專利名稱：基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自聚焦方法，尤其是一種自聚焦預(yù)處理方法，屬于合成孔徑雷達(dá)(SAR) 信號處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
SAR通過距離向的脈沖壓縮和方位向合成孔徑處理實(shí)現(xiàn)二維高分辨率成像，可以 全天時(shí)、全天候作業(yè)，可以對地下和水下場景成像，可以對地面沉降進(jìn)行精確監(jiān)控(使用干 涉SAR)等，已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場偵查、精確制導(dǎo)、目標(biāo)識別、資源探測、地形測繪、環(huán)境保護(hù)和 災(zāi)情監(jiān)測等諸多軍用和民用領(lǐng)域。SAR的成像模型建立在雷達(dá)載荷平穩(wěn)飛行的假設(shè)之上，然 而，由于實(shí)際中存在各種隨機(jī)擾動，雷達(dá)載荷在運(yùn)動過程中出現(xiàn)誤差是不可避免的。運(yùn)動誤 差會造成圖像分辨率下降和幾何失真，甚至不能成像，因此必須對運(yùn)動誤差進(jìn)行補(bǔ)償。運(yùn)動 補(bǔ)償(Motion Compensation, MoCo)有兩種方法一種是用雷達(dá)載荷上配備的慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)或慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)佐以全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)直接測量雷達(dá)的位置和姿態(tài) 等運(yùn)動參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；另一種是用信號處理的方法從雷達(dá)回波中估計(jì) 出運(yùn)動誤差，然后進(jìn)行補(bǔ)償，這種方法稱為自聚焦(Autofocus)。隨著成像分辨率的逐步提 高，對運(yùn)動補(bǔ)償精度的要求也不斷提高。利用INS、IMU和GPS等設(shè)備測得的雷達(dá)運(yùn)動參數(shù)無法完全滿足高分辨率成像的要 求，這一方面是因?yàn)槟壳皽y量儀器的精度有限，另一方面是因?yàn)槌诉\(yùn)動誤差之外還有一 些誤差是儀器無法測量的，如電磁波在大氣中的非理想傳播和雷達(dá)系統(tǒng)自身的噪聲等，因 此自聚焦是高分辨率成像中不可缺少的步驟。現(xiàn)代記載SAR中，PGA (Phase Gradient Autofocus)是一種常用的自聚焦算法，這 種算法有EICHEL等人在1989年提出。它估計(jì)的相位誤差不是基于模型，而是巧妙地利用了 相位誤差的冗余性，故而能夠估計(jì)任意階相位誤差，具有良好的魯棒性，適用于多數(shù)圖像場 景，被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的自聚焦算法中(包括PGA)，一般認(rèn)為運(yùn)動誤差是非空變的。然而， 在測繪帶較寬的情況下，運(yùn)動誤差具有距離向的空變性；在方位波束角比較大的情況下，運(yùn) 動誤差具有方位向的空變性。也就是說，高分辨率寬測繪SAR成像自聚焦處理必須考慮空 變性，否則空變性將導(dǎo)致聚焦質(zhì)量下降。解決空變相位誤差補(bǔ)償問題的主要思路是對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，劃分所得的每一塊數(shù) 據(jù)中相位誤差的空變性可以忽略。不過，分塊處理會帶來新的問題。PGA是一種基于特顯點(diǎn) 的自聚焦算法，分塊越多，每塊數(shù)據(jù)中可用的特顯點(diǎn)數(shù)目就會減少，即運(yùn)動誤差的冗余性越 低，自聚焦質(zhì)量難以保證。為了解決新的問題，本發(fā)明提出一種自聚焦預(yù)處理方案，引入濾 波技術(shù)，其目的在于提高SAR圖像信噪比，保證較少特顯點(diǎn)情況下能完成高質(zhì)量的自聚焦。濾波是信號處理領(lǐng)域中的經(jīng)典問題，按照運(yùn)算所在的域可將其劃分為頻域?yàn)V波、 時(shí)域?yàn)V波、時(shí)頻域?yàn)V波和空域?yàn)V波。頻域?yàn)V波的效果取決于信號與噪聲在頻域的分離程度 平穩(wěn)信號在頻域占據(jù)很窄的帶寬，信號與噪聲高度分離，濾波效果很好；但非平穩(wěn)信號在頻域可能占據(jù)很大的帶寬，很多噪聲無法與之分離，因此濾波效果可能會很差。對非平穩(wěn)信號 而言，時(shí)頻域?yàn)V波是更好的選擇。因?yàn)榉瞧椒€(wěn)信號雖然整體上占據(jù)很大的帶寬(附圖
la)， 但是在局部卻占據(jù)小得多的帶寬(附圖lb)，所以在時(shí)頻域可以對信號和噪聲進(jìn)行更為有 效地分離
發(fā)明內(nèi)容
為解決以上問題，實(shí)現(xiàn)提高SAR圖像信雜比的處理目的，本發(fā)明提出基于短時(shí)分 數(shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法。在預(yù)處理階段使用單個特顯點(diǎn)進(jìn)行高穩(wěn)健性的相 位誤差歷程估計(jì)，獲得相位誤差歷程的主要部分，將其從原始信號中除去之后，可以大大改 善成像質(zhì)量，進(jìn)而提高特顯點(diǎn)信號的信雜比。所述方法包括如下步驟步驟1 從SAR圖像數(shù)據(jù)中提取單個特顯點(diǎn)的含有噪聲的相位誤差信號；步驟2 判定該相位誤差信號的相位是否以二次為主，判定的方法如下求出步驟1獲得的相位誤差信號的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換最優(yōu)匹配角度α，對最優(yōu)匹 配角度α下的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換結(jié)果Xa (u)求模得到I (a，u) = |Xa(u)|，然后構(gòu)造如下 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量
權(quán)利要求
基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1從SAR圖像數(shù)據(jù)中提取單個特顯點(diǎn)的含有噪聲的相位誤差信號；步驟2判定該相位誤差信號的相位是否以二次為主，判定的方法如下求出步驟1獲得的相位誤差信號的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換最優(yōu)匹配角度α，對最優(yōu)匹配角度α下的分?jǐn)?shù)階傅里葉變換結(jié)果Xα(u)求模得到I(α，u)＝|Xα(u)|，然后構(gòu)造如下檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 <mrow><mi>J</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>S</mi><mo>{</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>α</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>></mo><mi>η</mi><mo>·</mo><munder> <mi>max</mi> <mrow><mi>α</mi><mo>,</mo><mi>u</mi> </mrow></munder><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>α</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo> </mrow> <mrow><mi>S</mi><mo>{</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>α</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中運(yùn)算符S{·}表示求面積；若檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量J小于預(yù)設(shè)的門限Jth，則認(rèn)為相位以二次為主；若檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量J大于預(yù)設(shè)的門限Jth，則認(rèn)為相位不是以二次為主；步驟3對含有噪聲的相位誤差信號進(jìn)行時(shí)頻變換，在變換域?yàn)V除噪聲，具體方法是若步驟2判定相位以二次為主，則使用短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波技術(shù)對含有噪聲的相位誤差信號進(jìn)行濾波；若步驟2判定相位不是以二次為主，則使用短時(shí)傅里葉域?yàn)V波技術(shù)對含有噪聲的相位誤差信號進(jìn)行濾波；步驟4將濾波結(jié)果進(jìn)行與步驟3所進(jìn)行的時(shí)頻變換相應(yīng)的逆變換到時(shí)域，對相位誤差信號進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)自聚焦處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，其特征在 于，步驟2中系數(shù)η的取值范圍為0.6-0. 8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，其特征在 于，步驟3所述濾波時(shí)使用恒虛警率檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，方法為，根據(jù)預(yù)設(shè)的恒虛警率判定 準(zhǔn)則對相應(yīng)的短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換或短時(shí)傅里葉變換的結(jié)果進(jìn)行檢測，結(jié)果中低于檢測 閾值的，認(rèn)為是噪聲，高于檢測閾值的，認(rèn)為是信號；然后根據(jù)檢測情況，對相應(yīng)時(shí)頻變換結(jié) 果進(jìn)行噪聲濾除。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，其特征在 于，步驟3中，對于相位以二次為主的情況，對含有噪聲的相位誤差信號e Z2 (R)進(jìn)行短時(shí)分
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，其特征在于，當(dāng)窗函數(shù)g(t)取如下形式的高斯函數(shù)時(shí)，所述短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的聚集性達(dá)到最高
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，其特征在 于，所述恒虛警率判定準(zhǔn)則如下\>Th,信號 ^σ^\<Th,噪聲其中ο與含噪聲的相位誤差信號中的噪聲均值mean存在如下關(guān)系
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，其特征在于，虛警概率Pfa設(shè)為10_5 10-全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波的自聚焦預(yù)處理方法，屬于合成孔徑雷達(dá)(SAR)信號處理領(lǐng)域。所述方法的步驟如下1)提取單個特顯點(diǎn)的相位誤差信號；2)判定該相位誤差信號的相位是否以二次為主；3)在變換域?yàn)V除噪聲如果相位以二次相位誤差為主，則使用短時(shí)分?jǐn)?shù)階傅里葉域?yàn)V波；否則使用短時(shí)傅里葉域?yàn)V波；4)將結(jié)果時(shí)頻逆變換到時(shí)域，對相位誤差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)自聚焦處理。本方法有效解決了低信噪比環(huán)境下相位誤差，特別是二次相位誤差的估計(jì)和補(bǔ)償問題，可以獲得相位誤差歷程的主要部分，將其從原始信號中除去之后可以大大改善成像質(zhì)量，進(jìn)而提高了特顯點(diǎn)信號的信雜比。
文檔編號G01S13/90GK101963662SQ20101028706
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者張偉, 李焱磊, 李雪梅, 白霞, 陶然 申請人:北京理工大學(xué)