CN109425859B - 一种序贯图像成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种序贯图像成像方法及装置，用以解决相关技术中序贯图像成像算法成像效率较低的问题。该方法包括：对合成孔径雷达SAR的回波数据进行方位向子孔径划分，得到子孔径回波数据；对得到的子孔径回波数据分别进行成像处理，得到多个子图像；对该多个子图像进行拼接，得到序贯图像。本公开有效避免了冗余数据的重复处理，提高了序贯图像的处理效率。

Description

一种序贯图像成像方法及装置
技术领域
本公开涉及信号处理领域，具体地，涉及一种序贯图像成像方法及装置。
背景技术
序贯图像模式是利用波束控制技术对同一区域进行长时间持续观测，并通过对回波数据在方位向上划分、二维脉冲压缩而生成的在同一区域的一定时间间隔的多幅图像。目标区域的序贯图像成像结果对于区域内动目标的检测、识别以及航迹提取等应用都具有重要意义。序贯图像的应用场景要求每幅子图像都应具有高分辨率，因此子图像在方位向要求具有长积累时间；另外，高时相性要求序贯图像的相邻图像之间具有更小的时间间隔。以上两点序贯图像的要求造成了序贯图像之间具有大量的重叠数据。传统的序贯图像成像算法需对每一幅子图像分别进行成像处理，造成了重复数据的大量冗余处理，降低了序贯图像的成像效率，不利于其在动目标检测等领域的应用推广。
发明内容
本公开的目的是提供一种序贯图像成像方法及装置，用以解决相关技术中序贯图像成像算法成像效率较低的问题。
本公开提供了一种序贯图像成像方法，包括：对SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)的回波数据进行方位向子孔径划分，得到子孔径回波数据；对得到的所述子孔径回波数据分别进行成像处理，得到多个子图像；对所述多个子图像进行拼接，得到序贯图像。
可选的，所述子孔径回波数据满足以下条件：所述子孔径回波数据中距离向数据的长度与划分前的回波数据的长度一致，所述子孔径回波数据的方位向多普勒带宽小于所述SAR的脉冲重复频率PRF。
可选的，所述子孔径回波数据的方位向时间长度小于相邻子图像的数据间隔时间长度。
可选的，所述对得到的所述子孔径回波数据分别进行成像处理，包括：将所述子孔径回波数据在时域乘以一个线性相位，使得所述子孔径回波数据进行频域平移；将进行频域平移后的所述子孔径回波数据进行方位向快速傅里叶变换；对进行方位向快速傅里叶变换后的所述子孔径回波数据进行Chirp Scaling处理；将进行Chirp Scaling处理后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶变换后在二维频域乘以距离补偿因子，以进行距离向补偿；将进行距离向补偿后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶逆变换，并沿方位向与方位补偿相位相乘，以进行相位补偿；对在方位向快速傅里叶变换过程中引入的附加线性相位进行补偿。
可选的，所述对所述多个子图像进行拼接，得到序贯图像，包括：根据所述子孔径回波数据进行频域平移时对应的频移量，将各所述子孔径回波数据的频谱重新进行拼接，得到所述子图像完整的方位向频谱；对拼接后的图像数据的方位向进行快速傅里叶逆变换，得到所述序贯图像。
本公开还提供了一种SAR序贯图像成像装置，包括：划分模块，用于对合成孔径雷达SAR的回波数据进行方位向子孔径划分，得到子孔径回波数据；处理模块，用于对得到的所述子孔径回波数据分别进行成像处理，得到多个子图像；拼接模块，用于对所述多个子图像进行拼接，得到序贯图像。
可选的，所述子孔径回波数据满足以下条件：所述子孔径回波数据中距离向数据的长度与划分前的回波数据的长度一致，所述子孔径回波数据的方位向多普勒带宽小于所述SAR的脉冲重复频率PRF。
可选的，所述子孔径回波数据的方位向时间长度小于相邻子图像的数据间隔时间长度。
可选的，所述处理模块，包括：平移单元，用于将所述子孔径回波数据在时域乘以一个线性相位，使得所述子孔径回波数据进行频域平移；第一变换单元，用于将进行频域平移后的所述子孔径回波数据进行方位向快速傅里叶变换；处理单元，用于对进行方位向快速傅里叶变换后的所述子孔径回波数据进行Chirp Scaling处理；距离补偿单元，用于将进行Chirp Scaling处理后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶变换后在二维频域乘以距离补偿因子，以进行距离向补偿；相位补偿单元，用于将进行距离向补偿后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶逆变换，并沿方位向与方位补偿相位相乘，以进行相位补偿；线性相位补偿单元，用于对在方位向快速傅里叶变换过程中引入的附加线性相位进行补偿。
可选的，所述拼接模块，包括：拼接单元，用于根据所述子孔径回波数据进行频域平移时对应的频移量，将各所述子孔径回波数据的频谱重新进行拼接，得到所述子图像完整的方位向频谱；第二变换单元，用于对拼接后的图像数据的方位向进行快速傅里叶逆变换，得到所述序贯图像。
本公开实施例的方案通过对回波数据进行方位向子孔径划分，并对得到的子孔径回波数据分别进行处理，使得在方位向每帧数据只处理一次，有效避免了冗余数据的重复处理，提高了序贯图像的处理效率。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的序贯图像成像方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的基于子孔径拼接的成像模型。
图3A是根据一示例性实施例示出的子图像1在方位向上成像结果的剖面图。
图3B是根据一示例性实施例示出的图3B是子图像1在距离向上成像结果的剖面图。
图4A是根据一示例性实施例示出的子图像2在方位向上成像结果的剖面图。
图4B是根据一示例性实施例示出的子图像2在距离向上成像结果的剖面图。
图5是根据一示例性实施例示出的九点目标成像结果示意图。
图6A是根据一示例性实施例示出的九点目标中一个点的子图像在方位向距离上成像结果的二维剖面图。
图6B是根据一示例性实施例示出的九点目标中一个点的子图像在距离向距离上成像结果的二维剖面图。
图7是本公开提供的序贯图像成像方法与传统方法运算量对比示意图。
图8是根据一示例性实施例示出的序贯图像成像装置的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
针对相关技术中序贯图像成像方法中因对相邻子图像间重复数据的冗余处理导致的处理效率低下的问题，本公开提供了一种序贯图像成像方法，图1是根据一示例性实施例示出的序贯图像成像方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下处理：
步骤101：对SAR的回波数据进行方位向子孔径划分，得到子孔径回波数据；
在执行步骤101之前，还需要读取SAR回波数据，示例的，本公开中的SAR回波数据可以是星载SAR雷达点目标的回波数据，该数据的信号模型如下所示：
Figure BDA0001395904350000051
式(1)中，η、τ分别表示方位向时间和距离向时间；r表示波束中心照射时刻卫星与目标的斜距；σ表示后向散射系数，这里设置为1；wa为信号的方位向包络Ta，点目标的回波以η0为中心，长度为即合成孔径时间；wr为信号的距离向包络，Tr表示信号的回波窗长度；R(η,r)表示以等效斜视模型表示的任意方位时刻卫星与目标的斜距；λ表示信号波长。
在一个示例性实施例中，方位向共有8192帧数据，每一帧数据在距离向由8192个采样点组成，在读取原始回波的同时，还需读取成像参数，该成像参数可以包括：多普勒中心频率、多普勒调频率、零多普勒时刻卫星与场景中心斜距以及系统脉冲重复频率等。在本实施例中，可以由完整的回波数据生成5幅子图像构成序贯图像，其中，每幅子图像方位向为4096个脉冲，相邻子图像相邻1024个脉冲。
在对SAR的回波数据进行方位向子孔径划分时，需保证划分后的子孔径回波数据满足如下要求：
每个子孔径中距离向数据长度与原数据的数据长度一样，方位向数据长度可以根据子块的多普勒带宽以及时间分辨率的影响。
为避免处理过程中方位向的混叠，每个子孔径的方位向多普勒带宽应小于SAR的PRF。每个子孔径的方位向多普勒带宽可以表示为：
Figure BDA0001395904350000061
其中，Bwave、Ba,steer以及Ba,r分别为波束的瞬时多普勒带宽，波束旋转引入的多普勒中心变化以及由近距到远距的多普勒中心频率变化。
每个子孔径的脉冲数上限为：
Figure BDA0001395904350000062
除了方位向多普勒带宽的限制，子孔径的方位向时间长度要小于时间分辨率的长度(相邻子图像的数据间隔长度)，否则无法通过拼接得到子图像。同时，为便于子孔径的拼接，在方位向多普勒带宽满足要求的前提下，子孔径的方位向长度应取时间分辨率的长度。
在一个示例性实施例中，根据子孔径划分的规则，首先取子孔径长度为时间分辨率，即1024个脉冲，经过对式(3)中右侧进行计算，可以得出子孔径长度上限为5204个脉冲，因此子孔径长度取1024个脉冲符合方位向多普勒带宽的要求。
步骤102：对得到的子孔径回波数据分别进行成像处理，得到多个子图像；
示例的，在步骤102中对得到的子孔径回波数据分别进行成像处理可以包括如下处理过程：
将子孔径回波数据在时域乘以一个线性相位，使得子孔径回波数据频域进行平移；将进行频域平移后的子孔径回波数据进行方位向快速傅里叶变换；对进行方位向快速傅里叶变换的子孔径回波数据进行Chirp Scaling处理；将进行Chirp Scaling处理后的子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶变换后在二维频域乘以距离补偿因子，以进行距离向补偿；将进行距离向补偿后的子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶逆变换，并沿方位向与方位补偿相位相乘，以进行相位补偿；对在方位向快速傅里叶变换过程中引入的附加线性相位进行补偿。
可以采用如下实现方式来实现上述对得到的子孔径回波数据进行成像处理的处理过程：
在对回波数据进行子孔径划分之后，通过对各个子孔径回波数据进行分别处理，会得到各个子孔径的二维压缩结果。由于Chirp Scaling算法仅通过相位相乘以及傅里叶变换便可完成信号处理，避免了插值操作，是一种高效率的成像处理算法，故在下述成像处理过程中采用CS算法，具体的子孔径处理流程如下：
频谱平移：通过对子孔径回波数据在时域乘一个线性相位，实现其在频域的平移。
Φ1(η,i)＝exp(jπηfdi) (4)
在式(4)中，fdi表示子孔径中心处目标的多普勒频率，为保证子孔径拼接时相位的连续性，需要对fdi进行处理以使其为频率间隔的整数倍。
Figure BDA0001395904350000071
这样子孔径回波数据的频谱便移动到方位向频域的中心位置，方便各个子孔径回波数据的统一处理。
处理过程中每个脉冲的方位时间η的计算公式为：
Figure BDA0001395904350000072
其中ver_data/2代表完整回波数据的中心，假设此刻时间为0。
Chirp Scaling处理：
由SAR处理系统的时不变特性可知，脉冲的处理结果与信号在时域的处理顺序无关，因此，将信号转换到R-D(Range Doppler，距离多普勒)域，使同一距离门中不同方位位置的点目标具有相同的距离徙动轨迹，方便统一处理。
在R-D域可以将CS相位表示为：
Φ2(τ,fa,r)＝exp{-jπKr(fa,r)Cs(fa)[τ-τref(fa)]2} (7)
在式(6)中，Cs(fa)为与方位频率相关的变标因子，可以表示为：
Figure BDA0001395904350000081
在式(7)中，τref(fa)为参考斜距处目标在不同方位频率的相位中心：
Figure BDA0001395904350000082
其中，每一个脉冲的方位向频率为：
Figure BDA0001395904350000083
距离向补偿：
将Chirp Scaling处理的处理结果进行距离向FFT，变换到二维频域。变换后的信号表达式为：
Figure BDA0001395904350000084
在二维频域乘一个距离补偿因子，完成二次距离压缩、距离向聚焦以及距离徙动校正，补偿相位如下式(10)：
Figure BDA0001395904350000091
方位补偿：
对距离向补偿处理后的结果进行距离向IFFT，便可完成距离向压缩，沿方位向与一个方位补偿相位相乘，便可完成方位向处理以及残留相位的补偿，方位补偿相位可以表示为：
Figure BDA0001395904350000092
补偿线性相位：
由于各个子孔径处理过程中，方位向FFT以子孔径的中心时刻为基准，因此相较于全场景处理会引入一个附加线性相位，为保证子孔径拼接的相位连续性，需要对该线性相位进行补偿，补偿相位可以表示为：
Θ5(fa)＝exp{j2πfaηci} (14)
步骤103：对得到的多个子图像进行拼接，得到序贯图像。
在步骤103中，对多个子图像进行拼接，得到序贯图像时可以根据在子孔径回波数据进行频域平移时对应的频移量，将各子孔径回波数据的频谱重新进行拼接，得到所需子图像完整的方位向频谱；对拼接后的图像数据的方位向进行快速傅里叶逆变换，可以完成方位向压缩，得到序贯图像。
如图2所示，在一个示例性实施例中，将1-4子孔径拼接生成子图像1，将2-5子孔径拼接生成子图像2，将3-6子孔径拼接生成子图像3，将4-7子孔径拼接生成子图像4，其中，图2中，A、B分别表示数据获取过程中雷达运动的起点和终点，O点表示波束的虚拟旋转中心，位于地面以下。
经过上述步骤101至103之后，根据序贯图像的需求，将相应的子孔径拼接便可得到一定时间分辨率和空间分辨率的序贯图像。可以看出，通过对回波数据进行子孔径处理，方位向每帧数据只处理一次，有效避免了冗余数据的重复处理，大大提高了序贯图像的处理效率。
为了验证上述序贯图像成像方法的有效性，进行点目标仿真实验，所得的部分仿真参数如下表1所示。
表1
Figure BDA0001395904350000101
图3A至图4B依次示出了上述示例性实施例中的子图像1以及子图像2成像结果的二维剖面图，其中，图3A是子图像1在方位向上成像结果的剖面图；图3B是子图像1在距离向上成像结果的剖面图。图4A是子图像2在方位向上成像结果的剖面图；图4B是子图像2在距离向上成像结果的剖面图。从图中可以看出子图像具有良好的成像效果。为验证本公开中序贯图像成像方法对场景边缘处目标的成像效果，沿距离向和方位向间隔1km共布置九个点目标，成像结果如图5所示。图6为左上角点目标的二维剖面图，图6A是九点目标中一个点的子图像在方位向距离上成像结果的二维剖面图，图6B是九点目标中一个点的子图像在距离向距离上成像结果的二维剖面图，从图5、图6A以及6B中可以看出该成像方法具有良好的成像效果。
在图7中，针对一组序贯图像的成像，比较了本公开提供的序贯图像成像方法与传统成像方法(例如，每幅子图像采用三步成像算法)的计算量，从计算结果可以看出，随着数据量的增多，本公开的方法相较于传统方法能够极大得提高处理效率。
综上分析可知，本公开实施例提供的SAR序贯图像成像方法能够适应大扫描角情况下序贯图像庞大数据量对处理效率的要求，满足序贯图像在动目标检测、航迹提取等应用领域中实时性的要求；该方法在保证成像质量的基础上，提升了序贯图像的成像效率；该方法还可以根据实际需要选用不同的成像处理内核，具有很高的通用性。
本公开还提供了一种序贯图像成像装置，图8是该装置的结构框图，如图8所示，该装置80包括如下组成部分：
划分模块81，用于对合成孔径雷达SAR的回波数据进行方位向子孔径划分，得到子孔径回波数据；
处理模块82，用于对得到的子孔径回波数据分别进行成像处理，得到多个子图像；
拼接模块83，用于得到的对多个子图像进行拼接，得到序贯图像。
子孔径回波数据满足以下条件：子孔径回波数据中距离向数据的长度与划分前的回波数据的长度一致，子孔径回波数据的方位向多普勒带宽小于SAR的脉冲重复频率PRF，在一个具体的实施例中，为了便于子孔径拼接，子孔径回波数据的方位向时间长度还需小于时间分辨率的长度。
在一个示例性实施例中，上述处理模块82可以包括：平移单元，用于将所述子孔径回波数据在时域乘以一个线性相位，使得子孔径回波数据频域进行平移；第一变换单元，用于将进行频域平移后的子孔径回波数据进行方位向快速傅里叶变换；处理单元，用于对进行方位向快速傅里叶变换的子孔径回波数据进行Chirp Scaling处理；距离补偿单元，用于将进行Chirp Scaling处理后的子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶变换后在二维频域乘以距离补偿因子，以进行距离向补偿；相位补偿单元，用于将进行距离向补偿后的子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶逆变换，并沿方位向与方位补偿相位相乘，以进行相位补偿；线性相位补偿单元，用于对在方位向快速傅里叶变换过程中引入的附加线性相位进行补偿。
在一个示例性实施例中，上述拼接模块83可以包括：拼接单元，用于根据子孔径回波数据进行频域平移时对应的频移量，将各子孔径回波数据的频谱重新进行拼接，得到子图像完整的方位向频谱；第二变换单元，用于对拼接后的图像数据的方位向进行快速傅里叶逆变换，得到序贯图像。
经过上述步骤后，根据序贯图像的需求，将相应的子孔径拼接便可得到一定时间分辨率和空间分辨率的序贯图像。可以看出，通过对回波数据进行子孔径处理，方位向每帧数据只处理一次，有效避免了冗余数据的重复处理，大大提高了序贯图像的处理效率。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种序贯图像成像方法，其特征在于，包括：对合成孔径雷达SAR的回波数据进行方位向子孔径划分，得到子孔径回波数据；
对得到的所述子孔径回波数据分别进行成像处理，得到多个子图像；
对所述多个子图像进行拼接，得到序贯图像；
所述对得到的所述子孔径回波数据分别进行成像处理，包括：
将所述子孔径回波数据在时域乘以一个线性相位，使得所述子孔径回波数据进行频域平移，其中，所述线性相位Φ1(η,i)＝exp(jπηfdi)，fdi表示子孔径中心处目标的多普勒频率，且
Figure FDA0002951084700000011
η为每个脉冲的方位时间，且
Figure FDA0002951084700000012
ver_data/2表示完整回波数据的中心，PRF表示所述SAR的脉冲重复频率，Nsub表示每个子孔径的脉冲数上限，j表示虚拟单位，i表示每个脉冲的方位向位置；
将进行频域平移后的所述子孔径回波数据进行方位向快速傅里叶变换；
对进行方位向快速傅里叶变换后的所述子孔径回波数据进行Chirp Scaling处理；
将进行Chirp Scaling处理后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶变换后在二维频域乘以距离补偿因子，以进行距离向补偿；
将进行距离向补偿后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶逆变换，并沿方位向与方位补偿相位相乘，以进行相位补偿；
对在方位向快速傅里叶变换过程中引入的附加线性相位进行补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子孔径回波数据满足以下条件：
所述子孔径回波数据中距离向数据的长度与划分前的所述回波数据的长度一致，所述子孔径回波数据的方位向多普勒带宽小于所述SAR的脉冲重复频率PRF。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子孔径回波数据的方位向时间长度小于相邻子图像的数据间隔时间长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述多个子图像进行拼接，得到序贯图像，包括：
根据所述子孔径回波数据进行频域平移时对应的频移量，将各所述子孔径回波数据的频谱重新进行拼接，得到所述子图像完整的方位向频谱；
对拼接后的图像数据的方位向进行快速傅里叶逆变换，得到所述序贯图像。
5.一种序贯图像成像装置，其特征在于，包括：
划分模块，用于对合成孔径雷达SAR的回波数据进行方位向子孔径划分，得到子孔径回波数据；
处理模块，用于对得到的所述子孔径回波数据分别进行成像处理，得到多个子图像；
拼接模块，用于对所述多个子图像进行拼接，得到序贯图像；
所述处理模块，包括：
平移单元，用于将所述子孔径回波数据在时域乘以一个线性相位，使得所述子孔径回波数据进行频域平移，其中，所述线性相位Φ1(η,i)＝exp(jπηfdi)，fdi表示子孔径中心处目标的多普勒频率，且
Figure FDA0002951084700000021
η为每个脉冲的方位时间，且
Figure FDA0002951084700000022
ver_data/2表示完整回波数据的中心，PRF表示所述SAR的脉冲重复频率，Nsub表示每个子孔径的脉冲数上限，j表示虚拟单位，i表示每个脉冲的方位向位置；
第一变换单元，用于将进行频域平移后的所述子孔径回波数据进行方位向快速傅里叶变换；
处理单元，用于对进行方位向快速傅里叶变换后的所述子孔径回波数据进行ChirpScaling处理；
距离补偿单元，用于将进行Chirp Scaling处理后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶变换后在二维频域乘以距离补偿因子，以进行距离向补偿；
相位补偿单元，用于将进行距离向补偿后的所述子孔径回波数据进行距离向快速傅里叶逆变换，并沿方位向与方位补偿相位相乘，以进行相位补偿；
线性相位补偿单元，用于对在方位向快速傅里叶变换过程中引入的附加线性相位进行补偿。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述子孔径回波数据满足以下条件：
所述子孔径回波数据中距离向数据的长度与划分前的所述回波数据的长度一致，所述子孔径回波数据的方位向多普勒带宽小于所述SAR的脉冲重复频率PRF。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述子孔径回波数据的方位向时间长度小于相邻子图像的数据间隔时间长度。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述拼接模块，包括：
拼接单元，用于根据所述子孔径回波数据进行频域平移时对应的频移量，将各所述子孔径回波数据的频谱重新进行拼接，得到所述子图像完整的方位向频谱；
第二变换单元，用于对拼接后的图像数据的方位向进行快速傅里叶逆变换，得到所述序贯图像。
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