第5章 多普勒参数估计

二、运动补偿
假定整个图像内线性误差相位项都相同，结果是造成整个 图像的偏移。
二、运动补偿
二次相位误差造成图像模糊，产生图像散焦。
二、运动补偿
2. 高频相位误差 在合成孔径时间内有较大变化(例如正弦相位误差)就属高 频相位误差。 比如正弦相位误差产生高的峰值旁瓣。 正弦相位误差Фe=Ф0 sin(2πfex)使脉冲响应中出现了成对 回波，这意味着高的峰值旁瓣的存在， 而且会错误地把它们看成分离的目标，即假目标。
二、运动补偿
普通运动补偿方法(1)
二、运动补偿
普通运动补偿方法(2)
二、运动补偿
1) 载机姿态变化补偿： 可将雷达天线安装在陀螺平台上。 2) 杂波锁定：单靠天线陀螺平台完全补偿有困难，采用杂波 锁定技术，锁定多普勒频移中心。 3) 惯导系统： 提供偏航角、地速和航速等飞行数据， 完成地速补偿、载机侧向和上下移动补偿(斜距发生变化)。
s (t ) exp j[2 f dc t f dr t 2 (t )]
相位误差
相位误差影响SAR系统空间分辨能力，也会造成图像 灰度统计的变化，因此消除相位误差是高分辨率SAR成像 的关键
二、运动补偿
相位误差的其他影响因素 无线电波传播过程中的影响（星载系统） 电磁波传播过程中，对流层内的媒介密度的非均匀 性，使大气折射率不是一个均匀不变的常数。此外，电 离层中传播速度也不是一个常数，因此在回波信号中形 成相位误差。 大气环境的影响（机载系统） 由于高空风和气流的影响，使载机在各个方向产生 扰动，载机实际轨迹在理想轨迹附近来回摆动，从而在 回波信号中产生相位误差。 接收系统及数据处理精度的影响 接收机内部单元不稳定以及数据处理中引入的近似都会 成为回波信号相干误差的来源。
距离 时间
多普勒带宽相同，调频斜率相同
一、参考函数
距离向脉冲压缩波形
视频信号
压缩后
一、参考函数
⑵ 方位向聚焦处理
R R x X
2 0 2
雷达
x
R0
x 2 2 Xx X 2 1 2 R0
R0 R
x 2 2 Xx X 2 R0 2 R0 点目标回波信号 V x V0 e V0 e
二、运动补偿
t时刻地面点目标相对飞机的位置矢量
其中
二、运动补偿
二、运动补偿
目标回波的瞬时多普勒频率为
二、运动补偿
沿航迹方向的速度误差和雷达视线(Line of Sight，LOS) 方向的加速度误差会引起二次相位误差，导致图像散焦； 沿LOS方向上的速度误差主要引起线性相位误差，导致 图像发生位移； 载机的一些无规则运动可能引起高频相位误差，导致图 像对比度的下降，或产生虚假目标。
方位向
方位向线性调频波形
方位向聚焦波形
二、运动补偿
以飞机的理想水平飞行方向为x轴方向、 垂直向下为z轴方向、 y轴方向与x轴和z轴构成 右手直角坐标系
二、运动补偿
合成孔径雷达成像对载机的运动状态有如下要求： 载机沿x轴方向的速度恒定，沿y轴和z轴方向的速 度分量以及沿三轴方向的加速度均为0； 载机没有绕三轴的转动，即俯仰角、滚动角、偏 航角均恒为0。(pitch, roll, yaw) 载机的运动误差: 1) 沿x方向(航向)的速度误差——地速误差和沿 y, z方向存在的速度误差——径向速度误差。 2) 转动误差可分为方位、俯仰、滚动三种。不同的 运动误差，造成的影响不同，补偿的措施也不同。
距离 方位
- 4
- 2ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
2
4
6
方位
-4 - 2 0 2 4 6
方位 方位向 线性调频波形 多普勒带宽相同 合成孔径时间不同 线性调频斜率不同
一、参考函数
方位向聚焦波形
距离向
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 . . . . . . . . . . . 0 8 6 4 2 0 2 4 6 8 0 6 4 2 0 2 4 6
二、运动补偿
3) GPS：全球定位系统 可以在较长的时间内，提供稳定、准确的载机位置和低频的 速度和加速度信息。GPS测量值的时间稳定性解决了惯性传 感器的积累误差和漂移问题。 可以为SAR系统提供初始运动信息和惯导单元的数据更新。 INS/GPS组合导航， 可以获得低于1米的定位精度和0.01米/秒的测速精度。 现有系统主要采用INS/GPS组合导航测量方案。 为了减少成像处理器的计算量，一般在成像前完成大部分运 动补偿工作。
j 4 R0 j 4 R
X
目标
2 X 2 j R0 j 4 Xx R0


e
2 x 2 j R0
e
e
一、参考函数
一、参考函数
距离向参考函数： 2 1 2 h ( x, r ) exp j f 0 r r 2c c 其时间域表达式为： 1 hr1 (t ) exp j 2 f 0t Kt 2 (0 t ) 2
二、运动补偿
二、运动补偿
3. 宽带随机相位误差 宽带随机相位误差显然也是一种高频误差。 宽带随机相位误差的效果是与正弦相位误差类似的，不 同的地方是宽带相位误差把能量展宽在整个脉冲响应中，它 由与相位误差有关的相位项的频谱带宽所决定。 宽带相位误差产生了一个合成的高电平副瓣，增加了 积分旁瓣比(ISLR)，结果使图像对比度下降，并使图像产生 噪声。
二、运动补偿
可以通过两种途径来对运动误差进行补偿。 1)一种途径是直接测量出载机的运动状态并对运动误差进行补偿 ，这可以通过惯性导航系统和GPS相结合来实现。 系统：尽可能准确地测出雷达在每一时刻的准确位置和姿态。 2) 另一种途径则是从接收到的雷达回波信号中获取有关的运动参 数，并对之进行补偿。 算法：尽可能消除运动误差所产生的相位误差，提高聚焦效果。 运动误差对图像质量的影响可归结到相位误差对图像质量的影响 上。
三、质心估计
基于回波数据的多普勒参数估计 1）载机速度不稳 2）气流使飞机偏航 导致多普勒参数随时间变化 数据域运动补偿： 1) 通过适当的信号处理方法，消除回波数据中由于运动误差所 产生的相位误差，提高聚焦效果。 2) 有效的数据域补偿算法可以降低对运动测量导航系统硬件性 能的要求。 3) 准确的多普勒参数是进行距离徙动校正和成像处理的基础； 很多实际情况下，具体的系统参数信息未知；高分辨率系统中 运动测量精度无法满足要求。
距离
1 . 0 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 2 0 . 0 - 0 . 2 - 0 . 4 - 0 . 6 - 0 . 8 - 1 . 0 - 6 1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 .0 - 6
1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 .0 -6 -4 -2 0 2 4 6
S ( f , r) ( f , r) H ( f , r)
对多条方位功率谱线进行平均，得到：
E[| S ( f , r ) | ] E[ ( f , r )] | h( f , r ) |
2 2
2
若地面后向散射系数服从高斯分布，则：
E[ ( f , r )] 1
2
三、质心估计
微波成像理论及实现
第五章 多普勒参数估计
2015
一、参考函数
⑴ 距离向压缩处理
一、参考函数
距离向线性调频
线性调频波形
1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 .0 -6 -4 -2 0 2 4 6 1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 .0 -6 -4 -2 0 2 4 6 1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 .0 -6 -4 -2 0 2 4 6
1 r
方位向参考函数：
4 h ( x, r ) exp j R( x) 其时间域表达式为：
1 a
1 2 h (t ) exp ja f DC t f DR t 2
1 a
(0 t Ts )
方位向线性调频
二、运动补偿
SAR成像系统的关键技术 • 高性能全相参技术 • 宽带信号的产生和接收技术 • SAR的信号处理技术 • 运动补偿技术
二、运动补偿
相位误差 SAR成像要求不同脉冲回波之间保持较高的相位相干 性，而载机运动的不确定性（运动误差）导致回波信号 中产生相位误差，从而降低了信号的相位相干性，这是 导致SAR成像质量下降的主要因素。
可以得到：
E[| S ( f , r ) | ] | h( f , r ) |
2
2
方位功率谱与点目标的方位匹配压缩函数有直接的关系。 方位匹配压缩函数的形式由两个多普勒估计参数决定，利 用这一点可直接从回波的方位功率谱中提取多普勒参数。
三、质心估计
1. 谱峰测量法 SAR回波信号的方位功率谱受天线方位向方向图的调制， 由于方位图的峰值为天线指向中心，因此功率谱峰值的位置 就是多普勒中心频率的位置。 这种方法的精度依赖于成像场景的均匀程度，越是均匀场 景测量精度越高。一般SAR成像区域并非均匀场景，可对多 条方位功率谱线进行平均来减少非均匀场景的起伏。但在场 景变化很大时，其估计精度较差。
二、运动补偿
二、运动补偿
二、运动补偿
二、运动补偿
SAR系统的运动补偿： 1) INS：惯性导航系统 获得关于载机平台的沿飞行轨迹方向、垂直飞行轨迹方向 和飞行高度方向上的三个加速度信息，以及关于载机平台的 横滚、俯仰、偏航等三种姿态信息，最后通过积分运算估计 出关于载机平台质心的位置姿态。 2) IMU：高精度的捷联惯性测量单元(Strapdown) 所谓捷联惯性系统也就是将惯性敏感元件(陀螺和加速度 计)直接“捆绑”在运载体的机体上,从而完成制导和导航任务的 系统。
三、质心估计
基于回波数据的多普勒参数估计: 由于存在天线指向误差、雷达相位中心位置误差等，使得真 实回波的多普勒质心与理论计算值不相符。 多普勒质心估计的重要性： 补偿一次相位误差
三、质心估计
谱峰值估计法 频域法 多普勒质心估计法 时域法 符号-多普勒质心估计 频域估计：回波信号能量重心即多普勒质心 时域估计：信号相关函数和功率谱的傅里叶变换关系 杂波锁定法 能差逼近法 相关多普勒估计法
三、质心估计
频域估计法的基本原理 主要是利用方位向回波的某个多普勒频率上的能量 必然来自雷达波束中某个特定方向上的目标，而多普勒 质心的值对应于雷达波束的中心照射在点目标时的位置 ，以此来进行多普勒质心的估计。
三、质心估计
在均匀场景中回波方位谱是关于多普勒中心频率对称 的。
三、质心估计
雷达回波的方位向频谱为
1 0 0 0 0 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 1
. 0 . 8 . 6 . 4 . 2 . 0 . 2 . 4 . 6 . 8 . 0 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6
1 .0 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 .0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 .0 -6 -4 -2 0 2 4 6
三、质心估计
各种估计方法都基于以下事实： 时间带宽积很大的方位向SAR回波信号的多普勒频 率和方位向位置是锁定的。 从平均意义上来看，回波信号的方位向功率谱在多 普勒中心频率附近具有双程功率天线方向图的形状。 各种方法实质上都是将回波信号的方位向功率谱与 一个权函数做相关，找出结果的最小值，不同估计方法 的区别在于权函数不同。
三、质心估计
二、运动补偿
非均匀运动
二、运动补偿
视线偏差(LOS Displacement)
二、运动补偿
相位误差分为低频误差、高频误差和宽带相位误差。 低频误差主要影响系统脉冲响应的主瓣而高频误差主要影 响旁瓣。 1) 低频相位误差 低频相位误差是指误差周期大于合成孔径时间的一类误差 。这类误差包含了通常的线性、二次及高次误差。