CN111538004A - 圆周扫描地基sar的多相位中心分布设计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法及装置，其中方法包括：获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。本发明有效解决了成像中存在的旁瓣较高的问题，保证了成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及地基SAR三维成像技术领域，尤其涉及圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法及装置。
背景技术
近年来，地基合成孔径雷达(Ground-based Synthetic Aperture Radar，GBSAR)已经应用于滑坡监测、火山监测、冰川监测、露天矿场监测、桥梁和建筑物监测等领域。但是传统的直线轨道GBSAR只能获取二维图像和一维形变，在地形起伏区域存在“叠掩”问题，不适用于复杂地形，且不能获取监测场景的三维地形信息。
圆周扫描地基SAR是一种具有三维成像能力的新体制地基SAR。与传统的直线轨道地基SAR相比，圆周扫描地基SAR可以通过一次圆周扫描形成二维合成孔径，以实现三维成像。因此，它具有系统结构便捷，数据采集时间短，滑坡监测时效性强的优势。目前，圆周扫描地基SAR主要采用单天线旋转扫描的方式进行数据采集，但其较小的带宽频率比参数值和频谱中空特性引起成像中存在旁瓣较高的问题。
针对高旁瓣问题，现有技术提出了基于频谱连续分布的圆迹阵列SAR旁瓣抑制方法,它以频谱连续分布的方式拓宽频谱实现对垂直于距离向平面的旁瓣抑制。现有技术还提出一种多基线圆周扫描地基SAR，它采用了多天线同步旋转扫描的方式进行数据采集，采用均匀间隔的频谱分布方式拓宽频谱以抑制垂直于距离向的平面的旁瓣。但是，上述两种方法在三维成像应用中方位向和垂直向的波形仍存在高旁瓣问题，严重影响成像质量。
发明内容
本发明实施例提供一种圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法，用以设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，解决成像中存在旁瓣较高的问题，保证成像质量，该方法包括：
获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；
根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；
根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；
根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
本发明实施例提供一种圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计装置，用以设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，解决成像中存在旁瓣较高的问题，保证成像质量，该装置包括：
参数获得模块，用于获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；
最低旁瓣确定模块，用于根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；
频谱分布确定模块，用于根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；
设计模块，用于根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
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上述圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法。
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上述圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法的计算机程序。
相对于现有技术中基于频谱连续分布的圆迹阵列SAR和多基线圆周扫描地基SAR的旁瓣抑制方案而言，本发明实施例通过获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。本发明实施例根据点扩展函数旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据，进而根据频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，有效改善了圆周扫描地基SAR的频谱带宽的中空特性，抑制了垂直于距离向平面的旁瓣，解决了成像中存在的旁瓣较高的问题，保证了成像质量。
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为本发明实施例中圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法示意图；
图2为本发明实施例中多相位中心圆周扫描地基SAR的几何模型示意图；
图3为本发明实施例中多相位中心圆周扫描地基SAR在垂直于距离向的平面的二维频谱示意图；
图4为本发明实施例中圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计装置结构图。
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。
为了设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，解决成像中存在旁瓣较高的问题，保证成像质量，本发明实施例提供一种圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法，如图1所示，该方法可以包括：
步骤101、获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；
步骤102、根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；
步骤103、根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；
步骤104、根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
由图1所示可以得知，本发明实施例通过获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。本发明实施例根据点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据，进而根据频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，有效改善了圆周扫描地基SAR的频谱带宽的中空特性，抑制了垂直于距离向平面的旁瓣，解决了成像中存在的旁瓣较高的问题，保证了成像质量。
实施例中，图2为多相位中心圆周扫描地基SAR的几何模型示意图，若干个相位中心稀疏地分布在同一旋转臂上，它们绕水平中轴旋转，形成一个二维环形阵列，沿水平中轴的正方向监测目标区域。其中，OXYZ为直角坐标系，O代表相位中心的旋转中心，a1,a2,…,aN分别表示各相位中心的位置，r1,r2,…,rN分别表示相位中心a1,a2,…,aN的旋转半径，N代表相位中心数量参数，θa代表相位中心的旋转角度。Pt表示点目标的位置(假设位于水平中轴上)，Rn表示相位中心an与点目标Pt的距离，Rx是Rn在水平中轴上的投影长度。
具体实施时，获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数。
实施例中，相位中心数量参数可以用N表示，N是一个常数，带宽频率比参数可以用α表示，并设α为一个固定值。
具体实施时，根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立。
实施例中，所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立，包括：进行圆周扫描地基SAR的网格空间划分，确定网格空间参数；根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式和所述网格空间参数预先建立相变图。
本实施例中，以频谱不发生重叠为条件进行网格空间划分。当相位中心数量参数为N时，网格空间的维数为N-1。以Δd为间距将每一维度都划分为M个栅格，相位中心an的最大波数bnmax可以分布在不同的栅格点上。当频谱分布bnmax的取值范围为[Δd,(1-(N-n)×α)×M×Δd]时，频谱分布满足频谱不发生重叠的条件。其中，n的取值范围为1到N-1的整数。首先求点扩展函数的主瓣长度ρm，并设点扩展函数中自变量ρ的取值范围为[0,10×ρm]。再计算此范围内点扩展函数的旁瓣，并将它设为目标函数，则目标函数的自变量取值范围为[ρm,10×ρm]。从而，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据。
实施例中，所述圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式为：
其中，ρ为径向参数，J0(·)为第一类零阶贝塞尔函数，J1(·)为第一类一阶贝塞尔函数，bnmax为第n个相位中心an在O1KyKz平面的最大波数，N为相位中心数量参数，α为带宽频率比参数。
实施例中，根据多相位中心圆周扫描地基SAR的频谱给出其点扩展函数表达式。其中所述点扩展函数表达式为点扩展函数的归一化表达式。由于多相位中心圆周扫描地基SAR的相位中心分布是由N个相位中心组成的环形阵列，多相位中心圆周地基SAR在垂直于距离向平面的二维频谱支撑域是一组同心圆环。多相位中心圆周扫描地基SAR在垂直于距离向的平面的二维频谱示意图如图3所示。在图3中，b1min表示相位中心a1在O1KyKz平面的最小波数，bNmax表示相位中心aN在O1KyKz平面的最大波数。由图3可知，多相位中心圆周扫描地基SAR的频谱由各相位中心对应的频谱叠加形成。因此，多相位中心圆周扫描地基SAR的点扩展函数可以由各相位中心对应的点扩展函数叠加形成。
具体实施时，根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据。
本实施例中，从n维网格中求出目标函数的最小值，即最低旁瓣数据，根据所述最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据。
具体实施时，根据所述频谱分布数据，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
实施例中，根据所述频谱分布数据，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，包括：获得点目标与旋转中心的距离参数和最大旋转半径参数；根据所述频谱分布数据，点目标与旋转中心的距离参数和旋转半径参数，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
本实施例中，在给定相位中心数量参数N和带宽频率比参数α的条件下，根据观测几何，计算最优频谱分布对应的最优相位中心分布。由观测几何可知，频谱分布与相位中心分布的表达式为：
rn/rN＝xc·tan[bnmax/bNmax·arctan(L/xc)] (2)
其中，xc是点目标与旋转中心O的距离，L是相位中心aN的旋转半径，bnmax/bNmax表示频谱分布，rn/rN表示相位中心分布。
本发明实施例根据点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据，进而根据频谱分布数据，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。通过建立多相位中心圆周扫描地基SAR的模型，形成可以有效抑制旁瓣的稀疏频谱。利用该频谱获得多相位中心圆周扫描地基SAR的点扩展函数。在给定带宽频率比参数和相位中心数量参数的条件下，基于相变图优化频谱的稀疏分布。根据观测几何得到最优相位中心分布，在有限相位中心数量参数下实现对圆周扫描地基SAR的旁瓣优化抑制。本发明在满足有限相位中心数量参数和固定带宽频率比参数的条件下，利用多相位中心分布优化设计方法抑制圆周扫描地基SAR的旁瓣，实现了低旁瓣的高质量三维成像。
下面给出一个具体实施例，说明本发明实施例中圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法的具体应用。在本具体实施例中，获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数。由于当相位中心数量参数取值为3时，使用本发明所提出的优化设计方法获得的最低旁瓣已经满足三维成像的要求，故本具体实施例以相位中心数量参数取3为例进行介绍。带宽频率比参数的取值范围是[0,1]。多相位中心圆周扫描地基SAR的频谱由各相位中心对应的频谱叠加形成。因此，多相位中心圆周扫描地基SAR的点扩展函数由各相位中心对应的点扩展函数叠加形成。单相位中心圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式为现有技术，本领域技术人员能够通过查阅资料获得它的表达式。多相位中心圆周扫描地基SAR在O1Y′Z′平面上的点扩展函数表达式为公式(1)。相位中心数量参数N＝3，则网格空间的维数2。以Δd＝0.002为间距将每一维度的网格区间都划分为M个栅格，相位中心an的最大波数bnmax可以分布在不同的栅格点上，其中n的取值为1和2。当频谱分布b1max/b3max和b2max/b3max的取值范围分别为[Δd,(1-2α)×M×Δd]和[Δd,(1-α)×M×Δd]时，频谱分布bnmax/bNmax满足频谱不发生重叠的条件。设多相位中心圆周扫描地基SAR的点扩展函数的旁瓣为目标函数。首先求(1)中点扩展函数的主瓣长度ρm，并取点扩展函数中自变量ρ∈[0,10×ρm]的部分。再计算此范围内点扩展函数的旁瓣，并将它设为目标函数。目标函数的表达式为公式(2)。在二维网格空间中求目标函数的最小值，即最低旁瓣；并求最小值在二维网格中的位置，即频谱分布b1max/b3max和b2max/b3max的值。在相位中心数量参数N＝3和带宽频率比参数α＝0.05和最大波数b3max＝1的条件下，根据观测几何，计算最低旁瓣的频谱分布对应的最优相位中心分布。以在X轴上的点目标Pc为例，相位中心分布与频谱分布的对应关系为：
其中，xc是点目标Pc与旋转中心O的距离，L是相位中心a3的旋转半径，b1max/b3max和b2max/b3max表示频谱分布，r1/r3和r2/r3表示相位中心分布。利用最优相位中心分布建立的多相位中心圆周扫描地基SAR模型，可以实现低旁瓣的圆周扫描地基SAR三维成像。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法相似，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4为本发明实施例中圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计装置的结构图，如图4所示，该装置包括：
参数获得模块401，用于获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；
最低旁瓣确定模块402，用于根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；
频谱分布确定模块403，用于根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；
设计模块404，用于根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
一个实施例中，所述圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式为：
其中，ρ为径向参数，J0(·)为第一类零阶贝塞尔函数，J1(·)为第一类一阶贝塞尔函数，bnmax为第n个相位中心an在O1KyKz平面的最大波数，N为相位中心数量参数，α为带宽频率比参数。
一个实施例中，所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立，包括：
进行圆周扫描地基SAR的网格空间划分，确定网格空间参数；
根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式和所述网格空间参数预先建立相变图。
综上所述，本发明实施例通过获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。本发明实施例根据点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据，进而根据频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，有效改善了圆周扫描地基SAR的频谱带宽的中空特性，抑制了垂直于距离向平面的旁瓣，解决了成像中存在的旁瓣较高的问题，保证了成像质量。
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 (10)
1.一种圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计方法，其特征在于，包括：
获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；
根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；
根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；
根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立，包括：
进行圆周扫描地基SAR的网格空间划分，确定网格空间参数；
根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式和所述网格空间参数预先建立相变图。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式为：
其中，ρ为径向参数，J0(·)为第一类零阶贝塞尔函数，J1(·)为第一类一阶贝塞尔函数，bnmax为第n个相位中心an在O1KyKz平面的最大波数，N为相位中心数量参数，α为带宽频率比参数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布，包括：
获得点目标与旋转中心的距离参数和旋转半径参数；
根据所述频谱分布数据，点目标与旋转中心的距离参数和最大旋转半径参数，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
5.一种圆周扫描地基SAR的多相位中心分布设计装置，其特征在于，包括：
参数获得模块，用于获得圆周扫描地基SAR的带宽频率比参数和相位中心数量参数；
最低旁瓣确定模块，用于根据所述带宽频率比参数和相位中心数量参数，以及预先建立的相变图，确定圆周扫描地基SAR的点扩展函数最低旁瓣数据，其中所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立；
频谱分布确定模块，用于根据所述点扩展函数最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据；
设计模块，用于根据所述频谱分布数据和观测几何，设计圆周扫描地基SAR的多相位中心分布。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式为：
其中，ρ为径向参数，J0(·)为第一类零阶贝塞尔函数，J1(·)为第一类一阶贝塞尔函数，bnmax为第n个相位中心an在O1KyKz平面的最大波数，N为相位中心数量参数，α为带宽频率比参数。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述相变图根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数和网格空间参数预先建立，包括：
进行圆周扫描地基SAR的网格空间划分，确定网格空间参数；
根据圆周扫描地基SAR的点扩展函数表达式和所述网格空间参数预先建立相变图。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，频谱分布确定模块进一步用于：
根据所述相变图，确定最低旁瓣数据；
根据所述最低旁瓣数据，确定圆周扫描地基SAR的频谱分布数据。
9.一种计算机设备，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4任一所述方法。
10.一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4任一所述方法的计算机程序。
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