CN109709548A - 一种全极化旋转微变监测雷达成像方法和雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种雷达成像方法和雷达系统。所述雷达系统包括旋转机构，所述旋转机构安装有发射天线和接收天线，所述雷达成像方法包括：通过控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，其中，所述散射回波为通过所述发射天线发射的发射波经由检测区域散射而形成，所述检测区域与所述旋转机构的轴线的距离大于所述旋转机构的旋转半径；根据所述散射回波进行成像。本申请实施例的雷达成像方法和雷达系统能够首先通过控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，然后根据散射回波进行成像，从而在保证检测精度的同时实现了更大的监测范围。

Description

一种全极化旋转微变监测雷达成像方法和雷达系统

技术领域

本发明涉及微波遥感领域，特别涉及一种极化旋转微变监测雷达成像方法和雷达系统。

背景技术

滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害严重威胁着人民的生命财产安全，所以针对易发生灾害地区形变的持续监测预警对于灾害的预防具有重要意义。目前，主流的形变监测方式为以微波作为探测手段的地基微变监测雷达，其在边坡岩体及土体的位移、沉降、滑坡、倾斜或建筑物、构筑物及其地基等形变监测预警方面具有重大的应用潜力。目前，国内外现有的微变监测雷达系统的实现方式主要是通过轨道运动来合成长孔径天线。通过轨道运动来合成长孔径天线的微变监测雷达系统主要有欧盟综合研究中心(JRC)研制LISA系统、意大利IDS公司的IBIS—L系统、荷兰FASTGBSAR系统，雷达天线在线性轨道做线性往复运动来合成长孔径天线，从而实现方位向的高分辨率，利用雷达主机发射信号实现距离向的分辨率，至此获得了被监测范围的二维图像，然后将目标区域的扫描监测结果与之前获得的扫描监测数据进行比较，最终提取出形变信息。但是在大监测范围的场景下，该方式仍有改进的空间。

申请内容

本申请提供了一种全极化旋转微变监测雷达成像方法和雷达系统，能够在保证检测精度的同时实现大监测范围。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种全极化旋转微变监测雷达成像方法，由雷达系统执行，其特征在于，所述雷达系统包括旋转机构，所述旋转机构安装有发射天线和接收天线，所述方法包括：

通过控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，其中，所述散射回波为通过所述发射天线发射的发射波经由检测区域散射而形成，所述监测区域与所述旋转机构的轴线的距离大于所述旋转机构的旋转半径；

根据所述散射回波进行成像。

作为优选，所述控制所述旋转机构进行旋转，包括：

每次以预定旋转角度控制所述旋转机构进行旋转，所述预定旋转角度与所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述监测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度负相关。

作为优选，所述预定旋转角度满足如下公式：θ1＝COS(θ2)*π/N+π/100N，其中θ2指示所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述监测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度，N为正整数。

作为优选，所述发射天线为双极化发射天线，所述接收天线为双极化接收天线，所述发射波包括水平极化波和垂直极化波，所述散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波，

所述根据所述散射回波进行成像，包括：

根据所述水平极化波和所述垂直极化波、以及所述水平极化散射回波和所述垂直极化散射回波分别形成的四个通道，生成脉冲信号，进行成像。

本发明实施例同时提供一种全极化旋转微变监测雷达系统，其特征在于，包括：旋转机构，所述旋转机构安装有发射天线和接收天线；

成像装置，包括：

旋转模块，

接收模块，通过所述旋转模块控制所述旋转机构进行旋转，通过所述双极化接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，其中，所述散射回波为通过所述双极化发射天线发射的发射波经由监测区域散射而形成，所述监测区域与所述旋转机构的轴线的距离大于所述旋转机构的旋转半径；

成像模块，根据所述散射回波进行成像。

作为优选，所述旋转模块具体用于：

每次以预定旋转角度控制所述旋转机构进行旋转，所述预定旋转角度与所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述监测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度负相关。

作为优选，所述预定旋转角度满足如下公式：θ1＝COS(θ2)*π/N+π/100N，其中θ2指示所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述监测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度，N为正整数。

作为优选，所述发射天线为双极化发射天线，所述接收天线为双极化接收天线，所述发射波包括水平极化波和垂直极化波，所述散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波，

所述成像模块具体用于：根据所述水平极化波和所述垂直极化波、以及所述水平极化散射回波和所述垂直极化散射回波分别形成的四个通道，生成脉冲信号，进行成像。

作为优选，所述控制所述旋转机构进行旋转，包括：以多个周期控制所述旋转机构进行旋转，

所述成像装置还包括图像处理模块，根据所述多个周期中的每个周期进行成像所形成的对应的多个雷达图像生成干涉图。

作为优选，所述发射天线为双极化发射天线，所述接收天线为双极化接收天线，所述发射波包括水平极化波和垂直极化波，所述散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波；所述成像模块具体用于将所述散射回波以四个通道进行成像；所述图像处理还用于根据所述干涉图生成形变图。

基于上述实施例的公开可以获知，本申请实施例的全极化旋转微变监测雷达成像方法和雷达系统能够首先通过控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，然后根据散射回波进行成像，从而在保证检测精度的同时实现了更大的监测范围。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的雷达成像方法的示意性流程图。

图2为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图。

图3为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图。

图4为根据本发明的另一实施例的雷达成像方法的示意性流程图。

图5为根据本发明的另一实施例的雷达系统的成像坐标系。

具体实施方式

下面，结合附图对本申请的具体实施例进行详细的描述，但不作为本申请的限定。

应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，下述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。

下面，结合附图详细的说明本申请实施例。首先，将描述本发明的实施例的雷达系统的一种框架。

雷达主机系统

雷达主机系统01是微变监测极化雷达的核心部件，主要完成大带宽电磁波信号快速收发。它主要包括雷达信号源模块011、发射机模块012、接收机模块013、数字模块014、无线传输模块015。

由信号源模块011产生两路脉冲基带信号，信号通过发射机模块012对频率进行调制并产生大功率发射信号，经过极化选择器设定极化方式，然后通过双极化发射天线021发射信号，经过一定的延时后，由双极化接收天线022接收回波信号，通过极化选择器，根据不同的极化方式分别进入水平接收通道和垂直接收通道，并传输到接收机模块013进行处理，将接收信号与本振信号进行混频，产生中频信号，中频信号经过放大、滤波、增益控制、相位调节后作为数字模块014的输入信号，将模拟信号转换成数字信号通过无线传输模块015传输到工控机中。

极化天线

极化天线主要有双极化发射天线021和双极化接收天线022，双极化发射天线021可以同时发射两路正交极化脉冲信号，分别为水平极化波和垂直极化波，双极化接收天线022可以接收水平极化和垂直极化的回波。

承载机构

承载机构主要完成各分模块之间的衔接、支撑，携带雷达分机完成高精度平稳圆周运动，实现方位孔径合成。主要包括031旋转盘、032脊梁板、033固定杆；031旋转盘，连接上方的032脊梁板、033固定杆进行旋转；033固定杆用于固定双极化天线。

旋转机构

它主要包含旋转平台041和伺服电机042两部分；伺服电机042带动旋转平台041旋转，使旋转平台041上固定的双极化天线02旋转。

控制系统

控制系统05是全系统控制中心，它包括远程功能路由器051、工控机052、驱动器及控制模块053、集成电环054；

下面具体介绍数据获取过程：用户通过工控机052的运动控制软件输入旋转角度间隔Δθ和旋转总角度θ，通过远程功能路由器051将信息发送到驱动器及控制模块053并对信息进行解析，然后控制伺服电机042带动旋转平台上的雷达主机旋转一定的角度Δθ，再由驱动器及控制模块053通过集成电环054触发信号源011，信号源模块011产生两路脉冲基带信号，信号经过频率搬移将频率上变频至一定波段，经极化选择器和双极化发射天线021实现水平极化波和垂直极化波的同时发射；发射出去的波照射到目标后散射回来，由双极化接收天线022接收，经由极化选择器接收后分别进入水平接收通道和垂直接收通道，与本振信号进行混频，产生中频信号，中频信号经过放大、滤波、增益控制、相位调节后作为数字模块014输入信号，信号最后经过数字模块014处理后通过无线传输模块015传输到远程功能路由器051中，并由它将数据发送到工控机052中存储。

其他拓展模块

其他拓展模块主要包括系统兼容全站仪、雨量计、应力沉降仪、水准仪、测斜仪、工业相机等相关扩展件，支持气象卫星数据、光学遥感卫星数据、雷达遥感卫星数据和相关机构的测量数据及数据接入。

所有的分系统都进行封装，可抵抗恶劣环境和机械破坏。分系统的框架清洁、平整、无毛刺、无腐蚀斑点。

下文将描述根据本发明的雷达成像方法的主要流程。

图1为根据本发明的一个实施例的雷达成像方法的示意性流程图。图1的雷达成像方法100由雷达系统执行，雷达系统包括旋转机构，旋转机构安装有发射天线和接收天线，图1的雷达成像方法100包括：

110：通过控制旋转机构进行旋转，通过接收天线接收在旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，其中，散射回波为通过发射天线发射的发射波经由检测区域散射而形成，检测区域与旋转机构的轴线的距离大于旋转机构的旋转半径；

120：根据散射回波进行成像。

本申请实施例的雷达成像方法能够首先通过控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，然后根据散射回波进行成像，从而在保证检测精度的同时实现了更大的监测范围。

传统的微变监测雷达主要是依靠线性轨道运动来实现微变检测，监测范围只能为线性轨道的正前方扇形区域，对线性轨道其他方位区域监测不到，监测区域的选择不灵活，监测范围存在很大的局限性，若想要扩大监测范围，需要多套监测雷达配合监测，这不仅增加应用成本而且由于实际监测范围不规则，多套设备同时监测，导致监测范围可能会重叠，降低设备利用率；所以本发明提供了一种可以旋转式的雷达成像方法，例如，由360°全方位旋转微变监测的设备。本发明给出了一种新的地基旋转微变监测极化雷达，该雷达能够扩大监测视野范围，能够实现360°全方位区域监测而且也可以灵活选择监测区域，从而克服了传统地基微变雷达的技术缺陷，并且该系统可以采用多极化的工作方式，对于监测的区域可以获取更加精确的形变信息。

根据图1的雷达成像方法100，控制旋转机构进行旋转，包括：每次以预定旋转角度控制旋转机构进行旋转，预定旋转角度与发射天线或接收天线在其随旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于检测区域与旋转机构的中心连线的方向之间的角度负相关。具体地，预定角度可以是任意的，例如θ1＝π/M(M优选地为大于100的正整数)。由于该负相关关系，使得对于检测区域而言，扫射的速率保持相对恒定，从而更有利于监测。优选地，预定旋转角度满足如下公式：θ1＝COS(θ2)*π/N+π/100N，其中θ2指示发射天线或接收天线在其随旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于检测区域与旋转机构的中心连线的方向之间的角度，N为正整数。

根据图1的雷达成像方法100，发射天线为双极化发射天线，接收天线为双极化接收天线，发射波包括水平极化波和垂直极化波，散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波，根据散射回波进行成像，包括：根据水平极化波和垂直极化波、以及水平极化散射回波和垂直极化散射回波分别形成的四个通道，生成脉冲信号，进行成像。

图2为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图。图2的雷达系统200包括：旋转机构210，旋转机构安装有发射天线和接收天线；成像装置220，其包括：旋转模块221，接收模块222，通过旋转模块控制旋转机构进行旋转，通过接收天线接收在旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，其中，散射回波为通过发射天线发射的发射波经由检测区域散射而形成，检测区域与旋转机构的轴线的距离大于旋转机构的旋转半径；成像模块223，根据散射回波进行成像。

本申请实施例的雷达系统能够首先通过控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，然后根据散射回波进行成像，从而在保证检测精度的同时实现了更大的监测范围。

根据图2的雷达系统200，旋转模块具体用于：每次以预定旋转角度控制旋转机构进行旋转，预定旋转角度与发射天线或接收天线在其随旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于检测区域与旋转机构的中心连线的方向之间的角度负相关。

根据图2的雷达系统200，预定旋转角度满足如下公式：θ1＝COS(θ2)*π/N+π/100N，其中θ2指示发射天线或接收天线在其随旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于检测区域与旋转机构的中心连线的方向之间的角度，N为正整数。

根据图2的雷达系统200，发射天线为双极化发射天线，接收天线为双极化接收天线，发射波包括水平极化波和垂直极化波，散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波，成像模块具体用于：根据水平极化波和垂直极化波、以及水平极化散射回波和垂直极化散射回波分别形成的四个通道，生成脉冲信号，进行成像。

根据图2的雷达系统200，所述控制所述旋转机构进行旋转，包括：以多个周期控制所述旋转机构进行旋转，所述成像装置还包括图像处理模块，根据所述多个周期中的每个周期进行成像所形成的对应的多个雷达图像生成干涉图。

根据图2的雷达系统200，所述发射天线为双极化发射天线，所述接收天线为双极化接收天线，所述发射波包括水平极化波和垂直极化波，所述散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波；所述成像模块具体用于将所述散射回波以四个通道进行成像；所述图像处理还用于根据所述干涉图生成形变图。

下文将具体接合一个实施例的雷达系统的示意性框图来说明本发明的全极化旋转微变监测雷达系统。

图3为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图，具体地为地基旋转微变监测极化雷达系统的组成部分，它主要包括雷达主机系统01、双极化天线02、承载机构03、旋转机构04、控制系统05；该雷达由发射机的双通道实现两路正交极化脉冲信号的同时发射，具体为：雷达主机系统01放置在旋转机构04上，通过控制系统05来实现旋转机构04每次以Δθ的角度间隔旋转，同时带动双极化天线02也围绕着固定点每次旋转Δθ，当每次旋转完成时，雷达主机系统01产生两路脉冲信号，通过极化选择器选择极化方式，再由双极化发射天线021实现水平极化波G_H(t)和垂直极化波G_v(t)的同时发射；然后由接收机的双通道实现目标回波信号正交极化分量的同时接收，具体为：双极化接收天线022处于接收状态接收回波信号，接收的回波信号首先通过极化选择器，然后根据不同的极化方式分别进入水平极化接收通道和垂直极化接收通道。两路不同极化方式的回波信号进入雷达主机系统01并传输到控制系统05进行存储；至于天线旋转的总角度θ可以利用控制系统05来设置，当天线的旋转角度达到θ时，即完成一次针对场景区域的数据采集，由于采集的回波信号间隔为角度Δθ，根据所述采样角度间隔对接收到的所有信号进行排列，从而可以根据两路不同极化回波得到不同的回波数据；对两路回波信号分别进行匹配滤波得到四路极化通道的输出信号；对得到的四路输出信号通过成像处理分别生成HH、HV、VV、VH四个极化通道的高分辨图像重复上述过程，将下一时刻回波数据生成的雷达图像记为将不同时刻生成的雷达图像通过干涉处理、大气相位矫正、滤波、相位解缠处理等操作，提取出四个不同极化方式观测下的形变图，然后对其幅值进行比较，得到其幅值最大的图，即为最终需要的形变信息图，实现对目标区域情况提前预警的目的；

图4为根据本发明的另一实施例的雷达成像方法的示意性流程图，具体地，该雷达系统具体工作步骤为：

步骤S1：系统初始化，对控制系统05、伺服电机042、雷达主机系统01进行供电初始化并检查各个模块是否有异常，若无异常，执行步骤S2，若有异常，停止工作；

步骤S2：系统初始参数设置；

步骤S21：测量被观测对象区域的角度范围，用经纬仪来读取被测对象区域的水平角度范围θ_min:θ_max并记录；

步骤S22：调节系统初始角度，操作控制系统05中的工控机052控制软件界面中的“顺时旋转按钮”和“逆时旋转按钮”来调节系统的初始观测角度θ₀，使之与被测对象的水平角度θ_min相同；

步骤S23：设置旋转角度间隔Δθ和旋转的总角度θ(θ可略大于θ_min-θ_max)，用户在工控机的控制界面中手动输入旋转角度间隔Δθ和旋转总角度θ值，点击启动按钮，启动控制系统05；

步骤S3：回波数据的采集，获取一个旋转观测周期T内回波数据的具体步骤如下：

步骤S31：变量初始值设置，设置一个旋转观测周期T的系统工作变量初始值为SysWork＝1，该系统工作变量SysWork的最大值为N；

式中：为向上取整运算；

步骤S32：雷达信号的发射，由控制系统05中的工控机052通过TCP/IP协议向驱动器及控制模块053发送数据包，驱动器及控制模块053对数据包进行解析，并驱动伺服电机042旋转一个角度间隔Δθ；当驱动器及控制模块053检测到的伺服电机旋转完成后，向集成电环054发送开关信号，并传输到信号源模块011，触发信号源模块011产生两路脉冲信号，通过极化选择器选择极化方式，再由双极化发射天线021实现水平极化波G_H(t)和垂直极化波G_v(t)的同时发射，雷达发射的脉冲信号S_tr(t)其表达式为：

其中，f_c为系统工作频率，t为距离向时间变量，且t∈[-T_r/2,T_r/2]，T_r为信号持续时间，K_r为信号调频率，信号带宽为B_r＝K_rT_r；

步骤S33：双极化接收天线022处于接收状态接收回波信号，接收的回波信号首先通过极化选择器，然后根据极化方式的不同分别进入水平接收通道H和垂直接收通道V。

发射波和散射回波的各极化分量的变换关系为：

式中子G(r)为球面波因子，E_inc为发射波，E_sc散射回波，S为目标的极化散射矩阵；S_hv为发射的水平极化波照射目标后接收到的垂直极化回波分量，S_hh、S_vh、S_vv类似。

图5为根据本发明的另一实施例的雷达系统的成像坐标系，即，旋转微变监测雷达的成像坐标系，天线在旋转角度θ_n处接收到的场景回波信号表达式S_re(t)为：

式中：c为电磁波传播速度，K_r为调频率，θ_n为第n次方位向采样时天线旋转的角度，θ_n＝Δθgn n＝0,1,2,...,N-1，目标P点的极坐标为为目标P的散射系数，R_n为目标P到第n个天线采样位置的距离历程，其表达式为：

其中，R_arc为天线旋转半径，因为R_arc＝ρ，则R_n可以做如下近似：

经接收机模块013对回波信号进行处理，通过数字模块014将模拟信号转换成数字信号，并通过无线传输模块015上传到互联网，工控机052从互联网中下载采集的数据并存储；

步骤S34：循环迭代，令SysWork加1，若SysWork≤N，则重复步骤S32～S33；若SysWork>N，则结束循环，系统完成一次观测周期数据的采集；

步骤S4：由于相邻两个采集的数字回波信号之间相差一采样角度间隔Δθ，根据所述采样角度间隔对接收到的所有数字信号进行排列，从两路接收通道分别得到水平极化回波分量E_H和垂直极化回波分量E_V；对两路接收信号分别进行匹配滤波得到四路极化通道的输出信号：

为卷积运算，h_H(t)和h_V(t)为两路回波信号的匹配滤波器，其可以由下式得到：

*表示共轭运算，G_H(t)和G_v(t)的分别为发射的水平极化波和垂直极化波；

步骤S5：基于地基旋转雷达的成像方法，对四个通道的回波信号进行成像处理，即可分别生成HH、HV、VV、VH四个极化通道的高分辨图像Z_HH(x,y)、Z_HV(x,y)、Z_VH(x,y)、Z_VV(x,y)，其具体步骤如下：

步骤S51：设其中一路的回波数据矩阵为S_{re_arc}[t,θ_n]：

步骤S52：对得到的回波数据S_{re_arc}[t,θ_n]进行Dechirp处理及残余视频相位补偿，具体步骤如下：

步骤S521：对回波数据S_{re_arc}[t,θ_n]进行Dechirp处理，即将接收信号与发射信号共轭相乘运算，得到中频信号S_{de_arc}(t,θ_n)；

步骤S522：对中频信号S_{de_arc}(t,θ_n)距离向逆傅里叶变换，得到距离向压缩后的信号S_{IFT_arc}(t,θ_n)：

S_{IFT_arc}(t,θ)＝IFT_t{S_{de_arc}(t,θ_n)}(10)

式中IFT_t表示距离向逆傅里叶变换。

步骤S523：对距离向逆傅里叶变换后的信号S_{IFT_arc}(t,θ_n)采用如下所示的H_rvp进行残余视频相位补偿，得到的信号为S_{IFT_rvp}(t,θ_n)；

S_{IFT_rvp}(t,θ_n)＝S_{IFT_arc}(t,θ_n)gH_rvp(12)

步骤S524：对残余视频相位补偿后的信号S_{IFT_rvp}(t,θ_n)进行傅里叶变换得到数据为S_{re_rvp}[f_m,θ_n]；

其中，f_m＝f_c+K_rt m＝0,1,2,...,M-1，其信号可以表达为：

步骤S53：对数据S_{re_rvp}[f_m,θ_n]进行二维傅里叶变换和相位误差补偿处理，得到极坐标系中的图像，具体的操作方法如下：

式中第一个相位可以看作为二维傅里叶变换操作，第二个相位为相位误差补偿项，N为方位角度向采样点数，M为距离向采样点数；

定义：

则图像聚焦表达式可以写为：

步骤S54：坐标变换，通过插值运算将极坐标系下的图像转换到直角坐标系，最终生成的图像记为Z(x_n,y_n)，其变换方式如下：

其中，n表示转换到直角坐标系中目标的像素点序号，n＝1,2,...,N_sum，N_sum表示直角坐标系中目标的像素点总数；

步骤S55：分别对四个极化通道的数据执行步骤S51～S54，将得到不同极化通道的聚焦图像。

步骤S6：序列干涉图生成，第一次观测周期T中生成的图像记为Z¹(x,y)称为主图像，第j个周期T生成的图像记为Z^j(x,y)称为副图像，将副图像Z^j(x,y)取共轭与主图像Z¹(x,y)相乘得到干涉图I_j(x,y)为：

步骤S7：大气扰动矫正；

步骤S71：获取大气扰动相位，根据大气延迟模型得到不同时刻大气扰动相位误差为：

式中：r为雷达相位中心到目标的距离；n(t)表示折射指数，T₁表示第一个观测周期，n(T₁)表示T₁时刻的折射系数，T_j表示第j个观测周期，n(T_j)表示T_j时刻的折射系数，n(t)的表达式为：

式中：T_em为大气干温度，P为干气压，e为水气压；

式中：H为相对湿度，E为标准水气压饱和度；

步骤S72：扰动相位矫正，对步骤S5生成的相位干涉图进行大气相位矫正，矫正后的干涉图为：

步骤S8：滤波，经过大气相位矫正后，对干涉图像进行圆周中值滤波，滤波后的干涉图

式中：表示以(x,y)为中心的窗口2(w+1)*2(l+1)内的各元素取中位值，C(x,y)为：

式中：为干涉图(v,m)位置处的像点值；

步骤S9：相位解缠，对得到滤波后的干涉图像进行相位解缠绕，得到干涉相位图

式中：arg为取相位运算；

步骤S10：形变信息提取；

步骤S101：干涉相位图通过下式的关系来获得形变图d_j(x,y)：

步骤S102：重复步骤S6～S101；分别得到四路极化通道的形变图d_{j_HH}(x,y)、d_{j_HV}(x,y)、d_{j_VH}(x,y)、d_{j_VV}(x,y)；

步骤S103：对步骤S102所得的四路形变图d_{j_HH}(x,y)、d_{j_HV}(x,y)、d_{j_VH}(x,y)、d_{j_VV}(x,y)分别循环求解图像的每个像素值，并且对其相对应位置的像素幅值大小进行比较，记录并保存幅值最大的像素值，最终得到需要的形变图d_nm(x,y)。

具体的，步骤S1031：令n＝1，m＝1，其中n和m表示图像像素行和列的计数序号。

之后，步骤S1032：分别计算图像d_{j_HH}(x,y)、d_{j_HV}(x,y)、d_{j_VH}(x,y)、d_{j_VV}(x,y)中第(n,m)像素的值。

步骤S1033：对步骤S1032得到的4个像素值大小进行比较，得到幅值最大的像素值，并保存到d_nm(x_n,y_m)。

步骤S1034：令m加1，若m≤M，返回至步骤S1032；若m>M，继续执行步骤S1035；

步骤S1035：令n加1，若n≤N，令m＝1，并返回至步骤S1032；若n>N，继续执行步骤S1036；

步骤S1036：基于上述所得的像素值生成需要的形变图d_nm(x,y)。

步骤S11：根据上述得到的形变信息进行监测分析与预警，依据地质构造、地层岩性、地形地貌，设定灾害形变阈值Q以及灾害形变面积S，应用空间统计法来确定形变位移量d_nm(x,y)大于形变阈值Q的区域并计算其区域面积S_n，若S_n<S，则不会发生灾害，继续进行下一个周期的数据采集；若S_n>S，则利用公式(28)计算灾害区域的形变平均速度平均位移平均加速度

式中：灾害形变区域的横坐标范围为x₀～x_n，纵坐标范围为y₀～y_m，N为灾害形变区域的总点数；

然后分别绘制平均速度平均位移平均加速度与时间曲线在工控机软件中显示，以便用户查看掌握该地区形变的趋势；同时利用BP神经网络来预测灾害发生的时间，将N个时段的平均速度、平均位移、平均加速度作为BP神经网络的输入，输出为灾害发生的时间，利用以往灾害发生的形变平均速度、平均位移、平均加速度与时间的曲线作为数据输入的样本进行训练，从而预测出灾害发生时间并以邮件或短信的方式通知用户灾害发生的时间以及灾害的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的数据处理方法所应用于的电子设备，可以参考前述产品实施例中的对应描述，在此不再赘述。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种雷达成像方法，由雷达系统执行，其特征在于，所述雷达系统包括旋转机构，所述旋转机构安装有发射天线和接收天线，所述方法包括：

通过控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，其中，所述散射回波为通过所述发射天线发射的发射波经由检测区域散射而形成，所述检测区域与所述旋转机构的轴线的距离大于所述旋转机构的旋转半径；

根据所述散射回波进行成像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述旋转机构进行旋转，包括：

每次以预定旋转角度控制所述旋转机构进行旋转，所述预定旋转角度与所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述检测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度负相关。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定旋转角度满足如下公式：θ1＝COS(θ2)*π/N+π/100N，其中θ2指示所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述检测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度，N为正整数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射天线为双极化发射天线，所述接收天线为双极化接收天线，所述发射波包括水平极化波和垂直极化波，所述散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波，

所述根据所述散射回波进行成像，包括：

根据所述水平极化波和所述垂直极化波、以及所述水平极化散射回波和所述垂直极化散射回波分别形成的四个通道，生成脉冲信号，进行成像。

5.一种雷达系统，其特征在于，包括：旋转机构，所述旋转机构安装有发射天线和接收天线；

成像装置，包括：

旋转模块，

接收模块，通过所述旋转模块控制所述旋转机构进行旋转，通过所述接收天线接收在所述旋转机构处于多个不同角度的情况下的散射回波，其中，所述散射回波为通过所述发射天线发射的发射波经由检测区域散射而形成，所述检测区域与所述旋转机构的轴线的距离大于所述旋转机构的旋转半径；

成像模块，根据所述散射回波进行成像。

6.根据权利要求5所述的雷达系统，其特征在于，所述旋转模块具体用于：

每次以预定旋转角度控制所述旋转机构进行旋转，所述预定旋转角度与所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述检测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度负相关。

7.根据权利要求6所述的雷达系统，其特征在于，所述预定旋转角度满足如下公式：θ1＝COS(θ2)*π/N+π/100N，其中θ2指示所述发射天线或所述接收天线在其随所述旋转机构旋转的轨迹的切线的方向相对于所述检测区域与所述旋转机构的中心连线的方向之间的角度，N为正整数。

8.根据权利要求5所述的雷达系统，其特征在于，所述发射天线为双极化发射天线，所述接收天线为双极化接收天线，所述发射波包括水平极化波和垂直极化波，所述散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波，

所述成像模块具体用于：根据所述水平极化波和所述垂直极化波、以及所述水平极化散射回波和所述垂直极化散射回波分别形成的四个通道，生成脉冲信号，进行成像。

9.根据权利要求5所述的雷达系统，其特征在于，所述控制所述旋转机构进行旋转，包括：以多个周期控制所述旋转机构进行旋转，

所述成像装置还包括图像处理模块，根据所述多个周期中的每个周期进行成像所形成的对应的多个雷达图像生成干涉图。

10.根据权利要求9所述的雷达系统，其特征在于，所述发射天线为双极化发射天线，所述接收天线为双极化接收天线，所述发射波包括水平极化波和垂直极化波，所述散射回波包括水平极化散射回波和垂直极化散射回波；所述成像模块具体用于将所述散射回波以四个通道进行成像；所述图像处理还用于根据所述干涉图生成形变图。