一种补偿背景电离层对GEOSAR成像影响的参数化自聚焦方法

摘要

一种补偿背景电离层对GEOSAR成像影响的参数化自聚焦方法，首先利用匹配滤波对GEOSAR原始回波数据进行距离向脉冲压缩；在GEOSAR成像区域内选择一块矩形区域并进行网格划分；然后对距离向脉冲压缩后的GEOSAR数据进行包络对齐与相位补偿，并利用图像最小熵准则计算背景电离层随方位慢时间相对高阶变化函数的系数；最后判断是否结束迭代，若结束迭代，则利用迭代得到的高阶变化函数对所有成像区域回波的包络和相位补偿，进而实现该区域内的GEOSAR成像，本发明利用了背景电离层在GEOSAR合成孔径时间内的变化趋势可近似为多项式的特点，基于最小熵准则通过迭代的方式实现由电离层高阶变化所导致的回波包络走动校正及相位误差补偿，从而有效提高了GEOSAR成像质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种补偿背景电离层对GEOSAR成像影响的方法，特别是一种补偿背景电离层对GEOSAR成像影响的参数化自聚焦方法，属于地球同步轨道SAR系统研制领域。

背景技术

地球同步轨道SAR具有覆盖范围广、重访速度快等突出优点，在地震减灾、环境监测等许多领域具有重大的应用前景。但是由于卫星轨道高、运行速度慢，因此其合成孔径时间达到数百秒乃至千秒的量级(而与之相对比，低轨SAR合成孔径时间为秒级)，在如此长的合成孔径时间内，存在许多非理想因素会导致目标回波间的去相干，从而降低GEOSAR的成像质量，而背景电离层的时空变化是影响GEOSAR成像质量最为重要的因素之一。

目前国内外许多研究单位，如英国Cranfield大学、国防科技大学、中国空间技术研究院、北京理工大学等开展了针对电离层补偿的相关研究。从目前所提出的电离层补偿方法来看，大致可分为两类：1、利用SAR回波数据估计绝对电离层TEC值的补偿方法；2、补偿电离层相对变化的方位自聚焦方法；其中第一类方法主要利用电离层色散所引起的回波时延和散焦现象估计电离层TEC数据，然后分别对每个方位向接收脉冲进行相位补偿，主要包括距离向自适应匹配滤波方法、距离向多视方法等。对于自适应匹配滤波方法，主要利用电离层导致的距离散焦情况，进行调频率搜索，实现距离聚焦。该方法主要对距离向数据进行处理，对于P波段距离散焦比较严重情况具有良好的有效性，但是对于L以上波段距离向几乎没有散焦(例如以L波段为例，在60M带宽情况下，1TECU引起的最大相位差不到0.01弧度)，因此难以准确估计TEC值，从而实现对方位向回波的精确相位补偿。距离多视方法通过将SAR回波信号距离向频谱进行分割，然后分别进行成像，通过对两幅子视图像进行配准以估计时延， 进一步获得TEC值的估计，该方法本质上属于双频测量TEC法，其精度取决于两个频率之间的相对频率差异，相对频率差异越大，则精度越高。对于SAR回波信号而言，由于相对带宽有限，因此估计精度很低，对于低信噪比情况，影响更为严重。同时以上方法均没有考虑电离层空变性的影响，而由于GEOSAR波束覆盖范围很广(俯仰及方位均可达到数百公里量级)，电离层空变性的影响也不能忽略，因此第一类电离层补偿方法难以适用。通过在地面布置SAR信号接收机，然后对SAR回波进行子带分割，最后利用相位干涉的方法可以获得高精度的TEC估计，但是该方法需要在地面布置大量的接收机，因此需要较高的成本。实际上对于工作在L波段以上的GEOSAR成像而言，电离层TEC的绝对值大小对成像影响不大，其相对变化是影响GEOSAR成像的主要因素。SthphenE.Hobbs等学者指出利用方位自聚焦方法补偿电离层变化对GEOSAR成像的影响是可行的。用于补偿电离层相对变化的方位自聚焦方法既可以补偿电离层时变性的影响，又可以通过分块补偿的方式克服电离层空变性的影响。

目前用于补偿电离层相对变化的方位自聚焦方法主要包括：相位梯度自聚焦方法(PGA方法)、最大对比度方法、最小墒方法等。对于PGA方法计算效率高，在机载SAR运动补偿中具有良好的应用效果，但是PGA方法需要在SAR图像中找到能量很强的孤立散射点，这在一定程度上制约了PGA方法的应用。最大对比度方法和最小墒方法在ISAR成像中应用较为广泛，通过对相位的迭代搜索实现ISAR聚焦，以上方法具有良好的自适应性。但是对于GEOSAR而言，合成孔径时间内发射及接收脉冲数目高达上万甚至几十万个，在如此大的空间内搜索电离层的相对变化几乎是不可实现的，因此不能直接应用于GEOSAR成像处理。

总之，针对电离层的补偿问题是GEOSAR实现的最为关键技术之一，至今国内外尚未提出公认的有效补偿方法，因此该问题仍是GEOSAR研究的热点和难点问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种补偿背景电离层对GEOSAR成像影响的参数化自聚焦方法，利用背景电离层在GEOSAR合成孔径时间内的变化趋势可近似为多项式的特点，通过图像的最小熵准则估计电离层相对变化参数，在BP成像算法基础上，通过迭代的方式实现由电离层高阶变化所导致的回波包络走动校正及相位误差补偿，从而有效提高GEOSAR成像质量。

本发明的技术解决方案是：一种补偿背景电离层对GEOSAR成像影响的参数化自聚焦方法，步骤如下：

(1)利用匹配滤波对GEOSAR原始回波数据进行距离向脉冲压缩；

(2)按照BP算法处理流程，在GEOSAR成像区域内选择一块矩形区域，并对选取的矩形区域进行网格划分，每个网格点为一个地面散射点，令选择的矩形区域内包含M×N个地面散射点；

(3)根据步骤(2)中选择的矩形成像区域和GEOSAR卫星的星历参数，对步骤(1)中距离向脉冲压缩后的GEOSAR数据进行包络对齐与相位补偿，包络对齐与相位补偿后地面散射点(p,q)的方位回波为：

$S_{\mathrm{pq}}\left(t_m\right)={\sigma }_{\mathrm{pq}}{G}_{\mathrm{pq}}\sin c(\hat{t}-2\frac{40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_0^{2}c}-\frac{2R_{\mathrm{pq}}}{c})\exp \left(j2\frac{2\pi 40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_{0}c}\right)$

其中p＝1,2,...,M，q＝1,2,...,N，f₀为GEOSAR原始回波载波频率，c为光速，σ_pq为目标后向散射系数，G_pq为距离压缩增益，等于发射脉冲的时间宽度与频谱宽度的乘积，TEC为电磁波传播路径上电子密度的积分，t_m为方位慢时间，且m＝1,2,…,K，K为雷达工作过程中发射接收到的脉冲个数，为距离快时间，R_pq表示地面散射点(p,q)距离GEOSAR天线相位中心的最近斜距，电离层随方位慢时间t_m相对高阶变化函数具体由公式：

${\widehat{\mathrm{TEC}}}^{\left(k\right)}\left(t_m\right)={10}^{16}(a_1^{\left(k\right)}{t}_m^2+...+a_{n-1}^{\left(k\right)}{t}_m^n)$

给出，其中a₁,a₂,...,a_n-1为电离层随方位慢时间t_m相对高阶变化函数的系数； k为算法迭代次数；

(4)利用图像最小熵准则计算电离层随方位慢时间t_m相对高阶变化函数的系数

(5)若k＝0或$\sqrt{{({\hat{a}}_1^{\left(k\right)}-{\hat{a}}_1^{(k-1)})}^2+{({\hat{a}}_2^{\left(k\right)}-{\hat{a}}_2^{(k-1)})}^2+...+{({\hat{a}}_{n-1}^{\left(k\right)}-{\hat{a}}_{n-1}^{(k-1)})}^2}>\xi ,$则利用步骤(4)中计算得到电离层随方位慢时间t_m相对高阶变化函数的系数计算电离层TEC相对变化值用于补偿由电离层引起的包络走动，并令k＝k+1，返回步骤(4)，否则进入步骤(6)；所述ξ为预设的常数；

(6)利用迭代得到的实现对所有成像区域回波的包络和相位补偿，进而实现该区域内的GEOSAR成像。

所述步骤(4)中利用图像最小熵准则计算电离层随方位慢时间t_m相对高阶变化函数的系数具体由公式：

$({\hat{a}}_1^{\left(k\right)},{\hat{a}}_2^{\left(k\right)},...,{\hat{a}}_{n-1}^{\left(k\right)})=\arg \min -\underset{p=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{q=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left(\frac{\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}{\underset{p=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{q=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}\right)\ln \left(\frac{\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}{\underset{p=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{q=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}\right)$

给出，其中S_pq为GEOSAR图像中地面散射点(p,q)的像素，argminf(x)表示函数f(x)取最小值时所对应的自变量x。

所述GEOSAR图像中地面散射点(p,q)的像素S_pq具体由公式：

$S_{\mathrm{pq}}={\sigma }_{\mathrm{pq}}{G}_{\mathrm{pq}}\sin c(\hat{t}-2\frac{40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_0^{2}c}-\frac{{2R}_{\mathrm{pq}}}{c})\underset{m=1}{\overset{K}{\Sigma }}\exp \left(\frac{2\pi 80.6(\mathrm{TEC}\left(t_m\right)-{\widehat{\mathrm{TEC}}}^{\left(k\right)}\left(t_m\right))}{f_{0}c}\right)$

给出。

所述步骤(5)中利用步骤(4)中计算得到电离层随方位慢时间t_m相对高阶变化函数的系数计算电离层TEC相对变化值 用于补偿由电离层引起的包络走动，补偿后的方位回波S_pq(t_m)由公式：

$S_{\mathrm{pq}}\left(t_m\right)={\sigma }_{\mathrm{pq}}{G}_{\mathrm{pq}}\sin c(\hat{t}-2\frac{40.3(\mathrm{TEC}\left(t_m\right)-{\widehat{\mathrm{TEC}}}^{\left(k\right)}\left(t_m\right))}{f_0^{2}c}-\frac{{2R}_{\mathrm{pq}}}{c})\exp \left(j2\frac{2\pi 40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_{0}c}\right)$

给出。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明以背景电离层参数化模型为基础，构建了基于最优准则的电离层随时间变化的参数估计模型，该模型实现简单，只需要估计少量未知参数(一般只需要估计4-6个未知参数)即可实现对背景电离层高阶变化的准确估计；

(2)本发明在BP成像算法基础上，利用反复迭代的方式，同时实现对由电离层高阶变化所导致的回波包络徙动校正及相位误差补偿，从而可以极大提高SAR图像质量；

(3)相对于相位梯度自聚焦方法(PGA)，本发明中的方法不需要任何地面特显点信息，可以有效克服背景电离层对GEOSAR成像的影响，实现分布式场景的自聚焦，具有良好的稳健性与实用性；

(4)本发明中的方法无需增加专门电离层测量设备，完全从信号处理的角度出发实现对背景电离层高阶变化的估计及补偿，具有实现成本低，补偿效果好的优点。

附图说明

图1本发明中方法的处理流程图；

图2利用本发明方法估计获得的电离层TEC值；

图3为利用本发明方法进行自聚焦处理的SAR成像结果；

图4没有进行电离层影响补偿的SAR成像结果。

具体实施方式

本发明提出一种补偿电离层对GEOSAR成像影响的参数化自聚焦方法，实现流程图如图1所示，下面结合具体实例介绍具体实施方式：

第一步：首先利用匹配滤波对仿真得到的GEOSAR原始回波数据进行距离向脉冲压缩(具体见：保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术[M].北京：电子工业出版社，2004，页码：19页至24页)。

第二步：按照BP算法处理流程，在GEOSAR成像区域内选择一小块待成像区域进行网格划分，每个网格点为一个地面散射点，该区域内总共包含M×N个地面散射点(实例中M＝300，N＝300)。

第三步：根据所选择地面成像区域和卫星的星历参数，对距离向脉冲压缩后的GEOSAR数据进行包络对齐与相位补偿(具体见：李财品,张洪太,谭小敏.一种适合GEOSAR成像改进的快速BP算法[J].现代防御技术,2010,38卷5期，页码：77-81.)，则此时坐标为(p,q)的地面散射点方位回波可表示为：

$S_{\mathrm{pq}}\left(t_m\right)={\sigma }_{\mathrm{pq}}{G}_{\mathrm{pq}}\sin c(\hat{t}-2\frac{40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_0^{2}c}-\frac{2R_{\mathrm{pq}}}{c})\exp \left(j2\frac{2\pi 40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_{0}c}\right)$

其中p＝1,2,...,M，q＝1,2,...,N，f₀为GEOSAR原始回波载波频率(实例中f₀为1.25GHz)，c为光速，σ_pq为目标后向散射系数，G_pq为距离压缩增益，等于SAR发射脉冲的时间宽度与频谱宽度的乘积(目前星载SAR发射脉冲时间宽度一般约为数十微妙至数百微妙，频谱宽度为十几兆赫兹至数千兆赫兹，实例中SAR发射脉冲时间宽度为41微妙，频谱宽度为30兆赫兹)，TEC为电磁波传播路径上电子密度的积分，t_m为方位慢时间，且m＝1,2,…,K(实例中K为1000)。电离层随时间相对高阶变化可表示为k为算法迭代次数，其中k＝0(实例中n＝4，且选取初始点

第四步：利用“图像最小熵”准则计算电离层随方位慢时间t_m相对高阶变化 函数的系数

$({\hat{a}}_1^{\left(k\right)},{\hat{a}}_2^{\left(k\right)},...,{\hat{a}}_{n-1}^{\left(k\right)})=\arg \min -\underset{p=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{q=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left(\frac{\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}{\underset{p=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{q=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}\right)\ln \left(\frac{\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}{\underset{p=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{q=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|S_{\mathrm{pq}}\right|}\right)$

其中argminf(x)表示函数f(x)取最小值时所对应的自变量x(argmin是最优化理论中通用的数学符号)，S_pq表示SAR图像中坐标为(p,q)地面散射点的像素，满足：

$S_{\mathrm{pq}}={\sigma }_{\mathrm{pq}}{G}_{\mathrm{pq}}\sin c(\hat{t}-2\frac{40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_0^{2}c}-\frac{{2R}_{\mathrm{pq}}}{c})\underset{m=1}{\overset{K}{\Sigma }}\exp \left(\frac{2\pi 80.6(\mathrm{TEC}\left(t_m\right)-{\widehat{\mathrm{TEC}}}^{\left(k\right)}\left(t_m\right))}{f_{0}c}\right)$

第五步：判断如果k＝0或者(其中ξ为一个设定的常数，一般取值应小于10^-5，实例中取值为10^-8)，则计算电离层TEC相对变化值并以此补偿由电离层引起的包络走动：

$S_{\mathrm{pq}}\left(t_m\right)={\sigma }_{\mathrm{pq}}{G}_{\mathrm{pq}}\sin c(\hat{t}-2\frac{40.3(\mathrm{TEC}\left(t_m\right)-{\widehat{\mathrm{TEC}}}^{\left(k\right)}\left(t_m\right))}{f_0^{2}c}-\frac{{2R}_{\mathrm{pq}}}{c})\exp \left(j2\frac{2\pi 40.3\mathrm{TEC}\left(t_m\right)}{f_{0}c}\right)$

其中p＝1,2,…,M，q＝1,2,…,N，令k＝k+1，并令k＝k+1，返回第四步，否则进入第六步。

第六步：利用迭代得到的实现对所有成像区域回波的包络和相位补偿，并实现该区域内的GEOSAR成像。

利用本发明中的实施例估计得的电离层TEC值如图2所示，由图2可以看出TEC估计精度优于0.1×10¹⁶。而电离层补偿后成像结果如图3所示，未利用本发明所提方法进行电离层补偿处理的结果如图4所示。对比图3，图4可以 看出本发明所提方法极大提高了成像质量。

本发明未详细说明部分为本领域专业人员公知常识。