多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法及系统

本发明属于雷达信号处理，具体涉及一种多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法及系统。

背景技术：

1、bfsar（bistatic forward-looking synthetic aperture radar，双基前视合成孔径雷达）起源于对多视几何与抗干扰能力的需求，克服了单基地雷达无法前视成像的问题，并且通过收发分置，具备天然的抗干扰优势；bfsar中，发射机斜视目标场景，接收机前视目标场景，能够实现对前视目标区域的成像处理，因此具备巨大的发展潜力和技术优势。

2、然而，在bfsar的雷达成像过程中，雷达平台在沿理想轨迹运动时，由于气流、机械振动等原因，会造成雷达载机运动过程中出现未知的运动误差，使雷达载机偏离理想轨迹，导致在雷达回波信号处理过程中理想时变斜距与实际时变斜距存在误差，继而引起未知相位误差，未处理的相位误差又引起成像结果散焦、分辨率降低等现象；同时在bfsar下，接收机和发射机的运动误差相互独立，但在回波信号中又体现为耦合在一起的相位误差，现有技术难以分离两个雷达各自运动误差的影响；此外，由于在双基高速前视构型下，回波信号的距离徙动存在严重的二维空变性，不同空间位置目标的回波特性差异显著，这给运动误差补偿带来了极大的挑战。

3、综合来看，现有技术难以解决bfsar中收发平台独立运动误差的分离反演与二维空变联合补偿问题，导致成像场景边缘散焦严重，且难以满足高速平台实时成像的需求。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的bfsar中收发平台独立运动误差的分离反演与二维空变联合补偿困难的技术问题。为此，本发明的目的在于提出一种多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法、系统、电子设备及存储介质。

2、第一方面，本发明提出的一种多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法，包括以下步骤：获取雷达回波信号，并基于测量运动参数对所述雷达回波信号进行初步运动补偿；获取初步运动补偿后的雷达回波信号中场景中心点的第一多普勒参数，并基于所述第一多普勒参数对所述雷达回波信号进行相位补偿，得到第一成像结果；在所述第一成像结果中选取多个空间位置不同的强散射点，获取每个所述强散射点的第二多普勒参数及空间位置信息；以包含未知残余运动误差的斜距模型为基础，建立各所述强散射点和所述场景中心点的理论多普勒参数与所述未知残余运动误差之间的映射关系；将各所述强散射点的所述第二多普勒参数和所述场景中心点的所述第一多普勒参数作为观测向量，并结合所述理论多普勒参数构造关于所述未知残余运动误差的冗余观测方程组，求解所述冗余观测方程组反演得到收发平台残余运动误差；根据所述收发平台残余运动误差，重新构造成像场景中不同空间位置对应的补偿参数，将所述补偿参数引入预设的成像算法中，以在成像过程中同时完成运动误差的二维空变补偿。

3、根据本发明实施例的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法，首先获取雷达回波信号并基于测量运动参数进行初步运动补偿，然后获取场景中心点的第一多普勒参数并完成相位补偿得到第一成像结果，接着在第一成像结果中选取多个空间位置不同的强散射点并获取其第二多普勒参数及空间位置信息，再以包含未知残余运动误差的斜距模型为基础建立理论多普勒参数与未知残余运动误差之间的映射关系，然后将各强散射点的第二多普勒参数和场景中心点的第一多普勒参数作为观测向量构造冗余观测方程组并求解反演得到收发平台残余运动误差，最后根据收发平台残余运动误差重新构造成像场景中不同空间位置对应的补偿参数并引入预设的成像算法中以在成像过程中同时完成运动误差的二维空变补偿；以此通过构建基于多点融合的冗余观测方程、采用加权非线性最小二乘和多初值搜索策略反演具有物理意义的收发平台独立运动误差、并将反演得到的运动参数嵌入成像算法实现空变补偿，形成了一个物理驱动、多点融合的运动误差反演与补偿框架，从而有效解决了双基高速前视合成孔径雷达中收发平台运动误差难以分离、回波信号二维空变难以校正、边缘区域散焦的核心技术难题，显著提升了高速前视条件下的雷达成像质量与可靠性。

4、另外，根据本发明实施例的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法，还可以具有如下附加的技术特征：

5、进一步地，所述测量运动参数包括全球导航卫星系统和/或惯性导航系统提供的雷达收发平台的位姿与时间信息；所述基于测量运动参数对所述雷达回波信号进行初步运动补偿，包括：利用所述位姿与所述时间信息计算所述收发平台相对于场景中参考点的时变斜距历史，并根据所述时变斜距历史对所述雷达回波信号进行距离徙动校正和相位粗补偿，其中，所述距离徙动校正包括距离走动校正和距离弯曲校正，所述相位粗补偿用于消除由所述测量运动参数能够直接计算得到的已知相位分量。

6、进一步地，所述第一多普勒参数至少包括距离走动系数和方位压缩相位系数；所述获取初步运动补偿后的雷达回波信号中场景中心点的第一多普勒参数，包括：以所述测量运动参数计算得到的理论距离走动系数为中心，利用图像偏移算法获得距离走动系数的粗估计值，并以所述粗估计值为中心，在预设的第一搜索窗口内，依据图像熵最小化准则或局部相关性最大化准则进行搜索，得到所述距离走动系数的精确估计值；在完成距离压缩后，利用图像偏移算法获得方位压缩相位系数的粗估计范围，并以所述粗估计范围为中心，在预设的第二搜索窗口内，依据图像熵最小化准则进行逐点搜索，得到所述方位压缩相位系数的精确估计值。

7、进一步地，所述获取每个所述强散射点的第二多普勒参数及空间位置信息，包括：在所述第一成像结果中，通过恒虚警率检测算法或峰值检测算法检测出多个强散射点，并利用雷达几何定位算法计算各所述强散射点在空间直角坐标系中的三维坐标，作为所述空间位置信息；根据各所述强散射点的所述空间位置信息，确定各所述强散射点在所述第一成像结果中所属的局部距离单元，在各所述局部距离单元内，采用图像偏移算法获得对应的所述强散射点的方位压缩相位系数的粗估计值，以所述粗估计值为中心进行图像熵最小化精搜索，得到各所述强散射点的方位压缩相位系数的精确估计值，作为所述第二多普勒参数。

8、进一步地，所述未知残余运动误差包括：接收机沿自身理想航线方向的速度误差、发射机沿自身理想航线方向的速度误差、接收机在自身理想航迹法平面内沿接收机至场景中心视线方向投影的速度误差、发射机在自身理想航迹法平面内沿发射机至场景中心视线方向投影的速度误差；所述收发平台为双基地雷达系统，所述接收机和所述发射机各自独立运动且各自存在独立的所述未知残余运动误差。

9、进一步地，将所述接收机和所述发射机的所述未知残余运动误差表示为慢时间的一次项速度误差，并分别投影到各自沿航线方向和视线向两个正交分量上，以构建所述包含未知残余运动误差的斜距模型；所述理论多普勒参数包括理论多普勒中心频率和理论多普勒调频率，所述理论多普勒中心频率和理论多普勒调频率均由所述斜距模型对慢时间求导得到，且均为所述接收机和所述发射机的四个速度误差未知量的函数。

10、进一步地，所述冗余观测方程组为超定方程组，所述超定方程组的方程数量大于未知数的数量；所述求解所述冗余观测方程组反演得到收发平台残余运动误差，包括：构造加权非线性最小二乘目标函数，其中，所述目标函数以所述观测向量中的各多普勒参数与所述理论多普勒参数之间的残差平方加权和为形式，且加权系数根据各多普勒参数的估计精度或各强散射点的信噪比确定；对所述目标函数，采用多个不同初始值进行迭代搜索，并在迭代搜索过程中对各未知速度误差施加预设的物理合理取值范围作为边界约束，以降低非线性耦合导致的局部极小值影响，获得全局最优解作为反演的所述收发平台残余运动误差。

11、进一步地，所述补偿参数包括双程斜距泰勒展开系数；所述将所述补偿参数引入预设的成像算法中，包括：根据所述收发平台残余运动误差，结合所述测量运动参数，计算收发平台的实际运动轨迹，并针对成像场景中任意目标点的不同空间位置，重新计算目标点的双程斜距历史；将所述双程斜距历史在合成孔径中心时刻进行泰勒展开，得到包含空变信息的各阶展开系数，作为所述双程斜距泰勒展开系数；将所述双程斜距泰勒展开系数代入成像算法中的距离徙动校正因子和方位匹配滤波函数中，使得不同空间位置的目标点分别获得与其位置匹配的补偿相位，以在补偿运动误差的同时校正距离徙动和方位压缩参数随空间位置变化而产生的二维空变特性。

12、进一步地，所述多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法应用于双基高速前视合成孔径雷达构型，其中，所述双基高速前视合成孔径雷达构型的接收机以正前视方式指向目标区域，发射机以斜视方式照射目标区域，收发平台在短合成孔径时间内完成信号积累，其中，所述短合成孔径时间由系统分辨率要求和平台运动速度共同确定，在所述短合成孔径时间内，所述未知残余运动误差被建模为慢时间的一次项而忽略高阶项影响。

13、第二方面，基于同一发明构思，本发明还提出一种多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿系统，包括：初步运动补偿模块，用于获取雷达回波信号，并基于测量运动参数对所述雷达回波信号进行初步运动补偿；场景参数估计模块，用于获取初步运动补偿后的雷达回波信号中场景中心点的第一多普勒参数，并基于所述第一多普勒参数对所述雷达回波信号进行相位补偿，得到第一成像结果；强散射点参数提取模块，用于在所述第一成像结果中选取多个空间位置不同的强散射点，获取每个所述强散射点的第二多普勒参数及空间位置信息；映射构建模块，用于以包含未知残余运动误差的斜距模型为基础，建立各所述强散射点和所述场景中心点的理论多普勒参数与所述未知残余运动误差之间的映射关系；运动误差反演模块，用于将各所述强散射点的所述第二多普勒参数和所述场景中心点的所述第一多普勒参数作为观测向量，并结合所述理论多普勒参数构造关于所述未知残余运动误差的冗余观测方程组，求解所述冗余观测方程组反演得到收发平台残余运动误差；空变补偿模块，用于根据所述收发平台残余运动误差，重新构造成像场景中不同空间位置对应的补偿参数，将所述补偿参数引入预设的成像算法中，以在成像过程中同时完成运动误差的二维空变补偿。

14、第二方面提供的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿系统与第一方面提供的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法具有相应的技术特征，因此，也具有与第一方面相似的技术效果，此处不再详述。

15、第三方面，基于同一发明构思，本发明还提出一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，所述处理器、所述通信接口、所述存储器通过所述通信总线完成相互间的通信；所述存储器，用于存放计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的计算机程序时，实现如本发明上述实施例所述的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法的步骤。

16、第三方面提供的电子设备与第一方面提供的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法具有相应的技术特征，因此，也具有与第一方面相似的技术效果，此处不再详述。

17、第四方面，基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明上述实施例所述的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法的步骤。

18、第四方面提供的计算机可读存储介质与第一方面提供的多点多普勒参数融合的运动误差反演与补偿方法具有相应的技术特征，因此，也具有与第一方面相似的技术效果，此处不再详述。

19、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。