阅读说明：本技术 合成孔径雷达的聚焦成像方法及装置、设备、存储介质 (Focusing imaging method and device of synthetic aperture radar, equipment and storage medium ) 是由 闫志朔 张毅 张衡 王宇 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本申请实施例公开了一种合成孔径雷达的聚焦成像方法及装置、设备、存储介质,其中,所述方法包括：对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐,得到对齐后的目标回波数据,其中,所述目标回波数据用于对所述目标对象进行成像；对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿,得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣,得到所述目标对象的聚焦图像。(The embodiment of the application discloses a focusing imaging method, a device, equipment and a storage medium of a synthetic aperture radar, wherein the method comprises the following steps: enveloping and aligning the obtained target echo data of the target object in the distance direction to obtain aligned target echo data, wherein the target echo data is used for imaging the target object; performing phase compensation on the aligned target echo data to obtain a focused inverse synthetic aperture radar image; and inhibiting side lobes of the focused inverse synthetic aperture radar image to obtain a focused image of the target object.)

合成孔径雷达的聚焦成像方法及装置、设备、存储介质

技术领域

本发明实施例涉及合成孔径雷达的成像方法，涉及但不限于一种合成孔径雷达的聚焦成像方法及装置、设备、存储介质。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)对目标对象的成像应用非常广泛，例如SAR对海面船只的聚焦成像可以对特定的海域、海湾以及重要港口进行监视，还可以用来对海面紧急情况进行预警，有利于船只的识别和检测。

合成孔径雷达通常是利用雷达自身运动产生的合成孔径来成像，其成像对象是静止目标，因此，使用单一的SAR处理方法对海面运动船只成像时，由于船只会受到自身运动以及海浪的影响，会出现目标船只散焦、模糊、错位等各种影响图像质量的问题。

影响图像质量的问题由船只运动的分量与雷达运动的分量引起，然而，逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)技术仅能解决船只成像时，由于船只自身运动而引起的图像质量问题，而无法解决雷达运动的分量带来的问题。因此，仅通过ISAR技术对船只自身运动进行补偿，无法完整的解决现有成像技术中存在影响图像质量的问题，生成海面运动船只的聚焦图像。

发明内容

本发明实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像方法及装置、设备、存储介质。

本申请实施例的技术方案是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像方法，所述方法包括：

对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据，其中，所述目标回波数据用于对所述目标对象进行成像；

对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；

对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

另一方面，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，所述装置包括：

包络对齐模块，对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据；

相位补偿模块，用于对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；

旁瓣抑制模块，用于对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

再一方面，本申请实施例提供合成孔径雷达的聚焦成像设备，所述设备包括：存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法中的步骤。

又一方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法中的步骤。

本申请实施例中，对获得目标对象的目标回波数据在距离向上进行包络对齐，这样，能在距离对准的同时抑制距离向误差，避免距离向的误差带来的图像模糊问题；对齐后的目标回波数据进行相位补偿，这样能避免相位误差带来的图像散焦问题，实现对合成孔径雷达的聚焦成像。

附图说明

图1A为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像方法的流程示意图；

图1B为本申请实施例目标船只运动的多普勒效应示意图；

图1C为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像方法的流程示意图；

图1D为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像方法的流程示意图；

图2为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像方法的流程示意图；

图3为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像方法的流程示意图；

图4为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像方法的流程示意图；

图5为本申请实施例距离多普勒域图像与船只图像的示意图；

图6为本申请实施例不同聚焦算法处理高分三获取的真实复杂图像数据的结果比较的示意图；

图7A为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像装置的结构示意图；

图7B为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像装置的结构示意图；

图7C为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像装置的结构示意图；

图7D为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像装置的结构示意图；

图7E为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像装置的结构示意图；

图7F为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像装置的结构示意图。

具体实施方式

本实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像方法，如图1A所示，该方法包括：

步骤110、对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据，其中，所述目标回波数据用于对所述目标对象进行成像；

这里，对目标回波数据在距离向上包络对齐，完成的是目标回波数据的距离对准。

距离对准是为了消除目标相对于雷达的平动而造成的相邻回波在距离像的错位，是相位补偿的基础。如果距离对准的精度不高，则会影响后面的相位补偿的结果。距离对准的方法包含但不限于全局最小熵法、包络互相关法和超分辨方法。此处，采用包络互相关法，对目标回波数据在距离向上进行包络对齐。

步骤120、对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；

这里，相位补偿过程可以包括：采用秩一相位估计方法进行相位补偿或采用本申请实施例提供的改进的秩一相位估计方法进行相位补偿；其中：采用改进的秩一相位估计方法对回波数据进行相位误差估计后，对估计的相位误差乘以共轭函数，以抵消相位误差，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像。

步骤130、对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

聚焦的逆合成孔径雷达图像中，强散射目标反射回波的旁瓣电平可能会高于弱散射目标反射回波的主瓣电平，引起弱散射目标被强散射目标淹没，影响聚焦图像的目标对象的识别效果。因此，需要对聚焦的逆合成孔径雷达图像进行旁瓣抑制操作，才能得到目标对象精确聚焦的图像。

本申请实施例中，对目标回波数据在距离向上进行包络对齐，这样，能在距离对准的同时抑制距离向误差，避免距离向的误差带来的图像模糊问题；对齐后的目标回波数据进行相位补偿，这样能避免相位误差带来的图像散焦问题，实现对合成孔径雷达的聚焦成像。

在一些实施例中，参见图1C：在步骤110之前，该方法还包括：步骤101A：对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；

步骤102A：从所述复图像数据中对目标对象进行提取，得到目标对象的初始回波数据。

然后步骤103，对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据。

因为星载SAR成像系统的存储空间和数传带宽有限，所以，通常情况下，系统采用对原始数据进行压缩的技术来降低回波数据的数据量，因此，需要对初始回波数据进行方位向反压缩，才能得到用于聚焦成像的目标回波数据。其中，方位向反压缩可以采用逆傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)方式完成。

之后，执行步骤110，包括：对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据，其中，所述目标回波数据用于对所述目标对象进行成像；

在另一些实施例中，参见图1D：在步骤110之前，该方法还包括：步骤101B：从合成孔径雷达获得的原始回波数据中提取目标对象，得到目标对象的原始回波数据；

步骤102B：对所述目标对象的原始回波数据进行距离向压缩，得到目标对象的目标回波数据；这样执行步骤110。从以上可以看出，图1C的目标回波数据也可以由目标对象的原始回波数据进行距离向压缩得到，如图1D中，步骤101B和步骤102B所示。

在实施的过程中，在步骤103之后，本实施例还包括：确定目标回波数据的平移多普勒频移，对应地，步骤110包括：对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据。也就是说，对所述目标回波数据进行的距离向上的包络对齐，可以根据目标回波数据的平移多普勒频移完成。

确定目标回波数据的平移多普勒频移的步骤如下：

假设运动目标对象散射中心个数为P，距离压缩之后目标回波的后向散射可表示为式(1-1)：

式(1-1)中，A_p为第p个散射点的后向散射系数，ρ_r为距离sinc包络线，τ为距离向回波信号往返延迟时间，r(t)为散射点p到雷达的距离，c为光速3×10⁸m/s，ω_a为方位向的sinc包络线，t为方位向观测时间，t_c为波束中心偏移时间，f₀为SAR传感器系统的载频，后向散射为在合成孔径雷达中，从入射方向观测到的散射。

图1B为本申请实施例目标船只运动的多普勒效应示意图，如图1B所示，其中，P(x,y)为目标船只，R(t)为目标到雷达的平动距离，u为目标相对于雷达视线(RLOS)轴的转角。雷达分为机载雷达和星载雷达，本图中雷达A用飞机代替。

通过对式(1-1)乘以相位项共轭的方式，消除式(1-1)中相位项exp(-j4πf₀r(t)/c)，将目标中心设为原点O，r(t)近似为式(1-2)：

式(1-2)中，R(t)为目标到雷达的平动距离，θ(t)为目标相对于雷达视线(RLOS)u轴的转角，x为目标船只P(x,y)的x方向坐标，y为目标船只P(x,y)的y方向坐标。

目标对象到雷达的平动距离的泰勒展开式，目标相对于雷达视线(RLOS)u轴的转角的泰勒展开式如式(1-3)：

式(1-3)中，R₀为目标对象的初始距离，v_t为目标对象的平移速度，a_t为目标对象的加速度。同样，θ₀为目标对象相对于RLOS轴的初始角度。ω_r为目标对象的角速度，a_r为目标对象的角加速度。结合式(1-1)(1-2)(1-3)可得散射点p到雷达的距离r(t)，并进一步推导出在a_t＝0和a_r＝0时，运动引起的多普勒频移。

在a_t＝0和a_r＝0时，运动引起的多普勒频移可以用相位的时间导数表示为式(1-4)：

式(1-4)中，λ为雷达的波长，φ散射点的相位。

平移普勒频移和旋转多普勒频移可以表示为式(1-5)：

式(1-5)中，

为平移普勒频移，

为旋转多普勒频移。通过步骤110，可以获得距离向上进行包络对齐需要的回波数据的平移多普勒频移。

本实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像方法，如图2所示，该方法包括：

步骤200、对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；

原始回波数据可以通过SAR成像处理可以得到目标区域散射系数的二维分布，即复图像数据。其中，SAR成像处理包括但不限于线性调频尺度变换(Chirp-Scaling，CS)算法和距离多普勒(Range-Doppler RD)算法。

步骤201、从所述复图像数据中对所述目标对象进行提取，得到所述初始回波数据；

经过SAR成像处理得到的复图像数据，往往包含多个目标对象。常用的目标对象可以为海上运动船只等。由于多个目标对象各自的运动轨迹复杂，运动特性各异，因此，直接使用获得的复图像数据进行图像聚焦成像具有复杂性。因此，聚焦成像前需要从复图像数据中提取目标对象的回波数据。

从复图像数据提取目标对象的回波数据，可以采用参数与非参数方式，其中：

使用参数方式提取时，可以根据获得复图像数据的SAR传感器的基本系统参数，提取目标对象的回波数据。其中，基本系统参数包括SAR传感器系统的发射信号载频、时宽和带宽、方位向合成孔径长度、方位采样率、天线长度等，以及目标对象所在位置。

非参数方式可以是截取方式，即：将目标对象从复图像数据中截取出来，得到初始回波数据。

步骤202、对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据；

步骤203、将所述目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关，得到对齐后的目标回波数据；

目标回波数据在距离向上被分割为多个距离单元。传统的包络互相关法为：假定相邻一维向的复包络变化不大，通过相邻距离单元内回波数据包络之间的互相关，求得距离偏移量，从而完成距离对准。与传统方法不同的是，此处互相关为目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行的距离对准。

步骤204、对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；

步骤205、利用频域加窗对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

频域加窗方法又称为频域加权方法，该方法是在图像上进行加窗处理，并通过固定的加权函数进行幅度加权。频域加窗首先将图像数据变换到频域，然后在频域采用加权函数来平滑频谱，从而降低主瓣能量的泄露，抑制强散射回波旁瓣，得到目标对象的聚焦图像。

本申请实施例中，在进行包络对齐时，使用目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关的方法，能避免目标回波数据与相邻距离单元回波数据进行包络对齐时，由于相邻距离单元本身存在的误差而带来的对齐距离单元的漂移误差。因此，本实施例中的包络对齐方法，能消除目标相对于雷达的平动而造成的相邻回波在距离向的错位、在有效的进行距离对准的同时抑制漂移误差，提高合成孔径雷达的聚焦成像效果。

本实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像方法，如图3所示，该方法包括：

步骤300、对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；

步骤301、从所述复图像数据中对所述目标对象进行提取，得到所述初始回波数据；

步骤302、对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据；

步骤303、将所述目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关，得到对齐后的目标回波数据；

步骤304、利用多普勒质心跟踪算法对所述对齐后的目标回波数据进行初始相位校正，得到相位校正后的目标回波数据；

多普勒质心跟踪算法是将相邻的对齐后的目标回波数据各距离门相位差的复指数函数按幅度乘积进行加权平均，得到初始相位估计。通过初始相位估计进行相位校正，得到相位校正后的目标回波数据。其中，雷达将目标对象与雷达之间的距离量化为距离门。

步骤305、对所述相位校正后的目标回波数据进行方位向逆傅里叶变换，得到逆合成孔径雷达图像；

步骤306、对所述逆合成孔径雷达图像先后进行圆移、方位向傅里叶变换(FastFourier transform，FFT)，得到距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像；

相位补偿针对平动方向，转动方向的运动分量会影响相位补偿的效果，因此，需要通过设置零点多普勒频率，减小转动分量的影响。

设置初始零点多普勒时，采用对ISAR图像进行圆移方式，即通过对每个距离单元中突出点的循环移位来设置初始零点多普勒，避免了设置初始零点多普勒的盲目性，效率更高。圆移后，将ISAR图像进行方位向FFT变换，将ISAR图像变换到距离多普勒域。

步骤307、对所述距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像进行秩一相位估计，得到所述聚焦的逆合成孔径雷达图像；

本实施例中，步骤305至307是一种改进秩一相位估计方法(Improve Rank OnePhase Estimation，IROPE)，相较于现有的秩一相位估计方法(Rank One PhaseEstimation，ROPE)，本方法对目标回波数据进行了预处理，减少了初始相位误差和转动分量的影响。

步骤308、利用频域加窗对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

本申请实施例中，对逆合成孔径雷达图像进行圆移，能够消除通过每个距离单元中突出点的循环移位来设置初始零点多普勒的盲目性；在误差估计时，使用了一种改进秩一相位估计方法，对目标回波数据进行了预处理，减少了初始相位误差和转动分量的影响，避免了转动分量带来的目标回波数据的散焦问题。因此，本实施例的聚焦成像方法能提高合成孔径雷达的聚焦成像效果，解决图像散焦问题，生成目标对象聚焦的图像。

本实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像方法，该方法包括：

步骤A0、对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；

步骤A1、从所述复图像数据中对所述目标对象进行提取，得到所述初始回波数据；

步骤A2、对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据；

步骤A3、将所述目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关，得到对齐后的目标回波数据；

步骤A4、利用多普勒质心跟踪算法对所述对齐后的目标回波数据进行初始相位校正，得到相位校正后的目标回波数据；

步骤A5、对所述相位校正后的目标回波数据进行方位向逆傅里叶变换，得到逆合成孔径雷达图像；

步骤A6、对所述逆合成孔径雷达图像先后进行圆移、方位向傅里叶变换(FastFourier transform，FFT)，得到距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像；

步骤A7、对所述距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像进行秩一相位估计，得到所述逆合成孔径雷达图像的相位误差；

对逆合成孔径雷达图像进行秩一相位估计的过程为：对距离多普勒逆合成孔径雷达图像使用ROPE算法，通过两步收敛，估计相位误差。ROPE算法同时估计了相位误差的一阶差分和多普勒频率，比较其他算法能更好地避免旋转相位分量的影响。在一实施例中，相较于PGA算法存在的采用加窗操作，将频率限制在低频中，引起遗漏较多信息的问题，ROPE算法未进行加窗操作，可避免高频误差和随机误差，因此，能更好地避免旋转相位分量的影响，得到逆合成孔径雷达图像的相位误差。

步骤A8、根据所述逆合成孔径雷达图像的相位误差进行相位误差补偿，得到第一补偿的逆合成孔径雷达图像；

此处，采用乘以相位项的共轭方式对逆合成孔径雷达图像进行相位误差补偿，得到第一补偿的逆合成孔径雷达图像。

步骤A9、根据图像评价指标对所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像的聚焦效果进行判断；

图像质量评价方法分为主观评价方法和客观评价方法，客观评价方法常采用图像的一些数字特征作为质量评估的主要客观标准，比如图像的亮度、对比度、亮度值误差、频谱平坦度、均方误差、峰值信噪比、信息熵和梯度熵等。

图像信息熵反映图像信息丰富程度。通常情况下，图像信息熵越大，其信息量就越丰富，质量越好。当图像信息熵变化很小时，图像信息量变化小，质量好，图像聚焦。因此，采用图像质量客观评价指标对第一补偿的逆合成孔径雷达图像的聚焦效果进行判断。

步骤A10、当所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像聚焦时，将所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像确定为所述聚焦的逆合成孔径雷达图像；

步骤A11、利用频域加窗对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

本申请实施例中，采用图像质量客观评价指标对第一补偿的逆合成孔径雷达图像的聚焦效果进行判断，能根据指标的变换判断图像聚焦效果，获得目标对象聚焦的图像。

本实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像方法，该方法包括：

步骤B0、对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；

步骤B1、从所述复图像数据中对所述目标对象进行提取，得到所述初始回波数据；

步骤B2、对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据；

步骤B3、将所述目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关，得到对齐后的目标回波数据；

步骤B4、利用多普勒质心跟踪算法对所述对齐后的目标回波数据进行初始相位校正，得到相位校正后的目标回波数据；

步骤B5、对所述相位校正后的目标回波数据进行方位向逆傅里叶变换，得到逆合成孔径雷达图像；

步骤B6、对所述逆合成孔径雷达图像先后进行圆移、方位向傅里叶变换(FastFourier transform，FFT)，得到距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像；

步骤B7、对所述距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像进行秩一相位估计，得到所述逆合成孔径雷达图像的相位误差；

步骤B8、根据所述逆合成孔径雷达图像的相位误差进行相位误差补偿，得到第一补偿的逆合成孔径雷达图像；

步骤B9、根据图像评价指标对所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像的聚焦效果进行判断；

步骤B10、当所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像未聚焦时，对所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像进行圆移、方位向傅里叶变换，得到距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像；

步骤B11、对所述距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像进行秩一相位估计，得到所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像的相位误差；

根据图像质量客观评价指标，判断图像信息熵等指标发生变化时，第一补偿的逆合成孔径雷达图像未聚焦，此时，需要根据秩一相位估计法对该图像进行误差的进一步估计，得到所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像的相位误差。

步骤B12、根据所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像的相位误差进行相位误差补偿，得到第二补偿的逆合成孔径雷达图像；

步骤B13、根据图像评价指标对所述第二补偿的逆合成孔径雷达图像的聚焦效果进行判断；

步骤B14、当所述第二补偿的逆合成孔径雷达图像聚焦时，将所述第二补偿的逆合成孔径雷达图像确定为所述聚焦的逆合成孔径雷达图像；

步骤B15、利用频域加窗对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

本申请实施例中，根据图像质量客观评价指标，对补偿后的逆合成孔径雷达图像进行判断，并对未聚焦的图像，进行进一步的误差估计与补偿，直到达到评价指标，使用评价指标对图像质量进行判断可以使图像进一步收敛，得到聚焦成像效果更好的图像，避免解决图像散焦问题。

图4为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括：

步骤401、复图像数据的提取与分离，即：从复图像数据中提取目标对象的回波数据；

由于多目标运动复杂，运动特性各异，然而，目前的重聚焦算法是针对单个运动船只目标的，因此，在后续处理前需要对单个运动船只的回波数据进行提取。

从复图像数据中提取运动船只的回波数据，可以采用参数与非参数方式。在一实施例中，使用参数方式提取时，可以根据获得复图像数据的SAR传感器的基本系统参数，提取目标对象的回波数据。其中，基本系统参数包括发射信号载频、时宽和带宽、方位向合成孔径长度、方位采样率、天线长度等，以及海面运动船只的位置。在另一实施例中，使用非参数方式提取时，可以采用截取的方式，将单个目标运动船只从复图像数据中提取出来。

步骤402、方位向反压缩，即：对单个海面运动船只的回波数据进行方位向反压缩，得到成像方法需要的回波数据；

通过步骤401得到单个海面运动船只的回波数据为频域数据，而在步骤403中对回波数据进行相位补偿需要基于单个海面运动船只的时域回波数据进行。因此，在步骤402中，通过对频域上单个海面运动船只图像的方位向反压缩，得到单个海面运动船只的时域回波数据。其中，方位向反压缩为方位向IFFT变换。

由目标回波获得粗相位补偿需要的回波数据的平移多普勒频移：假设运动目标对象散射中心个数为P，距离压缩之后目标回波的后向散射可表示为式(4-1)中：

式(4-1)中，A_p为第p个散射点的后向散射系数，ρ_r为距离sinc包络线，τ为距离向回波信号往返延迟时间，r(t)为散射点p到雷达的距离，c为光速3×10⁸m/s，ω_a为方位向的sinc包络线，t为方位向观测时间，t_c为波束中心偏移时间，f₀为SAR传感器系统的载频，后向散射为在合成孔径雷达中，从入射方向观测到的散射。

图1B为本申请实施例目标船只运动的多普勒效应示意图。如图1B所示，其中，P(x,y)为目标船只，R(t)为目标到雷达的平动距离，u为目标相对于雷达视线(RLOS)轴的转角。雷达分为机载雷达和星载雷达，本图中雷达A用飞机代替。

通过对式(4-1)乘以相位项共轭的方式，消除式(4-1)中相位项exp(-j4πf₀r(t)/c)，将目标中心设为原点O，r(t)近似为式(4-2)中：

式(4-2)中，R(t)为目标到雷达的平动距离，θ(t)为目标相对于雷达视线(RLOS)u轴的转角，x为目标船只P(x,y)的x方向坐标，y为目标船只P(x,y)的y方向坐标。

目标对象到雷达的平动距离的泰勒展开式，目标相对于雷达视线(RLOS)u轴的转角的泰勒展开式如式(4-3)中，：

式(4-3)中，R₀为目标对象的初始距离，v_t为目标对象的平移速度，a_t为目标对象的加速度。同样，θ₀为目标对象相对于RLOS轴的初始角度。ω_r为目标对象的角速度，a_r为目标对象的角加速度。结合式(4-1)(4-2)(4-3)可得散射点p到雷达的距离r(t)，并进一步推导出在a_t＝0和a_r＝0时，运动引起的多普勒频移。

在a_t＝0和a_r＝0时，运动引起的多普勒频移可以用相位的时间导数表示为式(4-4)：

式(4-4)中，λ为雷达的波长，φ散射点的相位。

平移普勒频移和旋转多普勒频移可以表示为式(4-5)：

式(4-5)中，

为平移普勒频移，

为旋转多普勒频移。通过步骤402，可以获得粗相位补偿需要的回波数据的平移多普勒频移。

步骤403、距离包络对齐，即：对回波数据进行粗相位补偿，得到粗相位补偿后的目标回波数据；

粗相位补偿方法目的是对回波数据进行距离向对准。距离向对准常采用包络互相关的方法。将所述目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关，是一种实时、有效的包络对齐方法，抑制了漂移误差，可以完成目标回波的距离对准，得到粗相位补偿后的目标回波数据。

步骤404、精细相位补偿，即：对粗相位补偿后的回波数据，进行精细相位补偿，得到重聚焦图像；

步骤404精细相位补偿，是精确成像方法中最主要的步骤。该步骤提出了一种基于混合SAR/ISAR处理的改进秩一相位估计方法，即IROPE(Improve Rank One PhaseEstimation)。为了获得相位误差，在IROPE中采用了ROPE(Rank One Phase Estimation)迭代两步收敛的方法，其中，精细相位补偿可由以下步骤实现：

步骤441、获得初步相位误差，即：首先利用多普勒质心跟踪算法(Dopplercentroid tracking，DCT)获得初步相位误差；

通过DCT算法，可以对粗相位补偿后的回波数据进行初步相位误差估计。

步骤442、补偿相位误差，即：补偿获得的相位误差；

通过预先估计出的初始相位误差进行校正。

步骤443、初步获得ISAR图像，即：对初步相位误差补偿后的回波数据进行方位向IFFT变换，获得ISAR图像；

步骤444、圆移，即：对ISAR图像进行圆移；

设置初始零点多普勒时，采用对ISAR图像进行圆移方式，通过对每个距离单元中突出点的循环移位来设置初始零点多普勒，避免了设置初始零点多普勒的盲目性，效率更高。

步骤445、方位向FFT，即：对圆移后的图像进行方位向FFT变换，将图像返回到距离-多普勒域；

步骤446、ROPE两步迭代，即：对距离-多普勒图像，使用ROPE算法进行两步迭代，估计相位误差；

对距离多普勒图像使用ROPE算法，通过两步收敛估计和补偿相位误差，得到重聚焦后的多普勒图像。ROPE算法同时估计了相位误差的一阶差分和多普勒频率，比较其他算法能更好地避免旋转相位分量的影响。在一实施例中，相较于PGA算法存在的采用加窗操作，将频率限制在低频中，引起遗漏较多信息的问题，ROPE算法未进行加窗操作，可避免高频误差和随机误差，因此，能更好地避免旋转相位分量的影响。

步骤447、相位误差补偿，即：根据得到的相位误差进行相位误差补偿，得到重聚焦后的多普勒图像；

步骤448、判断收敛，即：根据重聚焦后的多普勒图像效果，判断算法收敛性；当算法收敛时，进行步骤449方位向聚焦；当算法未收敛时，重复步骤444到步骤448的过程。在迭代过程中，可以进一步估计剩余相位误差，提高ISAR图像质量。

步骤449、方位向聚焦，即：完成ISAR图像的方位向聚焦；

步骤405、旁瓣抑制，即：对重聚焦的ISAR图像抑制旁瓣；

利用汉宁窗对重聚焦的ISAR图像进行旁瓣抑制，使用而通过加权处理降低旁瓣电平可以降低响应较高的旁瓣。

步骤406、重聚焦图像，即：得到重聚焦的图像。

图5为本申请实施例距离多普勒域图像与船只图像的示意图，如图5所示，(a)图和(b)图是使用原始回波数据进行的常规SAR处理的结果；可以看到，其中，(a)图为距离多普勒域图像，(b)为通过常规的SAR处理后，获得的船只图像。(c)图和(d)图是用改进的ROPE算法的混合SAR/ISAR处理的结果。其中，(c)为距离多普勒域图像，(d)图为通过改进的ROPE算法的混合SAR/ISAR处理后，获得的船只图像。

图6为本申请实施例不同聚焦算法处理高分三获取的真实复杂图像数据的结果比较的示意图，如图6所示，(a)图为原始散焦的SAR图像；(b)图为子孔径相关算法(Map-Drif，MD)处理后的重聚焦图像；(c)图为ROPE算法处理后的重聚焦图像；(d)图为本专利提出的算法处理后的重聚焦图像。

实施例七

基于前述的实施例，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，该装置包括所包括的各模块、以及各模块所包括的各单元，可以通过成像设备中的处理器来实现；当然也可通过逻辑电路实现；在实施的过程中，处理器可以为中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)等。

图7A为本申请实施例一种合成孔径雷达的聚焦成像装置的结构示意图，如图7A所示，所述装置700包括包络对齐模块710、相位补偿模块720、旁瓣抑制模块730，其中：

包络对齐模块710，对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据，其中，所述目标回波数据用于对所述目标对象进行成像；相位补偿模块720，用于对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；旁瓣抑制模块730，用于对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

基于前述的实施例，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，如图7B所示，所述装置700包括处理模块701、第一提取模块702、反压缩模块703、包络对齐模块710、相位补偿模块720、旁瓣抑制模块730，其中：

处理模块701，用于对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；第一提取模块702，用于从所述复图像数据中对目标对象进行提取，得到目标对象的初始回波数据；反压缩模块703，用于对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据；包络对齐模块710，用于对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据，其中，所述目标回波数据用于对所述目标对象进行成像；相位补偿模块720，用于对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；旁瓣抑制模块730，用于对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

基于前述的实施例，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，如图7B所示，所述装置700包括处理模块701、第一提取模块702、反压缩模块703、包络对齐模块710、相位补偿模块720、旁瓣抑制模块730，其中：

处理模块701，用于对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；第一提取模块702，用于从所述复图像数据中对所述目标对象进行提取，得到所述初始回波数据；反压缩模块703，用于对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据；包络对齐模块710，还用于将所述目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关，得到对齐后的目标回波数据；相位补偿模块720，用于对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；旁瓣抑制模块730，还用于利用频域加窗对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

基于前述的实施例，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，如图7C所示，所述装置700包括第二提取模块704、距离向压缩模块705、包络对齐模块710、相位补偿模块720、旁瓣抑制模块730，其中：

第二提取模块704，用于从合成孔径雷达获得的原始回波数据中提取目标对象，得到目标对象的原始回波数据；距离向压缩模块705，用于对所述目标对象的原始回波数据进行距离向压缩，得到目标对象的目标回波数据；包络对齐模块710，用于对获得目标对象的目标回波数据在距离向上包络对齐，得到对齐后的目标回波数据，其中，所述目标回波数据用于对所述目标对象进行成像；相位补偿模块720，用于对所述对齐后的目标回波数据进行相位补偿，得到聚焦的逆合成孔径雷达图像；旁瓣抑制模块730，用于对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

基于前述的实施例，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，如图7D所示，所述装置700包括处理模块701、第一提取模块702、反压缩模块703、包络对齐模块710、相位补偿模块720、旁瓣抑制模块730，其中，相位补偿模块720包括初始相位校正单元721、逆傅里叶变换单元722、圆移单元723和秩一相位估计单元724，其中：

处理模块701，用于对合成孔径雷达获得的原始回波数据进行SAR成像处理，得到复图像数据；第一提取模块702，用于从所述复图像数据中对所述目标对象进行提取，得到所述初始回波数据；反压缩模块703，用于对所述目标对象的初始回波数据进行方位向反压缩，得到目标对象的目标回波数据；包络对齐模块710，还用于将所述目标回波数据与成像时间内的第一个距离单元的回波数据进行互相关，得到对齐后的目标回波数据；初始相位校正单元721，用于用多普勒质心跟踪算法对所述对齐后的目标回波数据进行初始相位校正，得到相位校正后的目标回波数据；逆傅里叶变换单元722，用于对所述相位校正后的目标回波数据进行方位向逆傅里叶变换，得到逆合成孔径雷达图像；圆移单元723，用于对所述逆合成孔径雷达图像先后进行圆移、方位向傅里叶变换，得到距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像；秩一相位估计单元724，用于对所述距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像进行秩一相位估计，得到所述聚焦的逆合成孔径雷达图像；旁瓣抑制模块730，还用于利用频域加窗对所述聚焦的逆合成孔径雷达图像抑制旁瓣，得到所述目标对象的聚焦图像。

基于前述的实施例，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，如图7E所示，所述装置700包括处理模块701、第一提取模块702、反压缩模块703、包络对齐模块710、相位补偿模块720、旁瓣抑制模块730，其中，相位补偿模块720包括初始相位校正单元721、逆傅里叶变换单元722、圆移单元723和秩一相位估计单元724，其中，秩一相位估计单元724又包括第一误差估计子单元7241、第一相位误差补偿子单元7242A、第一评价子单元7243A和第一确定子单元7244A，其中：

第一误差估计子单元7241，用于对所述距离多普勒域的逆合成孔径雷达图像进行秩一相位估计，得到所述逆合成孔径雷达图像的相位误差；

第一相位误差补偿子单元7242A，用于根据所述逆合成孔径雷达图像的相位误差进行相位误差补偿，得到第一补偿的逆合成孔径雷达图像；

第一评价子单元7243A，用于根据图像评价指标对所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像的聚焦效果进行判断；

第一确定子单元7244A，用于当所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像聚焦时，将所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像确定为所述聚焦的逆合成孔径雷达图像。

基于前述的实施例，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像装置，如图7F所示，所述装置700包括处理模块701、第一提取模块702、反压缩模块703、包络对齐模块710、相位补偿模块720、旁瓣抑制模块730，其中，相位补偿模块720包括初始相位校正单元721、逆傅里叶变换单元722、圆移单元723和秩一相位估计单元724，其中，秩一相位估计单元724又包括第二相位误差补偿子单元7242B、第二评价子单元7243B和第二确定子单元7244B，其中：

第二相位误差补偿子单元7242B，用于根据所述第一补偿的逆合成孔径雷达图像的相位误差进行相位误差补偿，得到第二补偿的逆合成孔径雷达图像；

第二评价子单元7243B，用于根据图像评价指标对所述第二补偿的逆合成孔径雷达图像的聚焦效果进行判断；

第二确定子单元7244B，用于当所述第二补偿的逆合成孔径雷达图像聚焦时，将所述第二补偿的逆合成孔径雷达图像确定为所述聚焦的逆合成孔径雷达图像。

以上装置实施例的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果。对于本申请装置实施例中未披露的技术细节，请参照本申请方法实施例的描述而理解。

需要说明的是，本申请实施例中，如果以软件功能模块的形式实现上述的合成孔径雷达的聚焦成像方法，并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台成像设备执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本申请实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

对应地，本申请实施例提供一种合成孔径雷达的聚焦成像设备，所述设备包括：存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法中的步骤。

本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法中的步骤。

这里需要指出的是：以上存储介质和设备实施例的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果。对于本申请存储介质和设备实施例中未披露的技术细节，请参照本申请方法实施例的描述而理解。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本申请上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台设备执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。