[发明专利]基于子孔径合成的圆周SAR后向投影自聚焦方法

摘要

本发明公开了一种基于子孔径合成的圆周SAR后向投影自聚焦方法，它是通过将圆周SAR全孔径回波数据划分成子孔径回波数据，在观测场景中选取强散射单元进行基于图像锐度最大化的后向投影自聚焦处理估计每个子孔径回波数据的相位误差，然后将所有子孔径回波数据的相位误差合成为圆周SAR全孔径回波数据相位误差，最后将求解出的圆周SAR全孔径回波数据相位误差进行精确的圆周SAR后向投影成像。本发明方法与现有的圆周SAR后向投影自聚焦算法相比，具有成像精度高和速度快的特点，适用于圆周SAR大场景实测数据的处理。

主权项

一种基于子孔径合成的圆周SAR后向投影自聚焦方法，其特征是它包括如下步骤：步骤1、初始化圆周SAR系统参数和回波数据初始化圆周SAR系统参数包括：雷达平台初始位置矢量，记做P0＝[x0,y0,z0]，x0为雷达平台在水平面横轴向上的初始位置，y0为雷达平台在水平面纵轴向上的初始位置，z0为雷达平台在地面垂直高度向上的初始位置；雷达平台初始速度矢量，记做V＝[vx,vy,vz]，其中vx为雷达平台在水平面横轴向上的速度，vy为雷达平台在水平面纵轴向上的速度，vz为雷达平台在垂直地面高度向上的速度；雷达发射电磁波的载频，记做fc；雷达发射电磁波的带宽，记做Br；雷达工作的载频波长，记做λ；雷达平台的飞行半径，记做R；雷达平台的方位角，记做θ；雷达平台的俯仰角，记做电磁波在空气中的传播速度，记做C；雷达距离向快时间采样点数，记做K；雷达方位向慢时间采样点数，记做M；上述参数均为圆周SAR系统标准参数，其中雷达平台初始位置矢量P0和平台初始速度矢量V在圆周SAR观测方案设计中已经确定；雷达发射电磁波的载频fc，雷达发射电磁波的带宽Br，雷达平台的方位角θ，雷达平台的俯仰角雷达距离向快时间采样点数K，雷达方位向慢时间采样点数M在圆周SAR系统设计过程中已经确定；根据传统的圆周SAR成像系统方案和圆周SAR观测方案，圆周SAR成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知；圆周SAR在第k个距离向快时刻和第m个方位向慢时刻的回波数据，记做S(k,m)，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M；圆周SAR全孔径回波数据矩阵,记做S，S为K行M列矩阵；在圆周SAR数据进行成像之前，回波数据S(k,m)和圆周SAR全孔径回波数据矩阵S均为已知；步骤2、初始化圆周SAR观测场景参数初始化圆周SAR的观测场景参数，包括：以雷达波束照射区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的三维空间直角坐标作为圆周SAR的观测场景空间，记为Ω；将观测场景空间Ω均匀划分成大小相等的立体单元格，也称为分辨单元，单元网格在水平横向、水平纵向和高度向边长分别记为dx、dy、dz，观测场景空间Ω水平横向、水平纵向和高度向的分辨单元总数分别记为Nx、Ny、Nz；观测场景目标空间Ω中第n个单元格的坐标矢量，记做Dn，n表示观测场景目标空间Ω中第n个单元格，n为正整数，n＝1,2,…,N,N为观测场景目标空间Ω中的单元格总数，且N＝Nx×Ny×Nz；步骤3、全孔径回波数据划分成子孔径回波数据将圆周SAR全孔径回波数据矩阵S在方位向上划分成I个子孔径回波数据矩阵，I为正整数，每个子孔径回波数据矩阵，记为i为正整数，i＝1,2,…,I，圆周SAR全孔径回波数据矩阵可以表示为其中S为步骤1中得到的圆周SAR全孔径回波数据矩阵；步骤4、计算子孔径回波数据后向投影累积函数矩阵采用传统的后向投影算法，求得步骤3中的第i个子孔径回波数据的后向投影积累函数矩阵，记做Bi，i为正整数，i＝1,2,…,I，矩阵Bi的维数为N行、L列；其中N为步骤2中得到的观测场景目标空间Ω中的单元格总数，L为步骤3中第i个子孔径回波数据矩阵的方位向慢时刻个数；步骤5、选择观测空间中的强散射单元设定圆周SAR观测场景目标空间Ω中强散射单元的幅度阀值，记为ε；采用公式W＝Bi·IL计算得到圆周SAR观测场景散射系数的后向投影成像矩阵，记为W，W为N行、1列矩阵，矩阵W的第n个元素记为Wn，n＝1,2,…,N，其中Bi为步骤4得到的第i个子孔径回波数据的后向投影积累基函数矩阵，N为步骤2中得到的观测场景目标空间Ω中的单元格总数；矩阵IL为L行、1列的向量，并且矩阵IL中所有元素都为1；采用公式α＝{n||Wn|≥ε·max(|W|),n＝1,2,…,N}，计算得到观测场景目标空间Ω中强散射单元所在的序号向量，记为α，向量α的第c个元素记为αc；其中c为自然数，c＝1,2,…,Q，Q为向量α中元素的总个数，Wn为矩阵W的第n个元素，|·|表示为取绝对值运算符号，n||Wn|≥ε·max(|W|)表示满足条件|Wn|≥ε·max(|W|)所对应的序号n，max(·)表示为取最大值运算符号，N为步骤2中得到的观测场景目标空间Ω中的单元格总数；矩阵Bi可以表示为其中Bi1Bi2...BiN为矩阵Bi第1,2,…,N行行向量，向量Bi1Bi2...BiN维数大小均为1行L列，N为步骤2中得到的观测场景目标空间Ω中的单元格总数，L为步骤3中第i个子孔径回波数据矩阵的方位向慢时刻个数，T为转置运算符；在矩阵Bi中，选择序号向量α＝[α1α2...αQ]中元素值所对应的行向量组成矩阵其中T为转置运算符；矩阵为观测场景目标空间Ω中强散射单元的后向投影积累基函数矩阵，记为BSi，矩阵BSi的维数大小为Q行、L列；其中Q为向量α中元素的总个数，L为步骤3中第i个子孔径回波数据矩阵的方位向慢时刻个数，Bi为步骤4得到的第i个子孔径回波数据矩阵的后向投影积累基函数矩阵；步骤6、对强散射单元做基于图像锐度最大化的后向投影自聚焦处理采用传统的基于图像锐度最大化的后向投影自聚焦算法，对步骤5中计算出的观测场景目标空间Ω中强散射单元的后向投影积累基函数矩阵BSi做后向投影自聚焦处理，得到第i个子孔径回波数据的相位误差向量φi，φi是维数为1行、L列的向量，i＝1,2,…,I；其中L为步骤3中第i个子孔径回波数据矩阵的方位向慢时刻个数，BSi为步骤5中得到的强散射单元的后向投影积累基函数矩阵；步骤7、计算每个子孔径回波数据相位误差向量重复执行步骤4到步骤6，计算得到所有子孔径回波数据的相位误差向量φ1,φ2,...,φI，i＝1,2,…,I；步骤8、计算全孔径回波数据相位误差向量全孔径回波数据误差向量为所有子孔径回波数据的误差向量按序号大小组成的矩阵[φ1φ2...φI]，记做Φ，Φ为1行、M列矩阵，其中M为步骤1中圆周SAR全孔径回波数据矩阵S的方位向慢时刻个数；步骤9、圆周SAR后向投影成像采用传统的后向投影算法，得到圆周SAR全孔径回波数据矩阵S的后向投影积累函数矩阵，记做B，矩阵B的维数为N行M列，其中S为步骤1中圆周SAR全孔径回波数据矩阵，N为步骤2中得到的观测场景目标空间Ω中的单元格总数，M为步骤1中圆周SAR全孔径回波数据矩阵S的方位向慢时刻个数；用公式Ψ＝exp(‑jΦ)计算得到全孔径回波数据相位误差指数补偿向量，记为Ψ，向量Ψ是维数大小为1×M的行向量，其中Φ为步骤8得到的全孔径回波数据相位误差向量，exp(·)为自然常数e为底的指数运算符号；用公式A＝B·ΨT计算得到圆周SAR观测场景后向投影成像结果，其中B为步骤9得到的圆周SAR全孔径回波数据S的后向投影积累基函数矩阵,ΨT为相位误差指数补偿向量Ψ的转置，T为转置运算符。