专利名称：基于高超声速平台sar的对比度最优自聚焦方法
基于高超声速平台SAR的对比度最优自聚焦方法技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体的说是一种利用图像对比度最优原理来估计并补偿二次相位误差的自聚焦方法，用于高超声速平台合成孔径雷达成像时的运动补偿。
背景技术：
将合成孔径雷达SAR成像技术应用于高超声速平台HSV是国内外探索的一个前沿课题。高超声速飞平台载合成孔径雷达HSV-SAR成像技术是实现地面运动和静止目标识别与定位的基础。由于HSV具有高机动性，其实际航迹不可避免地会偏离匀速、等高、直线的理想运动状态。运动误差的存在影响了回波信号的相位和幅度，使得成像后方位向出现散焦，图像变得模糊，严重时甚至无法成像。当HSV无法配备高精度测量仪器来对运动误差进行补偿时，要获得高质量的SAR图像就必须进行自聚焦处理。对比度最优自聚焦COA方法是一种直接通过评价成像质量来估计并补偿二次相位误差的自聚焦算法。因为其本身具有计算量小、适应性好的特点，所以COA方法对实时SAR成像处理具有很高的实用价值。
目前提出的COA方法主要有
I.武昕伟等人在“利用对比度最大化实现SAR图像自聚焦，现代雷达，2002， 24(3) :20-22”文章中，提出采用枚举的方法在所确定的搜索区间内计算每一个可能值来搜索二次相位误差的最优估计。这种方法由于依赖于初始闭区间的划分，若区间划分不当，则无法收敛到全局最优解，并且随着搜索步长的减小，估计精度提高，但计算量大大增加。
2.刘月花等人在“对比度最优自聚焦算法，电子与信息学报，2003,25(1) :24-30" 文章中，提出采用进退法对最优估计值的搜索策略进行优化。这种方法虽然不依赖于初始闭区间的划分，对平台机动性较高或测量仪器存在较大误差的SAR系统具有较好的适应性，估计精度高，但收敛速度较慢。
3.邓云凯等人在“基于对比度最优准则的自聚焦优化算法，电子学报，2006， 34(9) :1742-1744”文章中，提出采用黄金分割法和费式级数法对全局最优估计值进行搜索。算法的收敛速度得到进一步提高，但是这类方法与枚举法一样，都需要依赖于初始闭区间的划分，若初始闭区间划分不当，则无法收敛到全局最优解。发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种基于高超声速平台SAR的对比度最优自聚焦方法，在保证多普勒调频率估计精度的前提下，减小运算量，以满足高超声速平台SAR成像对多普勒调频率估计精度和实时性的要求。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤
I)雷达从高超声速平台向地面发射线性调频脉冲信号；
2)通过天线接收雷达回波信号，并对该回波信号进行距离向脉冲压缩；
3)从距离向脉冲压缩后的回波信号中，选取信号强度最大的M个距离单元，M取值为10 ；CN 102540188 A
4)对选取的M个距离单元进行多普勒调频率估计
(4a)令m为距离单元序号，m= 1，2，. . . M，其初始值为I ；
(4b)根据测量仪器测得的平台飞行速度对多普勒调频率进行粗估计，并根据多普勒调频率的粗估计值，设定初始闭区间[%,_ ，b0,ffl], a0,ffl^ b0,ffl,同时选取两个多普勒调频率初始试探值U0,m，Po, J e [aQ,m，bQ,m]，满足「 n I Am = aO,m + (1 _ T)(Km ~ a0,m),..,.,
彳,\<m<M{^,m =a^n
其中，T =0.618表示黄金分割比例，X ^为左试探值，Uthm为右试探值，％01为闭区间的左边界值，为闭区间的右边界值，m为距离单元序号；
(4c)计算两个多普勒调频率初始试探值{ A 0,ffl, u 0,J对应的图像对比度
(4cl)根据多普勒调频率试探值对选取的距离单元进行方位向去斜处理，得到一维方位向图像；
(4c2)计算一维方位向图像的图像对比度C(m，x)n，\<m< M (4c-l)E[l2(m,x)\
其中，x为多普勒调频率试探值或闭区间的边界值，X G {Ak,ffl, uk,ffl, ak,ffl, bk, J , 入k,ffl为左试探值，U k,ffl为右试探值，ak,m为闭区间的左边界值，bk,m为闭区间的右边界值，k = 0,1,2,...表示迭代次数标量，其初始值为0，E(_)为均值运算，I2(m，x)为一维方位向图像的图像强度，m为距离单元序号；
(4d)比较左试探值X u和右试探值ii u对应的一维方位向图像的图像对比度 C(m, AkjJ和C(m，Ukjffl)的大小，并通过如下变步长方法确定搜索区间
(4dl)若C(m，A k,J > C (m，y k,J，根据左边界值ak,m对选取的距离单元进行方位向去斜处理，得到一维方位向图像，并按式(4c_l)计算左边界值ak,m对应的一维方位向图像的图像对比度 C(m, ak,m),若满足 C(m, A k>m) > {C(m, U k,m)，C(m, ak,m)},则更新 k = k+1, ak,m = ak-l,m，bk,m = Ii k-l,m，确定搜索区间为[ak,m，bk,m];反之，则向左进灯迭代搜索令k =k+1，U kjII1 —入 k-i,m，入 k,m — ak-i,m，C(m，U kjm) —C (m,入 h’J’COii，入 k,m) —C (m，aH’J，更新左边界值ak,m= (T X k,m+(T-I) IikJ/(2 T-I)，根据左边界值ak,m对选取的距离单元进行方位向去斜处理，得到一维方位向图像，并按式(4C-1)计算该一维方位向图像的图像对比度 C(m, ak,m),重复迭代直到满足 C(m, Ak,m) > {C(m, ii k,m), C(m, ak,m)}时,令 k = k+1, ak,m = ak-ljm, bk>m = U k-u,并确定搜索区间为[a^，；
(4d2)若C(m，A k,J彡C (m，y k,J，根据右边界值bk,m对选取的距离单元进行方位向去斜处理，得到一维方位向图像，并按式(4c-l)计算右边界值bk,m对应的一维方位向图像的图像对比度 C(m, bk,m),若满足 C(m, U k>m) > {C(m, X k,m)，C(m, bk,m)},则更新 k = k+1, ak,m = ^ k-i,mj bkjII1 = bum，最终确定搜索区间为[ak,m，bk,m];反之，向右进7TT迭代搜索令k =k+1,入“ =u k-i,m, y k,m = bk-i,m C(m, u kjm) = c(m, U ^1,m), C(m, u k,m) = C(m, bk_1>m), 更新右边界值bk,m= (x 1!1;,111+(1-1)入1;, 1)/(2 1-1)，根据右边界值131;,111对选取的距离单元进行方位向去斜处理，得到一维方位向图像，并按式(4c-l)计算该一维方位向图像的图像
广((m,x) -E^I2 (w,x)]对比度 C(m,bk,m),重复迭代直达满足 C(m, U k>m) > {C(m, A k m), C(m,bk>m)}时,令 k = k+1, ak,m = Xhw bu = ，并确定搜索区间为[ak,;
(4e)采用黄金分割法对搜索区间[ak,m，bk,ffl]进行迭代收敛，算得多普勒调频率最优估计值久
Pm = + Mk0,m)/^ f I ^ W < Af
其中，AktlJ为迭代收敛结束时的左探测值，Uktl,m为迭代收敛结束时的右探测值， k0表示迭代收敛结束时的迭代次数标量值，m为距离单元序号；
(4f)若m = M，输出M个距离单元的多普勒调频率最优估计值{八，A,...A};反之, 令m = m+l,并返回步骤(4b)；
5)根据选取的M个距离单元的多普勒调频率最优估计值{A, A,.../Sm}计算回波信号各距离单元对应的多普勒调频率f&(ts)，其中，ts为慢时间；
6)根据算得的回波信号各距离单元对应的多普勒调频率ft(ts)构造方位向脉压的参考函数Sa (ts) (^ ) = ) eXP (-J^fdr (^, ) tI )，并用该参考函数对距离脉压后的回波信号进行方位向脉冲压缩处理，获得最终的SAR成像结果，其中，ts为慢时间，aa(*)为方位窗函数，exp表示以自然对数e为底的指数函数，j为复数虚部符号。
本发明与现有技术相比具有以下优点
I.估计精度高、适应性强。本发明由于不依赖于初始闭区间的划分，当全局最优解不包含于初始闭区间之内时，仍然可以搜索得到全局最优解，因此本发明即保证了较高的多普勒调频率估计精度，又避免了因初始闭区间划分不当而无法收敛到全局最优解的情况。
2.收敛速度快。本发明由于采用黄金分割法对搜索区间进行迭代收敛，因此收敛速度快、计算量小。
理论分析和实验结果表明，本发明与现有技术相比，在保证了多普勒调频率估计精度的基础上，收敛速度快且不依赖于初始闭区间的划分，因而具有更好的实用价值。
图I是本发明的实施流程图2是采用现有黄金分割法进行多普勒调频率估计后得到的SAR成像结果；
图3是采用现有进退法进行多普勒调频率估计后得到的SAR成像结果；
图4是采用本发明方法进行多普勒调频率估计后得到的SAR成像结果。
具体实施方式
参照图1，本发明的具体实现步骤图下
步骤1，雷达从高超声速平台向地面发射线性调频脉冲信号。
雷达以发射周期T向地面发射线性调频脉冲信号，该信号表示为
s,(i,tm) = aR(i)Q^> j24fJ + ^P2)⑴
其中
权利要求
1.一种基于高超声速平台SAR的对比度最优自聚焦方法，包括如下步骤1)雷达从高超声速平台向地面发射线性调频脉冲信号；2)通过天线接收雷达回波信号，并对该回波信号进行距离向脉冲压缩；3)从距离向脉冲压缩后的回波信号中，选取信号强度最大的M个距离单元，M取值为`10 ；4)对选取的M个距离单元进行多普勒调频率估计(4a)令m为距离单元序号，m = 1,2, .. . M,其初始值为I ；(4b)根据测量仪器测得的平台飞行速度对多普勒调频率进行粗估计，并根据多普勒调频率的粗估计值，设定初始闭区间[a^，Sbthm，同时选取两个多普勒调频率初始试探值{A0,ffl, U0, J G Iiac^bchJ,满足:
2.根据权利要求I所述的基于高超声速平台SAR的对比度最优自聚焦方法，其中步骤 (4b)所述的根据测量仪器测得的平台飞行速度对多普勒调频率进行粗估计，按如下公式进行
3.根据权利要求I所述的基于高超声速平台SAR的对比度最优自聚焦方法，其中步骤5)所述的计算回波信号各距离单元对应的多普勒调频率f&(ts)，按照如下步骤进行(3.1)将M个距离单元的多普勒调频率最优估计值分别与对应的目标斜距(R1, R2, , RJ相乘并叠加，然后计算平均值
全文摘要
本发明公开了一种基于高超声速平台SAR的对比度最优自聚焦方法，主要解决现有技术依赖初始闭区间划分和收敛速度慢的问题，其实现步骤是1)雷达向地面发射线性调频脉冲信号；2)天线接收雷达回波信号，并对该回波信号进行距离向脉冲压缩；3)从距离向脉冲压缩后的回波信号中，选取信号强度最大的M个距离单元，并对选取的距离单元进行多普勒调频率估计；4)根据多普勒调频率最优估计值计算回波信号各距离单元的多普勒调频率；5)根据多普勒调频率构造参考函数对距离向脉压后的回波信号进行方位向脉冲压缩处理，得到最终的SAR成像结果。本发明具有收敛速度快且不依赖初始闭区间划分的优点，可用于高超声速平台SAR成像的运动补偿。
文档编号G01S7/41GK102540188SQ20121000107
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者刘俊, 刘峥, 刘钦, 张超, 谢荣, 邱毅, 陈晓霞 申请人:西安电子科技大学