CN115453472B - 车载合成孔径雷达成像方法以及相关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种车载合成孔径雷达成像方法以及相关装置，车载合成孔径雷达成像方法，包括：接收回波信号；利用车载大斜视斜距表达式构建补偿函数；利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号；对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。该方法能够提高成像精度，并且降低了计算复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及车载成像技术领域，尤其是涉及一种车载合成孔径雷达成像方法以及相关装置。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)成像技术可以不受时间和自然气候条件的约束及距离的限制，能够有效地获取地物信息并得到高分辨的二维图像，被广泛的应用于军事领域和民用设备。近年来，先进的SAR成像技术在不断地快速发展。多样化的搭载平台使SAR成像技术发展呈现各种新的特征：更高的分辨率、创新的成像模式。其中特别是高分辨SAR尤为突出。结合创新的成像模式及平台多样化的优势，高分辨SAR的成像精度边界不断下探，已处于实现分米级成像展望厘米级成像的阶段。随着高分辨SAR成像技术的不断发展，其应用范围愈发广泛。无论是地形测绘、农作物评估、城市环境监视等民用领域，还是敏感地区的深入探测、战场环境全天候监视、重要目标的定位等军事应用领域，高分辨SAR成像都发挥非常重要的作用，同时展示出巨大的发展应用前景。车载合成孔径雷达就是合成孔径雷达技术在民用中的重要应用，可以弥补摄像头和激光雷达在恶劣环境下的感知能力不足的问题，从而促进汽车的智能化发展。
现有技术通过获取合成孔径雷达的回波数据量以及车的速度值，根据速度值和回波数据量，确定子图像序列，得到分辨率低子图像，根据这些子图像，得到分辨率高的合成孔径雷达图像。该方法相比于已有的后向投影成像算法，降低算法结构的复杂度，避免数据重复计算的情况提，升了运行效率，降低了计算成本。但是，该方法得到的图像精度不足。
发明内容
本发明提供一种车载合成孔径雷达成像方法以及相关装置，其能够提高成像精度，并且降低了计算复杂度。
第一方面，本发明提供一种车载合成孔径雷达成像方法，包括：接收回波信号；利用车载大斜视斜距表达式构建补偿函数；利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号；对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。
其中，所述利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号的步骤，包括：对所述回波信号进行去走动处理，得到两维时域信号；对所述两维时域信号进行频谱加窗处理，得到两维时频域信号；利用所述补偿函数对所述两维时频域信号进行补偿，得到所述两维频域信号。
其中，所述对所述回波信号进行去走动处理，得到两维时域信号的步骤，包括：对所述回波信号进行距离维傅里叶变换，得到第一信号；利用去走动函数对所述第一信号进行处理，得到第二信号；对所述第二信号进行距离维逆傅里叶变换，得到所述两维时域信号。
其中，所述对所述两维时域信号进行频谱加窗处理，得到两维时频域信号的步骤，包括：对所述两维时域信号进行方位维傅里叶变换，得到第三信号；利用方位频谱窗函数对所述第三信号进行处理，得到所述两维时频域信号。
其中，所述利用所述补偿函数对所述两维时频域信号进行补偿，得到所述两维频域信号的步骤，包括：对所述两维时频域信号进行距离傅里叶变换，得到第六信号；利用距离维补偿函数对所述第六信号进行处理，得到所述两维频域信号。
其中，所述对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果的步骤，包括：利用方位脉压函数对所述两维频域信号进行处理，得到第四信号；对所述第四信号进行方位维逆傅里叶变换，得到第五信号；基于所述第五信号得到所述成像结果。
其中，所述车载大斜视斜距表达式与车速和车辆的成像斜视角相关。
第一方面，本发明提供一种车载合成孔径雷达成像装置，包括：接收模块，用于接收回波信号；补偿函数构建模块，用于利用车载大斜视斜距表达式构建补偿函数；补偿模块，用于利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号；处理模块，用于对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括相互藕接的处理器以及存储器，其中，所述存储器用于存储实现上述任一项所述的方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储有程序文件，所述程序文件能够被执行以实现上述任一项所述的方法。
本发明的有益效果，本发明的方法利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号；对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。以此提高成像精度，并且降低了计算复杂度。
附图说明
图1为本发明车载合成孔径雷达成像方法的一实施例的流程示意图；
图2为图1中步骤S13的一实施例的流程示意图；
图3为本发明车载合成孔径雷达成像装置的一实施例的结构示意图；
图4为本发明电子设备的一实施例的结构示意图；
图5为本发明计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行详细说明。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
针对现有车载合成孔径雷达技术存在的成像算法效率较低，运算量大，耗时间比较多，不能满足车载合成孔径雷达实时性的要求的问题，本发明提出了适用于车载SAR的快速RD成算法，运算量低，能够快速高效的实时成像，满足车载成像对实时性的要求。同时由于车载成像的斜距表达式不够精确，会对成像处理中的补偿函数的构建造成影响，同时波束较宽，会影响距离徙动校正的效果，最终影响成像质量。针对这些问题，本发明提出精确的斜距泰勒展开式，来构造更为准确的成像补偿函数，提高成像补偿效果，通过方位频谱加窗，截取方位部分频谱，在满足工程中对分辨率要求的情况下，降低宽波束对距离徙动校正精度带来的影响，提高成像质量。
请参见图1，为本发明车载合成孔径雷达成像方法的第一实施例的流程示意图，具体包括：
步骤S11：接收回波信号。
步骤S12：利用车载大斜视斜距表达式构建补偿函数。
具体的，所述车载大斜视斜距表达式与车速和车辆的成像斜视角相关。车载大斜视斜距表达式为：
其中η为方位时间，v为车速，方位时间的各项系数为μ0＝R0,μ1＝-v sinθ，
补偿函数为距离徙动校正、二次距离脉压补偿函数，具体的补偿函数为：
其中，H3(τ,fη)表示方位时间为η的距离徙动校正、二次距离脉压补偿函数，fη表示合成孔径雷达回波信号的方位维频率，
步骤S13：利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号。
具体的，请结合图2，步骤S13具体包括：
步骤S21：对所述回波信号进行去走动处理，得到两维时域信号。
具体的，对所述回波信号进行距离维傅里叶变换，得到第一信号。在一实施例中，利用快速傅里叶变换的公式，对接收的合成孔径雷达两维时域回波信号(即回波信号)进行距离维快速傅里叶变换，得到距离维为多普勒域、方位维为时域的两维时频域信号(即第一信号)，快速傅里叶变换的公式如下：
S1(fτ,η)＝∫S0(τ,η)exp(-j2πfττ)dτ；
其中，S1(fτ,η)表示合成孔径雷达SAR回波信号经过距离维快速傅里叶变换后的距离频率为fτ，方位时间为η的距离多普勒域信号，∫dτ表示对距离时间τ进行积分操作，S0(fτ,η)表示合成孔径雷达SAR接收的距离时间为τ，方位时间为η的合成孔径雷达SAR回波信号，exp表示以e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，且π表示圆周率。
利用去走动函数对所述第一信号进行处理，得到第二信号。具体的，将第一信号与去走动函数相乘，得到第二信号。在一实施例中，去走动函数如下：
其中，H1(fη)表示方位频率为fη的去走动函数，exp表示以自然常数e为底的指数操作，μ1为斜距泰勒展开式一次项的系数，表示去走动因子。
对所述第二信号进行快速逆傅里叶变换，得到所述两维时域信号。具体的，利用快速逆傅里叶变换的公式，对去走动后的时频域信号(即第二信号)进行距离维快速逆傅里叶变换，得到两维时域信号(即两维时域信号)。逆傅里叶变换公式如下：
其中，S3(τ,η)表示去走动后的合成孔径雷达SAR回波信号经过距离维逆傅里叶变换得到的距离时间为τ，方位时间为η的两维时域信号，vdfτ表示对方位频率fτ进行积分操作，S2(τ,fη)表示去走动后的距离时间为τ，方位频率为fη合成孔径雷达SAR回波信号。
步骤S22：对所述两维时域信号进行频谱加窗处理，得到两维时频域信号。
具体的，对所述两维时域信号进行方位维傅里叶变换，得到第三信号。在一实施例中，利用快速傅里叶变换公式，对第一两维时频域信号进行方位维傅里叶变换，得到方位维为多普勒域、距离维为时域的两维时频域信号(即第三信号)。
利用方位频谱窗函数对所述第三信号进行处理，得到所述两维时频域信号。在一实施例中，将第三信号与方位频谱窗函数相乘，得到方位信号频谱截取后的方位维为多普勒域的两维时频域信号。具体的，方位频谱窗函数如下：
其中，H2(N)表示方位频谱窗函数，η表示合成孔径雷达SAR回波信号的方位时间。
步骤S23：利用所述补偿函数对所述两维时频域信号进行补偿，得到所述两维频域信号。
具体的，对所述两维时频域信号进行距离傅里叶变换，得到第六信号。利用距离维补偿函数对所述第六信号进行处理，得到所述两维频域信号。具体的，将距离维补偿函数与第六信号相乘，得到两维频域信号。需要说明的是，此处的距离维补偿函数为距离徙动校正、二次距离脉压补偿函数。
步骤S14：对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。
具体的，利用方位脉压函数对所述两维频域信号进行处理，得到第四信号。具体的，将方位脉压函数与两维频域信号相乘，得到第四信号。需要说明的是，第四信号是两维时频域信号。在一实施例中，构造精确的方位脉压函数，方位脉压函数如下：
其中，H4(fτ,fη)表示方位脉压函数，fη表示合成孔径雷达SAR发射信号的方位频率，fτ表示距离频率。
对所述第四信号进行逆傅里叶变换，得到第五信号。具体的，利用逆傅里叶变换公式，将方位脉压后的两维频域信号(也即第四信号)进行方位维逆傅里叶变换，得到方位维为时域，距离维为频域的两维时频域信号(也即第五信号)，最终基于第五信号得到成像结果。
本申请针对在车载SAR成像中针对目标成像斜距存在精度不足的问题，提出一种更精确的斜距表达式来构建成像补偿函数，提高成像补偿函数的补偿效果，进而提高车载成像质量。在成像分辨率满足工程需求的条件下，通过加窗的方式截取信号方位部分频谱，降低宽波束对成像距离徙动校正的影响，从而提高距离徙动校正的精度，使成像效果更好。本发明提出的算法别的运算量低，实时性好，能满足工程实际中车载SAR成像对实时性的要求。
本发明算法可应用于未来车载SAR成像中，面对车辆周围复杂的环境，解决车载成像场景中成像精度低、效果差、实时性低的问题，弥补摄像头和激光雷达在恶劣环境下的感知能力受限的问题，可实现穿透检测等优点，同时在光线环境较差和风沙雨雪恶劣天气下表现出更可靠的感知水平。使车载SAR既可以全天时全天候的获取目标的图像信息，兼具光学摄像头和激光雷达的优势，具备极大的应用潜力。无人驾驶汽车所用车载SAR的主要任务是探测障碍物目标的相关信息，包括相对位置、相对速度等。车载SAR雷迖通过天线接收目标反射的毫米波信号，处理后快速法地获取前方的道路环境信息，对毫米波感知到的物体信息进行追踪和分类，然后结合车辆动力学信息进行数据融含，最终对整体数据进行智能处理。在现有的避撞算法基础上，若有碰撞风险存在，则车辆会以声光报警等多种方式警告驾驶员，提高驾驶员的警觉性，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。车载SAR成像作为一种车载辅助驾驶技术，它可以随时感知周围的环境，通过车内传感器收集周围的环境数据，经过车载系统计算和分析后，检测出可能存在的危险，然后车载控制系统做出相应指令，使驾驶员意识到，然后提前排除可能出现的危险，从而提高车载安全性。
请参见图3，为本发明车载合成孔径雷达成像装置的一实施例的结构示意图，包括：接收模块31、补偿函数构建模块32、补偿模块33以及处理模块34。
其中，接收模块31用于接收回波信号。
补偿函数构建模块32用于利用车载大斜视斜距表达式构建补偿函数。所述车载大斜视斜距表达式与车速和车辆的成像斜视角相关。
补偿模块33用于利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号。具体的，补偿模块33用于对所述回波信号进行去走动处理，得到两维时域信号。具体的，对所述回波信号进行距离维傅里叶变换，得到第一信号；利用去走动函数对所述第一信号进行处理，得到第二信号；对所述第二信号进行距离维逆傅里叶变换，得到所述两维时域信号。补偿模块33还用于对所述两维时域信号进行频谱加窗处理，得到两维时频域信号。具体的，对所述两维时域信号进行方位维傅里叶变换，得到第三信号；利用方位频谱窗函数对所述第三信号进行处理，得到所述两维时频域信号。补偿模块33还用于利用所述补偿函数对所述两维时频域信号进行补偿，得到所述两维频域信号。具体的，对所述两维时频域信号进行距离傅里叶变换，得到第六信号；利用距离维补偿函数对所述第六信号进行处理，得到所述两维频域信号。
处理模块34用于对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。处理模块34利用方位脉压函数对所述两维频域信号进行处理，得到第四信号；对所述第四信号进行方位维逆傅里叶变换，得到第五信号；基于所述第五信号得到所述成像结果。
请参见图4，为本发明电子设备的一实施例的结构示意图。电子设备包括相互连接的存储器82和处理器81。
存储器82用于存储实现上述任意一项的方法的程序指令。
处理器81用于执行存储器82存储的程序指令。
其中，处理器81还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器81可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器81还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器82可以为内存条、TF卡等，可以存储电子设备中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，电子设备才有记忆功能，才能保证正常工作。电子设备的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)，也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方法实现。例如，以上所描述的装置实施方法仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方法，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方法方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，系统服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方法的全部或部分步骤。
请参阅图5，为本发明计算机可读存储介质的结构示意图。本申请的存储介质存储有能够实现上述所有方法的程序文件90，其中，该程序文件90可以以软件产品的形式存储在上述存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方法的全部或部分步骤。而前述的存储装置包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。
以上仅为本发明的实施方法，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种车载合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括：
接收回波信号；
利用车载大斜视斜距表达式构建补偿函数，所述补偿函数表示为：
其中，H3(τ,fη)表示方位时间为η的距离徙动校正、二次距离脉压补偿函数，τ为距离时间，v为车速，fη表示合成孔径雷达回波信号的方位维频率，
利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号；具体包括：对所述回波信号进行距离维傅里叶变换，得到第一信号；将第一信号与去走动函数相乘，得到第二信号；对所述第二信号进行快速逆傅里叶变换，得到两维时域信号；对所述两维时域信号进行方位维傅里叶变换，得到第三信号；将第三信号与方位频谱窗函数相乘，得到两维时频域信号；对所述两维时频域信号进行距离傅里叶变换，得到第六信号；将距离维补偿函数与第六信号相乘，得到两维频域信号，距离维补偿函数为距离徙动校正、二次距离脉压补偿函数；所述方位频谱窗函数表示为：
其中，H2(N)表示方位频谱窗函数；
对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果的步骤，包括：
利用方位脉压函数对所述两维频域信号进行处理，得到第四信号；
对所述第四信号进行方位维逆傅里叶变换，得到第五信号；
基于所述第五信号得到所述成像结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车载大斜视斜距表达式与车速和车辆的成像斜视角相关。
4.一种车载合成孔径雷达成像装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收回波信号；
补偿函数构建模块，用于利用车载大斜视斜距表达式构建补偿函数，所述补偿函数表示为：
其中，H3(τ,fη)表示方位时间为η的距离徙动校正、二次距离脉压补偿函数，τ为距离时间，v为车速，fη表示合成孔径雷达回波信号的方位维频率，
补偿模块，用于利用所述补偿函数对所述回波信号进行补偿，得到两维频域信号；具体包括：对所述回波信号进行距离维傅里叶变换，得到第一信号；将第一信号与去走动函数相乘，得到第二信号；对所述第二信号进行快速逆傅里叶变换，得到两维时域信号；对所述两维时域信号进行方位维傅里叶变换，得到第三信号；将第三信号与方位频谱窗函数相乘，得到两维时频域信号；对所述两维时频域信号进行距离傅里叶变换，得到第六信号；将距离维补偿函数与第六信号相乘，得到两维频域信号，距离维补偿函数为距离徙动校正、二次距离脉压补偿函数；所述方位频谱窗函数表示为：
其中，H2(N)表示方位频谱窗函数；
处理模块，用于对所述两维频域信号进行方位脉压，得到成像结果。
5.一种电子设备，其特征在于，包括相互藕接的处理器以及存储器，其中，
所述存储器用于存储实现如权利要求1-3任一项所述的方法的程序指令；
所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有程序文件，所述程序文件能够被执行以实现如权利要求1-3任一项所述的方法。
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