CN109917384B - 旋臂扫描地基sar的中远距频域快速成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像方法及装置，其中方法包括：获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：根据所述回波时域信号获得回波频域信号；对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。本发明有效补偿了由距离空变引起的相位误差，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现了旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像。
Description
技术领域
本发明涉及对地观测微波成像技术领域，尤其涉及旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像方法及装置。
背景技术
地基合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像在形变灾害监测、雷达成像新体制和方法验证等方面有着重要的应用，与机载SAR、星载SAR相比，其具备机动灵活、低成本、实时高效的特点。
旋臂扫描地基SAR的合成孔径通过附在旋臂末端的天线旋转生成，保证系统的视场能够在一次观测中覆盖大范围场景，从而有效提高系统的地面监测效率。进行地面监测时，旋臂扫描地基SAR能够大范围、高效率的反馈扫描区域地面监测信息，是地面监测的新方式。与传统直线扫描地基SAR相比，旋臂扫描地基SAR具备大视场、监测效率高的优势。
对于旋臂扫描地基SAR的中远距成像，现有技术通常采用时域成像方法实现，其成像精度高，但计算效率较低。为了实现快速实时成像，现有技术还提出了针对旋臂扫描地基SAR系统的频域成像方法，这种方法可以有效提高计算效率，但是成像结果存在很大误差，严重影响中远距成像质量。
发明内容
本发明实施例提供一种旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像方法，用以对旋臂扫描地基SAR采集的数据进行快速实时成像，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像，该方法包括：
获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
本发明实施例提供一种旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像装置，用以对旋臂扫描地基SAR采集的数据进行快速实时成像，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像，该装置包括：
距离确定模块，用于获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
信号校正模块，用于若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下方法：
获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行如下方法的计算机程序：
获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
本发明实施例通过获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离，若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值，则根据所述回波时域信号获得回波频域信号，对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果，对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。本发明实施例在观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值的条件下，对回波频域信号进行距离徙动校正，然后再对距离徙动校正结果进行了相位校正，有效补偿了由距离空变引起的相位误差，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像方法示意图；
图2为本发明实施例中旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像几何示意图；
图3为本发明实施例中旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像装置结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为了对旋臂扫描地基SAR采集的数据进行快速实时成像，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像，本发明实施例提供一种旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像方法，如图1所示，该方法可以包括：
步骤101、获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
步骤102、若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
由图1所示可以得知，本发明实施例通过获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离，若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值，则根据所述回波时域信号获得回波频域信号，对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果，对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。本发明实施例在观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值的条件下，对回波频域信号进行距离徙动校正，然后再对距离徙动校正结果进行了相位校正，有效补偿了由距离空变引起的相位误差，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像。
图2为本发明实施例中旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像几何示意图，天线通过旋臂围绕竖直中轴旋转，形成圆形轨迹，对周围进行环扫观测，观测视场达360度。x-y-z为直角坐标系，z为高度向。A为天线相位中心位置，θbw为天线方位向波束宽度。P为观测目标(假设位于天线旋转平面上)；r为旋臂长度，即旋臂扫描地基SAR的半径；θ为天线旋转角度，即系统的方位向，ω为天线旋转角速度，R0为观测目标与旋转中心的距离，Rp为观测目标与天线相位中心的瞬时距离。
具体实施时，获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离。
实施例中，首先获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，回波时域信号的获取方法为现有技术，本领域技术人员能够通过查阅资料了解旋臂扫描地基SAR回波时域信号的获取方法，本发明不再进行具体说明。
实施例中，旋臂扫描地基SAR的回波时域信号的维数为2。
实施例中，在获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号之后，确定观测目标与旋转中心之间的距离R0。
具体实施时，若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
对于旋臂扫描地基SAR的中远距成像，现有技术通常采用时域成像方法实现，其成像精度高，但计算效率较低。为了实现快速实时成像，现有技术还提出了针对旋臂扫描地基SAR系统的频域成像方法，这种方法可以有效提高计算效率，但是成像结果存在很大误差，严重影响中远距成像质量。发明人发现，由距离空变引起了相位的变化，而这部分相位误差是造成中远距成像质量低的主要原因。因此，本发明实施例在观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值的条件下，对回波频域信号进行距离徙动校正，然后再对距离徙动校正结果进行了相位校正，有效补偿了由距离空变引起的相位误差，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像。
实施例中，在满足如下条件时，确定观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
其中，θbw为天线方位向波束宽度，r为旋臂长度，即旋臂扫描地基SAR的半径，R0为观测目标与旋转中心之间的距离，Rc为中远场条件下的参考距离，λ为发射信号波长。
需要说明的是，当满足公式(1)时，观测目标位于旋转中心的中远距位置。
实施例中，若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值，则首先按如下方法根据回波时域信号获得回波频域信号：
对回波时域信号进行距离向的脉冲压缩；
对距离向的脉冲压缩的结果进行方位向的快速傅里叶变换，获得回波频域信号。
本实施例中，设旋臂扫描地基SAR的二维回波时域信号为S1(ta,tr)，其中ta为方位向时间，tr为距离向时间，二维回波时域信号为方位时域-距离时域信号，首先对二维回波时域信号进行距离向的脉冲压缩，得到距离向的脉冲压缩的结果，即方位时域-距离频域信号，表示为S2(ta,f)，其中f为发射信号基带频率。然后对距离向的脉冲压缩的结果进行方位向的快速傅里叶变换，得到二维回波频域信号，即方位频域-距离频域信号，表示为S3(fθ,f)，其中fθ是方位频率。
实施例中，在获得回波频域信号之后，按如下方法对回波频域信号进行距离徙动校正：
利用匹配滤波器对回波频域信号进行距离徙动校正，将回波频域信号与匹配滤波器的传递函数相乘，得到距离徙动校正结果。
实施例中，利用二维匹配滤波器对二维回波频域信号进行距离徙动校正，将二维回波频域信号S3(fθ,f)与二维匹配滤波器的传递函数H1(fθ,f,tc)相乘，得到距离徙动校正结果S4(fθ,f)，所述传递函数的表达式为：
其中，H1(fθ,f,tc)为传递函数，f为发射信号基带频率，fc为发射信号中心频率，fθ是方位频率，C为光速，θ为天线旋转角度，Rp为观测目标与天线相位中心的瞬时距离，Rc为中远场条件下的参考距离，tc为方位向时间，
实施例中，在对回波频域信号进行距离徙动校正之后，按如下方法对距离徙动校正结果进行相位校正：
对距离徙动校正结果进行距离向的快速傅里叶逆变换；
利用校正函数对距离向的快速傅里叶逆变换的结果进行相位校正。
实施例中，首先对二维距离徙动校正结果S4(fθ,f)进行距离向的快速傅里叶逆变换，得到方位频域-距离时域信号，表示为S5(fθ,tr)，其中fθ是方位频率，tr为距离向时间。然后，利用校正函数对距离向的快速傅里叶逆变换的结果S5(fθ,tr)进行相位校正，将距离向的快速傅里叶逆变换的结果S5(fθ,tr)与校正函数H2(fθ,tr)相乘，得到二维相位校正结果S6(fθ,tr)，
实施例中，校正函数的表达式为：
其中，H2(fθ,tr)为校正函数，tr为距离向时间，f为发射信号基带频率，fc为发射信号中心频率，fθ是方位频率，C为光速，θ为天线旋转角度，R0为观测目标与旋转中心的距离，Rp为观测目标与天线相位中心的瞬时距离，Rc为中远场条件下的参考距离，tc为方位向时间，
Φres为残余相位函数。
实施例中，对距离徙动校正结果进行相位校正之后，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
实施例中，首先对二维相位校正结果S6(fθ,tr)进行方位向的快速傅里叶逆变换，获得方位时域-距离时域信号，表示为S7(ta,tr)，然后通过如下变换：θ＝ω·ta，
将方位向时间tr和距离向时间ta分别转化为角度和距离，得到获得旋臂扫描地基SAR的二维成像结果S8(θ,R)。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
图3为本发明实施例中旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像装置的结构图，如图3所示，该装置包括：
距离确定模块301，用于获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
信号校正模块302，用于若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。
一个实施例中，信号校正模块302进一步用于，按如下方法对距离徙动校正结果进行相位校正：
对距离徙动校正结果进行距离向的快速傅里叶逆变换；
利用校正函数对距离向的快速傅里叶逆变换的结果进行相位校正，其中，所述校正函数表达式为：
其中，H2(fθ,tr)为校正函数，tr为距离向时间，f为发射信号基带频率，fc为发射信号中心频率，fθ是方位频率，C为光速，θ为天线旋转角度，R0为观测目标与旋转中心的距离，Rp为观测目标与天线相位中心的瞬时距离，Rc为中远场条件下的参考距离，tc为方位向时间，
Φres为残余相位函数。
综上所述，本发明实施例通过获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离，若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值，则根据所述回波时域信号获得回波频域信号，对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果，对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果。本发明实施例在观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值的条件下，对回波频域信号进行距离徙动校正，然后再对距离徙动校正结果进行了相位校正，有效补偿了由距离空变引起的相位误差，在保证计算效率的同时提高中远距成像质量，避免频域成像过程中成像结果误差较大的问题，实现旋臂扫描地基SAR的高效率高质量中远距成像。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (6)
1.一种旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像方法，其特征在于，包括：
获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果，其中按如下方法对距离徙动校正结果进行相位校正：对距离徙动校正结果进行距离向的快速傅里叶逆变换；利用校正函数对距离向的快速傅里叶逆变换的结果进行相位校正，
其中，在满足如下条件时，观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
其中，θbw为天线方位向波束宽度，r为旋臂长度，即旋臂扫描地基SAR的半径，R0为观测目标与旋转中心之间的距离，Rc为中远场条件下的参考距离，λ为发射信号波长；
所述校正函数表达式为：
其中，H2(fθ,tr)为校正函数，tr为距离向时间，f为发射信号基带频率，fc为发射信号中心频率，fθ是方位频率，C为光速，θ为天线旋转角度，R0为观测目标与旋转中心的距离，Rp为观测目标与天线相位中心的瞬时距离，Rc为中远场条件下的参考距离，tc为方位向时间，
Φres为残余相位函数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按如下方法根据所述回波时域信号获得回波频域信号：
对回波时域信号进行距离向的脉冲压缩；
对距离向的脉冲压缩的结果进行方位向的快速傅里叶变换，获得回波频域信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按如下方法对回波频域信号进行距离徙动校正：
利用匹配滤波器对回波频域信号进行距离徙动校正，将回波频域信号与匹配滤波器的传递函数相乘，所述传递函数的表达式为：
其中，H1(fθ,f,tc)为传递函数，f为发射信号基带频率，fc为发射信号中心频率，fθ是方位频率，C为光速，θ为天线旋转角度，Rp为观测目标与天线相位中心的瞬时距离，Rc为中远场条件下的参考距离，tc为方位向时间，
4.一种旋臂扫描地基SAR的中远距频域快速成像装置，其特征在于，包括：
距离确定模块，用于获取旋臂扫描地基SAR的回波时域信号，确定观测目标与旋转中心之间的距离；
信号校正模块，用于若观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
根据所述回波时域信号获得回波频域信号；
对回波频域信号进行距离徙动校正，得到距离徙动校正结果；
对距离徙动校正结果进行相位校正，根据相位校正结果获得旋臂扫描地基SAR的成像结果，其中按如下方法对距离徙动校正结果进行相位校正：对距离徙动校正结果进行距离向的快速傅里叶逆变换；利用校正函数对距离向的快速傅里叶逆变换的结果进行相位校正，
其中，在满足如下条件时，观测目标与旋转中心之间的距离超过阈值：
其中，θbw为天线方位向波束宽度，r为旋臂长度，即旋臂扫描地基SAR的半径，R0为观测目标与旋转中心之间的距离，Rc为中远场条件下的参考距离，λ为发射信号波长；
所述校正函数表达式为：
其中，H2(fθ,tr)为校正函数，tr为距离向时间，f为发射信号基带频率，fc为发射信号中心频率，fθ是方位频率，C为光速，θ为天线旋转角度，R0为观测目标与旋转中心的距离，Rp为观测目标与天线相位中心的瞬时距离，Rc为中远场条件下的参考距离，tc为方位向时间，
Φres为残余相位函数。
5.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任一所述方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至3任一所述方法的计算机程序。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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