CN109085576B - 一种基于北斗卫星信号的三维成像系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于北斗卫星信号的三维成像系统及其实现方法，包括：信号接收模块，接收来自基于北斗卫星发射的第一射频信号以及从成像区域返回的第二至第十射频信号，经放大、滤波、模数转换后输出第一至第十信号，所述信号接收模块包括天线组件，所述天线组件安装在水平轨道上并在系统工作时一直处于水平移动状态；通信模块，将信号接收模块输出的第一至第十信号传输至所述软件模块；坐标接收模块，与天线组件绑定，用于获取天线组件的实时坐标，并传输至软件模块；软件模块，包括第一至六处理模块，对第一至第十信号进行一系列处理，获得三维图像。本发明可以解决现有三维成像系统价格高，成像性能差，观测时间受限的问题。

Description

一种基于北斗卫星信号的三维成像系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于北斗卫星信号的三维成像系统及其实现方法，具体涉及一种采用北斗卫星信号进行三维成像的系统及其实现方法，属于遥感领域。

背景技术

三维成像系统是一类能够对在物体进行三个维度的信息进行表达的成像系统，在遥感领域有着广泛的应用。

现有的三维成像相关的技术方案如《CN-201410353015-差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置》，《CN-201610124074-三维成像激光雷达系统》皆为主动式雷达系统，《CN-201510503919-一种窄带被动雷达三维成像方法》采用窄带信号进行三维成像的被动式雷达系统，综上，其缺点主要包括：

(1)主动式雷达系统包括发射机和接收机，成本较高。

(2)上述窄带雷达系统采用角度信息进行对空目标分辨，成像分辨率低，效果差。

(3)传统的光学雷达系统极易受到天气的影响，不能支持全天时全天候观测。

因此，如何降低系统价格并同时如提高三维成像性能，进而支持全天时、全天候观测是亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是：提供一种基于北斗卫星信号的三维成像系统及其实现方法，以解决系统价格高，成像性能差，观测时间受限的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于北斗卫星信号的三维成像系统，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于在相同的频域和时域上接收来自北斗卫星发射的第一射频信号以及从成像区域返回的第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号，经放大、滤波、模数转换后输出第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号；所述信号接收模块包括天线组件，所述天线组件安装在水平轨道上并在系统工作时一直处于水平移动状态；

通信模块，用于将信号接收模块输出的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号传输至所述软件模块；

坐标接收模块，与天线组件绑定，用于获取天线组件的实时坐标，并传输至软件模块；

软件模块，包括第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，第四处理模块，第五处理模块，第六处理模块，其中：

所述第一处理模块，用于对第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号分别进行带通滤波和正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号；

所述第二处理模块，用于对所述第一正交信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量及北斗卫星位置信息向量；

所述第三处理模块，用于对所述第二正交信号进行时域滤波处理，并结合坐标接收模块获取的天线组件实时坐标以及北斗卫星时间序列坐标向量获得第一图像；进而对第三、四……十正交信号，依次按照第二正交信号的处理流程，分别获得第二、……、第九图像；

所述第四处理模块，用于对第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像进行地理匹配处理，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像；

所述第五处理模块，用于对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，形成地理匹配三维矩阵；进而对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵；

所述第六处理模块，用于对所述地理匹配频域矩阵的第三维进行频率二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；进而对所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

进一步地，所述信号接收模块还包括射频组件及模数转换组件；所述天线组件包括第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十天线，其中，所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线从高到低垂直部署，所述第二天线在最高处，所述第十天线在最低处，相邻天线间隔0.5米，所述三维成像系统搭载在高楼楼顶上，天线组件在楼顶上水平移动，所述第一天线指向天空，用于接收所述第一射频信号，所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线指向成像区域，用于接收所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号；所述射频组件包括低噪声放大电路和带通滤波器电路，所述模数转换组件用于将所述射频组件输出的信号进行模数转换，并输出第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号。

进一步的，所述第一处理模块包括带通滤波组件和正交解调制组件，其中：

所述带通滤波组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号进行带通滤波，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通信号；

所述正交解调制组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通信号进行正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号。

进一步的，所述第二处理模块包括傅里叶编号组件，峰值检测组件、差分检测组件以及北斗电文解码组件，其中：

所述傅里叶编号组件用于获得所述第一正交信号的频率数据；

所述峰值检测组件用于对所述频率数据进行峰值检测操作，进而获得第一峰值位置向量、第一峰值角度信息向量；

所述差分检测组件用于对所述峰值角度信息向量进行差分处理，进而获得北斗电文信息向量；

所述北斗电文解码组件对所述北斗电文信息向量进行解码，获得北斗位置时间序列坐标向量。

进一步的，所述第三处理模块包括信号矩阵产生组件，参考矩阵产生组件，卷积矩阵产生组件，成像场景矩阵重构组件和二维图像产生组件，其中：

所述信号矩阵生成组件产生第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵；

所述参考矩阵信号产生组件将所述第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量进行调制，获得参考矩阵；

所述卷积矩阵产生组件对所述参考信号和第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵进行卷积运输，获得第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵；

所述成像场景矩阵重构组件对成像场景中的目标像素点进行几何计算，获得成像场景矩阵；

所述二维图像产生组件对天线组件坐标，北斗卫星时间序列坐标向量和成像场景矩阵进行几何计算，获得方位向参考信号；进而对所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵和方位向参考信号进行方位向时域滤波，获得成像区域的第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像。

进一步地，所述第四处理模块包括差值均值计算组件和匹配图像获取组件，其中：

所述差值均值计算组件对所述第一图像和任意其他图像进行差值均值计算，获得差值均值向量；

所述匹配图像获取组件采用差值均值向量的最大值和最大值所在位置，获取地理匹配图像。

进一步地，所述第五处理模块包括图像合并组件和傅里叶变换组件，其中：

所述图像合并组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并处理，形成地理匹配三维矩阵；

所述傅里叶变换组件对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵。

进一步地，所述第六处理模块包括频率二项式滤波组件和傅里叶逆变换组件，其中：

所述频率二项式滤波组件对所述地理匹配频域矩阵第三维进行频域二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；

所述傅里叶逆变换组件对所述地理匹配频域滤波矩阵第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

一种基于北斗卫星信号的三维成像系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)所述三维成像系统上电开始工作，天线组件开始水平移动，用于接收所述第一射频信号的第一天线指向天空，用于接收所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号的第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线指向成像区域；

(2)所述通信模块将第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号采集起来，并传输至所述软件模块；

(3)所述坐标接收模块获取天线组件所在实时位置，并传输至所述软件模块；

(4)所述第一处理模块对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号进行带通滤波和正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号；

(5)所述第二处理模块对所述第一正交信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量及北斗卫星位置信息向量；

(6)所述第三处理模块对所述第二正交信号进行时域滤波处理，并结合坐标接收模块获取的天线组件实时坐标以及北斗卫星时间序列坐标向量获得第一图像；进而对第三、四……十正交信号，依次按照第二正交信号的处理流程，分别获得第二、……、第九图像；

(7)所述第四处理模块对第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像进行地理匹配处理，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像；

(8)所述第五处理模块所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，形成地理匹配三维矩阵；进而对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵；

(9)所述第六处理模块所述地理匹配频域矩阵的第三维进行频率二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；进而对所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

进一步的，所述第一处理模块的实现方法包括：

步骤S100：对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号分别进行带通滤波，分别获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通滤波信号；

步骤S110：对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通滤波信号进行正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十同向信号和第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号，提取第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号。

进一步地，所述第二处理模块的实现方法包括：

步骤S200：对所述第一正交信号基于每个北斗信号码字长度为一个处理单元，进行傅里叶变换，计算出每个处理单元的频率数据；

步骤S210：计算每个处理单元的第一峰值信息和第二峰值信息；

步骤S220：对所述第一峰值信息和第所述二峰值信息进行峰值判决，当所述第一峰值幅度与所述第二峰值幅度信息比值大于设定阈值，保留第一峰值及所在所述处理单元内的位置信息。否则，取所述第一峰值为零，且保留所述第一峰值所在所述处理单元内的位置信息。具体实现时，例如可以设定阈值为2。依次对所述第一信号每个处理单元计算出所述处理单元内的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息；

步骤S230:存储所有所述处理单元的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息，产生第一峰值信息向量及第一峰值位置信息向量；

步骤S240:计算出所述第一峰值角度信息向量。基于所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值角度差分信息向量；

步骤S250:进而基于第一峰值角度差分信息向量计算出第一峰值相位翻转信息向量，进而基于第一峰值相位翻转信息向量计算出以所述北斗信号码字长度为处理单元的北斗电文向量；

步骤S260:基于所述北斗电文向量及所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值频率信息向量。另一方面，基于所述北斗电文向量进而计算出北斗卫星的时间序列坐标向量。

进一步地，所述第三处理模块的实现方法包括：

S300：首先将所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号按照所述一个北斗码字长度为行长度转换成第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵；

S310：接着将基于所述第一峰值频率信息向量、所述第一峰值位置信息向量、所述第一峰值角度信息向量及所述北斗电文向量引入北斗基带信号，进而产生参考矩阵；

S320：基于所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵及所述参考矩阵以行为一个处理单位进行行阵列卷积运算，产生第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵；

S330:获得成像场景矩阵，具体包括，获取成像场景的中心三维坐标；以5米为一个步进，获取所述成像场景中以所述中心三维坐标为原点，周围1公里范围内所有像素点的三维坐标，即为成像场景矩阵；

S340，获得成像区域的二维图像，具体包括，所述方位向时域滤波组件对天线组件坐标，北斗卫星时间序列坐标向量和成像场景矩阵进行几何计算，获得相位矩阵；将所述相位矩阵对单位sin信号进行相位调制，获得方位向参考信号；将所述方位向参考信号与第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵，以列为单位进行时域滤波，获得成像区域的第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像。

进一步的，所述第四处理模块的实现方法包括：

以所述第一图像作为基图像，分别将所述第二、三、四、五、六、七、八、九图像分别和所述第一图像作匹配计算，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九匹配图像，以所述第二图像和所述第一图像作匹配计算为例，具体步骤为：

S400，获得第一差值均值，具体包括：设定所述第一图像面积2/3的面积块为处理单元，将所述第一图像最左上方占被所述面积块相同面积覆盖区域为第一图像面积块；将所述面积块放置在所述第二图像的最左上方，获得第二图像面积块；进而将所述第一图像面积块和所述第二图像面积块求差值，获得面积块差值矩阵；进而依次以所述面积块差值矩阵的每个元素为中心元素，对中心元素周围所有元素进行均值计算，获得差值均值矩阵；进而对所述差值均值矩阵进行均值计算，获得第一差值均值；

S410，获得差值均值向量，具体包括：依次将面积块向左移动一位，根据所述第一差值均值的处理方法，进而产生所述第一图像与变化后的第二图像的第二差值均值。当所述面积块移动至最右边时，将所述面积块移动至下一行最左边。直至面积块移动至最右下角。每移动一次，计算进而产生差值均值。最后，将所有产生的差值均值进行组合，获得差值均值向量；

S420，获得第二匹配图像，具体包括：对所述差值均值向量求其中元素的最大值和所述最大值对应的位置；进而根据最大值对应的位置，获得对应面积块位置；进而以所述面积块位置作为起始位置，将第二图像进行循环移位，产生第二匹配图像。

进一步的，所述第五处理模块的实现方法包括：

S500，对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，获得地理匹配三维矩阵，具体包括：构造一个空的三维矩阵，使得所述三维矩阵的第一维长度为所述第一地理匹配图像的行长度，所述三维矩阵的第二维长度为所述第一地理匹配图像的列长度，所述三维矩阵的第三维长度为所述地理匹配图像个数；进而依次将所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像对所述三维矩阵，以第一、二维组成的平面为单位，进行填充，获得地理匹配三维矩阵；

S510，依次对所述地理匹配三维矩阵的第三维的每个向量进行傅里叶变换变换，获得地理匹配频域矩阵。

进一步的，所述第六处理模块的实现方法包括：

S600，构造频域二项式滤波器矩阵，具体包括：构造一个空的三维矩阵，使得所述三维矩阵的尺寸和所述地理匹配矩阵相同；依次以所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线高度作为二项式的基，进行二项式计算，获得频域二项式滤波器向量；进而将所述频域二项式滤波器向量对所述三维矩阵，以第三维向量为处理单位，进行填充，获得频域二项式滤波器矩阵；

S610，将所述频域二项式滤波器矩阵与所述地理匹配频域矩阵对应元素共轭相乘，获得地理匹配频域滤波矩阵；

S620，将所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维的每个向量进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

本发明的有益效果是：本发明的三维成像系统及成像方法能够解决当前主流系统存在的技术限制，具体有益效果是：

1)本发明的三维成像系统为被动式系统，使用的硬件模块均为常用器件，价格低廉。

2)本发明的三维成像系统采用能力压缩的方式进行目标像点聚焦，能够提供高分辨率。

3)本方面的三维成像系统采用微波频率信号进行目标成像，不受白昼、天气的影响。

附图说明

图1是本发明提供的基于北斗卫星信号的三维成像系统成像场景示意图。

图2是本发明提供的基于北斗卫星信号的三维成像系统内部结构示意图。

图3是发明提供的基于北斗卫星信号的三维成像系统软件模块结构示意图。

图4是第一处理模块结构示意图。

图5是第二处理模块结构示意图。

图6是第三处理模块结构示意图。

图7是第四处理模块结构示意图。

图8是第五处理模块结构示意图。

图9是第六处理模块结构示意图。

附图中的符号说明：1.北斗卫星，2.三维成像系统部署所在高楼，3.成像区域，4.第一射频信号，5.第二、三、…十射频信号，6.第一天线，7.第二、三、…十天线，8.低噪放大器电路，9.带通滤波器电路，10.模数转换器电路，11.通信模块，12.坐标接收模块，13.软件模块。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

图1为本发明实施例提供的基于北斗卫星信号的三维成像系统成像场景示意图，本系统部署高楼上，成像区域3在高楼下方。北斗卫星1向地面360度发射电磁波。本系统通过对从成像区域3反射的电磁波进行信号处理，获得区域目标图像。本系统也可以应用在其它各种车辆和低空飞行器、低空无人机等，包括民用和军用的各种场合均可适用。

图2为本发明提供的基于北斗卫星信号的三维成像系统包括硬件模块和软件模块的结构示意图。具体包括：

硬件模块用于获取北斗卫星发射的电磁波和从成像区域反射的电磁波。硬件模块包括信号接收模块，通信模块及坐标接收模块。信号接收模块用来接收来自北斗卫星发射的第一射频信号以及从成像区域返回的第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号。信号接收模块包括天线组件，射频组件及模数转换组件。通信模块将信号接收模块输出的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号传输至所述软件模块。坐标接收模块与天线组件绑定，用于获取天线组件的实时坐标，并传输至软件模块。

所述天线组件安装在水平轨道上并在系统工作时一直处于水平移动状态。所述天线组件包括第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十天线，其中，所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线从高到低垂直部署，所述第二天线在最高处，所述第十天线在最低处，相邻天线间隔0.5米，所述三维成像系统搭载在高楼楼顶上，天线组件在楼顶上水平移动，所述第一天线指向天空，用于接收所述第一射频信号，所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线指向成像区域，用于接收所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号。第一天线为全向天线，第二、三…十天线为定向天线。具体实施时，第二、三…十天线例如可以采用20度x20度的波束宽度。

射频组件包括低噪声放大电路8和带通滤波器电路9。具体实施时，低噪声放大电路例如可以采用20dB增益；带通滤波器例如可以采用工作频率与北斗卫星信号频率同频，带宽为40MHz。

模数转换组件10将所述射频组件输出的所述信号进行从模拟变换到数字格式，输出第一、二、三…十信号。具体实施时，例如可以采用8位模数转换电路。

通信模块11将信号接收模块的输出的第一、二、三…十信号传输至所述软件模块。具体实施时，例如可以采用数据传输率为200Mbps的串口通信模块。

坐标接收模块12将天线组件的实时位置传输至软件模块。具体实施时，例如可以采用商用北斗接收机模块。

图3为软件模块结构示意图，软件模块包括第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，第四处理模块，第五处理模块，第六处理模块。

第一处理模块对第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号分别进行带通滤波和正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号。图4为第一处理模块流程示意图。所述第一处理模块包括带通滤波组件和正交解调制组件。

其中，所述带通滤波组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号进行带通滤波，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通信号；

其中，所述正交解调制组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通信号进行正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号。

所述第一处理模块的具体流程是：

步骤S100：对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号分别进行带通滤波，分别获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通滤波信号；具体实施时，例如可以采用Butterworth滤波器进行带通滤波。

步骤S110：对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通滤波信号进行正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十同向信号和第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号，提取第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号。

所述第二处理模块对所述第一正交信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量及北斗卫星位置信息向量。图5为第二处理模块结构示意图，该模块包括傅里叶编号组件，峰值检测组件、差分检测组件以及北斗电文解码组件。

其中，所述傅里叶编号组件用于获得所述第一正交信号的频率数据；

其中，所述峰值检测组件用于对所述频率数据进行峰值检测操作，进而获得第一峰值位置向量、第一峰值角度信息向量；

其中，所述差分检测组件用于对所述峰值角度信息向量进行差分处理，进而获得北斗电文信息向量；

其中，所述北斗电文解码组件对所述北斗电文信息向量进行解码，获得北斗位置时间序列坐标向量。

所述第二处理模块的实现方法包括：

步骤S200：对所述第一正交信号基于每个北斗信号码字长度为一个处理单元，进行傅里叶变换，计算出每个处理单元的频率数据；

步骤S210：计算每个处理单元的第一峰值信息和第二峰值信息；

步骤S220：对所述第一峰值信息和第所述二峰值信息进行峰值判决，当所述第一峰值幅度与所述第二峰值幅度信息比值大于设定阈值，保留第一峰值及所在所述处理单元内的位置信息。否则，取所述第一峰值为零，且保留所述第一峰值所在所述处理单元内的位置信息。具体实现时，例如可以设定阈值为2。依次对所述第一信号每个处理单元计算出所述处理单元内的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息；

步骤S230:存储所有所述处理单元的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息，产生第一峰值信息向量及第一峰值位置信息向量；

步骤S240:计算出所述第一峰值角度信息向量。基于所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值角度差分信息向量；

步骤S250:进而基于第一峰值角度差分信息向量计算出第一峰值相位翻转信息向量，进而基于第一峰值相位翻转信息向量计算出以所述北斗信号码字长度为处理单元的北斗电文向量；

步骤S260:基于所述北斗电文向量及所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值频率信息向量。另一方面，基于所述北斗电文向量进而计算出北斗卫星的时间序列坐标向量。

所述第三处理模块对所述第二正交信号进行时域滤波处理，并结合坐标接收模块获取的天线组件实时坐标以及北斗卫星时间序列坐标向量获得第一图像；进而对第三、四……十正交信号，依次按照第二正交信号的处理流程，分别获得第二、……、第九图像。图6为第三处理模块结构示意图，该模块包括信号矩阵产生组件，参考矩阵产生组件，卷积矩阵产生组件，成像场景矩阵重构组件和二维图像产生组件。

其中，所述信号矩阵生成组件产生第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵；

其中，所述参考矩阵信号产生组件将所述第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量进行调制，获得参考矩阵；

其中，所述卷积矩阵产生组件对所述参考信号和第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵进行卷积运输，获得第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵；

其中，所述成像场景矩阵重构组件对成像场景中的目标像素点进行几何计算，获得成像场景矩阵；

其中，所述二维图像产生组件对天线组件坐标，北斗卫星时间序列坐标向量和成像场景矩阵进行几何计算，获得方位向参考信号；进而对所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵和方位向参考信号进行方位向时域滤波，获得成像区域的第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像。

所述第三处理模块的实现方法包括：

S300：首先将所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号按照所述一个北斗码字长度为行长度转换成第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵；

S310：接着将基于所述第一峰值频率信息向量、所述第一峰值位置信息向量、所述第一峰值角度信息向量及所述北斗电文向量引入北斗基带信号，进而产生参考矩阵；

S320：基于所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵及所述参考矩阵以行为一个处理单位进行行阵列卷积运算，产生第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵；

S330:获得成像场景矩阵，具体包括，获取成像场景的中心三维坐标；以5米为一个步进，获取所述成像场景中以所述中心三维坐标为原点，周围1公里范围内所有像素点的三维坐标，即为成像场景矩阵；

S340，获得成像区域的二维图像，具体包括，所述方位向时域滤波组件对天线组件坐标，北斗卫星时间序列坐标向量和成像场景矩阵进行几何计算，获得相位矩阵；将所述相位矩阵对单位sin信号进行相位调制，获得方位向参考信号；将所述方位向参考信号与第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵，以列为单位进行时域滤波，获得成像区域的第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像。

第四处理模块将第三处理模块输出的第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像进行地理匹配处理，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像。图7为第四处理模块结构示意图，该模块包括差值均值计算组件和匹配图像获取组件。

其中，所述差值均值计算组件对所述第一图像和任意其他图像进行差值均值计算，获得差值均值向量。

其中，所述匹配图像获取组件采用差值均值向量的最大值和最大值所在位置，获取地理匹配图像。

所述第四处理模块的实现方法包括：

以所述第一图像作为基图像，分别将所述第二、三、四、五、六、七、八、九图像分别和所述第一图像作匹配计算，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九匹配图像。以所述第二图像和所述第一图像作匹配计算为例，具体步骤为：

S400，获得第一差值均值，具体包括：设定所述第一图像面积2/3的面积块为处理单元，将所述第一图像最左上方占被所述面积块相同面积覆盖区域为第一图像面积块；将所述面积块放置在所述第二图像的最左上方，获得第二图像面积块；进而将所述第一图像面积块和所述第二图像面积块求差值，获得面积块差值矩阵；进而依次以所述面积块差值矩阵的每个元素为中心元素，对中心元素周围所有元素进行均值计算，获得差值均值矩阵；进而对所述差值均值矩阵进行均值计算，获得第一差值均值；

S410，获得差值均值向量，具体包括：依次将面积块向左移动一位，根据所述第一差值均值的处理方法，进而产生所述第一图像与变化后的第二图像的第二差值均值。当所述面积块移动至最右边时，将所述面积块移动至下一行最左边。直至面积块移动至最右下角。每移动一次，计算进而产生差值均值。最后，将所有产生的差值均值进行组合，获得差值均值向量；

S420，获得第二匹配图像，具体包括：对所述差值均值向量求其中元素的最大值和所述最大值对应的位置；进而根据最大值对应的位置，获得对应面积块位置；进而以所述面积块位置作为起始位置，将第二图像进行循环移位，产生第二匹配图像。

第五处理模块将第四处理模块输出的第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，形成地理匹配三维矩阵；进而对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵。图8为第五处理模块结构示意图，该模块包括图像合并组件和傅里叶变换组件。

其中，所述图像合并组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并处理，形成地理匹配三维矩阵。

其中，所述傅里叶变换组件对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵。

所述第五处理模块的实现方法包括：

S500，对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，获得地理匹配三维矩阵，具体包括：构造一个空的三维矩阵，使得所述三维矩阵的第一维长度为所述第一地理匹配图像的行长度，所述三维矩阵的第二维长度为所述第一地理匹配图像的列长度，所述三维矩阵的第三维长度为所述地理匹配图像个数；进而依次将所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像对所述三维矩阵，以第一、二维组成的平面为单位，进行填充，获得地理匹配三维矩阵；

S510，依次对所述地理匹配三维矩阵的第三维的每个向量进行傅里叶变换变换，获得地理匹配频域矩阵。

第六处理模块将第五处理模块输出的地理匹配频域矩阵的第三维进行频率二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；进而对所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。图9为第六处理模块结构示意图，该模块包括频率二项式滤波组件和傅里叶逆变换组件。

其中，所述频率二项式滤波组件对所述地理匹配频域矩阵第三维进行频域二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵。

其中，所述傅里叶逆变换组件对所述地理匹配频域滤波矩阵第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

所述第六处理模块的实现方法包括：

S600，构造频域二项式滤波器矩阵，具体包括：构造一个空的三维矩阵，使得所述三维矩阵的尺寸和所述地理匹配矩阵相同；依次以所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线高度作为二项式的基，进行二项式计算，获得频域二项式滤波器向量；进而将所述频域二项式滤波器向量对所述三维矩阵，以第三维向量为处理单位，进行填充，获得频域二项式滤波器矩阵；

S610，将所述频域二项式滤波器矩阵与所述地理匹配频域矩阵对应元素共轭相乘，获得地理匹配频域滤波矩阵；

S620，将所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维的每个向量进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

本发明提供的一种基于北斗卫星信号的三维成像系统的实现方法，具体工作过程如下：

(1)所述三维成像系统上电开始工作，天线组件开始水平移动，用于接收所述第一射频信号的第一天线指向天空，用于接收所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号的第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线指向成像区域；

(2)所述通信模块将第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号采集起来，并传输至所述软件模块；

(3)所述坐标接收模块获取天线组件所在实时位置，并传输至所述软件模块；

(4)所述第一处理模块对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号进行带通滤波和正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号；

(5)所述第二处理模块对所述第一正交信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量及北斗卫星位置信息向量；

(6)所述第三处理模块对所述第二正交信号进行时域滤波处理，并结合坐标接收模块获取的天线组件实时坐标以及北斗卫星时间序列坐标向量获得第一图像；进而对第三、四……十正交信号，依次按照第二正交信号的处理流程，分别获得第二、……、第九图像；

(7)所述第四处理模块对第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像进行地理匹配处理，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像；

(8)所述第五处理模块所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，形成地理匹配三维矩阵；进而对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵；

(9)所述第六处理模块所述地理匹配频域矩阵的第三维进行频率二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；进而对所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种基于北斗卫星信号的三维成像系统，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于在相同的频域和时域上接收来自北斗卫星发射的第一射频信号以及从成像区域返回的第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号，经放大、滤波、模数转换后输出第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号；所述信号接收模块包括天线组件，所述天线组件安装在水平轨道上并在系统工作时一直处于水平移动状态；

通信模块，用于将信号接收模块输出的第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号传输至软件模块；

坐标接收模块，与天线组件绑定，用于获取天线组件的实时坐标，并传输至软件模块；

软件模块，包括第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，第四处理模块，第五处理模块，第六处理模块，其中：

所述第一处理模块，用于对第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号分别进行带通滤波和正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号；

所述第二处理模块，用于对所述第一正交信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量及北斗卫星位置信息向量；

所述第三处理模块，用于对所述第二正交信号进行时域滤波处理，并结合坐标接收模块获取的天线组件实时坐标以及北斗卫星时间序列坐标向量获得第一图像；进而对第三、四……十正交信号，依次按照第二正交信号的处理流程，分别获得第二、……、第九图像；

所述第四处理模块，用于对第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像进行地理匹配处理，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像；

所述第五处理模块，用于对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，形成地理匹配三维矩阵；进而对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵；

所述第六处理模块，用于对所述地理匹配频域矩阵的第三维进行频率二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；进而对所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统，其特征在于：所述信号接收模块还包括射频组件及模数转换组件；所述天线组件包括第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十天线，其中，所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线从高到低垂直部署，所述第二天线在最高处，所述第十天线在最低处，相邻天线间隔0.5米，所述三维成像系统搭载在高楼楼顶上，天线组件在楼顶上水平移动，所述第一天线指向天空，用于接收所述第一射频信号，所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线指向成像区域，用于接收所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号；所述射频组件包括低噪声放大电路和带通滤波器电路，所述模数转换组件用于将所述射频组件输出的信号进行模数转换，并输出第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号。

3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统，其特征在于：所述第一处理模块包括带通滤波组件和正交解调制组件，其中：

所述带通滤波组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号进行带通滤波，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通信号；

所述正交解调制组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通信号进行正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号；

所述第二处理模块包括傅里叶编号组件，峰值检测组件、差分检测组件以及北斗电文解码组件，其中：

所述傅里叶编号组件用于获得所述第一正交信号的频率数据；

所述峰值检测组件用于对所述频率数据进行峰值检测操作，进而获得第一峰值位置向量、第一峰值角度信息向量；

所述差分检测组件用于对所述峰值角度信息向量进行差分处理，进而获得北斗电文信息向量；

所述北斗电文解码组件对所述北斗电文信息向量进行解码，获得北斗位置时间序列坐标向量。

4.根据权利要求1所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统，其特征在于：所述第三处理模块包括信号矩阵产生组件，参考矩阵产生组件，卷积矩阵产生组件，成像场景矩阵重构组件和二维图像产生组件，其中：

所述信号矩阵产生组件产生第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵；

所述参考矩阵产生组件将所述第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量进行调制，获得参考矩阵；

所述卷积矩阵产生组件对所述参考矩阵和第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵分别进行卷积运算，获得第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵；

所述成像场景矩阵重构组件对成像场景中的目标像素点进行几何计算，获得成像场景矩阵；

所述二维图像产生组件对天线组件坐标，北斗卫星时间序列坐标向量和成像场景矩阵进行几何计算，获得方位向参考信号；进而对所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵和方位向参考信号进行方位向时域滤波，获得成像区域的第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像。

5.根据权利要求1所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统，其特征在于：所述第四处理模块包括差值均值计算组件和匹配图像获取组件，其中：

所述差值均值计算组件对所述第一图像和任意其他图像进行差值均值计算，获得差值均值向量；

所述匹配图像获取组件采用差值均值向量的最大值和最大值所在位置，获取地理匹配图像；

所述第五处理模块包括图像合并组件和傅里叶变换组件，其中：

所述图像合并组件对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并处理，形成地理匹配三维矩阵；

所述傅里叶变换组件对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵；

所述第六处理模块包括频率二项式滤波组件和傅里叶逆变换组件，其中：

所述频率二项式滤波组件对所述地理匹配频域矩阵第三维进行频域二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；

所述傅里叶逆变换组件对所述地理匹配频域滤波矩阵第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

6.一种基于北斗卫星信号的三维成像系统的实现方法，采用如权利要求1-5任一项所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统，其特征在于，包括如下步骤：

(1)所述三维成像系统上电开始工作，天线组件开始水平移动，用于接收所述第一射频信号的第一天线指向天空，用于接收所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十射频信号的第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线指向成像区域；

(2)所述通信模块将第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号采集起来，并传输至所述软件模块；

(3)所述坐标接收模块获取天线组件所在实时位置，并传输至所述软件模块；

(4)所述第一处理模块对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号进行带通滤波和正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号；

(5)所述第二处理模块对所述第一正交信号进行频域滤波，获得第一峰值角度向量、第一峰值频率向量、北斗电文信息向量、第一峰值位置信息向量及北斗卫星位置信息向量；

(6)所述第三处理模块对所述第二正交信号进行时域滤波处理，并结合坐标接收模块获取的天线组件实时坐标以及北斗卫星时间序列坐标向量获得第一图像；进而对第三、四……十正交信号，依次按照第二正交信号的处理流程，分别获得第二、……、第九图像；

(7)所述第四处理模块对第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像进行地理匹配处理，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像；

(8)所述第五处理模块所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，形成地理匹配三维矩阵；进而对所述地理匹配三维矩阵沿第三维进行时频变换，获得地理匹配频域矩阵；

(9)所述第六处理模块所述地理匹配频域矩阵的第三维进行频率二项式滤波，获得地理匹配频域滤波矩阵；进而对所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

7.根据权利要求6所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统的实现方法，其特征在于：所述第一处理模块的实现方法包括：

步骤S100：对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十信号分别进行带通滤波，分别获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通滤波信号；

步骤S110：对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十带通滤波信号进行正交解调制，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十同向信号和第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号，提取第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号。

8.根据权利要求7所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统的实现方法，其特征在于：所述第二处理模块的实现方法包括：

步骤S200：对所述第一正交信号基于每个北斗信号码字长度为一个处理单元，进行傅里叶变换，计算出每个处理单元的频率数据；

步骤S210：计算每个处理单元的第一峰值信息和第二峰值信息；

步骤S220：对所述第一峰值信息和第所述二峰值信息进行峰值判决，当所述第一峰值幅度与所述第二峰值幅度信息比值大于设定阈值，保留第一峰值及所在所述处理单元内的位置信息，否则，取所述第一峰值为零，且保留所述第一峰值所在所述处理单元内的位置信息；具体实现时，设定阈值为2；依次对所述第一信号每个处理单元计算出所述处理单元内的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息；

步骤S230:存储所有所述处理单元的第一峰值信息及所述处理单元的第一峰值位置信息，产生第一峰值信息向量及第一峰值位置信息向量；

步骤S240:计算出所述第一峰值角度信息向量，基于所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值角度差分信息向量；

步骤S250:进而基于第一峰值角度差分信息向量计算出第一峰值相位翻转信息向量，进而基于第一峰值相位翻转信息向量计算出以所述北斗信号码字长度为处理单元的北斗电文向量；

步骤S260:基于所述北斗电文向量及所述第一峰值角度信息向量，计算出第一峰值频率信息向量；另一方面，基于所述北斗电文向量进而计算出北斗卫星的时间序列坐标向量。

9.根据权利要求8所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统的实现方法，其特征在于：采用如权利要求4所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统，所述第三处理模块的实现方法包括：

S300：首先将所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十正交信号按照一个北斗信号码字长度为行长度转换成第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵；

S310：接着将基于所述第一峰值频率信息向量、所述第一峰值位置信息向量、所述第一峰值角度信息向量及所述北斗电文向量引入北斗基带信号，进而产生参考矩阵；

S320：基于所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号矩阵及所述参考矩阵以行为一个处理单位进行行阵列卷积运算，产生第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵；

S330:获得成像场景矩阵，具体包括，获取成像场景的中心三维坐标；以5米为一个步进，获取所述成像场景中以所述中心三维坐标为原点，周围1公里范围内所有像素点的三维坐标，即为成像场景矩阵；

S340，获得成像区域的二维图像，具体包括，所述方位向时域滤波组件对天线组件坐标，北斗卫星时间序列坐标向量和成像场景矩阵进行几何计算，获得相位矩阵；将所述相位矩阵对单位sin信号进行相位调制，获得方位向参考信号；将所述方位向参考信号与第二、三、四、五、六、七、八、九、十信号卷积矩阵，以列为单位进行时域滤波，获得成像区域的第一、二、三、四、五、六、七、八、九图像。

10.根据权利要求9所述的基于北斗卫星信号的三维成像系统的实现方法，其特征在于：所述第四处理模块的实现方法包括：

以所述第一图像作为基图像，分别将所述第二、三、四、五、六、七、八、九图像分别和所述第一图像作匹配计算，获得第一、二、三、四、五、六、七、八、九匹配图像，以所述第二图像和所述第一图像作匹配计算为例，具体步骤为：

S400，获得第一差值均值，具体包括：设定所述第一图像面积2/3的面积块为处理单元，将所述第一图像最左上方占被所述面积块相同面积覆盖区域为第一图像面积块；将所述面积块放置在所述第二图像的最左上方，获得第二图像面积块；进而将所述第一图像面积块和所述第二图像面积块求差值，获得面积块差值矩阵；进而依次以所述面积块差值矩阵的每个元素为中心元素，对中心元素周围所有元素进行均值计算，获得差值均值矩阵；进而对所述差值均值矩阵进行均值计算，获得第一差值均值；

S410，获得差值均值向量，具体包括：依次将面积块向左移动一位，根据所述第一差值均值的处理方法，进而产生所述第一图像与变化后的第二图像的第二差值均值；当所述面积块移动至最右边时，将所述面积块移动至下一行最左边；直至面积块移动至最右下角；每移动一次，计算进而产生差值均值；最后，将所有产生的差值均值进行组合，获得差值均值向量；

S420，获得第二匹配图像，具体包括：对所述差值均值向量求其中元素的最大值和所述最大值对应的位置；进而根据最大值对应的位置，获得对应面积块位置；进而以所述面积块位置作为起始位置，将第二图像进行循环移位，产生第二匹配图像；

所述第五处理模块的实现方法包括：

S500，对所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像进行合并，获得地理匹配三维矩阵，具体包括：构造一个空的三维矩阵，使得所述三维矩阵的第一维长度为所述第一地理匹配图像的行长度，所述三维矩阵的第二维长度为所述第一地理匹配图像的列长度，所述三维矩阵的第三维长度为所述地理匹配图像个数；进而依次将所述第一、二、三、四、五、六、七、八、九地理匹配图像对所述三维矩阵，以第一、二维组成的平面为单位，进行填充，获得地理匹配三维矩阵；

S510，依次对所述地理匹配三维矩阵的第三维的每个向量进行傅里叶变换，获得地理匹配频域矩阵；

所述第六处理模块的实现方法包括：

S600，构造频域二项式滤波器矩阵，具体包括：构造一个空的三维矩阵，使得所述三维矩阵的尺寸和所述地理匹配矩阵相同；依次以所述第二、三、四、五、六、七、八、九、十天线高度作为二项式的基，进行二项式计算，获得频域二项式滤波器向量；进而将所述频域二项式滤波器向量对所述三维矩阵，以第三维向量为处理单位，进行填充，获得频域二项式滤波器矩阵；

S610，将所述频域二项式滤波器矩阵与所述地理匹配频域矩阵对应元素共轭相乘，获得地理匹配频域滤波矩阵；

S620，将所述地理匹配频域滤波矩阵的第三维的每个向量进行傅里叶逆变换，获得三维图像。

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