[发明专利]一种适用于高速机动飞行器载SAR成像的运动补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种适用于高速机动飞行器载SAR成像的运动补偿方法。

背景技术

与光学系统相比，合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)具备全天时、全天候以及远作用距离的优势。对于高速机动飞行器而言，如导弹，空天飞机等，通过SAR成像可以获取包含特征地貌的高分辨微波图像，将其与数据库中存储的基准图像进行匹配，从而由几何关系解算出飞行器位置坐标，达到修正惯导累积误差、提高制导精度的目的。因此，高速机动飞行器载SAR成像方法的研究具有重要的实际意义。

针对高速机动飞行器载SAR成像，现有技术中的算法均假设俯冲阶段的运动轨迹信息是完全精确已知的；在实际中，由于惯导误差的存在，成像处理使用的运动轨迹信息与真实的运动状态存在一定程度的偏差，即SAR的运动误差。该运动误差的存在将对回波信号引入额外的相位调制。在宽测绘带情况下，该相位调制的大小随距离向变化，并严重影响SAR图像的聚焦质量。另外，在俯冲阶段，载体往往具有较大的垂直向速度和垂直向加速度，而常规机载SAR的运动误差模型一般只考虑较小的侧向速度和侧向加速度，常规机载SAR的运动补偿方法已不再适用于高速机动飞行器载SAR。因此，本发明针对高速机动飞行器载SAR成像中的运动误差问题，提出了一种适用于高速机动飞行器载SAR的运动补偿方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于高速机动飞行器载SAR的运动补偿方法，首先对常规机载SAR的运动误差模型进行了扩展，通过保留载体垂直运动分量的高阶展开项与相关耦合项，使之满足高速机动飞行器载SAR的运动补偿要求。随后，以扩展的运动误差模型为基础，详细分析了由载体运动误差引入的残余多普勒调频率及其对成像的影响，并推导了相应的运动补偿方法。该方法在完成对SAR信号的初步方位解线频调(Deramp)处理之后，利用惯导信息对数据沿距离向进行合理分块，而后，对各子块的残余多普勒调频率进行估计并由此补偿相应的空变相位误差，从而使SAR图像的聚焦质量得到改善。在成像处理中，由于子块内部按照距离不变的假设处理，对残余多普勒调频率的估计精度和效率均得到了有效提高；而子块与子块之间体现了残余多普勒调频率随距离向的变化，因此本发明的运动补偿方法适用于宽测绘带条件下的高速机动飞行器载SAR成像。最后，通过点目标仿真和场景目标仿真，验证了所述方法的有效性。

其技术方案如下：

一种适用于高速机动飞行器载SAR成像的运动补偿方法，包括以下步骤：

(1)对高速机动飞行器载SAR的斜距方程进行泰勒展开，建立高速机动飞行器载SAR的运动误差模型；

(2)基于高速机动飞行器载SAR运动误差模型，推导存在运动误差情况下的多普勒调频率表达式；

(3)对经过距离徙动校正和距离压缩的SAR回波数据进行初步的方位Deramp处理，从而得到残余多普勒调频率的表达式；

(4)根据已知的惯导精度和残余调频率带来的相位误差不超过π/4的准则，确定距离向分块的大小；

(5)多普勒调频率估计：

5a)按照确定的距离向分块大小，对各距离向分块的数据分别利用多普勒调频率估计方法进行残余多普勒调频率估计；

5b)按照确定的距离向分块大小，利用各距离分块数据的图像信杂比计算得到各距离向子块的残余多普勒调频率估计误差的协方差矩阵，并对该协方差矩阵进行矩阵求逆从而得到最优权值矩阵；

5c)采用加权最小二乘估计，利用步骤5a)得到的残余多普勒调频率的估计值和步骤5b)得到的最优权值矩阵估计值从而得到每个距离单元的残余多普勒调频率；

(6)运动误差补偿：

6a)对得到的每个距离单元的残余多普勒调频率对慢时间做二重积分，从而构造所需要的误差相位补偿函数；

6b)将经过初步的方位Deramp处理之后的数据和相位误差补偿函数相乘实现运动误差的补偿。

本发明的有益效果：本发明所述方法针对高度机动飞行器的运动特性，充分利用惯导信息并结合多普勒调频率估计，有效提取回波信号中沿距离向变化的残余多普勒调频率，从而补偿相应的空变相位误差。仿真结果表明本发明方法能够有效减小运动误差对聚焦的影响，并获得了较好的成像结果。

附图说明

图1为本发明成像处理流程图；

图2为子孔径内对于场景中心点P₀的斜距近似误差曲线，其中图2(a)为采用常规机载SAR运动误差模型，图2(b)为采用本发明运动误差模型；