本發(fā)明涉及雷達(dá)信號(hào)處理，具體涉及一種多級(jí)子孔徑分割的sar自聚焦方法。

背景技術(shù)：

1、合成孔徑雷達(dá)(sar，synthetic?aperture?radar)作為一種強(qiáng)大的遙感技術(shù)，在全天候、全天時(shí)條件下提供地表高分辨率成像能力，廣泛應(yīng)用于地理測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋觀測(cè)、軍事偵察等領(lǐng)域。然而，由于雷達(dá)系統(tǒng)本身的不完善、飛行器運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定、以及大氣效應(yīng)等因素，采集到的原始sar數(shù)據(jù)往往含有相位誤差，這些誤差會(huì)嚴(yán)重影響最終圖像的聚焦質(zhì)量和空間分辨率，導(dǎo)致圖像模糊、失真，影響信息的準(zhǔn)確提取與分析。因此，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是獲取高質(zhì)量sar圖像的重要環(huán)節(jié)。

2、相關(guān)技術(shù)中，常見的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法包括基于傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)補(bǔ)償策略和基于回波數(shù)據(jù)的自聚焦策略兩大類。在大多數(shù)情況下，僅僅由慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量得到的運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量不能滿足sar高質(zhì)量成像的需求，對(duì)于易容受大氣擾動(dòng)影響的輕、小平臺(tái)尤為嚴(yán)重。此外，相對(duì)于低分辨率的sar系統(tǒng)，高分辨率sar系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差更為敏感，對(duì)誤差測(cè)量和估計(jì)精度提出更高的要求。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，無論是民用還是軍用領(lǐng)域，用戶對(duì)sar分辨率的要求也在逐步提升，因此，進(jìn)行基于回波數(shù)據(jù)的高精度自聚焦算法的研究顯得尤為迫切?；诨夭〝?shù)據(jù)的自聚焦算法主要分為兩大類，無參估計(jì)算法和基于模型的有參估計(jì)算法。無參估計(jì)算法估計(jì)精度高，但對(duì)場(chǎng)景依賴性較強(qiáng)，比如要求場(chǎng)景中有較強(qiáng)的散射點(diǎn)等?；谀Ｐ偷挠袇⒐烙?jì)算法，對(duì)場(chǎng)景無特殊要求，估計(jì)效率高，但誤差形式和誤差階數(shù)依賴于模型。

3、此外，上述兩大類自聚焦算法往往配合子孔徑進(jìn)行使用，而以往的子孔徑算法都是直接將數(shù)據(jù)劃分多個(gè)子孔徑進(jìn)行處理，但由于高分辨率sar系統(tǒng)收集的原始數(shù)據(jù)受運(yùn)動(dòng)誤差污染嚴(yán)重，一級(jí)子孔徑的估計(jì)效果并不一定好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種多級(jí)子孔徑分割的sar自聚焦方法，解決了子孔徑估計(jì)的潛能有待進(jìn)一步挖掘的技術(shù)問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

5、一種多級(jí)子孔徑分割的sar自聚焦方法，包括：

6、獲取并預(yù)處理原始sar回波數(shù)據(jù)，獲取粗聚焦sar圖像；

7、在方位頻率域上將所述粗聚焦sar圖像劃分為若干一級(jí)子孔徑；

8、將每一所述一級(jí)子孔徑的多普勒中心移至零頻；

9、將每一經(jīng)過多普勒中心調(diào)整的一級(jí)子孔徑均勻劃分為若干二級(jí)子孔徑；

10、基于模型或基于相位梯度的聚焦算法，將每一所述二級(jí)子孔徑分別進(jìn)行自聚焦處理；

11、將每一自聚焦后的二級(jí)子孔徑重新合成對(duì)應(yīng)的一級(jí)子孔徑；

12、基于模型或基于相位梯度的聚焦算法，將每一合成的一級(jí)子孔徑分別進(jìn)行自聚焦處理；

13、將每一完全聚焦的一級(jí)子孔徑合成為單一的全孔徑sar圖像。

14、優(yōu)選的，在方位頻率域?qū)⑺龃志劢箂ar圖像劃分為兩個(gè)一級(jí)子孔徑，包括：

15、將所述粗聚焦sar圖像的方位頻域信號(hào)與初始化的匹配濾波函數(shù)相乘，獲取距離多普勒信號(hào)；

16、采用逆快速傅里葉變換對(duì)所述距離多普勒信號(hào)進(jìn)行處理，并取其絕對(duì)值，分別獲取左右子孔徑圖像；

17、計(jì)算所述左右子孔徑圖像之間的相對(duì)位移；

18、基于所述相對(duì)位移以及有效多普勒帶寬，計(jì)算方位頻域線性調(diào)頻率誤差；

19、基于所述方位頻域線性調(diào)頻率誤差，修正所述匹配濾波函數(shù)，并重復(fù)以上操作，直至所述方位頻域線性調(diào)頻率誤差滿足預(yù)設(shè)精度；

20、輸出最終獲取的所述左右子孔徑圖像，并作為兩個(gè)所述一級(jí)子孔徑。

21、優(yōu)選的，所述方位頻域線性調(diào)頻率誤差的計(jì)算過程包括：

22、設(shè)所述粗聚焦sar圖像的方位向多普勒譜模型如下式所示：

23、

24、其中，s為方位理想二次相位匹配之后的方位頻譜，fa為方位向頻率，bd為多普勒帶寬，j為虛數(shù)單位，δkaf為方位調(diào)頻率誤差，rect(·)為矩形窗函數(shù)，exp(·)是以自然常數(shù)為底數(shù)的指數(shù)函數(shù)；

25、在頻域?qū)⒎轿幌騽澐譃樽笥易涌讖綀D像：

26、

27、其中，s1、s2分別為方位頻譜表示s劃分后的左右子孔徑圖像的方位頻譜；

28、對(duì)應(yīng)的時(shí)域表達(dá)式為：

29、

30、其中，s1(ta)和s2(ta)分別表示左右子孔徑圖像對(duì)應(yīng)的時(shí)域圖像，式(4)和式(5)中第一項(xiàng)rect(·)為時(shí)域信號(hào)的包絡(luò)，左右子孔徑圖像之間的相對(duì)位移為：

31、

32、基于方位線性調(diào)頻率與相對(duì)位移、多普勒帶寬之間的關(guān)系，獲取在方位頻域線性調(diào)頻率誤差為：

33、

34、其中，δkaf為方位頻域線性調(diào)頻率誤差，δt為相對(duì)位移。

35、優(yōu)選的，所述將每一經(jīng)過多普勒中心調(diào)整的一級(jí)子孔徑至少均勻劃分為兩個(gè)二級(jí)子孔徑，包括：

36、對(duì)每一經(jīng)過多普勒中心調(diào)整的一級(jí)子孔徑進(jìn)行方位向傅里葉變換，以在方位頻域?qū)⑿盘?hào)的有效多普勒帶寬均勻劃分為n個(gè)子帶，并作為n個(gè)二級(jí)子孔徑；其中n為大于等于2的正整數(shù)。

37、優(yōu)選的，所述將每一所述二級(jí)子孔徑分別進(jìn)行自聚焦處理，包括：

38、將所述n個(gè)二級(jí)子孔徑沿方位向進(jìn)行逆傅里葉變換，獲取n個(gè)子孔徑時(shí)域圖像；

39、計(jì)算任意一個(gè)子孔徑時(shí)域圖像對(duì)之間的互相關(guān)函數(shù)，獲取個(gè)互相函數(shù)；

40、搜索所述互相關(guān)函數(shù)對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)位置，獲取所述子孔徑時(shí)域圖像對(duì)之間的偏移量；

41、基于所述偏移量，構(gòu)建偏移量矩陣；

42、構(gòu)建由2～n階相位誤差引入的任意一個(gè)子孔徑圖像對(duì)之間的位置偏移量矩陣；

43、基于所述偏移量矩陣以及所述位置偏移量矩陣，求解n階相位誤差對(duì)應(yīng)的各階多項(xiàng)式系數(shù)；

44、基于所述各階多項(xiàng)式系數(shù)，執(zhí)行補(bǔ)償操作以確保每一所述二級(jí)子孔徑達(dá)到最佳聚焦?fàn)顟B(tài)。

45、優(yōu)選的，所述n階相位誤差對(duì)應(yīng)的各階多項(xiàng)式系數(shù)的計(jì)算過程包括：

46、設(shè)一級(jí)子孔徑中任意一個(gè)子孔徑頻域內(nèi)包含的誤差相位是n階多項(xiàng)式的形式，不包括線性誤差；相位誤差模型為：

47、

48、其中，φe為相位誤差，bsd為一級(jí)子孔徑對(duì)應(yīng)的多普勒帶寬ak為多項(xiàng)式相位誤差模型中第k階相位誤差系數(shù)，為方位向頻率fa的k次方，即相位誤差模型中的第k階相位誤差；

49、將一級(jí)子孔徑中的任意一個(gè)子孔徑劃分為n個(gè)子孔徑，子孔徑的寬度為在第i個(gè)子孔徑范圍內(nèi)相位誤差為：

50、

51、其中，φi表示第i個(gè)子孔徑內(nèi)相位誤差，fai為第i個(gè)子孔徑的中心，表達(dá)式為：

52、

53、在相位誤差模型中，通過二項(xiàng)式分解可知，線性相位誤差分量的模型為：

54、

55、其中，φl(shuí)in,i為第i個(gè)子孔徑內(nèi)相位誤差中φi的線性誤差分量，為第i個(gè)子孔徑中心fai的k-1次方；

56、任意兩個(gè)子孔徑圖像i和j之間的偏移量δi,j為：

57、

58、將上述線性方程組用矩陣的形式表示，則位置偏移量矩陣δ：

59、δ＝δa???(13)

60、其中

61、δ＝[δ1,2…δ1,n?δ2,3…δ2,n?δ3,4…δn-1,n]t???(14)

62、a＝[a2?a3?…?an]t???(15)

63、

64、其中，上標(biāo)t表示轉(zhuǎn)置；表示第i和第j個(gè)子孔徑圖像由第k階相位誤差引入的位置偏移量，定義如下：

65、

66、則多項(xiàng)式誤差系數(shù)的解近似為：

67、a＝δ-1δ???(18)

68、其中，δ-1為位置偏移量矩陣δ的偽逆矩陣。

69、一種多級(jí)子孔徑分割的sar自聚焦系統(tǒng)，包括：

70、獲取模塊，用于獲取并預(yù)處理原始sar回波數(shù)據(jù)，獲取粗聚焦sar圖像；

71、一級(jí)劃分模塊，用于在方位頻率域上將所述粗聚焦sar圖像劃分為若干一級(jí)子孔徑；

72、調(diào)整模塊，用于將每一所述一級(jí)子孔徑的多普勒中心移至零頻；

73、二級(jí)劃分模塊，用于將每一經(jīng)過多普勒中心調(diào)整的一級(jí)子孔徑均勻劃分為若干二級(jí)子孔徑；

74、第一自聚焦模塊，用于基于模型或基于相位梯度的聚焦算法，將每一所述二級(jí)子孔徑分別進(jìn)行自聚焦處理；

75、第一合成模塊，用于將每一自聚焦后的二級(jí)子孔徑重新合成對(duì)應(yīng)的一級(jí)子孔徑；

76、第二自聚焦模塊，用于基于模型或基于相位梯度的聚焦算法，將每一合成的一級(jí)子孔徑分別進(jìn)行自聚焦處理；

77、第二合成模塊，用于將每一完全聚焦的一級(jí)子孔徑合成為單一的全孔徑sar圖像。

78、一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其存儲(chǔ)有用于多級(jí)子孔徑分割的sar自聚焦的計(jì)算機(jī)程序，其中，所述計(jì)算機(jī)程序使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行如上所述的sar自聚焦方法。

79、一種電子設(shè)備，包括：

80、一個(gè)或多個(gè)處理器；存儲(chǔ)器；以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中所述一個(gè)或多個(gè)程序被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中，并且被配置成由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述程序包括用于執(zhí)行如上所述的sar自聚焦方法。

81、(三)有益效果

82、本發(fā)明提供了一種多級(jí)子孔徑分割的sar自聚焦方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備以下有益效果：

83、本發(fā)明中，預(yù)處理原始sar回波數(shù)據(jù)以獲取粗聚焦sar圖像；然后針對(duì)粗聚焦sar圖像，通過劃分頻域子孔徑降低圖像分辨率，降低圖像對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差的靈敏度；接著在每一級(jí)子孔徑采用基于模型或基于相位梯度的聚焦算法，獲得聚焦效果較好的各級(jí)子孔徑圖像質(zhì)量；通過逐級(jí)子孔徑聚焦，最終實(shí)現(xiàn)sar圖像的全局聚焦。相對(duì)于直接劃分多個(gè)子孔徑，提升效率的同時(shí)，極大地改善了sar圖像聚焦效果，并在仿真、實(shí)際機(jī)載飛行以及星載數(shù)據(jù)中均得到了有效驗(yàn)證。