。

如图4所示，给出通道2与通道1（参考通道）干涉相位图，可见整体相位分布较为均匀，其中，横轴为回波数据的方位向脉冲序列，纵轴为距离向采样点数序列；如图5所示，给出干涉相位图的统计直方图，其中，横轴为相位误差范围（）纵轴为像素数序列；可见干涉相位集中于0弧度附近，由于飞行姿态导致的通道间相位不一致有效消除，证明所提方法的有效性。

以上所述，仅为本发明的一个实施例而已，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。

Claims (3)

1.一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在多通道机载SAR系统中，设平台航迹方向第一个通道为主通道，其他通道为辅通道，并基于多通道机载SAR主通道数据，进行多普勒中心估计，得到系统多普勒中心；

步骤2，基于步骤1获得的系统多普勒中心，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据分别进行多普勒中心平移；

步骤3，基于步骤2多普勒中心平移后的数据，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据分别进行距离向压缩；

步骤4，基于飞机上装备的惯性测量单元或者定位定姿设备输出的东北天速度分量，计算多通道机载SAR主通道数据的三维运动误差；

步骤5，基于惯性测量单元或者定位定姿设备输出的偏航、横滚、俯仰姿态信息以及通道之间的物理间隔，建立多通道相位中心误差关联模型，所述多通道相位中心误差关联模型表征多通道机载SAR主通道数据、辅通道之间的误差关联关系；

步骤6，基于获得的主通道数据的三维运动误差以及多通道相位中心误差关联模型，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据进行三维运动误差补偿；

步骤7，完成三维运动误差补偿后，对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据进行距离徙动校正操作；

步骤8：对距离徙动校正后的多通道机载SAR主通道数据采用相位梯度自聚焦方法提取残余相位误差，将提取的残余相位误差用于对多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据进行相位误差补偿；

步骤9，对完成相位误差补偿的主通道数据、辅通道数据进行方位聚焦处理，通过方位匹配滤波完成多通道机载SAR主通道数据、辅通道数据成像处理，得到保相且聚焦良好的图像。

2.根据权利要求1所述的一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法，其特征在于，所述步骤5多通道相位中心误差关联模型为，

，

其中，为辅通道相位中心三维运动误差分量，为主通道相位中心三维运动误差分量，/>表示在平台坐标系下，辅通道的坐标，/>表示/>、/>、/>的级联旋转矩阵，、/>、/>分别表示平台坐标系绕Z轴、Y轴、X轴的旋转矩阵，/>表示方位时间轴。

3.根据权利要求2所述的一种多通道SAR运动误差关联成像处理方法，其特征在于，所述步骤6中三维运动误差补偿包括沿航迹向运动误差补偿和斜距空间位置误差补偿；其中，沿航迹向运动误差补偿依据sinc插值函数进行，将斜距空间位置误差转化为包络误差和相位误差进行补偿。