1、文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.【關(guān)鍵字】速度第六章合成孔徑雷達運動補償機載SAR運動補償可分為實時運動補償和成像處理運動補償。實時運動補 償就是利用飛機上的慣性導(dǎo)航設(shè)備和運動傳感器測出飛機的姿態(tài)和速度變化，對雷達參數(shù)進行實時調(diào)整，根據(jù)飛機姿態(tài)變化調(diào)整天線波束指向，根據(jù)飛機速度調(diào) 整脈沖重復(fù)頻率，消除不均勻采樣誤差，根據(jù)天線相位中心到場景中心線的距離， 調(diào)整快時間采樣起始時刻。實時運動補償能消除部分運動誤差，但要實現(xiàn)高分辨 率成像，還需要在成像處理中進行精確的運動補償，成像處理運動補償可又分為 兩類，一是基于運動傳感器的運動補償，二是基于雷達高分辨回波數(shù)據(jù)的運動補

2、 償。成像處理運動補償中，基于回波數(shù)據(jù)的運動補償本質(zhì)上和基于運動傳感器的 運動補償相同，只不過運動參數(shù)（主要是多普勒中心和調(diào)頻率參數(shù)）是通過回波數(shù) 據(jù)估計得到。由載機引起的合成孔徑陣列誤差主要可分為沿著航向的誤差和垂直航向的 誤差，下面分別討論對它們的運動補償。6.1垂直航線運動分量的補償由大氣擾動引起的運動誤差的補償是機載SAR系統(tǒng)中一個關(guān)鍵問題。在SAR成像系統(tǒng)中因運動誤差而引起的主要影響表現(xiàn)有：空間和輻射分辨率的下 降，方向模糊，幾何和相位失真。運動誤差通常可用捷連慣導(dǎo)單元（IMU）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）測得。對從IMU或INS的加速度計和陀螺儀獲得的數(shù)據(jù)進行處理可以重構(gòu)出飛機的三維運

3、 動軌跡（即沿航向，垂直航向，天頂方向），同時也可得到IMU位置的三個角度 分量（即偏航角，俯小?角，滾轉(zhuǎn)角）。由于我們關(guān)心的是天線相位中的運動誤差， 所以需要知道IMU和天線中心位置之間的距離，以便將IMU位置的運動信息換 算到相位中心位置，同時需要將慣導(dǎo)系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)相結(jié)合，把相位位置轉(zhuǎn) 變?yōu)榻^對位置。由于從慣導(dǎo)系統(tǒng)得來的運動參數(shù)常常受到系統(tǒng)誤差（例如，加速度計的積分引起的偏差）的影響，通過從SAR數(shù)據(jù)中估計可進一步提高運動參數(shù) 的精度。1文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.下面，我們先分析SAR處理中的運動誤差

4、對成像的影響。我們假設(shè)機載SAR 沿著圖6-1所描繪的飛行軌跡運動，同時也給出了一條理想的直線飛行軌跡。因 為在直角坐標系中的X軸方向和理想方向一致，所以，雷達位置（天線孔彳中心） 和任意一個點目標在時刻的距離可表示為（6.（1） 其中，取，并且取值為雷達平臺沿軸運動的平均速度，是在沿航跡方向，由于實 際速度與理想速度的速度差而引起的位置差。通常通過實時校正脈沖重復(fù)頻率或 改變SAR錄取數(shù)據(jù)的方向向采樣率，來補償因運動速度不穩(wěn)而產(chǎn)生的變化量（在 沒有慣導(dǎo)或慣導(dǎo)情況下，還需要對此位置偏差進行校正，此問題將在下一節(jié)詳細 討論）。因此，（6.1）式中的將在下面的分析中可被省略掉。圖6-1 SAR存在

5、運動誤差的幾何關(guān)系示意圖對（6.1）作近似得（6.（2）其中是沒有速度擾動時雷達到目標的最短斜距，是視角。通過對（6.2）式中的傳感器到目標的距離與理想時的斜距作比較，可注意到運動誤差引進了兩個附加因子，這兩因子說明了沿和向的平臺偏移部分 （參考圖6-2）,這些偏移總稱為 瞄準線偏移（LOS）o（6.（3） 圖6-2瞄準線在軸方向投影（左圖）和軸方向投影（右圖）瞄準線的偏移需要通過兩種補償來完成校正：一種是距離的重采樣，校正 由于而造成的回波延時的變化（若遠小于距離采樣間隔，則此項可忽略），第二種 是相位的校正。不好的是，偏移量不僅和平臺的運動偏差有關(guān)，而且和目標的視角有關(guān)，并且后者是不確定的

6、，因為視角和場景有關(guān)。為了便于分析處理，我們先假設(shè)地面近似為一平面，所以（6.（4）其中代表（平均的）飛行高度，這樣我們可得到（6.（5）可見不僅和距離有關(guān)，同時也和方向有關(guān)。另外，在SAR錄取數(shù)據(jù)階段是個未知量。在忽略了距離徙動的情況下，我們做完距離壓縮以后就可以對瞄準線2文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.偏差進行補償，即斜距近似等于垂直距離，則（6.（6）在距離徙動不能忽略的情況下，因為在距離壓縮之后不能假設(shè)成立，所以 補償過程會更加困難些。解決此問題的可行方案是通過解耦合分兩次進行相位校 正，即我們常說的一次運動

7、補償因子，二次運動補償因子(Moreira and Huang,1994)。一次運動補償因子定義為校正給定參考距離的瞄準線誤差所造成的相位， 其中典型的參考距離就是成像中心的距離，具為：（6.（7） 這種校正即可在距離壓縮后的數(shù)據(jù)進行， 又可在距離壓縮之前進行。在我們進行 一次運動補償時，距離壓縮步驟(如果此前我們沒有進行距離壓縮)和距離單元徙 動校正可同時進行。注意和距離有關(guān)的運動誤差部分對距離徙動校正的影響很 小，因此距離徙動校正能在忽略了這部分運動誤差的情況下的進行。下面，我們假設(shè)，二次運動補償是對瞄準線偏差的距離變化部分的校正。并且有下式（6.（8） 最后，我們再完成方向壓縮。垂直航線

8、運動誤差的補償流程圖如圖 6-3所示。其中包括距離徙動校正和方 向濾波過程。圖6-3 SAR有運動誤差時處理的流程圖6.2速度不穩(wěn)時的運動補償(沿航線運動分量的補償)在機載SAR中，由于1)載機速度不穩(wěn)，2)氣流使飛機偏航，使機載雷達的 多普勒參數(shù)(包括多普勒中心和調(diào)頻率)隨時間不斷變化。多普勒參數(shù)一方面可以 從慣導(dǎo)得到，另一方面可以從錄取的數(shù)據(jù)中估計出來。 從慣導(dǎo)得到的速度和偏流 角精度相對比較低，對較低分辨率和單視處理成像有時能滿足要求，但對高分辨率成像往往很難滿足要求，需要根據(jù)數(shù)據(jù)估計。根據(jù)已往機載飛行經(jīng)驗，多普勒 參數(shù)通常需要1秒鐘更新一次。從慣導(dǎo)計算多普勒參數(shù)比較簡單，直接計算即可。

9、 下面主要介紹從數(shù)據(jù)估計多普勒參數(shù)方法。3文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.多普勒中心和調(diào)頻率不準確將影響圖像質(zhì)量。 特別在波束較窄的情況下，多 普勒中心不準對圖像影響更嚴重。 的波束寬度較大，穩(wěn)定平臺較好的情況下，多 普勒中心可以不估計，用零即可。多普勒調(diào)頻不準會使圖像散焦， MD算法在波 束寬度比較窄的情況下，估計效果也差。所以從多普勒參數(shù)的角度看，雷達寬波 束有好處。(1)多普勒中心估計國內(nèi)外文獻討論的多普勒中心估計方法主要有能量均衡法、相關(guān)函數(shù)法、最優(yōu)估計法。主要采用相關(guān)函數(shù)法。設(shè)在沒有多普勒中心偏移時，回波在

10、方向向的 功率譜為，它和天線方向圖相同，以零頻對稱，功率譜對應(yīng)的相關(guān)函數(shù)為為實函 數(shù)。則在有多普勒偏移時，功率譜為，其相關(guān)函數(shù)變?yōu)?6.9) 于是從的相角可以估計出。由于方向回波是離散采樣的，所以，為整數(shù)，取，可得多普勒中心精估計 為(6.10) 這樣估計得到的的精度遠比包絡(luò)相關(guān)法高， 但由指數(shù)求得的相位范圍為，如果(有 時會遠大于1),則估計的存在的模糊問題。為此，可結(jié)合慣導(dǎo)得到的多普勒中心 作去模糊處理。最后得到精確的無模糊的多普勒中心頻率為(6.11) 這里為脈沖重復(fù)頻率。(2)多普勒調(diào)頻率估計多普勒調(diào)頻率的估計，主要有圖像偏移法(MD算法)，對比度法，最小嫡法， 子孔徑相關(guān)方法，反射率

11、偏移法和平移相關(guān)法。下面主要介紹 MD算法。當(dāng)前實際應(yīng)用中，MD算法仍然是主要的算法，因為MD算法能穩(wěn)健的估計 二次相位，而二次相位是使圖像模糊的主要相位項。MD算法，將全孔徑時間分成不交疊的兩部分孔徑，而利用二次相位在前后 兩部分孔徑中有不同的函數(shù)形式。每部分孔徑可分解成常量、一次分量和二次分 量，其中常量和二次分量相同，一次分量使兩部分孔徑像平移。MD算法就是通4文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.過估計兩部分孔徑像之間平移量，估計整個孔徑的二次項系數(shù)。設(shè)原始數(shù)據(jù)某距離單元方向信號(，)，由于調(diào)頻率比較大，通常是對此

12、方向 信號用初始調(diào)頻率，速度和斜視角由慣導(dǎo)給出，此單元散射點到雷達的斜距離補償，我們可以將此距離單元方向信號寫成，其中取。MD算法將此信號分成前后兩個部分孔徑，即,(6.12),(6.13)前半部分孔徑信號S(tm)傅立葉變換后，其譜為，Si(f)：22Si(tm)e j2ftmdtm g(f kT)(6.14)后半部分孔徑信號S2(t)傅立葉變換后，其譜為，T 二2kTS2(f)T 2s2(tm)e j2 ftmdtm 4 ( f 萬)(6.15)其中口T 2T j 儲 j j j 2 ftM(f)T2a(tm )e4e j2ftmdtm(6.16)T2t j ktm j T2 j2 ftS

13、?2(f)T 2a(tm -)e4ej mdtm(6.17)MD算法基于，前后孔徑的譜相同或相似，即 22S1(f)&(f)(6.18)所以要求距離單元方位信號孔徑時間通常取半個波束寬度飛機飛過的時間以內(nèi)。如果前后半部分孔徑的譜重合，則初始調(diào)頻率kd0等于kd。如果兩譜之間有移動量，則由兩譜之間的頻率差F ,可得到k的估計？F/T。由此可得該距離單元方位信號的估計調(diào)頻率 匕=kd0 R。實際信號是離散，假設(shè)方位重復(fù)頻 率為PRF ,方位信號采樣點數(shù)為N ,前后半部分孔徑的譜之間移動為n點，則2k的估計k? 4 PRF n 0這多普勒調(diào)頻率估計算法流程見圖6-4oN2此時算法完成的只是單

14、個距離單元的調(diào)頻率估計，是否要對所有單元都要用 此算法估計調(diào)頻率呢？實際不需要，因為由(5.16)式變換可得5文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.c 222v coskdR0(6.19)實際上，為了提高調(diào)頻率估計精度，可以將多個 (通常是十多個)距離單元估計的調(diào)頻率乘以該距離單元斜距后平均，獲得22c0s的估計,對它除以各距離單元的距離可獲得該距離單元的調(diào)頻率估計，聚焦深度R -(6.20)a cos其中a為波束寬度，對X波段，窄波束條帶式SAR,其聚焦深度是比較小的，在十幾米的量級，在成像聚焦處理中一般必須考慮多普勒調(diào)

15、頻率隨距離的變化)。22根據(jù)以上對C0s 的估計,以及上一小節(jié)對fdc 2sL的估計，可得出對載機速度v和雷達斜視角的估計。圖6-4多普勒調(diào)頻率估計流程6.2.2瞬時多普勒調(diào)頻率的補償方法在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度不高的情況下，載機速度的精確值可通過雷達實測數(shù)據(jù) 來估計。正側(cè)視條帶式SAR的回波平均多普勒為零，所以不能用它來估計載機 速度。這時可用圖像偏置法(MD)來估計回波的多普勒調(diào)頻率，然后通過調(diào)頻率 計算載機速度，因此可通過多普勒調(diào)頻率的估計來進行相位補償。MD方法通過比較兩小段數(shù)據(jù)橫向像的偏移來估計速度， 所用數(shù)據(jù)段很短，一般遠小于合成孔 徑的長度，所以可認為在該數(shù)據(jù)段內(nèi)載機速度近似為常數(shù)。如

16、此逐段處理，可以得到瞬時多普勒調(diào)頻率kd(t)。可以想象，由于kd實際是變化的，雖然變化值 不大，但在成像過程中也會起散焦作用， 使圖像模糊。空間采樣不均勻本質(zhì)上要 靠插值來解決，但插值運算量大而且會影響圖像質(zhì)量。本章討論用估計得到的 kd(t)對實測數(shù)據(jù)進行校正補償，方法簡單，且在一定條件下可獲得較好的效果。(1)用MD方法估計瞬時多普勒調(diào)頻率圖6-5雷達收集信號的平面模型圖雷達收集信號的模型如圖6-5所示。飛機沿X軸飛行，L是采樣區(qū)間長度6文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.先以場景中的某散射點P(xi)進行討論，L

17、是雷達的合成孔徑長度，Ro是散射點到航跡的最短距離。這樣，令x表示天線位置，用R (與x對應(yīng))表示天線到目標點的瞬時距離，它可以表示為R1 tR；x x1 2(6.21)般總有L R ,因此在x%附近對(6.21)式作泰勒展開，保留其二次項，得Ri(t)1Ro (x2RoXi)2(6.22)載機在各個時刻的瞬時速度表示為平均速度V和擾動速度v(t)之和，所以x(t)可寫為tx(t) oVov(t) dtVotv(t)dt(6.23)把(6.23)式代入(6.22)式為Ri(t)Ro(Vot 2RottX1)o v(t)dtRo2Ro2t(o v(t)dt)2 2Vot o v(t)dtX11(

18、Vot 2Roto v(t)dtXi)2(6.24)以上是載機以變速飛行時，場景中某一放射點(X)的斜距變化情況，假設(shè)已只考Mt)Ro2Ro2(Vot Xi)2 t2R ( o v(t)dt)22Votv(t)dt4 x1Rot0 v(t)dt(6.25)完成了距離徙動校正和距離壓縮，我們可不考慮雷達發(fā)射信號的具體形式, 慮(6.24)式對應(yīng)的多普勒相移，則回波的相位歷程為由(6.25)式可得出瞬時多普勒調(diào)頻率為2K t Ad_Jt)Kd1 t22 dt2KdKd tKd t(6.26)式中2Kd(6.27)2Vo2Ro7文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整

19、理.word版本可編輯.歡迎下載支持.Kd t24Vo v 2 v2(t)R0(6.28)2 td v(t) 2d v(t)Kd t ( v(t)dt Vot) x1 x tx1 (6.29)Ro0dtRodt其中第一項是期望速度產(chǎn)生的調(diào)頻率；第二項為速度變化引起的調(diào)頻率偏差項，其與散射點方位空間位置無關(guān)，容易補償，如何補償將在下面討論；第三項的調(diào) 頻率偏差與散射點方位空間位置有關(guān)，不容易補償。2（V 一V）2從（6.26）式可以看出，若 v（t）為常數(shù) V ,則Kd1（t）3V0V-,即它與“無關(guān)。但在 v（t）變化時，對各個位置不同的散射點應(yīng)有不同的Kd1（t） o從概念上我們知道，當(dāng)載機

20、以勻速飛行時，不同橫向位置的散射點具有相同的系統(tǒng) 響應(yīng)函數(shù)，只是有一定的平移，即系統(tǒng)響應(yīng)為平移不變。若速度時變，則平移不 變性不再滿足,其響應(yīng)與橫向位置 Xi有關(guān)。在場景中直接提取一個單獨點的回波，一般是做不到的。在引言中已經(jīng)提到， 實際瞬時多普勒調(diào)頻率的測量是分成許多小段（認為載機速度為常數(shù)），逐段測量 得到的（可用MD算法求調(diào)頻率），在某一小段內(nèi)有Kd1(t)一 2 一2M2V0 VRTV2)一 2一 22Vo 4V0 V 2 V2不R0(6.30)比較（6.30）式和（6.26）式可見，（6.30）式只包含了（6.26）式的前兩項，而沒有包含第 三項。（6.26）式是精確的，但實際上不可

21、能得到。（6.30）式是分成小段，而在段內(nèi) 作勻速近似估計得到的。先認為MD方法對忽略 Kd t的調(diào)頻率的估計是準確的。對 Kd t的忽略條件將在后面討論，下面先討論Kd t忽略情況下，方位成像中的調(diào)頻率變化補償，即在（6.30）式基礎(chǔ)上的補償。（2）速度變化產(chǎn)生的調(diào)頻率變化的補償我們的相位補償方法是將（10）式測得離散的Kd1（t）通過插值畫成曲線，去掉它的平均值Kd ,將余下的 Kd作二次積分，得到相位偏差值 （t）,再從實8文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.測數(shù)據(jù)的相位歷程中作減去偏差值(t)的處理，然后對處理后

22、的數(shù)據(jù)，以Kd為多普勒調(diào)頻率作方位壓縮處理。在計算上述相位偏差值(t)的過程中，我們的二次積分以處理的整段數(shù)據(jù)的中間附近 Kd=0的某處作為時間的起點t 0 ,且設(shè) (0) 0, (t) t 00 ,即dt t s(t) 2 0 ° Kd(u)duds(6.31)上面已經(jīng)提到，由于載機速度擾動，系統(tǒng)函數(shù)已不是平移不變，且用同樣的 相位偏差對不同橫向位置的點的回波作統(tǒng)一補償，不可能都是精確的。為此，我們我們以圖6-5中的P點為例，討論(6.31)式的相位偏差補償會帶來怎樣的問題。 在討論中暫設(shè) Kd(t)是準確的。如圖6-5所示，雖然用作處理的數(shù)據(jù)很長，但對P點橫向成像有效的只是波 束

23、掃過P點的一段，即Xi L/2,Xi L/2的區(qū)間，總長為合成孔徑的長度L o求R點因Kd(t)引起的相位偏差i(t)最好取x Xi的時刻作為起點(設(shè)為ti),因為航線不變而只是速度有變化，ti時刻R點回波有 i(ti) 0,且d i(t)dtt ti0 o考慮上述起始條件，由Kd (t)引起的R點回波在ti時刻附近的實際相位偏差為 t si(t) 2tt Kd(u)duds(6.32)ti ti比較(6.3i)和(6.32)式可知，用(6.3i)式作相位偏差補償，對R點回波的相位差不能完全補償，從(6.3i)式減去(6.32)式，得其剩余值為 t s t s1 t t i t 2Kd u d

24、uds(6.33)0 0 ti t,t titi s2 Kd u duds Kd u dudsti 0d0 0 d可以看出，上式中的第二項積分為與變量t無關(guān)的常數(shù)，常數(shù)相位偏差對成 像聚焦沒有影響，在這里可不考慮。考慮到ti時刻的起始條件，上式中的第一項9文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.t1t1積分為2 t Kd udu,其中Kd u du也是只與ti有關(guān)的常數(shù)，它使 R點的00相位歷程增加一線性相位項，其影響是使P點在多普勒域(即橫向圖像域)產(chǎn)生了 平移(6.34)1tlKd u duKd 0上式表明，用(6.31

25、)式對原數(shù)據(jù)的相位歷程作補償，則對P點的補償不完全。但它并不會使R點的成像散焦，而是有額外幾何形變的橫向平移，平移量 1由 (6.34)式確定。實際上，Kdt和Kd都是已知的，(6.34)式的積分可以算出。由于v tVo, t1時刻所對應(yīng)的P點可用載機平均速度V算出，從而可用作幾何形變校正。在一般情況下，由于形變平移很小，可以不做校正。止匕外，將(6.27)式和(6.28)式(省略vt的平方項)代入(6.34)式，得1 v u du(6.35)Vo 0即平移時刻1為載機以速度V。飛行時，飛過由于 vt所造成位置誤差的兩倍所 需的時間。(3)調(diào)頻率估計誤差的影響及相位補償方法的局限性在上節(jié)里，我

26、們暫假設(shè)調(diào)頻率變化的估計是完全準確的，在此基礎(chǔ)上用我們提出的相位補償方法，能使成像的散焦效應(yīng)得到補償，只是有一定的平移形變。但是，前面已經(jīng)指出，用 MD方法估計得到的瞬時調(diào)頻率，由于沒有考慮 用以估計的一小段里的速度變化， 它是不夠準確的，這就是(6.26)式中的第三項。 為此，有必要再回過來討論這一項對相位補償?shù)挠绊憽?6.26)式中的第三項(即(6.29)式)為調(diào)頻率偏差的瞬時值，由于現(xiàn)在是考慮它對P點相位歷程的影響，xt只需考慮X1 L,x1 -的區(qū)間。上式表明，當(dāng)22xt為時，其值為0,在區(qū)間的兩端數(shù)值最大，而符號相反。前面提到，當(dāng)討10文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.

27、文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.論R點回波的相位歷程時，若以x為（即t %）為起點，則起點的相位偏差為0, 由Kd t引起的相位誤差發(fā)生在上述區(qū)間的兩側(cè)， 我們要求該偏差值應(yīng)小于-用vtV。的近似條件，以及 vt at,由（6.29）式通過二次積分可得瞬時相位為2_空t L 3 ,再令t L 3 R0估算公式為LmaxL2V0時相位絕對值等于萬，可得最長合成孔徑i2 二6 R0V03a(6.36)利用（6.36）式可得當(dāng) a 2m/s2、0.03m、R0 12km, V0 116m/s時，最大合成孔徑長度Lmax 239m,對應(yīng)的橫向分辨率為0.7m。當(dāng)然也可算出

28、其它波長時的情況，比如當(dāng) 分別取0.02m、0.05m、0.1m和0.2m時，最大合成孔徑長度分別為208m、283m、355m和448m ,對應(yīng)的橫向分辨率分別為0.6m、1m、1.7m和2.7m。以上分析表明，在很多實際場合kd t的影響是可以忽略的 6.3.3結(jié)合參數(shù)估計和速度補償?shù)腟AR成像流程SAR成像算法要求知道載機飛行速度v ,但目前導(dǎo)航儀器測量精度不夠高， 我們必須從實測數(shù)據(jù)中估計它們。因為參數(shù)是時變的，我們必須將數(shù)據(jù)分成子塊 來估計參數(shù)。得到足夠精確的運動參數(shù)后，就可用本文介紹的方法校正速度變化 的影響，成出高質(zhì)量的圖像來。圖6-6是結(jié)合參數(shù)估計和速度補償?shù)腟AR成像算法的流

29、程圖。我們先把準 備成像的數(shù)據(jù)在橫向分成子塊。分塊的目的一是為了估計時變的速度， 二是為了 校正距離徙動，因為速度時變對距離徙動校正也有影響。然后對子塊的數(shù)據(jù)作橫 向FFT,然后根據(jù)（6.26）式濾出我們需要的波束寬度。接著進行距離徙動校正和 距離壓縮。距離徙動校正的參考速度可以利用慣導(dǎo)給出的速度值，因為是對包絡(luò)進行操作，要求的精度不高。校正距離徙動的方法可根據(jù)接收信號的形式選擇， 線性調(diào)頻信號可選擇CS類方法，如已經(jīng)過Dechirp處理，則可選用頻率變標算 法。接著，估計多普勒調(diào)頻率。對多普勒調(diào)頻率估計選用圖像偏移（MD）方法。在短時間內(nèi)，假定飛機速度，雷達的視角不變情況下，根據(jù)距離走動率、

30、多普勒 中心和多普勒調(diào)頻率，與斜視角、速度、場景中心距離的關(guān)系，可從每個短時間11文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.段估計的多普勒參數(shù)，獲得每小段時間內(nèi)載機速度VoV,然后通過曲線擬合，得到各個時刻的瞬時速度v的估計，即運動參數(shù)的估計。待各個子塊的操作都 完成了，我們將各子塊數(shù)據(jù)合并起來，校正波動相位，再進行橫向壓縮就可得到 壓縮好的圖像。最后一步橫向幾何形變校正是可選步驟，因為如所述，幾何形變很小，一般可以忽略。圖6-6基于實際回波數(shù)據(jù)的運動補償算法圖6-7是X波段波長為0.03米時對某場景中任一點的成像仿真結(jié)果。其

31、中圖6-7(a)是速度為勻速時的仿真圖像，圖 6-7 (b)是速度為變速時，速度補償前的 仿真圖像；圖6-7 (c)是速度為變速時，速度補償后的仿真圖像。可見補償是有效 的。圖6-7的幅值是經(jīng)過歸一化的。場景中心距離為12公里，采樣周期為1100微秒。載機飛行平均速度為116米/秒，擾動速度選擇了幅值為3m/s,周期為6s, 加速度為2m/s2的三角波，這樣選擇擾動速度模型不僅和上述理論分析相吻合， 而且與實測速度變化比較近似，具有一般性和代表性。(a舊速(b)變速速度補償圖6-7 X波的散射點成像仿真結(jié)果我們用某次試飛所錄取的分辨率為 1m< 1m的機載條帶式SAR數(shù)據(jù)來做實 驗。圖6

32、-8為實測參數(shù)的曲線圖。其中圖6-8(a制向距離偏移量的曲線，是由于 一方面速度變化使調(diào)頻率的變化而引起的，另一方面也是使用本文的速度補償方 法的代價，會使圖像產(chǎn)生較小的形變，如圖所示在2.5公里的范圍內(nèi)，其最大形變?yōu)?0米左右。另外可以通過插值等方法來完全校正。圖 6-8(b)是估計的調(diào)頻 率變化圖，中間時刻場景中心距離的調(diào)頻率為-75.0/s2,在10秒的錄取時間內(nèi)場景 中心距離的調(diào)頻率變化范圍為-75 3/S2,調(diào)頻率變化所引起的相位變化范圍是相 當(dāng)大的，需要補償，如果不補償，使圖像發(fā)生很嚴重的模糊。利用公式(6.31)計算出場景中心距離需要補償?shù)恼麄€長時間的相位校正函數(shù)如圖6-8 (c

33、)所示。圖6-9是實測數(shù)據(jù)所成圖像。圖6-9(a)是未補償速度變化所成的像，直接用平均速 度構(gòu)造方位匹配函數(shù)進行壓縮的常規(guī)成像結(jié)果， 此SAR圖是比較模糊的。圖6-9(b) 是使用本文方法補償了速度變化所成的像。可以明顯看出，本文方法大大提高了成像質(zhì)量。由此可見，(6.26)式的第三項可在一定范圍中忽略，再用瞬時調(diào)頻率 去估計速度，補償速度誤差，成像質(zhì)量可大大提高。12文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.（a）橫向幾何形變（b）瞬時調(diào)頻率（c）相位補償曲線圖6-8實測數(shù)據(jù)參數(shù)估計（a）速度補償前（b）速度補償后圖6-9運

34、動補償和未運動補償?shù)某上窠Y(jié)果比較SAR成像算法要求知道載機飛行速度v,當(dāng)導(dǎo)航儀器測量精度不夠高時，我 們從實測數(shù)據(jù)中估計它們。因為參數(shù)是時變的，我們必須將數(shù)據(jù)分成子塊來估計 參數(shù)。得到足夠精確的運動參數(shù)后，校正距離彎曲和走動后，就可用用本文的方 法校正速度變化的影響，成出高質(zhì)量的圖像來。并且理論分析表明此速度校正方 法有較寬的適用范圍。6.3自聚集補償算法6.3.1 PGA自聚集相位梯度自聚焦（PGA）可用來估計高階相位誤差*,該算法的獨特之處就在 于它不是基于模型的，應(yīng)用時不需要明確確定待估計的相位誤差的最高階。PGA算法適合于高階相位甚至是隨機相位的自聚焦。圖6-10表示出了 PGA算法的

35、基本步驟。處理過程在距離壓縮后進行，首先 選出一些能量的距離單元，接著進行方位向傅立葉變換每一個選定的距離單元進 行方位壓縮，確定每個方位壓縮過的距離單元的峰值振幅，每個距離單元，用窗函數(shù)從中心位于方位向峰值振幅采樣位置選擇一些復(fù)象素，然后利用這些象素 集，經(jīng)過一些處理步驟來計算信號歷程的一階導(dǎo)數(shù)（是慢時間或方位向位置的函數(shù)），這里的信號歷程與窗處理過的圖像象素相聯(lián)系。最后的幾步運用了傅立葉變換的導(dǎo)數(shù)特性5,該特性表明：若s t和S 是一對傅立葉變換，表示為 s（t） S ,則d st j S（6.37）dt運用這個特性導(dǎo)出時域方位信號歷程的一階導(dǎo)數(shù)，圖 6-10中附加的步驟又將這 個一階導(dǎo)數(shù)

36、轉(zhuǎn)變?yōu)榉轿幌辔徽`差（是方位采樣數(shù)的函數(shù)）一階導(dǎo)數(shù)的估計。圖6-10相位梯度自聚焦算法流程圖13文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.PGA算法的最后一步是對方位相位誤差的一階導(dǎo)數(shù)積分，從而計算出方位相 位誤差，它是全孔徑內(nèi)方位采樣數(shù)的函數(shù)。 容易將高階相位誤差的估計轉(zhuǎn)換為誤 差修正向量，一種典型的應(yīng)用就是將誤差修正向量運用于信號歷程，并對校正過得數(shù)據(jù)反復(fù)運用該算法從而減少殘余誤差。為了闡明PGA算法的具體操作，我們來看一下只包含一個點散射體的單一 距離單元。從散射點返回的時域信號為g t at exp j 0t 0 e t

37、, t 5(6.38)其中at、0和0分別表示信號歷'程的振幅、頻率和相位。表達式 e t是存在于散射點信號歷程中的相位誤差。PGA算法首先對信號進行方位向傅立葉變換, 得到GatTasincTa0 ej 0 E(6.39)這里E是復(fù)數(shù)誤差函數(shù)exp j et的傅立葉變換，符號 表示卷積。下一步的選擇距離單元以及利用加權(quán)函數(shù)W 對單元內(nèi)的峰值振幅象素采用對稱性加窗 得到GwW 0 aaSincTa0 ej 0 E(6.40)加窗處理能夠限制PGA所能估計的最高頻率相位誤差，同時還消除了影響估計 的其它散射點。最高頻率限制隨著窗長度的減少而減少，將窗處理后的信號關(guān)于0作傅立葉變換得到gw

38、 t atej 0ej e t w t(6.41)其中wt是W 的傅立葉反變換，新的時域函數(shù)gw t表示與相應(yīng)的圖象域里最 強的目標響應(yīng)向聯(lián)系的信號歷程。若窗的長度足夠，能夠包含 E 的所有重要 的頻率成分，則其對gwt幾乎無影響，此時我們可以忽略(6.41)式中wt的作用。PGA算法還要算出j Gw的傅立葉逆變換，從而借助(6.37)式給出的傅立葉變換的導(dǎo)數(shù)特性可得到gw t的一階導(dǎo)數(shù)。對于位于窗函數(shù) W中心的單一散14文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.射點，一階導(dǎo)數(shù)gw t為gw tj e t gw t(6.42)

39、其中et是相位誤差對時間的導(dǎo)數(shù)，上式提供了一種利用以得到的gwt的值來 估計e t的值的方法。假定wt的影響很小，則本例中相位誤差導(dǎo)數(shù)(相位梯度)的估計為* .(6.43)Im gw t gw t t2gw t對上式積分就能將相位誤差估計到恒定的范圍內(nèi)。對于多個距離單元的復(fù)雜場景，PGA算法的處理方法是將(6.43)式中的分子和分母在多個距離單元上取平均來估計梯度。在N個距離單元上的梯度估計為.*一Im gw n,t gw n,te t -N (6.44)gw n,tN其中g(shù)w n,t是第n個距離單元窗處理過的目標信號，gw n,t是具一階導(dǎo)數(shù)。(6.44)式給出了相位誤差導(dǎo)數(shù)10的加權(quán)最小平

40、方估計。(6.40)式是用W進行窗處理，這種操作帶來的幾個變化大大提高了PGA算法的性能。一個有效的方法就是在算法中取窗的長度遠大于預(yù)見的相位誤差所 需的長度，并在隨后反復(fù)操作中減少窗長度。最初的窗長度可包括圖像的整個方 位寬度，這種情況下，PGA算法將把窗沿著窗寬度之外的象素環(huán)繞的方向循環(huán) 移動，從而使窗完全充慢.通常，PGA算法每重復(fù)一次就將之前的窗長度減少 20%至50%,直到達到某個最小值，這個最小值表示算法所能估計的最高階相位 誤差。運用這種方法，PGA算法能極好的完成對多種場景高階隨機相位誤差的 估計。6.3.2特顯點自聚集特顯點自聚集是利用場景中一些強散射點，用其相位歷程獲得相位

41、誤差的估 計，主要用于聚束式 SAR、SAR動目標和ISAR中。實際中，常用單特顯點和 多特顯點兩種，下面分別介紹。15文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.(1)單特顯點算法在聚束式SAR中，單特顯點算法可用來確定目標的一個單特顯點散射體并 測量其脈沖間距離向的位置和相位的變化。利用這些測量，該算法可以消除收集 到的信號歷程中距離平動的相位影響， 從而達到場景中心的穩(wěn)定。事實上，該算 法還同時估算和補償了所有目標的低頻和高頻方位相位誤差，包括我們不想要的相對運動。這里不需要在方位角上追加自動聚焦， 除非有必要補償更小的空

42、間變 量的影響。自聚焦算法的步驟如下：1 .確定和隔離一個特顯點；2 .壓縮(在距離上)包含目標的信號歷程；3 .在全孔徑時間內(nèi)跟蹤已確定的特顯點，從而測量出它的峰值響應(yīng)的相位 和距離向的位置；4 .用峰值位置的測量來調(diào)整原始信號歷程中每個脈沖的頻率；5 .用峰值相位的測量來調(diào)整原始信號歷程中每個脈沖的相位；6 .用二維FFT處理修正過的信號歷程。不論是利用一個聚焦性差的原始的二維圖象還是用一個距離壓縮過的信號 歷程，都可能在雷達信號中選出特顯點。(2)多特顯點算法多特顯點成像算法是在無運動傳感器測量的條件下獲得方位相干信號的有 效方法。多特顯點算法不論對于轉(zhuǎn)動目標還是平動目標都適用。這種算法

43、可以估計方位尺度因子，確定旋轉(zhuǎn)目標的轉(zhuǎn)動率，以對目標進行橫向定標。典型的多特顯點處理算法的流程圖如圖 6-11所示。預(yù)處理部分包括數(shù)據(jù)格 式轉(zhuǎn)換，數(shù)字正交解調(diào)，消除隨距離向變化的相位誤差。初次運動補償涉及到對獲取的數(shù)據(jù)的使用。如果多特顯點算法應(yīng)用于對地面 動目標成像，常規(guī)的運動補償是利用 SAR運動傳感器獲得的數(shù)據(jù)來完成的。在 完成常規(guī)的處理和包含動目標的特征提取之后， 可進行基于目標運動信息的二次 補償，如假設(shè)目標以理想速度在一條軌跡上運動。 若多特顯點算法應(yīng)用于對空中 目標ISAR的成像，我們可利用輔助信息進行初次運動補償，這些可利用的輔助 信息包括：飛行航跡和輔助跟蹤傳感器數(shù)據(jù)等。圖6-11 SAR成像中使用多特顯點算法的流程圖16文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.w