基于子孔徑包絡(luò)誤差校正的SAR高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

田 雪 梁興東 李焱磊 董勇偉(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

基于子孔徑包絡(luò)誤差校正的SAR高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

田 雪*①②梁興東①李焱磊①董勇偉①①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

目前，SAR正在向體積小、重量輕、功耗低的方向發(fā)展，由于受氣流的影響，微小型SAR平臺(tái)極易偏離理想航跡，大幅運(yùn)動(dòng)誤差造成SAR圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降，因此在微小型SAR成像處理過程中對運(yùn)動(dòng)誤差的精確補(bǔ)償十分重要。運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)造成包絡(luò)誤差和相位誤差，傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法往往忽略包絡(luò)誤差的空變性，但是當(dāng)運(yùn)動(dòng)誤差幅度過大時(shí)空變的包絡(luò)誤差會(huì)對成像質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。該文提出與頻分子孔徑運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法相結(jié)合的包絡(luò)誤差校正方法，該方法消除了空變包絡(luò)誤差的影響，從而改善了成像質(zhì)量。仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。

微小型合成孔徑雷達(dá)；距離多普勒算法；兩步運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；子孔徑方法；包絡(luò)誤差校正

1 引言

在合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)成像的理論階段，SAR聚焦是以SAR平臺(tái)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的理想假設(shè)情況為基礎(chǔ)的，然而由于機(jī)載SAR在大氣中飛行會(huì)受到氣流等因素的影響而偏離理想航跡，帶來運(yùn)動(dòng)誤差，這些誤差會(huì)引起雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的幅度調(diào)制和相位調(diào)制，從而使SAR圖像發(fā)生散焦、失真和幾何扭曲等，因此運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的研究對機(jī)載SAR成像處理有著重要的意義。

從20世紀(jì)70年代，國外就開展了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的相關(guān)研究。1973年，文獻(xiàn)[1]研究了載機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差對SAR成像的影響，1975年，文獻(xiàn)[2]給出了SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕靖拍钆c實(shí)現(xiàn)方法，定性分析了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)囊?，揭示了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)谋匾裕又墨I(xiàn)[3-6]都對運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償問題進(jìn)行了詳細(xì)討論和研究。國內(nèi)多家科研院所及高校也在機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方面做出了卓有成效的研究工作并提出了一些有效的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法[7－10]。

微小型SAR具有全天時(shí)、全天候、高分辨率、體積小、重量輕、功耗低、成本低、截獲概率低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于平臺(tái)成本低且不會(huì)帶來人員傷亡的小型無人機(jī)(UAV)上，有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。然而，由于微小型SAR平臺(tái)輕小，氣流不穩(wěn)及平臺(tái)性能等因素極易造成平臺(tái)偏離理想航線[11]，引起較大的運(yùn)動(dòng)誤差，運(yùn)動(dòng)誤差量往往在數(shù)十米量級(jí)，從而導(dǎo)致圖像對比度下降，方位分辨率降低和圖像幾何失真，所以對運(yùn)動(dòng)誤差的精確補(bǔ)償成為成像算法中的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)動(dòng)誤差主要分為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)偏航引起的天線相位中心位置誤差和平臺(tái)姿態(tài)變化引起的角運(yùn)動(dòng)誤差，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法分為基于傳感器測量數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法和基于雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法兩類[8]，前者從載機(jī)平臺(tái)上安裝的運(yùn)動(dòng)傳感器(如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等)直接獲取其測量的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，后者從回波數(shù)據(jù)中提取運(yùn)動(dòng)誤差，本文針對天線相位中心位置誤差補(bǔ)償問題，研究了基于傳感器測量數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法只對相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并沒有對包絡(luò)誤差進(jìn)行校正[9]，但運(yùn)動(dòng)誤差對信號(hào)產(chǎn)生的影響同樣影響著距離壓縮后峰值的位置，在運(yùn)動(dòng)誤差較大的情況下，距離壓縮后峰值位置不能很好地集中在一個(gè)距離門內(nèi)，導(dǎo)致圖像分辨率下降。隨著機(jī)載SAR分辨率的提高，運(yùn)動(dòng)誤差在距離向和方位向的空變性必須考慮。本文采用距離多普勒算法[12]對SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，用兩步運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法[13]對運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并在第2步運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候提出用頻分子孔徑的方法對相位誤差和包絡(luò)誤差均進(jìn)行補(bǔ)償，改善了運(yùn)動(dòng)誤差較大時(shí)的圖像質(zhì)量，提高了圖像分辨率，最后通過仿真處理結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了算法的正確性和有效性。

2 SAR運(yùn)動(dòng)誤差信號(hào)模型

設(shè) SAR系統(tǒng)發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)中心頻率為fc，調(diào)頻率為Kr，信號(hào)包絡(luò)函數(shù)為 wr(tr)，則發(fā)射信號(hào)可表示為：

其接收信號(hào)為發(fā)射信號(hào)的延遲信號(hào)，設(shè)延遲時(shí)間為τ, τ=(2R)/c ，其中c為電磁波傳播速度，R為雷達(dá)與目標(biāo)的瞬時(shí)斜距，R=；瞬時(shí)斜距式中t為全時(shí)間，t=ta+tr, ta為慢時(shí)間，表示不同信號(hào)重復(fù)周期之間的時(shí)間變化，tr為快時(shí)間，表示每個(gè)信號(hào)重復(fù)周期內(nèi)的時(shí)間變化；由于脈沖體制信號(hào)占空比小，脈沖寬度小，并且載機(jī)速度相對光速比較小，因此“走-停-走”模式有效，則R=; V為理想情況下平臺(tái)勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度；R0為目標(biāo)最近斜距；wa(ta-ta,c)為方位包絡(luò)函數(shù)，ta,c為波束中心偏離時(shí)間。則接收的回波信號(hào)為：

以上為平臺(tái)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的理想狀態(tài)下的回波信號(hào)模型，當(dāng)平臺(tái)由于氣流等因素偏離理想航線時(shí)，雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離會(huì)引入一個(gè)誤差量ΔR，該誤差量由傳感器測量數(shù)據(jù)獲取，加入運(yùn)動(dòng)誤差的空間幾何模型如圖 1所示，圖中x為距離向，y為載機(jī)飛行方向，即方位向，z為高度向，β為下視角。下文中假設(shè)點(diǎn)目標(biāo)的散射系數(shù)為1。

則加入運(yùn)動(dòng)誤差后的回波信號(hào)模型為：

圖1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)非理想狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)誤差幾何模型Fig. 1 Geometry of motion errorthat introduced by the imperfect platform movement

Δτ 為由運(yùn)動(dòng)誤差量引起的回波延遲變化量，Δ τ=(2Δ R)/c。式(3)中第1項(xiàng)為方位多普勒信息，第2項(xiàng)為距離壓縮需要的相位信息。從式(3)中可以看到，第2項(xiàng)距離壓縮需要的相位項(xiàng)受到運(yùn)動(dòng)誤差的影響，該影響在距離壓縮時(shí)既影響距離壓縮后信號(hào)的相位，同時(shí)也影響了信號(hào)壓縮后的峰值位置，當(dāng)峰值位置受其影響導(dǎo)致距離壓縮后一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的能量不能良好地聚在一個(gè)距離門內(nèi)時(shí)，需要對信號(hào)做包絡(luò)誤差校正。由于微小型SAR平臺(tái)輕小，極易受氣流等因素的影響而偏離理想航線，運(yùn)動(dòng)誤差量也會(huì)相對較大，所以包絡(luò)誤差校正的研究有其必要性。

3 傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

3.1 一級(jí)運(yùn)補(bǔ)

第1步運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償補(bǔ)償與斜距無關(guān)的量，在距離壓縮前取參考斜距在距離頻域?qū)λ行盘?hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，一般將參考距離取為場景中心以使殘余運(yùn)動(dòng)誤差盡量小，設(shè)參考距離取為Rref，參考距離處的運(yùn)動(dòng)誤差為δRref，由該運(yùn)動(dòng)誤差引入的回波延遲變化量為δ τref, δτref=(2Δ Rref)/c 。將回波信號(hào)做距離向傅里葉變換得到回波信號(hào)在距離頻域的表達(dá)式，可以得出一級(jí)運(yùn)補(bǔ)的補(bǔ)償因子為：

同時(shí)可進(jìn)行距離向壓縮，在距離頻域乘上匹配濾波器 Hr(fr)=exp{ jπ(fr2/Kr)}，再距離向逆傅里葉變換，即可實(shí)現(xiàn)距離向脈沖壓縮。

3.2 二級(jí)運(yùn)補(bǔ)

經(jīng)過一級(jí)運(yùn)補(bǔ)之后的信號(hào)除了在進(jìn)行一級(jí)運(yùn)補(bǔ)時(shí)選取的參考距離處補(bǔ)償準(zhǔn)確外，其它距離門內(nèi)的目標(biāo)均有殘余誤差，即該距離門處的實(shí)際運(yùn)動(dòng)誤差與參考距離處的運(yùn)動(dòng)誤差的差值，需要通過二級(jí)運(yùn)補(bǔ)進(jìn)行補(bǔ)償。二級(jí)運(yùn)補(bǔ)在距離壓縮后進(jìn)行補(bǔ)償，對不同距離門補(bǔ)償不同的運(yùn)動(dòng)誤差量。

設(shè)距離壓縮后，每個(gè)距離門處的運(yùn)動(dòng)誤差為Δ Rr，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)可以得到其運(yùn)動(dòng)誤差量的計(jì)算式為δ Rr=(- d x ?si nβr+dz ?cosβr)?cos θsq，其中， cosθsq為瞬時(shí)斜視角，dx, dz分別為運(yùn)動(dòng)誤差Δ Rr的水平分量和豎直分量，如圖2所示，βr為該距離門處的下視角。由該運(yùn)動(dòng)誤差引起的延遲記為Δ τr,Δ τr=(2Δ Rr)/c 。

則二級(jí)運(yùn)補(bǔ)的相位補(bǔ)償因子可寫為：

經(jīng)過二級(jí)運(yùn)補(bǔ)之后的方位殘余空變量為Δ Rres=ΔR -ΔRr=(1-cosθsq)ΔR 。二級(jí)運(yùn)補(bǔ)是在方位時(shí)域進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，忽略了信?hào)的方位空變性，當(dāng)方位空變較大，即 |(4 πδRres)/λ|max＞ π/N (N一般取4或8)時(shí)，需要對二級(jí)運(yùn)補(bǔ)采用頻分子孔徑方法進(jìn)行補(bǔ)償。對不同的子孔徑用不同的斜視角θsq,i計(jì)算運(yùn)動(dòng)誤差量并用該運(yùn)動(dòng)誤差量在方位時(shí)域進(jìn)行補(bǔ)償，再將補(bǔ)償后的信號(hào)變到方位頻域，截取出相應(yīng)的子孔徑范圍，然后將不同的子孔徑補(bǔ)償后的信號(hào)在方位頻域拼接起來。這樣因?qū)Σ煌淖涌讖讲捎昧烁_的運(yùn)動(dòng)誤差量進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小了方位殘余空變量，改善了方位向聚焦效果。

然而，距離壓縮后的信號(hào)不僅相位受到運(yùn)動(dòng)誤差的影響，距離向壓縮位置也受到運(yùn)動(dòng)誤差的影響，當(dāng)運(yùn)動(dòng)誤差較大使距離壓縮后信號(hào)的能量在距離向不能聚在一個(gè)距離門內(nèi)時(shí)，需要對信號(hào)做包絡(luò)誤差校正。在距離壓縮之后，距離徙動(dòng)校正之前進(jìn)行二級(jí)運(yùn)補(bǔ)的效果較之在距離徙動(dòng)校正之后再進(jìn)行二級(jí)運(yùn)補(bǔ)的效果要好一些[14]，故本文采用先做二級(jí)運(yùn)補(bǔ)，再做距離徙動(dòng)校正的方法。圖3為根據(jù)傳統(tǒng)方法，在做完運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償且距離徙動(dòng)校正之后的峰值位置圖，可以看到，經(jīng)過距離徙動(dòng)校正依然彎曲嚴(yán)重，殘余運(yùn)動(dòng)誤差已嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

圖2 運(yùn)動(dòng)誤差量的計(jì)算示意圖Fig. 2 Calculation of the motion error

圖3 用傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法處理信號(hào)在距離徙動(dòng)校正之后的峰值位置圖Fig. 3 Peak position after RCMC with the traditional motion compensation method

4 基于包絡(luò)誤差校正的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法

由第3節(jié)的分析可以看到，傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法在運(yùn)動(dòng)誤差較大時(shí)已經(jīng)不能滿足高分辨率的要求，本節(jié)將從回波信號(hào)開始，具體分析基于包絡(luò)誤差校正的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。

將回波信號(hào)表達(dá)式(3)利用駐定相位原理(POSP)[15]沿距離向做傅里葉變換可以得到：

式(6)中第3項(xiàng)為距離向運(yùn)動(dòng)誤差引起的回波包絡(luò)延遲誤差，第5項(xiàng)為方位向相位誤差。對該信號(hào)進(jìn)行一級(jí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和距離向匹配濾波，可以得到：

將式(7)做距離向逆傅里葉變換回到2維時(shí)域，可以得到一級(jí)運(yùn)補(bǔ)和距離壓縮后的信號(hào)表達(dá)式：

由距離壓縮后的信號(hào)表達(dá)式(8)可以看到，不僅相位受到運(yùn)動(dòng)誤差的影響，距離向壓縮位置也受到運(yùn)動(dòng)誤差的影響。理想情況下，信號(hào)在距離向壓縮后的峰值位置與目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離成正比，即峰值位置在=τ處，而受運(yùn)動(dòng)誤差影響后，其峰值位置變?yōu)?τ+Δτ -Δτ 。用dt表示一個(gè)距refr離門的距離量，當(dāng)＞ dtr時(shí)，在距離徙動(dòng)校正之后一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的能量不能很好地在距離向集中，會(huì)導(dǎo)致距離向壓縮效果惡化，所以，在二級(jí)運(yùn)補(bǔ)時(shí)也需要通過插值方法對包絡(luò)誤差進(jìn)行校正，其校正量為：

包絡(luò)誤差校正可用線性相位相乘插值法，F(xiàn)FT補(bǔ)零插值法和截?cái)鄐inc插值法[16]，本文采用的是截?cái)鄐inc插值法。在2維時(shí)域?qū)γ總€(gè)距離門內(nèi)的每個(gè)方位時(shí)刻按式(9)計(jì)算其包絡(luò)需要校正的校正量，用sinc函數(shù)插值核 h(x)=sinc(x)=sin(πx)/(πx)對每個(gè)點(diǎn)在距離向進(jìn)行插值，插值信號(hào)為g(x)=∑igd(i)s inc (x -i)，其中 gd(i)為距離向采樣后的信號(hào)。為精確計(jì)算g(x)，需要對無限多個(gè)點(diǎn)求和，實(shí)際中往往在不過度損失精度的同時(shí)對插值核進(jìn)行截?cái)?，通常?點(diǎn)以下[16]，本文算法中取8點(diǎn)插值。對插值核進(jìn)行截?cái)嗪?，采樣點(diǎn)上的權(quán)值和不再等于1，需要進(jìn)行歸一化處理。另外，當(dāng)使用截?cái)嗟膕inc核對存在陡峭邊緣的函數(shù)進(jìn)行插值時(shí)會(huì)出現(xiàn) Gibbs效應(yīng)[15]，本文采用對插值核進(jìn)行kaiser銳化窗加權(quán)，以減小這種影響。

一般情況下，信號(hào)包絡(luò)不如相位般對誤差敏感，所以較少采用子孔徑算法，因?yàn)榘j(luò)補(bǔ)償采用子孔徑算法計(jì)算量會(huì)增大很多。但是同樣，如果方位空變過于嚴(yán)重，導(dǎo)致目標(biāo)距離向不能良好聚焦時(shí)，也需要采用頻分子孔徑的方法對包絡(luò)誤差進(jìn)行校正，即在方位時(shí)域取不用斜視角計(jì)算補(bǔ)償量對所有信號(hào)進(jìn)行插值補(bǔ)償，然后變換到方位頻域，在方位頻域取出該斜視角對應(yīng)的多普勒頻率附近的信號(hào)，再將不同斜視角情況下取出的不同頻域信號(hào)拼接起來，以改善距離向壓縮效果。由于在這一過程中分幾個(gè)子孔徑就要對所有信號(hào)做幾次插值補(bǔ)償，所以計(jì)算量增大很多，在處理中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選擇子孔徑數(shù)目。

經(jīng)過二級(jí)運(yùn)補(bǔ)后的信號(hào)變?yōu)椋?/p>

然后對信號(hào)進(jìn)行 2次距離壓縮和距離徙動(dòng)校正，最后經(jīng)過方位向匹配濾波即可得到聚焦效果良好的2維壓縮信號(hào)。經(jīng)過相位補(bǔ)償和包絡(luò)補(bǔ)償，在運(yùn)動(dòng)誤差較大的情況下也可以得到聚焦良好的圖像。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述分析的 SAR高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法是否有效可行，本節(jié)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。首先根據(jù)建立的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)誤差回波信號(hào)模型生成回波數(shù)據(jù)，設(shè)置如表1所示的仿真參數(shù)，水平向和垂直向均加入了峰峰值為10 m的運(yùn)動(dòng)誤差，設(shè)平臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)，姿態(tài)平穩(wěn)，通過預(yù)先設(shè)定目標(biāo)的位置，再利用本文討論的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，觀察在設(shè)定位置上是否有目標(biāo)成像并量化分析成像質(zhì)量指標(biāo)來驗(yàn)證算法的有效性和可行性。本節(jié)的仿真參數(shù)選取依據(jù)本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的微小型SAR系統(tǒng)。

表1 仿真參數(shù)表Tab. 1 Parameters in the simulation

仿真成像處理結(jié)果如圖4所示。圖4(a)采用傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，只做了相位的子孔徑補(bǔ)償，沒有做包絡(luò)補(bǔ)償；圖4(b)使用了子孔徑方法對運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行相位和包絡(luò)的補(bǔ)償，較之圖 4(a)有了明顯的改善；圖 4(c)為沒有做包絡(luò)補(bǔ)償?shù)膲嚎s結(jié)果(圖 4(a))和做了包絡(luò)補(bǔ)償?shù)膲嚎s結(jié)果(圖 4(b))的方位向和距離向點(diǎn)散布函數(shù)，圖4(c)上圖為距離向點(diǎn)散布函數(shù)，圖4(c)下圖為方位向點(diǎn)散布函數(shù)，藍(lán)色線為圖4(a)的點(diǎn)散布函數(shù)，紅線為圖4(b)的點(diǎn)散布函數(shù)，可以看到做包絡(luò)補(bǔ)償對壓縮結(jié)果的改進(jìn)，表2用具體質(zhì)量指標(biāo)量化地說明了包絡(luò)補(bǔ)償對圖像的改善效果；圖4(d)給出了距離徙動(dòng)校正之后峰值位置的對比，藍(lán)線為二級(jí)運(yùn)補(bǔ)時(shí)不做包絡(luò)補(bǔ)償，距離徙動(dòng)校正之后方位多普勒域的峰值壓縮位置，紅線為二級(jí)運(yùn)補(bǔ)時(shí)做包絡(luò)補(bǔ)償，距離徙動(dòng)校正之后方位多普勒域的峰值壓縮位置，可以明顯看到包絡(luò)補(bǔ)償使距離徙動(dòng)校正之后的信號(hào)更直，信號(hào)能量在距離向更加集中，從而驗(yàn)證了本文算法的合理性和正確性。

6 實(shí)測數(shù)據(jù)處理

采用本文算法對本實(shí)驗(yàn)室研制的微小型 SAR系統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及成像處理，該系統(tǒng)工作在Ku波段，飛行高度約1200 m，速度約60 m/s，多普勒中心頻率為500 Hz，波束寬度為10°，結(jié)果如圖5所示。

圖4 仿真結(jié)果圖Fig. 4 Simulation results

表2 壓縮結(jié)果質(zhì)量指標(biāo)對比表Tab. 2 Quality indicators comparison of compression results

圖5 實(shí)測數(shù)據(jù)成像處理結(jié)果圖Fig. 5 Imaging results of real data

從圖5可以看到，通過本文的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和成像處理方法，得到了聚焦良好的圖像，圖5(c)和圖5(d)為圖像中相同區(qū)域的對比，圖5(e)提取了圖5(c)和圖5(d)中所示的強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)，并以點(diǎn)散布函數(shù)的形式在一個(gè)圖中的對比，圖中藍(lán)線為傳統(tǒng)算法的結(jié)果，紅線為本文算法的結(jié)果，可以看到本文算法對成像的改善效果，更進(jìn)一步驗(yàn)證了本文算法的正確性和有效性。

7 結(jié)束語

微小型 SAR因其具有獨(dú)特的優(yōu)勢而備受各國研究者青睞，其較大的運(yùn)動(dòng)誤差給成像處理帶來了新的挑戰(zhàn)。本文對方位空變較嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)誤差采用頻分子孔徑的處理方法，不僅對相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，并且對包絡(luò)誤差進(jìn)行了有效的校正，減小了方位空變的影響，從而改善了壓縮效果。從仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)測數(shù)據(jù)的處理情況可以看到該方法的有效性及合理性。

本文采用的是基于機(jī)載高精度運(yùn)動(dòng)傳感器的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，相對運(yùn)算量小，而對設(shè)備的要求高。但微小型SAR平臺(tái)輕小，傳感器的精度相對較低，這就需要結(jié)合另外一種基于雷達(dá)回波信號(hào)處理，從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)提取運(yùn)動(dòng)誤差并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ@種方法對設(shè)備要求較低，而對算法要求較高，運(yùn)算比較復(fù)雜，如自聚焦算法等，還有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

[1] Farrell J L, Mims J H, and Sorrell A. Effects of navigation errors in maneuvering SAR[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1973, 9(5): 758-776.

[2] Kirk J C Jr.. Motion compensation for synthetic aperture radar[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1975, 11(3): 338-348.

[3] Buckreuss S. Motion errors in an airborne synthetic aperture radar system[J]. European Transactions on Telecommunications, 1991, 2(6): 655-664.

[4]Moreira A and Huang Yong-hong. Airborne SAR processing of highly squinted data using a chirp scaling approach with integrated motion compensation[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1994, 32(5): 1029-1040.

[5] Fornaro G and Sansosti E. Motion compensation in Scaled-FT SAR processing algorithms[C]. IEEE 1999 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Hamburg, 1999, 3: 1755-1757.

[6] Potsis A, Reigber A, Mittermayer J, et al.. Improving the focusing properties of SAR processors for wide-band and wide-beam low frequency imaging[C]. IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Sydney, NSW, 2001, 7: 3047-3049.

[7]周峰, 邢孟道, 保錚. 一種無人機(jī)機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒╗J].電子學(xué)報(bào), 2006, 34(6): 1002-1007.

Zhou Feng, Xing Meng-dao, and Bao Zheng. A method of motion compensation for unmanned aerial vehicles borne SAR[J]. Acta Electronica Sinica, 2006, 34(6): 1002-1007.

[8]保錚, 邢孟道, 王彤. 雷達(dá)成像技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005: 185-227.

Bao Zheng, Xing Meng-dao, and Wang Tong. Radar Imaging Technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005: 185-227.

[9]譚鴿偉. 合成孔徑雷達(dá)的信號(hào)處理方法及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)研究[D]. [博士論文], 中國科學(xué)院研究生院, 2008.

Tan Ge-wei. The study of signal processing and motion compensation for synthetic aperture radar[D]. [Ph.D. dissertation], Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2008.

[10]折小強(qiáng), 仇曉蘭, 韓冰, 等. 一種基于變換域的滑動(dòng)聚束 SAR調(diào)頻率估計(jì)方法[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2014, 3(4): 419-427.

She Xiao-qiang, Qiu Xiao-la, Han Bing, et al.. An improved Doppler rate estimation approach for sliding spotlight SAR data based on the transposition domain[J]. Journal of Radars, 2014, 3(4): 419-427.

[11]Fornaro G. Trajectory deviation in airborne SAR: analysis and compensation[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1999, 35(3): 997-1009.

[12]Smith A M. A new approach to range-Doppler SAR processing[J]. International Journal of Remote Sensing, 1991, 12(2): 235-251.

[13]Zaugg E C and Long D G. Theory and application of motion compensation for LFM-CW SAR[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2008, 46(10): 2990-2998.

[14]Li Yan-lei, Liang Xing-dong, Ding Chi-biao, et al.. A motion compensation approach integrated in the omega-K algorithm for airborne SAR[C]. 2012 IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques, Manchester, 2012: 245-248.

[15]Cumming I G, Wong F H著. 洪文, 胡東輝, 等譯. 合成孔徑雷達(dá)成像—算法與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 33-38, 47-49.

Cumming I G and Wong F H. Hong Wen, Hu Dong-hui, et al., translation. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2007: 33-38, 47-49.

[16]禹衛(wèi)東, 吳淑梅. 距離-多普勒方法中的幾種插值算法比較[J].電子與信息學(xué)報(bào), 2001, 23(3): 308-312.

Yu Wei-dong and Wu Shu-mei. The comparison of some interpolation method for RD algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2001, 23(3): 308-312.

田 雪(1990-)，女，籍貫河南，軟件工程師，2014年7月獲得中國科學(xué)院電子學(xué)研究所碩士學(xué)位，研究方向?yàn)檎{(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)成像處理。

E-mail: tianxue326@gmail.com

梁興東(1973－)，男，籍貫陜西，研究員，研究領(lǐng)域包括高分辨率合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)、成像處理及應(yīng)用和實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理。

E-mail: xdliang@mail.ie.ac.cn

李焱磊(1983-)，男，籍貫河北，助理研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)載差分干涉SAR信號(hào)處理。

E-mail: yllee@mail.ie.ac.cn

董勇偉(1982-)，男，籍貫湖北，助理研究員，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

E-mail: ywdong@mail.ie.ac.cn

High-precision Motion Compensation Method Based on the Subaperture Envelope Error Correction for SAR

Tian Xue①②Liang Xing-dong①Li Yan-lei①Dong Yong-wei①①(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
②(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Small size, light weight, and low power are presently the directions in SAR development. The microSAR platform is small and light, which results in track deviations because of air flow. The large motion error strongly affects the quality of SAR images. Therefore, high-precision motion compensation is important to SAR image processing. Motion error results in phase and envelope errors. Traditional motion compensation algorithms often ignore the space variance of the envelope error. When the motion error is large, the space-variant envelope error affects the image quality. This study proposes a high-precision motion compensation method based on the subaperture envelope error correction for SAR. The proposed method minimizes the effect of the space-variant envelope error and improves the image quality. Simulations and experimental data processing validate the correctness and effectiveness of the proposed algorithm.

MicroSAR; RD algorithm; Two-step motion compensation; Subaperture method; Envelope error correction

TN957.52

A

2095-283X(2014)05-0583-08

10.3724/SP.J.1300.2014.14068

2014-04-04收到，2014-04-30改回；2014-09-05網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版國家部委基金資助課題

*通信作者： 田雪 tianxue326@gmail.com