CN109655831B - 一种无人机sar成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机SAR成像方法及装置，用于无人机SAR成像系统，所述无人机SAR成像系统包括预处理端和精处理端，方法包括：接收SAR回波信号，判断SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号；抽取回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号；对第一脉冲信号或SAR回波信号进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号；对第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号；累积多个距离压缩信号，对多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT，生成预处理信号；将预处理信号发送至精处理端，以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像。通过预处理端和精处理端的两步处理既降低了无人机载荷的重量和功耗，又提高了成像质量。

Description

一种无人机SAR成像方法及装置

技术领域

本发明涉及SAR成像技术领域，尤其涉及一种无人机SAR成像方法及装置。

背景技术

无人机SAR可全天候对重要区域进行探测、成像，尤其是具有实时成像能力的无人机SAR系统可实现对目标区域低延时的不间断地实时成像，实现了有效的动态监测。近年来，科研人员对SAR实时成像处理方法投入了大量研究。随着数字信号处理技术的快速发展，基于DSP(Digital Signal Processing，DSP)或FPGA(Field Programmable GateArray，FPGA)芯片的实时雷达成像处理系统也被广泛研究目前的无人机载SAR成像处理系统，能实现雷达数据的距离压缩、距离徙动校正、多普勒调频率估计、运动误差补偿、方位压缩、灰度量化等处理。然而，由于小型无人机受其“体能”的限制，导致对其电子载荷在重量、体积、功耗等方面有着严格的限制。目前，采用传统设计方法设计的实时成像单元在SAR系统中占据的功耗、体积、重量不容忽视，特别是在微型无人机SAR系统中实时处理单元的功耗问题显得更为突出，实时处理单元的功耗约占系统总功耗的50％，另一方面，由于其搭载的处理资源有限，导致其成像质量差，分辨率低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种无人机SAR成像方法及装置，至少解决了无人机SAR系统搭载成像系统的重量、体积与功耗，以及成像质量差，分辨率低等问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种无人机SAR成像方法，用于无人机SAR成像系统，无人机SAR成像系统包括预处理端和精处理端，其中，预处理端设于无人机上，精处理端设于地面，方法包括：S1，接收SAR回波信号，判断SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号，若需要则执行步骤S2-S6，若不需要则执行步骤S3-S6；S2，抽取SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号；S3，对第一脉冲信号或SAR回波信号进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号；S4，对第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号；S5，累积多个距离压缩信号，对多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT，生成预处理信号；S6，将预处理信号发送至精处理端，以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像。

可选地，步骤S1具体包括：S101，接收SAR回波信号；S102，根据无人机SAR速度和SAR回波信号计算SAR回波信号的脉冲重复频率过采样倍数；S103，若脉冲重复频率过采样倍数大于预设值，则需要对SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，则执行步骤S2-S6；S104，若脉冲重复频率过采样倍数小于或等于预设值，则不需要对SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，则执行步骤S3-S6。

可选地，步骤S102具体包括：根据无人机SAR速度以及SAR回波信号中的方位向波束的宽度得出多普勒带宽；根据多普勒带宽和脉冲重复频率得出脉冲重复频率过采样倍数。

可选地，步骤S3中，采用数字下变频技术对第一脉冲信号或SAR回波数据进行滤波。

可选地，若预处理信号的数据传输速率大于预设传输速率则进一步截取预处理信号，以使预处理信号小于或等于预设传输速率。

可选地，步骤S6中，以使所述精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像：S401，对预处理信号进行运动补偿，得到运动补偿信号；S402，对运动补偿信号进行聚焦；S403，对聚焦后的运动补偿信号进行傅里叶逆变换生成SAR图像。

可选地，对预处理信号进行运动补偿之前还包括采用内定标信息对预处理信号进行内定标，以标定SAR图像目标灰度数据的精确值。

可选地，对所述预处理信号进行运动补偿，得到运动补偿信号具体为：通过一阶运动补偿函数，对预处理信号进行一阶运动补偿；将一阶运动补偿后的预处理信号进行傅里叶逆变换，并通过二阶运动补偿函数对一阶运动补偿后的预处理信号进行二阶运动补偿；将二阶运行补偿后的预处理信号进行方位向空变运动补偿；将方位向空变运动补偿后的预处理信号进行方位向重采样，得到运动补偿信号。

可选地，对运动补偿信号进行聚焦，具体为通过参考函数实现对运动补偿信号的一致聚焦，通过Stolt插值算法实现对运动补偿信号的补余聚焦。

另一方面，本发明还提供了一种无人机SAR成像装置，包括：接收模块，用于接收SAR回波信号；处理模块，包括判断子模块、方位向抽取子模块、距离向抽取子模块、距离向压缩子模块及方位向压缩子模块，其中，判断子模块，用于判断SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号，方位向抽取子模块，用于抽取SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号；距离向抽取子模块，用于对第一脉冲信号或SAR回波数据进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号；距离向压缩子模块，用于对第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号；预处理信号生成模块，用于累积多个距离压缩信号，对多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT，生成预处理信号；第一通信模块，用于将预处理信号发送至精处理端，以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像。

(三)有益效果

本发明提供了一种无人机SAR成像方法及装置，通过将SAR成像系统分为两部分，即预处理端和精处理端，只有预处理端设于无人机上，减轻了无人机的载荷的重量、体积和功率。预处理端SAR回波信号间采集、预处理及数据打包，在不影响成像质量的同时降低了回波数据的传输速率，满足了数据传输要求。精处理端位于地面不受计算资源的限制，成像质量好分辨率高。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例中的无人机SAR成像系统示意图；

图2示意性示出了本公开实施例中的无人机SAR成像方法步骤图；

图3示意性示出了本公开实施例中的无人机SAR成像系统的预处理端的预处理流程图；

图4示意性示出了本公开实施例中的无人机SAR成像系统的精处理端的精处理步骤图；

图5示意性示出了本公开实施例中的无人机SAR成像系统的精处理端的精处理流程图；

图6示意性示出了本公开实施例中的无人机SAR成像系统的框图；

图7示意性示出了本公开实施例中的无人机SAR成像系统的配置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

SAR成像算法中，距离多普勒(RD)算法利用距离向处理和方位向处理在一定条件下的可去耦性，将成像处理简化为两个一维脉冲压缩过程，距离压缩和方位压缩。因此，RD算法极大地提高了计算效率，并且具有较高分辨率。本发明在采用SAR算法的同时，将无人机SAR成像系统分成了两部分，如图1所示，即预处理端和精处理端，其中，预处理端设于无人机上，主要用于对SAR回波数据进行预处理，降低其传输速率，因此，在满足SAR雷达系统分辨率和成像质量的前提下，输出数据率和处理速度是预处理单元设计的关键；精处理端设于地面，用于接收无人机上传回的数据包，数据包中包含系统参数、POS数据和雷达回波预处理之后的结果，地面高精度成像单元首先进行数据解包，然后针对这些数据，采用高精度的成像处理方法，生成清晰的SAR图像。

本发明一方面提供了一种无人机SAR成像方法，参见图2，该方法包括：S1，接收SAR回波信号，判断SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号，若需要则执行步骤S2-S6，若不需要则执行步骤S3-S6；S2，抽取SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号；S3，对第一脉冲信号或SAR回波信号进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号；S4，对第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号；S5，累积多个距离压缩信号，对多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT，生成预处理信号；S6，将预处理信号发送至精处理端，以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像。

具体的，参见图3，S1，接收SAR回波信号，判断SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号，若需要则执行步骤S2-S6，若不需要则执行步骤S3-S6。

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)被装载在无人机上，向被探测物体发送脉冲信号，被将脉冲信号反射回SAR，即SAR回波信号，预处理端接收SAR回波信号、及无人机SAR系统的参数等数据，以对这些数据进行处理。

具体的，包括：S101，接收SAR回波信号；

S102，根据无人机SAR速度和SAR回波信号计算SAR回波信号的脉冲重复频率过采样倍数；

具体的，根据无人机SAR速度以及SAR回波信号中的方位向波束的宽度得出多普勒带宽；根据多普勒带宽和脉冲重复频率得出脉冲重复频率过采样倍数。

S103，若脉冲重复频率过采样倍数大于预设值，则需要对SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，则执行步骤S2-S6；

S104，若脉冲重复频率过采样倍数小于或等于预设值，则不需要对SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，则执行步骤S3-S6。

S2，抽取SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号。

由上可知，若脉冲重复频率过采样倍数大于预设值，则需要对SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，根据无人机SAR速度以及SAR回波信号的方位向脉冲信号的波束宽度计算多普勒带宽，根据该多普勒带宽和脉冲重复频率计算出脉冲重复频率过采样倍数，按照脉冲重复频率过采样倍数抽取SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号，实现对SAR回波信号的方位向脉冲信号的抽取。

S3，对第一脉冲信号或SAR回波信号进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号。

若脉冲重复频率过采样倍数大于预设值，则需要对SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，生成第一脉冲信号，而后对第一脉冲信号进行滤波；若脉冲重复频率过采样倍数小于或等于预设值，则不需要对SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，则对SAR回波信号进行滤波，以过滤掉超过设定临界值的高频信号。本公开实施例中，首先采用数字下变频处理(DDC)技术降低第一脉冲信号的频率，进而降低后续对脉冲信号的采样率的目的，而后对其进行低通滤波以实现对第一脉冲信号的滤波。根据SAR的发射距离和SAR天线的俯仰向波束宽度，计算SAR回波信号经过解线性调频处理(dechirp)后的频率范围，以对第一脉冲信号进一步压缩。

计算滤波后的脉冲信号的带宽与当前采样率的比值，得出过采样倍数，根据上述过采样倍数在时域内抽取该第一脉冲信号的距离向脉冲信号，生成第二脉冲信号，实现对第一脉冲信号或SAR回波信号的距离向脉冲信号的抽取。

S4，对第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号。

对第二脉冲信号进行快速傅里叶变换(FFT)生成距离压缩信号，实现对距离向脉冲信号的压缩。计算SAR脉冲波束照射范围内SAR斜距变化的范围，在距离压缩信号中截取斜距变化范围之外的图像。

S5，累积多个距离压缩信号，对多个距离压缩信号的方位向进行方向向FFT，生成预处理信号。

累积上述多个距离压缩信号，多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT以将多个距离压缩信号变换到距离-多普勒域，生成预处理信号，计算预处理信号的数据传输速率，若此时数据传输速率满足小于或等于预设传输速率，则满足向精处理端发送的要求，则将其和无人机SAR装置参数一起打包发送至精处理端；若计算的数据传输速率大于预设传输速率，不满足要求向精处理端发送的要求，则需要在距离-多普勒域对预处理信号进行方位向截取以使预处理信号小于或等于预设传输速率，进一步降低数据传输速率。

S6，将预处理信号发送至精处理端，以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像。

将满足传输速率要求的预处理信号、平台参数和SAR参数一起打包发送至精处理端，或将截取后的预处理信号、平台参数和SAR参数一起打包发送至精处理端。以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像。

其中，精处理端解压后根据波数域成像算法生成图像，参见图4，具体包括：S401，对预处理信号进行运动补偿，得到运动补偿信号；S402，对运动补偿信号进行聚焦；S403，对聚焦后的运动补偿信号进行傅里叶逆变换生成SAR图像。

具体的，参见图5，S401，对预处理信号进行运动补偿，得到运动补偿信号首先，采用内定标信息对预处理信号进行内定标，以标定SAR图像目标灰度数据的精确值。而后，通过一阶运动补偿函数，对预处理信号进行一阶运动补偿；将一阶运动补偿后的预处理信号进行傅里叶逆变换，并通过二阶运动补偿函数对一阶运动补偿后的预处理信号进行二阶运动补偿。将二阶运行补偿后的预处理信号进行方位向空变运动补偿，其中，方位空变运动补偿具体为：首先，将二阶运动补偿后的预处理信号进行方位向傅里叶变换，将二阶运动补偿后的预处理信号变换为距离-多普勒域，通过方位向加窗将预处理信号划分为多个子孔径数据，其中，子孔径数据包括时域子孔径数据和频域子孔径数据；然后，将频域子孔径数据变换到方位时域，利用运动补偿数据生成子孔径运动补偿函数，对预处理信号进行子孔径运动补偿；最后，将经过子孔径运动补偿的各个子孔径数据通过相参合成，完成方位空变运动补偿。

将方位向空变运动补偿后的预处理信号进行方位向重采样，得到运动补偿信号，具体为：利用APC轨迹中的前向位置信息，对SAR数据进行方位重采样，使得方位向采样间隔均匀化，从而消除速度误差。

S402，对运动补偿信号进行聚焦；

通过参考函数实现对所述运动补偿信号的一致聚焦，通过Stolt插值算法实现对所述运动补偿信号的补余聚焦，其中，参考函数优选ω-K中的标准处理方式，Stolt插值算法优选ω-K中的标准处理方式。

S403，对聚焦后的运动补偿信号进行傅里叶逆变换生成SAR图像。

通过方位快速傅里叶变换的逆变换(IFFT)将运动补偿信号变换到图像域；最后，在方位向去掉补零部分的数据，完成方位去混叠，生成聚焦的SLC、幅度图像和辅助数据，生成清晰的SAR图像。

综上所述，本发明主要通过方位向脉冲抽取、距离向压缩和方位向压缩减小SAR回波数据量，降低其传输速率。根据SAR系统的作用距离、波束中心视角、天线波束宽度、斜视角、载频、PRF、信号带宽、无人机装置高度及其装置速度等，调整脉冲抽取比例和脉冲压缩比例，使下发至精处理端的数据传输速率满足传输设备的传输速率要求，精处理端位于地面控制中心，通过对预处理包进行解包，然后对解包后的数据进行运动补偿、聚焦、方位去混叠等处理生成清晰的SAR图像。

另一方面，本发明还提供了一种无人机SAR成像装置，参见图6和图7，该成像装置600包括预处理端610及精处理端620，其中，预处理端610包括接收模块611、处理模块612以及第一通信模块613，精处理端620包括第二通信模块621及成像模块622。

具体的，接收模块611，用于接收回波脉冲信号，本发明设施例中优选为AD采集装置，采用此装置可接收回波脉冲信号，并将其转换为数字信号。

处理模块612，包括判断子模块、方位向抽取子模块、距离向抽取子模块、距离向压缩子模块及方位向压缩子模块，其中，判断子模块，用于判断SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号，方位向抽取子模块，用于抽取SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号；距离向抽取子模块，用于对第一脉冲信号或SAR回波数据进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号；距离向压缩子模块，用于对第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号；预处理信号生成模块，用于累积多个距离压缩信号，对多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT，生成预处理信号；本发明实施例中处理模块优选为基于FPGA的处理控制装置或数字信号处理(DSP)电路，其为无人机SAR成像装置的核心，实现上述无人机SAR成像中的数据预处理，将预处理后的SAR成像数据和惯导数据打包传输至无线数传单元。

第一通信模块，将预处理信号发送至精处理端，以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像，第一通信模块本发明实施例优选为无线数传单元。

精处理端620包括第二通信模块621及成像模块622，其中，第二通信模块621用于接收预处理端发送的数据包，成像模块622用于对数据包进行计算处理，生成SAR图像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人机SAR成像方法，用于无人机SAR成像系统，所述无人机SAR成像系统包括预处理端和精处理端，其中，预处理端设于无人机上，精处理端设于地面，所述方法包括：

S1，接收SAR回波信号，判断所述SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号，若需要则执行步骤S2-S6，若不需要则执行步骤S3-S6；

S2，抽取所述SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号；

S3，对所述第一脉冲信号或SAR回波信号进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号；

S4，对所述第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号；

S5，累积多个所述距离压缩信号，对所述多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT，生成预处理信号；

S6，将所述预处理信号发送至精处理端，以使所述精处理端对所述预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像，其中，若所述预处理信号的数据传输速率大于预设传输速率，则进一步对所述预处理信号进行方位向截取，以使所述预处理信号小于或等于所述预设传输速率。

2.根据权利要求1所述的无人机SAR成像方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S101，接收SAR回波信号；

S102，根据无人机SAR速度和SAR回波信号计算所述SAR回波信号的脉冲重复频率过采样倍数；

S103，若所述脉冲重复频率过采样倍数大于预设值，则需要对所述SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，则执行步骤S2-S6；

S104，若所述脉冲重复频率过采样倍数小于或等于预设值，则不需要对所述SAR回波信号进行方位向脉冲抽取，则执行步骤S3-S6。

3.根据权利要求2所述的无人机SAR成像方法，所述步骤S102具体包括：

根据所述无人机SAR速度以及所述SAR回波信号中的方位向波束的宽度得出多普勒带宽；

根据所述多普勒带宽和脉冲重复频率得出所述脉冲重复频率过采样倍数。

4.根据权利要求1所述的无人机SAR成像方法，步骤S3中，采用数字下变频以及低通滤波技术实现对所述第一脉冲信号或SAR回波数据的滤波。

5.根据权利要求1所述的无人机SAR成像方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述以使所述精处理端对所述预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像：

S401，对所述预处理信号进行运动补偿，得到运动补偿信号；

S402，对所述运动补偿信号进行聚焦；

S403，对所述聚焦后的运动补偿信号进行傅里叶逆变换生成SAR图像。

6.根据权利要求5所述的无人机SAR成像方法，其特征在于，对所述预处理信号进行运动补偿之前还包括采用内定标信息对所述预处理信号进行内定标，以标定SAR图像目标灰度数据的精确值。

7.根据权利要求5所述的无人机SAR成像方法，其特征在于，所述对所述预处理信号进行运动补偿，得到运动补偿信号具体为：

通过一阶运动补偿函数，对所述预处理信号进行一阶运动补偿；

将一阶运动补偿后的所述预处理信号进行傅里叶逆变换，并通过二阶运动补偿函数对一阶运动补偿后的所述预处理信号进行二阶运动补偿；

将二阶运动 补偿后的预处理信号进行方位向空变运动补偿；

将方位向空变运动补偿后的预处理信号进行方位向重采样，得到运动补偿信号。

8.根据权利要求5所述的无人机SAR成像方法，其特征在于，所述对所述运动补偿信号进行聚焦，具体为通过参考函数实现对所述运动补偿信号的一致聚焦，通过Stolt插值算法实现对所述运动补偿信号的补余聚焦。

9.一种无人机SAR成像装置，包括：

接收模块，用于接收SAR回波信号；

处理模块，包括判断子模块、方位向抽取子模块、距离向抽取子模块、距离向压缩子模块及方位向压缩子模块，其中，判断子模块，用于判断所述SAR回波信号是否需要抽取方位向脉冲信号，方位向抽取子模块，用于抽取所述SAR回波信号的方位向脉冲信号，生成第一脉冲信号；距离向抽取子模块，用于对所述第一脉冲信号或SAR回波数据进行滤波，并对滤波后的信号进行抽取，生成第二脉冲信号；距离向压缩子模块，用于对所述第二脉冲信号进行距离向FFT，生成距离压缩信号；预处理信号生成模块，用于累积多个所述距离压缩信号，对所述多个距离压缩信号的方位向进行方位向FFT，生成预处理信号；

第一通信模块，用于将预处理信号发送至精处理端，以使精处理端对预处理信号进行成像处理，以生成SAR图像，其中，若所述预处理信号的数据传输速率大于预设传输速率，则进一步对所述预处理信号进行方位向截取，以使所述预处理信号小于或等于所述预设传输速率。

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