圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、系统及电子设备

本发明涉及雷达成像技术领域，尤其涉及一种圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、系统及电子设备。

背景技术：

合成孔径雷达(syntheticapertureradar，sar)是一种微波主动遥感设备，具有全天时全天候的工作特点，因此在军事和民用各领域里均有广泛的应用。在传统的sar工作模式中，雷达平台均沿直线飞行且合成孔径长度十分有限，这就造成了叠掩、阴影、透视缩短等sar图像普遍存在的问题。为了解决这些问题，提出了圆迹sar工作模式。

一般使用后向投影算法(backprojection，bp)对圆迹sar数据进行成像处理，而bp算法对地形和雷达平台的运动轨迹的精度有很高的要求。目前机载gps和惯导系统与开源dem数据很难自聚焦满足高波段圆迹sar成像要求，因此需要使用自聚焦算法成像。

现有的自聚焦bp成像算法中，只针对运动误差引起的相位误差进行了估计和补偿，而忽略了对包络误差的补偿，这会导致补偿不够精确，此外，相位误差空变性也会对自聚焦bp效果产生影响，这使得sar图像聚焦效果不够理想。同时，现有sar图像聚焦过程产生的开销较大，对计算机内存要求比较高。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明的实施例提供了一种圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法、系统及电子设备。

根据本发明的一方面，提供了一种圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法，包括：

将成像区域划分为多个矩形区域；

对多个矩形区域中的每一个，针对每个脉冲计算投影矩阵；

对投影矩阵进行图像偏移量补偿；

对图像偏移量补偿后的投影矩阵进行相位误差估计和相位误差补偿；并且

基于相位误差补偿后的投影矩阵，拼接得到成像区域的全场景图像。

进一步地，对投影矩阵进行图像偏移量补偿包括：

将合成孔径划分为多个子孔径，并获取多个子孔径中的每一个的图像；

选择图像中的一个作为参考图像，计算参考图像与图像中的其余图像之间的归一化互相关系数，并获取归一化互相关系数最大时的二维偏移量；并且

基于二维偏移量对投影矩阵进行图像偏移量补偿。

进一步地，将合成孔径划分为多个子孔径包括：

根据雷达信噪比和分辨率将合成孔径划分为多个子孔径。

进一步地，通过以下公式获取多个子孔径中的每一个的图像：

其中，i(i，j)为像素点(i，j)的像素值，sij为像素点(i，j)对应的距离向脉冲压缩后的回波信号，fc为雷达中心频率，c为光速，rij为像素点(i，j)到雷达平台的距离。

进一步地，通过以下公式计算rij：

其中，xa，ya，za为雷达平台的空间坐标位置，xp，yp，zp为像素点(i，j)的空间坐标位置。

进一步地，通过以下公式对投影矩阵进行图像偏移量补偿：

其中，xa，ya，za为雷达平台的空间坐标位置，xp，yp，zp为像素点(i，j)的空间坐标位置，δx，δy为归一化互相关系数最大时的二维偏移量。

进一步地，通过以下公式计算参考图像与图像中的其余图像之间的归一化互相关系数：

其中，gh为参考图像与第h个子孔径的图像之间的归一化互相关系数，p为横向的像素点数量，q为纵向的像素点数量，i为像素点的横坐标位置，j为像素点的纵坐标位置，i为图像矩阵，mean()代表取均值操作。

根据本发明的另一方面，提供了一种圆迹合成孔径雷达自聚焦成像系统，包括：

成像区域划分模块，用于将成像区域划分为多个矩形区域；

投影矩阵计算模块，用于对多个矩形区域中的每一个，针对每个脉冲计算投影矩阵；

包络误差补偿模块，用于对投影矩阵进行图像偏移量补偿；

相位误差补偿模块，用于对图像偏移量补偿后的投影矩阵进行相位误差估计和相位误差补偿；以及

成像区域重组模块，用于基于相位误差补偿后的投影矩阵，拼接得到成像区域的全场景图像。

进一步地，包络误差补偿模块包括：

成像模块，用于将合成孔径划分为多个子孔径，并获取多个子孔径中的每一个的图像；

包络误差计算模块，用于选择图像中的一个作为参考图像，计算参考图像与图像中的其余图像之间的归一化互相关系数，并获取归一化互相关系数最大时的二维偏移量；以及

包络误差补偿执行模块，用于基于二维偏移量对投影矩阵进行图像偏移量补偿。

根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一项圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法的步骤。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案通过同时补偿包络误差和相位误差，提高了sar成像的精度，同时通过对成像区域分块处理，减少了相位误差空变性对sar成像的影响并且降低了sar成像对存储空间的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例提供的sar成像示意图；

图2为本发明的实施例提供的圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法的流程图；

图3为图2所示的包络误差补偿过程的示意图；

图4为本发明的实施例提供的圆迹合成孔径雷达自聚焦成像系统的示意图；以及

图5为本发明的实施例提供的电子设备的示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明的实施例提供的sar成像示意图，圆迹sar以一个小天线作为单个辐射单元，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线(例如，孔径1、孔径2、孔径3、......)通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”，这样sar就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的sar图像。

图2示出了本发明的实施例提供的圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法的流程图。

参考图2，根据本发明的实施例的圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法包括以下步骤：

s201：将成像区域划分为多个矩形区域；

s203：对所述多个矩形区域中的每一个，针对每个脉冲计算投影矩阵；

s205：对所述投影矩阵进行图像偏移量补偿；

s207：对图像偏移量补偿后的所述投影矩阵进行相位误差估计和相位误差补偿；并且

s209：基于相位误差补偿后的所述投影矩阵，拼接得到所述成像区域的全场景图像。

在本实施例中，需要说明的是，可以根据计算机的存储性能来对成像区域进行划分。通常，在存储性能满足需求的情况下，划分后的区域的面积越大，相位估计的精度越高，但是，面积太大也可能会导致相位误差空变性影响更大。为了保证相位估计的精确性，可以选择c波段雷达每块矩形区域边长小于500米，x波段雷达每块区域边长小于300米，ku波段边长小于100米，ka波段小于50米。

为了便于说明，下面假设将成像区域划分为m*n个矩形区域。

在s203中，在通过s201获得m*n个矩形区域之后，对m*n个矩形区域中的每一个，针对每个脉冲计算投影矩阵。

在本实施例中，需要说明的是，可以通过传统的bp算法针对每个脉冲计算投影矩阵，然而，本发明不限于此。

在s205中，对投影矩阵进行图像偏移量补偿。

在本实施例中，需要说明的是，对投影矩阵进行图像偏移量补偿是指进行包络误差补偿。包络误差补偿的操作将结合图3进行详细描述。

在s207中，在通过s205对投影矩阵进行图像偏移量补偿之后，对投影矩阵进行相位误差估计和相位误差补偿。

在本实施例中，需要说明的是，可以通过传统的自聚焦bp算法实现相位误差估计和相位误差补偿，然而，本发明不限于此。

在s209中，基于通过s207进行相位误差补偿后的投影矩阵，拼接得到成像区域的全场景图像。

下面将参考图3详细描述图2所示的包络误差补偿s205的具体步骤。如图3所示，对投影矩阵进行偏移量补偿可以包括以下步骤：

s2051：将合成孔径划分为多个子孔径，并获取多个子孔径中的每一个的图像；

s2053：选择所述图像中的一个作为参考图像，计算所述参考图像与所述图像中的其余图像之间的归一化互相关系数，并获取所述归一化互相关系数最大时的二维偏移量；并且

s2055：基于所述二维偏移量对所述投影矩阵进行图像偏移量补偿。

在本实施例中，需要说明的是，可以根据雷达信噪比、距离向分辨率、方位向分辨率等因素来对子孔径进行分割。为了保证子孔径分割之后能够进行后续的步骤并得到准确的偏移量，分割后的单幅子孔径中必须能看到场景信息。

在本实施例中，在分割获得多个子孔径之后，可以通过以下bp成像公式获取多个子孔径中的每一个的图像：

其中，i(i，j)为像素点(i，j)的像素值，sij为像素点(i，j)对应的距离向脉冲压缩后的回波信号，fc为雷达中心频率，c为光速，rij为像素点(i，j)到雷达平台的距离。

在本实施例中，可以通过以下公式计算rij：

其中，xa，ya，za为雷达平台的空间坐标位置，xp，yp，zp为像素点(i，j)的空间坐标位置。

为了便于说明，下面假设将合成孔径分为k个子孔径，其中k为大于1的自然数。

在s2053中，在通过s2051获得k个子孔径的图像之后，选择k个图像中的一个作为参考图像，计算参考图像与k个图像中的其余图像之间的归一化互相关系数，并获取归一化互相关系数最大时的二维偏移量。

在本实施例中，需要说明的是，可以通过以下公式计算参考图像与图像中的其余图像之间的归一化互相关系数：

其中，h为子孔径序号，h＝1、2、......、k，gh为参考图像与第h个子孔径的图像之间的归一化互相关系数，p为横向的像素点数量，q为纵向的像素点数量，i为像素点的横坐标位置，j为像素点的纵坐标位置，i为图像矩阵，mean()代表取均值操作。

在本实施例中，需要说明的是，在计算出每个子孔径的图像与参考图像之间的归一化互相关系数之后，可以得到归一化相关系数最大时的二维偏移量。例如，当第h个子孔径的图像被计算为具有最大的归一化相关系数时，该二维偏移量可以被表示为δxh,δyh。。

为了便于说明，下面将假设δxh,δyh为归一化相关系数最大时的二维偏移量。

在s2055中，在通过s2053获得归一化相关系数最大时的二维偏移量之后，基于该二维偏移量对投影矩阵进行图像偏移量补偿。

在本实施例中，可以通过以下公式对投影矩阵进行图像偏移量补偿：

其中，xa，ya，za为雷达平台的空间坐标位置，xp，yp，zp为像素点(i，j)的空间坐标位置，δx，δy为归一化互相关系数最大时的二维偏移量，即δxh,δyh。

由以上可知，本实施例通过同时补偿包络误差和相位误差，可以提高sar成像的精度，同时通过对成像区域分块处理，可以减少相位误差空变性对sar成像的影响并且降低sar成像对存储空间的要求。

图4示出了本发明的实施例的圆迹合成孔径雷达自聚焦成像系统的结构示意图。

参考图4，圆迹合成孔径雷达自聚焦成像系统400包括成像区域划分模块401、投影矩阵计算模块403、包络误差补偿模块405、相位误差补偿模块407和成像区域重组模块409。

成像区域划分模块401用于将成像区域划分为多个矩形区域。

在本实施例中，成像区域划分模块401可以根据计算机的存储性能来对成像区域进行划分。通常，在存储性能满足需求的情况下，划分后的区域的面积越大，相位估计的精度越高，但是，面积太大也可能会导致相位误差空变性影响更大。为了保证相位估计的精确性，可以选择c波段雷达每块矩形区域边长小于500米，x波段雷达每块区域边长小于300米，ku波段边长小于100米，ka波段小于50米。

投影矩阵计算模块403用于对多个矩形区域中的每一个，针对每个脉冲计算投影矩阵。

在本实施例中，投影矩阵计算模块403可以通过传统的bp算法针对每个脉冲计算投影矩阵，然而，本发明不限于此。

包络误差补偿模块405用于对投影矩阵进行图像偏移量补偿。

稍后将详细描述包络误差补偿模块405的详细配置。

相位误差补偿模块407用于对图像偏移量补偿后的投影矩阵进行相位误差估计和相位误差补偿。

在本实施例中，相位误差补偿模块407可以通过传统的自聚焦bp算法实现相位误差估计和相位误差补偿，然而，本发明不限于此。

成像区域重组模块409用于基于相位误差补偿后的投影矩阵，拼接得到成像区域的全场景图像。

根据实施例，包络误差补偿模块405可以被配置为包括成像模块4051、包络误差计算模块4053和包络误差补偿执行模块4055。

成像模块4051用于将合成孔径划分为多个子孔径，并获取多个子孔径中的每一个的图像。

在本实施例中，成像模块4051可以根据雷达信噪比、距离向分辨率、方位向分辨率等因素来对子孔径进行分割。为了保证子孔径分割之后能够进行后续的步骤并得到准确的偏移量，分割后的单幅子孔径中必须能看到场景信息。

在本实施例中，在分割获得多个子孔径之后，成像模块4051可以通过以下bp成像公式获取多个子孔径中的每一个的图像：

其中，i(i，j)为像素点(i，j)的像素值，sij为像素点(i，j)对应的距离向脉冲压缩后的回波信号，fc为雷达中心频率，c为光速，rij为像素点(i，j)到雷达平台的距离。

在本实施例中，成像模块4051可以通过以下公式计算rij：

其中，xa，ya，za为雷达平台的空间坐标位置，xp，yp，zp为像素点(i，j)的空间坐标位置。

为了便于说明，下面假设成像模块4051将合成孔径分为k个子孔径，其中k为大于1的自然数。

包络误差计算模块4053用于选择图像中的一个作为参考图像，计算参考图像与图像中的其余图像之间的归一化互相关系数，并获取归一化互相关系数最大时的二维偏移量。

在本实施例中，包络误差计算模块4053可以选择k个图像中的一个作为参考图像，计算参考图像与k个图像中的其余图像之间的归一化互相关系数，并获取归一化互相关系数最大时的二维偏移量。

在本实施例中，包络误差计算模块4053可以通过以下公式计算参考图像与图像中的其余图像之间的归一化互相关系数：

其中，h为子孔径序号，h＝1、2、......、k，gh为参考图像与第h个子孔径的图像之间的归一化互相关系数，p为横向的像素点数量，q为纵向的像素点数量，i为像素点的横坐标位置，j为像素点的纵坐标位置，i为图像矩阵，mean()代表取均值操作。

在本实施例中，在计算出每个子孔径的图像与参考图像之间的归一化互相关系数之后，可以得到归一化相关系数最大时的二维偏移量。例如，当第h个子孔径的图像被计算为具有最大的归一化相关系数时，该二维偏移量可以被表示为δxh,δyh。。

为了便于说明，下面将假设δxh,δyh为归一化相关系数最大时的二维偏移量。

包络误差补偿执行模块4055用于基于二维偏移量对投影矩阵进行图像偏移量补偿。

在本实施例中，包络误差补偿执行模块4055可以通过以下公式对投影矩阵进行图像偏移量补偿：

其中，xa，ya，za为雷达平台的空间坐标位置，xp，yp，zp为像素点(i，j)的空间坐标位置，δx，δy为归一化互相关系数最大时的二维偏移量，即δxh,δyh。

由以上可知，本实施例通过同时补偿包络误差和相位误差，可以提高sar成像的精度，同时通过对成像区域分块处理，可以减少相位误差空变性对sar成像的影响并且降低sar成像对存储空间的要求。

在本实施例中，本发明的系统中的各个模块可以集成于一体，也可以分离部署。上述模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

图5示出了本发明的实施例提供的电子设备的示意图。

参考图5，电子设备500包括处理器501、存储器503、通信接口505和通信总线507，并且处理器501、存储器503、通信接口505通过通信总线507在彼此之间进行通信。

处理器501用于调用存储器503中存储的计算机程序，处理器501执行计算机程序时实现上述圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法的全部步骤，例如，处理器501执行计算机程序时实现下述过程：将成像区域划分为多个矩形区域；对多个矩形区域中的每一个，针对每个脉冲计算投影矩阵；对投影矩阵进行图像偏移量补偿；对图像偏移量补偿后的投影矩阵进行相位误差估计和相位误差补偿；并且基于相位误差补偿后的投影矩阵，拼接得到成像区域的全场景图像。

可以理解的是，计算机程序可以执行的细化功能和扩展功能可参考上面实施例的描述。

此外，上述存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案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，包括若干指令以使得计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤，并且上述存储介质包括不但限于u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者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者全部模块来实现本发明的实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过对以上实施方案的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方案可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的圆迹合成孔径雷达自聚焦成像方法。

此外，在本发明中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参考前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。