CN109725313B - 一种sar海浪成像方法、系统、电子设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种SAR海浪成像方法、系统、电子设备和介质,所述方法包括:获取SAR单视复图像,从单视复图像中选取子块数据;获取海浪的波数,并计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向;获取聚焦设置区间,所述聚焦区间以1/2倍所述方位向相速度值为中心;遍历聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对子块数据重新聚焦得到子成像结果;获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置,生成新的方位匹配滤波器,对所述SAR单视复图像进行成像处理,得到最终成像结果。解决了目前难以使海浪获得最佳的成像效果的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种SAR海浪成像方法、系统、电子设备和介质。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种高分辨率成像雷达,它通过发射宽带脉冲信号获得较高的距离向分辨率。在方位向上,SAR利用雷达的运动,通过信号处理形成一个较长的“孔径”,从而获得较高的方位分辨率。对静止目标来说,其方位向回波信号可以表示为:
其中,A0为复常数,R0为目标斜距,λ为雷达波长,V为SAR平台运动速度,τ为方位向时间。一般来说,方位向匹配滤波器具有如下的形式:
其中,W为匹配滤波器的速度,其与SAR平台运动速度V之差ΔV称为聚焦设置,即:
ΔV=V-W (003);
使目标获得最佳聚焦效果的聚焦设置一般称为最优聚焦设置ΔVopt。为了使静止目标获得最佳聚焦效果,匹配滤波器h(τ)需要消除式(001)中的二次项相位,此时匹配滤波器的速度满足W=V,即静止目标的最优聚焦设置ΔVopt,st=0。
对动目标来说,若不考虑距离向加速度的影响,其方位向回波信号可以表示为:
其中,C为动目标的方位向速度。此时,为了使动目标获得最佳的聚焦效果,匹配滤波器的速度满足W=V-C,即动目标的最优聚焦设置ΔVopt,mt=C。
海浪处于时时刻刻的运动之中。然而,常用的算法在针对海浪成像时并没有对其运动进行考虑,导致成像结果中海浪纹理十分模糊甚至不可见。这不仅制约了SAR对一些小尺度海浪的成像能力,也会对后续的海面有效波高估计、海浪谱反演以及海面风场反演等造成影响。因此,需要对海浪进行精确聚焦,获得更加清晰的SAR海浪图像。由于海浪也是运动目标,通过调整聚焦设置,能够改善海浪的聚焦效果。
以上分析显示,为了使海浪获得最佳的聚焦效果,需要计算出海浪所对应的最佳聚焦设置。然而,海浪的运动状态十分复杂。引起海面后向散射的Bragg波在其平衡位置附近做圆周运动,而与此同时海浪的波形以相速度速度向前传播。因此在针对海浪成像时,难以直接获取海浪的最优聚焦设置,因而无法使海浪获得最佳的成像效果。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种SAR海浪成像方法,所述方法包括:获取SAR单视复图像,从所述单视复图像中选取子块数据;将所述子块数据变换为二维波数域,从所述二维波数域中获取海浪的波数,并计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向;获取聚焦设置区间,所述聚焦区间以1/2倍所述方位向相速度值为中心;遍历所述聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对所述子块数据重新聚焦得到子成像结果;对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置;利用该聚焦设置,生成新的方位匹配滤波器,对所述SAR单视复图像进行成像处理,得到最终成像结果。
可选地,所述子块数据中只包含海浪纹理信息。
可选地,所述将所述子块数据变换为二维波数域,包括:
对子块数据进行校正,通过二维FFT将校正后的所述子块数据变换为二维波数域;所述校正包括斜地转换、距离能量均衡、多视处理;所述斜地转换中目标斜距R和地距Y、SAR平台高度H之间的关系为:
其中,θ为入射角;所述距离能量均衡可以表示为:
其中,I(i,j)表示均衡前的SAR图像,I′(i,j)表示均衡后的SAR图像,M(i)表示第i个距离门的能量均值。
可选地,所述从所述二维波数域中获取海浪的波数,包括:对所述海浪的波数进行校正以消除扫描失真,得到真实海域中海浪的波数;
所述扫描失真表示为:
可选地,所述聚焦设置区间为:
ΔV∈[Cx/2-kΔυ,Cx/2+kΔυ] (4)
其中,Cx为海浪方位向相速度,k=6~10,Δυ=0.5~2m/s。优选地,k=8,Δυ=1m/s。
可选地,所述遍历所述聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对所述子块数据重新聚焦得到子成像结果,包括:
根据聚焦设置区间中不同的聚焦设置ΔVi,计算方位匹配滤波器的速度Wi=V-ΔVi,并根据该速度生成方位向匹配滤波函数进行成像处理,得到不同聚焦设置下的子块数据的子成像结果;
所述方位向匹配滤波函数为:
其中,R0为目标斜距,λ为雷达波长,W为匹配滤波器的速度,τ为方位向时间。
可选地,所述对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置,包括:
通过傅里叶变换将所述子成像结果变换到二维波数域,获取海浪在波数域中相应频率点的能量值,将能量值中的最大值所对应的聚焦设置作为聚焦效果最优时对应的聚焦设置。
本发明的另一个方面提供了一种SAR海浪成像系统,所述系统包括:子块数据获取模块,用于获取SAR单视复图像,从所述单视复图像中选取子块数据;海浪参数获取模块,用于将所述子块数据变换为二维波数域,从所述二维波数域中获取海浪的波数,并计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向;聚焦设置区间获取模块,用于获取聚焦设置区间,所述聚焦区间以1/2倍所述方位向相速度值为中心;子成像结果获取模块,用于遍历所述聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对所述子块数据重新聚焦得到子成像结果;聚焦设置获取模块,用于对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置;最终成像结果形成模块,用于利用该聚焦设置,生成新的方位匹配滤波器,对所述SAR单视复图像进行成像处理,得到最终成像结果。
本发明的又一个方面提供了一种电子设备,所述设备包括:处理器;存储器,其存储有计算机可执行程序,该程序在被所述处理器执行时,使得所述处理器执行如上文所述的SAR海浪成像方法。
本发明的再一个方面提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现如上文所述的SAR海浪成像方法。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势,现在将参考结合附图的以下描述,其中:
图1示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法流程图;
图2示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像过程流程图;
图3示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中获取的SAR单视复图像示例图;
图4(a)示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中子块数据示例图;
图4(b)示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中子块数据变换到二维波数域的示例图;
图5(a)示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中ΔV=0时得到的子成像结果示例图;
图5(b)示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中ΔV=-14.5m/s时得到的子成像结果示例图;
图5(c)示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中ΔV=-10.5m/s时得到的子成像结果示例图;
图6示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中不同聚焦设置下,海浪在成像结果二维波数谱相应位置处的能量变化图;
图7示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像方法中最终的成像结果示例图;
图8示意性示出了本发明实施例提供的SAR海浪成像系统框图;
图9示意性示出了本发明实施例提供的电子设备的框图。
具体实施方式
以下,将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而,明显地,一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
参见图1和图2,本发明的一个实施例提供了一种SAR海浪成像方法,所述方法包括步骤S101~步骤S106的内容:
步骤S101,获取SAR单视复图像,从所述单视复图像中选取子块数据。
获取SAR单视复图像的过程可以为现有技术中的任意一种可以实现的方法,例如通过RD算法(Range Doppler,距离多普勒算法)。
并且,从SAR单视复图像中选取子块数据是由于一方面,SAR图像的数据量一般较大,直接对全景单视复图像进行处理会增加计算量,影响处理效率;另一方面,SAR海洋图像中一般包含较多海浪之外的信息,如舰船及其尾迹、内波、油膜等,这些信息会对接下来的处理造成干扰。因此在选取子块数据时,需要满足下面两个条件:1)该子块中需要包含海浪纹理;2)该子块中尽量不包含除海浪之外的其它干扰信息。即所述子块数据中只包含海浪纹理信息。
步骤S102,将所述子块数据变换为二维波数域,从所述二维波数域中获取海浪的波数,并计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向。
具体地,所述将所述子块数据变换为二维波数域,包括:对子块数据进行校正,通过二维FFT将校正后的所述子块数据变换为二维波数域;
所述校正包括斜地转换、距离能量均衡、多视处理;所述斜地转换中目标斜距R和地距Y、SAR平台高度H之间的关系为:
其中,θ为入射角;
所述距离能量均衡可以表示为:
其中,I(i,j)表示均衡前的SAR图像,I′(i,j)表示均衡后的SAR图像,M(i)表示第i个距离门的能量均值。
另外,所述从所述二维波数域中获取海浪的波数,包括:对所述海浪的波数进行校正以消除扫描失真,得到真实海域中海浪的波数;
所述扫描失真表示为:
通过求解扫描失真的表达式,可以获得真实海域中海浪的波数ka。进一步,可以求得海浪的波长为λw=2π/ko,传播方向与方位向的夹角为φ=tan-1(kro/kao)。在确定海浪的波长和传播方向后,可以求出其方位向相速度为
步骤S103,获取聚焦设置区间,所述聚焦区间以1/2倍所述方位向相速度值为中心。
接下来以Cx/2为中心,设定一个聚焦设置的变化区间为所述聚焦设置区间为:
ΔV∈[Cx/2-kΔυ,Cx/2+kΔυ] (4)
其中,Cx为海浪方位向相速度,k=6~10,Δυ=0.5~2m/s。作为一种优选方案,k=8,Δυ=1m/s。
步骤S104,遍历所述聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对所述子块数据重新聚焦得到子成像结果。
接下来遍历该区间中的每一个速度值ΔVi(i=1,2,...,2k+1),并利用相应的聚焦速度对该子块图像再聚焦,得到不同聚焦设置下的成像结果Si。在得到成像结果后,同样进行斜地转换、距离能量均衡以及多视处理,得到相应的图像S′i。
根据聚焦设置区间中不同的聚焦设置ΔVi,计算方位匹配滤波器的速度Wi=V-ΔVi,并根据该速度生成方位向匹配滤波函数进行成像处理,得到不同聚焦设置下的子块数据的子成像结果Si;
所述方位向匹配滤波函数为:
其中,R0为目标斜距,λ为雷达波长,W为匹配滤波器的速度,τ为方位向时间。
步骤S105,对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置。
在得到图像S′i后,接下来对不同聚焦设置下海浪的聚焦效果进行对比,从而确定海浪获得最佳聚焦效果时所对应的聚焦设置。一般来说,改变聚焦设置只会影响海浪在成像结果中的对比度,而不会影响其波长和传播方向。因此,通过傅里叶变换将不同聚焦设置下的成像结果S′i变换到频域后,海浪都会出现在二维波数谱的相同频率点上。同时,信号在时域对比度越大,其在频域相应频率点上的能量就越强。因此,可以将海浪在波数域相应频率点的能量作为对海浪聚焦效果的衡量标准,能量值越高,表明海浪的聚焦效果越好。在这一步中,首先通过FFT将成像结果S′i变换到二维波数域,并计算波数谱中海浪所在位置处的能量值Ei;接下来,计算海浪波谱能量的最大值Em=max(Ei,i=1,2,...,2k+1)。Em所对应的聚焦设置ΔVm,即为海浪的最优聚焦设置。
步骤S106,利用该聚焦设置,生成新的方位匹配滤波器,对所述SAR单视复图像进行成像处理,得到最终成像结果。
综上所述,本发明实施例通过选取子块数据,计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向,从而获取聚焦设置区间,对子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置。解决了现有技术中在针对海浪成像时,难以直接获取海浪的最优聚焦设置,因而无法使海浪获得最佳的成像效果的问题。
本发明的另一个实施例提供了一种SAR海浪成像方法,首先,从利用常用成像方法获取(RD算法)的SAR单视复图像中选取一块合适的子图像。本实施例的数据采用的是L波段机载SAR获取的中国南海海域的单视复图像数据。采用常用的成像方法获取的SAR单视复图像如图3所示。可以看到该图像中包含着舰船目标以及油膜等干扰信息。如图3中照色方框所示,选取一块子图像(即子块数据),该子图像中不包含除海浪之外的其它信息,如图4(a)所示。
接下来,对该子图像进行校正,包括斜地转换、距离能量均衡、多视处理等。然后,通过二维FFT,将该子图像变换到二维波数域,得到其二维波数谱如图4(b)所示。从波数谱中,可以得到海浪的方位向波数为-0.0368,距离向波数为-0.0685。将其带入式(3)中消除扫描失真的影响后,得到海浪的方位向波数为-0.292,距离向波数为-0.0685。由此,可以得到海浪波长约为82.3m,其传播方向与方位向的夹角约为67°,方位向相速度约为30m/s。
然后,设定聚焦设置的变化区间。这里取Δυ=1m/s,k=8,则聚焦设置的变化区间为ΔV∈[-23m/s,-7m/s]。
接下来,遍历区间ΔV∈[-23m/s,-7m/s],根据相应的聚焦设置生成新的方位匹配滤波函数对子图像进行再聚焦。在这个过程中,为了减少SAR成像处理的次数,首先将该子块数据通过方位向FFT变换到距离多普勒域,然后与成像过程中所采用的方位向匹配滤波函数的复共轭相乘,得到未压缩的距离多普勒域数据。接下来,根据不同的聚焦设置ΔVi,计算方位匹配滤波器的速度Wi=V-ΔVi,并根据该速度生成新的方位向匹配滤波函数进行成像处理,得到不同聚焦设置下的子块数据的成像结果。得到成像结果后,同样进行斜地转换、距离能量均衡、多视处理等校正。图5(a)、(b)和(c)分别是ΔV=0、ΔV=-14.5m/s以及ΔV=-10.5m/s子图像重新聚焦的结果。
然后,不同聚焦设置下子图像的聚焦效果进行定量比较。不同聚焦设置下,海浪在成像结果二维波数谱相应位置处的能量变化如图6所示。可以看到,当聚焦设置ΔV=-10.5m/s,主波在波数域具有最大的能量值,因此本方法获得的主波的最优聚焦设置为ΔVopt,w=-10.5m/s。
最后,应用该最优聚焦设置ΔVopt,w=-10.5m/s对SAR单视复图像重新聚焦,得到最终的成像结果如图7所示。对比图3和图7可以看到,本发明中获得的海浪纹理特征得到十分明显的提升。
参见图8,图8示例性示出了根据本发明实施例的SAR海浪成像系统,所述系统800包括:子块数据获取模块801,用于获取SAR单视复图像,从所述单视复图像中选取子块数据;海浪参数获取模块802,用于将所述子块数据变换为二维波数域,从所述二维波数域中获取海浪的波数,并计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向;聚焦设置区间获取模块803,用于获取聚焦设置区间,所述聚焦区间以1/2倍所述方位向相速度值为中心;子成像结果获取模块804,用于遍历所述聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对所述子块数据重新聚焦得到子成像结果;聚焦设置获取模块805,用于对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置;最终成像结果形成模块806,用于利用该聚焦设置,生成新的方位匹配滤波器,对所述SAR单视复图像进行成像处理,得到最终成像结果。
根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。
图9示意性示出了根据本发明实施例的电子设备的框图。
如图9所示,电子设备900包括处理器901和存储器902。该电子设备900可以执行根据本发明实施例的方法。
具体地,处理器901例如可以包括通用微处理器、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如,专用集成电路(ASIC)),等等。处理器901还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器901可以是用于执行根据本发明实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
存储器902,例如可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如,可读存储介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。可读存储介质的具体示例包括:磁存储装置,如磁带或硬盘(HDD);光存储装置,如光盘(CD-ROM);存储器,如随机存取存储器(RAM)或闪存;和/或有线/无线通信链路。其存储有计算机可执行程序,该程序在被所述处理器执行时,使得所述处理器执行如上文所述的直播间标签的添加方法。
本发明还提供了一种计算机可读介质,该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的;也可以是单独存在,而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序,当上述一个或者多个程序被执行时,实现根据本发明实施例的方法。
根据本发明的实施例,计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件,或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中,计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质,该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中,计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号,其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式,包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质,该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输,包括但不限于:无线、有线、光缆、射频信号等等,或者上述的任意合适的组合。
本领域技术人员可以理解,本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合,即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地,在不脱离本发明精神和教导的情况下,本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明,但是本领域技术人员应该理解,在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下,可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此,本发明的范围不应该限于上述实施例,而是应该不仅由所附权利要求来进行确定,还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (9)
1.一种SAR海浪成像方法,其特征在于,所述方法包括:
获取SAR单视复图像,从所述单视复图像中选取子块数据;
将所述子块数据变换为二维波数域,从所述二维波数域中获取海浪的波数,并计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向;
获取聚焦设置区间,所述聚焦设置区间以1/2倍所述方位向相速度值为中心;
遍历所述聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对所述子块数据重新聚焦得到子成像结果;
对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置;
利用该聚焦设置,生成新的方位匹配滤波器,对所述SAR单视复图像进行成像处理,得到最终成像结果;
其中,所述所述聚焦设置区间为:
ΔV∈[Cx/2-kΔv,Cx/2+kΔv] (4)
其中,Cx为海浪方位向相速度,k=6~10,Δv=0.5~2m/s。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述子块数据中只包含海浪纹理信息。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置,包括:
通过傅里叶变换将所述子成像结果变换到二维波数域,获取海浪在波数域中相应频率点的能量值,将能量值中的最大值所对应的聚焦设置作为聚焦效果最优时对应的聚焦设置。
7.一种SAR海浪成像系统,其特征在于,所述系统包括:
子块数据获取模块,用于获取SAR单视复图像,从所述单视复图像中选取子块数据;
海浪参数获取模块,用于将所述子块数据变换为二维波数域,从所述二维波数域中获取海浪的波数,并计算海浪的波长、方位向相速度以及传播方向;
聚焦设置区间获取模块,用于获取聚焦设置区间,所述聚焦设置区间以1/2倍所述方位向相速度值为中心;其中,所述聚焦设置区间为:
ΔV∈[Cx/2-kΔv,Cx/2+kΔv] (4)
其中,Cx为海浪方位向相速度,k=6~10,Δv=0.5~2m/s;
子成像结果获取模块,用于遍历所述聚焦设置区间的每一个值并生成不同的方位匹配滤波器,对所述子块数据重新聚焦得到子成像结果;
聚焦设置获取模块,用于对所述子成像结果的聚焦效果进行比较,获取聚焦效果最优时对应的聚焦设置;
最终成像结果形成模块,用于利用该聚焦设置,生成新的方位匹配滤波器,对所述SAR单视复图像进行成像处理,得到最终成像结果。
8.一种电子设备,其特征在于,所述设备包括:
处理器;
存储器,其存储有计算机可执行程序,该程序在被所述处理器执行时,使得所述处理器执行如权利要求1-6中所述的SAR海浪成像方法。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中所述的SAR海浪成像方法。
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