一种基于Chirplet变换的SAR运动补偿算法

doi:10.7523/j.ucas.2024.035

摘要/Abstract

摘要：

对线性调频脉冲SAR的运动误差进行深入分析，并针对SAR非空变相位误差补偿问题，提出一种基于原始回波数据的Chirplet变换运动补偿算法。该算法采用Chirplet变换进行时频分析，以精确表征回波数据中的相位误差，利用最大似然估计提取出相位误差的调频率，进而求解出相位误差进行运动补偿。与PGA算法相比，该算法不需要依赖强散射点，在存在较大相位误差的情况下，能够获得更好的图像聚焦效果；与MD子孔径算法相比，该算法对每个点都进行调频率估计，估计得更为精细。最后，仿真实验和定量分析验证了该算法的有效性。

关键词: 机载SAR, Chirplet变换, 时频分析, 运动补偿

Abstract:

As the resolution of airborne synthetic aperture radar continues to improve， motion compensation has become a core link to ensure high-quality imaging. This paper conducts an in-depth analysis of the motion error of chirped pulse SAR， and proposes a Chirplet transform motion compensation algorithm based on original echo data to address the problem of non-space-variant phase error compensation of SAR. This algorithm uses Chirplet transform for time-frequency analysis to accurately characterize the phase error in the echo data， uses maximum likelihood estimation to extract the modulation frequency of the phase error， and solves the phase error for motion compensation. Compared with the PGA algorithm， this algorithm does not need to rely on strong scattering points and can achieve better image focusing performance in the presence of large phase errors. Compared with the MD subaperture algorithm， this algorithm performs frequency modulation rate estimation for each point， resulting in a more precise estimation. Finally， simulation experiments and quantitative analysis verified the effectiveness of the algorithm.

Key words: airborne SAR, Chirplet transform, time frequency analysis, motion compensation

中图分类号:

TN958.2

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图/表 12

图1 机载SAR运动模型

Fig.1 Airborne SAR motion model

图2 线性调频信号Chirplet变换的频率旋转和移位因子作用示意图

Fig.2 Schematic diagram of frequency rotation and shift factor effects in Chirplet transform of linear frequency modulation signals

图3 含有相位误差的SAR回波数据Chirplet变换结果

Fig.3 Chirplet transform results of SAR echo data containing phase error

图4 算法整体流程图

Fig.4 Overall process of compensation algorithm

表 1 仿真参数

Table 1 Simulation parameters

参数	值
中心频率/GHz	5
信号带宽/MHz	200
信号脉宽/μs	1.5
合成孔径长度/m	200
载机速度/（m/s）	100
载机高度/m	2 000
脉冲重复频率/Hz	200
距离向中心距离/m	10 000
方位向中心距离/m	0

图5 基本RD算法成像结果

Fig.5 Basic RD algorithm imaging results

表 2 相位误差估计参数设置

Table 2 Phase error estimation parameter settings

参数	值
调频率估计范围	0~1 000
调频率扫描点数	1 000
窗函数长度/s	0.2
距离向扫描范围/m	200~600
迭代次数	10

图6 基于本文算法的谐波相位误差补偿结果

Fig.6 Harmonic phase error compensation results based on the algorithm of this paper

图7 基于本文算法的二次相位误差补偿结果

Fig.7 Quadratic phase error compensation results based on the algorithm of this paper

图8 PGA及MD子孔径算法相位补偿效果

Fig.8 Phase compensation effect of PGA and MD sub-aperture algorithms

图9 谐波相位误差补偿等高线对比图

Fig.9 Comparison of compensation effects for harmonic phase errors

表 3 相关系数表

Table 3 Correlation coefficient table

	相关系数
	未补偿	PGA算法补偿	子孔径MD算法补偿	本文算法补偿
谐波相位误差	0.331 1	0.529 3	0.847 6	0.971 3
二次相位误差	0.332 6	0.575 2	0.852 8	0.983 5

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