CN105548981B - 一种校正合成孔径雷达回波数据的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种校正合成孔径雷达(SAR)回波数据的方法,获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据;对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;采用成像算法对所述辐射均匀的时域回波数据进行成像。本发明还公开了一种校正SAR回波数据的装置。
Description
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的回波信号校正技术,尤其涉及一种校正合成孔径雷达回波数据的方法和装置。
背景技术
二维扫描模式SAR,是通过方位向天线扫描获得方位向高分辨率,距离向天线扫描获得距离向宽幅图像,马赛克(Mosaic)模式作为经典的二维扫描模式,是本文所述技术方案的主要应用方向。Mosaic模式SAR,是一种新型的高分辨率宽测绘带SAR,可以被看作是滑动/聚束模式的扫描模式(Scan)SAR。信号获取期间,雷达天线不仅在距离向如ScanSAR一样扫描,也在方位向如滑动/聚束模式一样扫描;通过天线距离向周期性的由近距向远距切换天线波束角来获得宽测绘带;通过天线方位向围绕场景中心或更远的虚中心旋转来获得高分辨率。根据方位向旋转中心的不同,可以将Mosaic模式分为聚束Mosaic和滑动Mosaic,旋转中心分别为场景中心和更远的虚中心。TECSAR是唯一实现滑动Mosaic模式的在轨卫星,它的方位向和距离向分辨率都为1.8米,覆盖范围为25Km×25Km;作为TECSAR独特的工作模式,滑动Mosaic模式可以实现高分辨率的同时覆盖大范围的连续成像区域。
Mosaic模式的回波数据一般是由几个测绘带构成,每个子测绘带包括被周期数据间隙分开的一组连续的脉冲序列,被称为簇发脉冲串(Burst);由于,子测绘带回波的不连续性,部分目标被不完全照射,因此,造成不同区域的点目标天线方向图加权发生变化,会使最终处理后的SAR图像上出现明暗相间的条纹。明暗相间的条纹,也被称作扇贝效应,是Burst模式成像中的常见现象;传统的扇贝效应校正方法包括矩形窗单视加权、天线方向图单视反加权、Bamler多视加权。其中,矩形窗单视加权仅仅将不同Burst的叠加部分线性相加;天线方向图反加权,将单视数据的回波能量均衡化;Bamler多视加权的方法,以牺牲方位向分辨率为代价。实验证明,天线方向图反加权可完全去除扇贝效应,但实际的效果取决于多普勒(Doppler)中心的估计误差。
传统的扇贝效应校正方法是基于ScanSAR的,并不适用于滑动/聚束模式ScanSAR的Mosaic模式。在Mosaic模式,通过方位向天线的扫描,增加了方位向的积累时间,从而获得更高的方位向分辨率。基于滑动Mosaic模式工作原理,天线的方位向扫描改变了点目标的能量加权,传统的天线方向图反加权并不能将单视数据的回波能量均衡化;由于不同点目标的能量加权不同,最终的成像结果中会出现明暗相间的条纹,因此,扇贝效应依旧存在,影响Mosaic模式的成像质量。
综上所述,如何改进原有的扇贝效应校正方法,抑制或去除图像辐射特性的起伏,从而实现二维扫描模式SAR图像质量的提升,是一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例期望提供一种校正SAR回波数据的方法和装置,能有效地校正二维扫描模式的扇贝效应,进而提高二维扫描模式的SAR图像质量。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
本发明实施例提供了一种校正合成孔径雷达SAR回波数据的方法,所述方法包括:
获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;
对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;
对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据;
对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;
对所述辐射均匀的时域回波数据逆去斜处理,得到去扇贝效应回波数据。
上述方案中,所述对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;包括:
根据多普勒中心变化率,确定方位向去斜表达式;
将所述回波数据乘以所述方位向去斜表达式,得到所述方位向去斜处理后的数据。
上述方案中,所述对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据,包括:
将所述对方位频域数据乘以双程天线方向图反加权系数,得到所述辐射均匀的方位频域回波数据。
上述方案中,所述对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;包括:
根据所述多普勒中心变化率,确定方位向逆去斜表达式;
将所述辐射均匀的时域回波数据乘以所述方位向逆去斜表达式,得到所述去扇贝效应回波数据。
上述方案中,所述方法还包括:
采用成像算法对去扇贝效应回波数据进行聚焦,得到辐射均匀分布的SAR图像;
所述回波数据包括:二维扫描模式SAR回波信号数据;
所述二维扫描模式包括:滑动马赛克Mosaic模式。
本发明实施例还提供了一种校正SAR回波数据的装置,所述装置包括:去斜模块、傅里叶变换模块、双程天线方向图反加权模块、傅里叶反变换模块、逆去斜模块,其中,
所述去斜模块,用于获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;
所述傅里叶变换模块,用于对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;
所述双程天线方向图反加权模块,用于对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据;
所述傅里叶反变换模块,用于对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;
所述逆去斜模块,用于对所述辐射均匀的时域回波数据逆去斜处理,得到去扇贝效应回波数据。
上述方案中,所述去斜模块,具体用于:
根据多普勒中心变化率,确定方位向去斜表达式;
将所述回波数据乘以所述方位向去斜表达式,得到所述方位向去斜处理的数据。
上述方案中,所述双程天线方向图反加权模块,具体用于:将所述对方位频域数据乘以双程天线方向图反加权系数,得到所述辐射均匀的方位频域回波数据。
上述方案中,所述逆去斜模块,具体用于:根据所述多普勒中心变化率,确定方位向逆去斜表达式;
将所述辐射均匀的时域回波数据乘以所述方位向逆去斜表达式,得到所述去扇贝效应回波数据。
上述方案中,所述装置还包括:成像模块,用于采用成像算法对去扇贝效应回波数据进行聚焦,得到辐射均匀分布的SAR图像;
所述回波数据包括:二维扫描模式SAR回波信号数据;
所述二维扫描模式包括:滑动Mosaic模式。
本发明实施例所提供的校正SAR回波数据的方法和装置,获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据;对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;采用成像算法对所述辐射均匀的时域回波数据进行成像;如此,能通过预处理算法,去除由于天线方位向扫描造成的点目标能量加权系数的变化,从而有效地校正二维扫描模式的扇贝效应,进而提高二维扫描模式的SAR图像质量。
附图说明
图1为本发明实施例校正SAR回波数据的方法的流程示意图;
图2为本发明实施例传统的天线方向图反加权对比示意图;
图3为本发明实施例采用本发明方法处理前的SAR图像示意图;
图4为本发明实施例采用本发明方法处理后的SAR图像示意图;
图5为本发明实施例采用本发明方法处理前后扇贝数据对比示意图;
图6为本发明实施例校正SAR回波数据的装置的组成结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例中,获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据;对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;采用成像算法对所述辐射均匀的时域回波数据进行成像。
下面结合实施例对本发明再作进一步详细的说明。
本发明实施例提供的校正SAR回波数据的方法,如图1所示,包括:
步骤101:获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;
这里,所述回波数据包括二维扫描模式SAR的回波数据;所述二位扫描模块包括:滑动Mosaic模式。
通常,由于二维扫描模式涉及方位向的扫描,造成天线方向图加权的变化;作为二维扫描的滑动Mosaic模式,不同于条带SAR和ScanSAR模式,滑动Mosaic模式的天线在方位向绕虚焦点旋转,以获得方位向高分辨率。
波束中心线与天线相位中心到目标的连线的夹角称为斜平面的权重角,用θ表示,θ不仅随SAR平台变化,也随着方位向天线的旋转变化;方位向天线的旋转是回波信号天线方向图加权的重要参数;旋转改变了点目标回波信号加权模型。假设单程天线方向图近似为sinc方程,加权模型可以用表达式(1)表示:
其中,G(η)表示方位向天线方向图,G0表示天线增益,η表示方位时间,βbw表示方位波束宽度,θ表示斜平面的权重角,θrot表示波束转动角,Kw表示天线转动角速率,Vr表示等效速度,R0表示最近斜距;
方位向天线方向图的旋转,导致现有的扇贝效应校正方法失效,所述现有的扇贝效应校正方法包括:天线方向反加权。为了处理方便,本发明实施例选用方位向天线方向图的Doppler模型可以用表达式(2)表示:
G=Ga(fη-fdc) (2)
其中,G表示等效方位向天线方向图,Ga表示方位向天线方向图,fη表示方位频率,fdc表示变化的多普勒中心。考虑到方位向天线旋转和斜视的情况,fdc可以用表达式(3)表示:
fdc=fsq+frot (3)
其中,fsq表示斜视多普勒中心,frot表示由于方位向天线扫描导致的多普勒中心变化量。frot随时间线性变化,而fsq是定值。
这里,可以采用方位去斜去除frot的影响,方位去斜表达式可以用表达式(4)表示:
H1=exp[-jπkrot(t-tmid)2] (4)
其中,krot表示多普勒中心变化率,可以根据SAR系统参数获取。tmid表示Burst的中心时间,t表示方位时间;
可以通过将SAR接收到的回波数据乘以所述方位去斜表达式(4)来获取方位向去斜处理后的回波数据。
步骤102:对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;
具体的,去斜后的回波数据天线方向图加权与ScanSAR相同,可用双程天线方向图反加权去除扇贝效应;天线方向图对单个点目标的幅度加权,可通过时域的信号强度变化表示,理论上可通过双程天线方向图反加权均衡能量,但是,对于场景均匀的面目标,回波信号能量交叠,无法进行反加权,因此,需要变换到方位频域进行处理,这里,采用方位向傅里叶变换,将所述所述方位向去斜处理后的回波数据变换成方位频域回波数据。
步骤103:对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据;
具体的,如图2所示,由于天线方向图的特性,与波束中心的夹角不同的目标,接收到的能量不同,即天线方向图加权。目标反射收到的信号,也相当于一个等效的具有相同方向图的天线,向外散射能量,故天线接收到的能量再次被加权。可见,回波信号经过了双程天线方向图加权;因此,需要对回波数据进行双程天线方向图反加权;反加权模型可以用表达式(5)表示:
其中,W(fη)表示随频率变化的反加权系数。通过表达式(5)与所述方位频域回波数据相乘,可得到辐射均匀的方位频域回波数据。
步骤104:对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;
这里,由于逆去斜处理是针对时域数据进行的处理,因此,需要将辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,变换到时域,获取辐射均匀的时域回波数据。
步骤105:对所述辐射均匀的时域回波数据逆去斜处理,得到去扇贝效应回波数据;
成像处理是基于SAR获取的原始数据形式,故需将辐射均匀的时域回波数据,进行逆去斜处理,以获取去除扇贝效应的原始数据。由表达式(4)的方位去斜方程,可得,逆去斜表达式可以用表达式(6)表示:
H2=exp[jπkrot(t-tmid)2] (6)
其中,krot表示多普勒中心变化率,tmid表示Burst的中心时间,t表示方位时间;
将辐射均匀的时域回波数据进行逆去斜,得到去除扇贝效应、方位向能量均匀分布的原始回波形式的数据。
本发明实施例的方法,还可以包括:采用成像算法对去扇贝效应回波数据进行聚焦,得到辐射均匀分布的SAR图像;
当天线方向图加权被去除后,就得到了方位向能量均匀分布的滑动Mosaic数据。采用成像算法对数据进行聚焦,就得到了去除明暗相间条纹、辐射均匀分布的SAR图像。
下面结合具体示例对本发明起到作用作进一步详细的描述。
本示例采用机载滑动聚束模式外场实测数据验证本专利的技术方案,二维扫描模式的扇贝效应校正方法采用其经典模式之一的滑动Mosaic模式数据验证。相对于单个子测绘带,滑动Mosaic数据即为滑动聚束数据的周期性舍弃同等数量的回波,故可通过滑动聚束模式实验数据模拟滑动Mosaic模式数据。图3为不使用本技术对实测的滑动Mosaic数据处理获得的结果示意图。可以发现该图像中出现了明暗相间的条纹,扇贝效应非常明显。图4为使用本技术对实测的滑动Mosaic数据处理获得的结果示意图。可以与图3进行对比,发现图像中明暗相间的条纹已经消失,扇贝效应已经被校正。
为进一步展示本发明实施例所提出方法的优势所在,可对所得成像结果在距离向进行累加,获得图像的扇贝效应的数值表示。图5(a)和图5(b)中,实线代表图3的扇贝效应数值的结果,虚线代表原始滑动聚束数据成像结果的扇贝效应数值表示,点划线代表不同扇贝效应校正的结果。原始滑动聚束数据的扇贝曲线中,两端区域减小是由不完全成像造成的,中间区域的起伏是场景目标反射特性的不均匀造成的。采用传统的扇贝效应校正方法如图5(a),采用本发明实施例所提出的方法处理的结果如图5(b)。对比图5(a)和(b),传统的扇贝效应校正方法可减轻扇贝效应,但不能完全去除天线方向图加权带来的影响,采用本发明实施例所提出的方法,可以近似与原始滑动聚束数据的能量分布相同,去除了扇贝效应;由此,证实了本发明实施例所提出方法实现的有效性。
本发明实施例提供的校正SAR回波数据的装置,如图6所示,包括:去斜模块61、傅里叶变换模块62、双程天线方向图反加权模块63、傅里叶反变换模块64、逆去斜模块65,其中,
所述去斜模块61,用于获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;
这里,所述回波数据包括二维扫描模式SAR的回波数据;所述二位扫描模块包括:滑动Mosaic模式。通常,由于二维扫描模式涉及方位向的扫描,造成天线方向图加权的变化;作为二维扫描的滑动Mosaic模式,不同于条带SAR和ScanSAR模式,滑动Mosaic模式的天线在方位向绕虚焦点旋转,以获得方位向高分辨率。
波束中心线与天线相位中心到目标的连线的夹角称为斜平面的权重角,用θ表示,θ不仅随SAR平台变化,也随着方位向天线的旋转变化;方位向天线的旋转是回波信号天线方向图加权的重要参数;旋转改变了点目标回波信号加权模型。假设单程天线方向图近似为sinc方程,加权模型可以用表达式(1)表示;其中,G(η)表示方位向天线方向图,G0表示天线增益,η表示方位时间,βbw表示方位波束宽度,θ表示斜平面的权重角,θrot表示波束转动角,Kw表示天线转动角速率,Vr表示等效速度,R0表示最近斜距;
方位向天线方向图的旋转,导致现有的扇贝效应校正方法:天线方向图反加权失效。为了处理方便,本发明实施例选用方位向天线方向图的Doppler模型可以用表达式(2)表示;其中,G表示等效方位向天线方向图,Ga表示方位向天线方向图,fη表示方位频率,fdc表示变化的多普勒中心。考虑到方位向天线旋转和斜视的情况,fdc可以用表达式(3)表示;其中,fsq表示斜视多普勒中心,frot表示由于方位向天线扫描导致的多普勒中心变化量。frot随时间线性变化,而fsq是定值。
这里,可以采用方位去斜去除frot的影响,方位去斜表达式可以用表达式(4)表示;其中,krot表示多普勒中心变化率,可以根据SAR自身属性获取。tmid表示Burst的中心时间,t表示方位时间;
所述去斜模块61,可以通过将SAR接收到的回波数据乘以所述方位去斜表达式(4),来获取方位向去斜处理后的回波数据。
所述傅里叶变换模块62,用于对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;
具体的,去斜后的回波数据天线方向图加权与ScanSAR相同,可用天线方向图反加权去除扇贝效应;天线方向图对单个点目标的幅度加权,可通过时域的信号强度变化表示,理论上可通过双向天线方向图反加权均衡能量,但是,对于场景均匀的面目标,回波信号能量交叠,无法进行反加权,因此,需要变换到方位频域进行处理,这里,采用方位向傅里叶变换,将所述所述方位向去斜处理后的回波数据变换成方位频域回波数据。
所述双程天线方向图反加权模块63,用于对所述方位频域回波数据进行双程天线方向图反加权,得到辐射均匀的方位频域回波数据;
具体的,如图2所示,由于天线方向图的特性,与波束中心的夹角不同的目标,接收到的能量不同,即天线方向图加权。目标反射收到的信号,也相当于一个等效的具有相同方向图的天线,向外散射能量,故天线接收到的能量再次被加权。可见,回波信号经过了双程天线方向图加权;因此,需要对回波数据进行双程天线方向图反加权;反加权模型可以用表达式(5)表示;其中,W(fη)表示随频率变化的反加权系数。通过表达式(5)与所述方位频域回波数据相乘,可得到辐射均匀的方位频域回波数据。
所述傅里叶反变换模块64,用于对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;
具体的,由于逆去斜处理是针对时域数据进行的处理,因此,需要将辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,变换到时域,获取辐射均匀的时域回波数据。
所述逆去斜模块65,用于对所述辐射均匀的时域回波数据逆去斜处理,得到去扇贝效应回波数据;
成像处理是基于SAR获取的原始数据形式,故需将辐射均匀的时域回波数据,进行逆去斜处理,以获取去除扇贝效应的原始数据。由表达式(4)的方位去斜方程,可得,逆去斜表达式可以用表达式(6)表示;其中,krot表示多普勒中心变化率,tmid表示Burst的中心时间,t表示方位时间;
将辐射均匀的时域回波数据进行逆去斜,得到去除扇贝效应、方位向能量均匀分布的原始回波形式的数据。
本发明实施例提供的装置,还可以包括:成像模块66,用于采用成像算法对去扇贝效应回波数据进行聚焦,得到辐射均匀分布的SAR图像;
具体的,当天线方向图加权被去除后,就得到了方位向能量均匀分布的滑动Mosaic数据。采用成像算法对数据进行聚焦,就得到了去除明暗相间条纹、辐射均匀分布的SAR图像。
在实际应用中,去斜模块61、傅里叶变换模块62、双程天线方向图反加权模块63、傅里叶反变换模块64、逆去斜模块65、成像模块66均可由SAR系统中的中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)等实现。
以上所述,仅为本发明的佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种校正合成孔径雷达SAR回波数据的方法,其特征在于,所述方法包括:
获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;
对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;
将所述方位频域回波数据乘以双程天线方向图反加权系数,得到辐射均匀的方位频域回波数据;
对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;
对所述辐射均匀的时域回波数据逆去斜处理,得到去扇贝效应回波数据。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;包括:
根据多普勒中心变化率,确定方位向去斜表达式;
将所述回波数据乘以所述方位向去斜表达式,得到所述方位向去斜处理后的数据。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;包括:
根据多普勒中心变化率,确定方位向逆去斜表达式;
将所述辐射均匀的时域回波数据乘以所述方位向逆去斜表达式,得到所述去扇贝效应回波数据。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
采用成像算法对去扇贝效应回波数据进行聚焦,得到辐射均匀分布的SAR图像;
所述回波数据包括:二维扫描模式SAR回波信号数据;
所述二维扫描模式包括:滑动马赛克Mosaic模式。
5.一种校正SAR回波数据的装置,其特征在于,所述装置包括:去斜模块、傅里叶变换模块、双程天线方向图反加权模块、傅里叶反变换模块、逆去斜模块,其中,
所述去斜模块,用于获取回波数据,对所述回波数据进行方位向去斜处理,得到方位向去斜处理后的回波数据;
所述傅里叶变换模块,用于对所述方位向去斜处理后的回波数据进行方位向傅里叶变换,得到方位频域回波数据;
所述双程天线方向图反加权模块,用于将所述方位频域回波数据乘以双程天线方向图反加权系数,得到辐射均匀的方位频域回波数据;
所述傅里叶反变换模块,用于对所述辐射均匀的方位频域回波数据进行方位向傅里叶反变换,得到辐射均匀的时域回波数据;
所述逆去斜模块,用于对所述辐射均匀的时域回波数据逆去斜处理,得到去扇贝效应回波数据。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述去斜模块,具体用于:
根据多普勒中心变化率,确定方位向去斜表达式;
将所述回波数据乘以所述方位向去斜表达式,得到所述方位向去斜处理的数据。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述逆去斜模块,具体用于:根据所述多普勒中心变化率,确定方位向逆去斜表达式;
将所述辐射均匀的时域回波数据乘以所述方位向逆去斜表达式,得到所述去扇贝效应回波数据。
8.根据权利要求5至7任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包括:成像模块,用于采用成像算法对去扇贝效应回波数据进行聚焦,得到辐射均匀分布的SAR图像;
所述回波数据包括:二维扫描模式SAR回波信号数据;
所述二维扫描模式包括:滑动Mosaic模式。
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