CN117289277B - 一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法及系统，首先建立了宽带雷达多基线三维成像方法信号模型；然后将宽带数据分割为两个频带不重合的自带数据；之后将两个子带数据分别进行成像；最后将两子带成像结果叠加，从而得到双频成像结果。本方案从宽带雷达数据中分割出两个不同频段子带数据，解决了双频算法研究中，双频系统搭建、双频数据获取困难的问题；本方案将各子带数据分别进行三维成像，并将成像结果累加作为最终的三维成像结果，子带分割后，成像结果的主像位置不变，模糊位置变化，叠加后主像增强，模糊减弱，高程方向的成像质量得以提高。

Description

一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法及系统

技术领域

本发明涉及图像数据处理及层析合成孔径雷达三维成像领域，尤其涉及一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法及系统。

背景技术

地形测绘是指利用各种测量方法和手段，获取地球表面的形状、位置、高程等信息，并按一定的比例尺和规范绘制成地形图或数字地形模型的科学技术。

城市测绘是指在城市范围内，按照城市规划、建设、管理等需求，采用适合城市特点的测量方法和技术，获取城市地面和地下的空间信息，并按照一定的标准和规范绘制成城市平面图、地形图、管线图等各种专题图或数字模型的科学技术。城市测绘不仅能够反映城市的面貌和变化，而且能够为城市的可持续发展提供数据支撑和决策依据。

由于城市环境的复杂性和多变性，传统的光学遥感方法往往受到云雾、雨雪、光照等因素的影响，难以获取高质量、高效率、高精度的城市测绘数据。因此，星载三维合成孔径雷达成像技术（Synthetic Aperture Radar， SAR）成为一种具有优势和潜力的城市测绘技术。星载三维SAR是指利用卫星平台搭载的主动式微波传感器，通过发射和接收电磁波信号，并利用合成孔径原理和信号处理技术，实现对地面目标的三维立体成像的技术。星载三维SAR具有全天时、全天候、高分辨率、大覆盖范围等特点，能够有效地突破光学遥感方法的局限性，为城市测绘提供更加丰富和精确的空间信息。

目前，星载三维SAR的主流方法是利用卫星多次航过同一区域，获取不同视角的SAR图像，然后利用层析成像技术对这些图像进行联合处理，实现对地面目标的三维重建。然而，这种方法需要卫星具有高度的轨道控制能力和数据传输能力，同时也需要大量的数据存储和处理资源，导致星载三维SAR的时间成本和金钱成本非常高，限制了其在实际应用中的推广和普及。

为了降低星载三维SAR的成本，提高其可行性和实用性，一种可能的解决方案是利用双频SAR技术，即使卫星搭载两个不同频段的传感器，并用两个频率的图像进行联合成像。理论上，双频SAR可以减少所需的航过数量，从而减少数据量和处理复杂度，同时也可以提高成像分辨率和质量。因此，双频SAR技术可以使星载三维SAR更加“平民化”，为城市测绘提供更加便捷和经济的手段。但是研制适应目前主流小卫星平台的轻型化双频天线与收发机系统困难较多。

发明内容

有鉴于现有技术中存在的问题，并且为了进一步降低研究成本，本发明提供了一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法及系统，将宽带雷达所获得的宽带回波数据，在频域分割成两个不重叠的子带数据，并将这两个子带数据视为两个不同频段的SAR图像进行联合处理。具体而言，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法，该方法包括：

S0、成像系统接收合成孔径雷达回波，并进行去调频，得到基带信号；

S1、对所述基带信号进行采样，得到基带的离散数字信号；

S2、将所述离散数字信号分割为两个频带不重叠的子带信号；对所述子带信号中心频率进行偏移以使得两个所述子带信号的中心频率不同；

S3、基于两个所述子带信号，得到三维成像所需的双频图像信号；

S4、基于所述双频图像信号，提取点目标的航过信号；

S5、分别对不同子带信号得到的航过信号进行成像，并对成像结果进行合成，得到叠加成像结果。

优选地，所述S0中进一步包括：成像系统按照垂直于预设轨道的方向进行移动，使用线性调频连续波作为系统波形。

优选地，所述基带信号为：

其中，为接收信号的幅度，/>为光速，/>表示中心频率波长，/>，/>为发射信号的载波频率，/>为发射信号的时间长度，/>为时间，/>，rect为矩形包络信号，/>表示虚数单位，/>表示目标与雷达间距离，/>表示发射信号的调频率。目标即雷达检测的目标，这是本领域技术人员默认的。

优选地，所述S2中，将所述离散数字信号分割为两个频带不重叠的子带信号进一步包括：

将采样点分割为两个不重叠的部分、/>，/>，N表示采样点数；

基于分割后的采样点得到不重叠的子带信号、/>：

其中，，

，为接收信号的幅度，/>为光速，/>为发射信号的载波频率，/>为发射信号的时间长度，/>为时间，/>，rect为矩形包络信号，/>为线性调频信号的调频率，/>表示雷达与目标间距离，/>表示发射信号的调频率，/>表示虚数单位。

优选地，所述S3进一步包括：

对两个所述子带信号进行傅里叶变换，得到双频图像信号：

其中，表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示目标在波长为的频段子带下的散射系数。

优选地，所述S4中，提取点目标的航过信号的方式为：

确定不同航过的双频图像信号；

对其中的目标点与轨道航过之间距离项进行展开，并舍弃展开后的二阶以上项，再重新代入原双频图像信号中；

去除斜距相位项和二次相位项，得到航过信号；所述航过信号包含不同子带信号得到的多个航过信号。

优选地，所述航过信号为：

其中，表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示目标在波长为的频段子带下的散射系数，/>，/>，/>为光速，/>为发射信号的载波频率，T为发射信号的时间长度，/>为线性调频信号的调频率，/>为首次航过雷达与目标间的距离，/>为第m次航过与第一次航过的距离，/>为高程向索引，/>表示虚数单位。

优选地，所述S5中进一步包括：对S4中得到的航过信号在s向做傅里叶变换，得到叠加成像结果：

其中，为高程向索引，/>为/>取最大值时所对应的/>，/>为首次航过雷达与目标间的距离，/>，/>为光速，/>为发射信号的载波频率，T为发射信号的时间长度，/>为线性调频信号的调频率，/>表示基线长度，即雷达在俯仰向上移动的总距离，/>表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示辛格函数。

优选地，所述方法还包括：

S6、对S5得到的叠加成像结果进行归一化，并对归一化后的结果进行展示。

第二方面，本发明还提供了一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像系统，该系统包括：

基带信号模块，用于对成像系统接收到的合成孔径雷达回波进行去调频，得到基带信号；

信号采样模块，用于对所述基带信号进行采样，得到基带的离散数字信号；

子带分割模块，用于将所述离散数字信号分割为两个频带不重叠的子带信号；对所述子带信号中心频率进行偏移以使得两个所述子带信号的中心频率不同；

图像信号变换模块，用于基于两个所述子带信号，得到三维成像所需的双频图像信号；

航过信号提取模块，用于基于所述双频图像信号，提取点目标的航过信号；

成像模块，用于分别对不同子带信号得到的航过信号进行成像，并对成像结果进行合成，得到叠加成像结果。

第三方面，本发明还提供了一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像设备，该设备包含存储器与处理器，所述处理器可以调用所述存储器中的计算机指令，以执行如上所述的基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法。

与现有技术相比，本发明技术方案至少具有如下有益效果：本发明首先建立了宽带雷达多基线三维成像方法信号模型；然后将宽带数据分割为两个频带不重合的自带数据；之后将两个子带数据分别进行成像；最后将两子带成像结果叠加，从而得到双频成像结果。本发明的所带来的有益效果有二：第一，本发明给出一种子带分割方法，从宽带雷达数据中分割出两个不同频段子带数据，解决了双频算法研究中，双频系统搭建、双频数据获取困难的问题；第二，本发明将各子带数据分别进行三维成像，并将成像结果累加作为最终的三维成像结果，子带分割后，成像结果的主像位置不变，模糊位置变化，叠加后主像增强，模糊减弱，高程方向的成像质量得以提高。

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它的附图。

图1为本发明实施例的实验系统示意图；

图2为本发明实施例的试验场景示意图；

图3为本发明实施例的子方法试验场景所设置的目标照片；

图4为本发明实施例的中频信号子带分割图；

图5为本发明实施例的分割后数据的傅里叶变换图；

图6为本发明实施例的全带宽直接成像图；

图7为本发明方法的成像结果图；

图8为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

为了进一步降低研究成本，更好的利用现有的雷达成像平台，本发明提供了一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法及系统，将宽带雷达所获得的宽带回波数据，在频域分割成两个不重叠的子带数据，并将这两个子带数据视为两个不同频段的SAR图像进行联合处理，在成像阶段进行合成，以牺牲距离分辨率的方式，提高系统高程向的分辨能力，这种方法可以避免使用两个独立的雷达传感器，并且可以灵活地调整子带数据的频率范围和带宽大小，以适应不同的场景需求，还将提高对重建信号栅瓣的抑制能力。以下，结合具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细阐述。

本发明所提出的方案，可以通过多频雷达三维成像方法的方式来实现，结合图8所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤S0、使用宽带雷达录取合成孔径雷达回波，并得到基带数据。

地基3D成像系统按照垂直于预设轨道的方向进行移动，使用线性调频连续波作为系统波形，具体为：

其中，为发射信号的时间长度，/>为时间，/>，/>为发射信号的载波频率，/>为线性调频信号的调频率，rect为矩形包络信号，/>表示虚数单位。假设场景中有一个点目标，其与第/>次轨道航过的距离为：

上式中，为第m次航过与第一次航过的距离，/>，/>为总航过次数。在本发明中，航过皆为均匀排列，间隔为/>。所有航过总长度/>称为基线，，/>为高程向索引，/>为首次航过雷达与目标间的距离，称为参考斜距。则雷达接收机接收到的信号为：

其中，为波长，且/>，而/>，为回波信号/>时刻的瞬时频率，/>为光速。一般/>用中心频率所代表的波长/>表示，/>。回波信号在接收机中，与发射信号的共轭信号相乘，得到去调频后的基带信号，为：

其中为接收信号的幅度，/>表示目标与雷达间距离，/>表示发射信号的调频率。

图1是本发明实施例的试验系统示意图，描述试验系统的机械结构和硬件系统。机械结构是试验系统的重要组成部分，其整体如图1所示，主要由滑轨、电源子系统（例如配电箱等）、动力机构和雷达系统四部分组成，雷达系统作为一个单独的设备设置在动力机构上。其中滑轨系统可在方位和俯仰方向上移动，最大移动距离分别为3m和2m，最大速度分别为0.5m/s和0.3m/s。动力机构采用双24伏伺服电机，电源子系统额定输出功率为200W。本发明验证试验所需的雷达的硬件系统放置在一个长、宽、高分别为0.3m、0.2m、0.1m的铝合金结构中，目标如图3所示，图3是本试验例中所给出的被检测目标的示例，其中黑色三角作为被检测的点目标，其余的长方体结构使用泡沫塑料制成，作为支撑架，泡沫塑料部分对雷达来说是“透明”的，可以穿透。在雷达系统接收机滤波放大之后，数字系统所采集的信号位于中频区域。该载荷的硬件设计经过优秀的电路和结构设计，实现了良好的性能表现。

整个试验系统的具体参数如下表1所示：

表1试验系统参数

雷达按照图2所示的方式进行数据采集。具体来说，第一次航过位置在 0.85m 处，设置航过间隔=0.0313m。/>，/>=1m，/>=2MHz，/>=/>。因此，N为 4000。航过设置为 17 次，则/>=17。雷达发射如式(1)所示的信号后，电磁波由空间传播，当碰到如图 3所示的点目标后，最终得到如式(4)所示的基带信号。

步骤S1、信号采样

设定采样频率为，对式/>信号进行采样。对于时长为/>的信号，采样点数为。则采样后的基带的离散数字信号为：

上式中，，易得，两相邻采样点/>和/>的时间间隔为/>，/>。

结合上面的试验装置，我们依据公式（5）进行采样，得到4000点的基带数据。

步骤 S2、将数据分割为两个频带不重叠的子带信号

在获得了如式所示的信号之后，可将采样点分割成两个不重叠的部分/>、/>，得到不重叠的子带信号/>、/>：

其中

在式中，/>。可以看到，分割后的子带数据仍然携带着目标的斜距信息，因此可以对子带数据分别做三维成像。在本步骤中，信号被分为了低频子带和高频子带两个子带，这两个子带信号的中心频率也进行了相应的偏移。

结合上面的试验例，我们可以将信号分割成如图4所示的两个子带频段：频段1、频段2。这两频段的中心频率分别为9.3GHz 和11.3GHz。两子带数据长度分别为2000点。

步骤 S3、分别对两子带信号做快速傅里叶变换，用以得到三维成像所需的图像信号

对式中的两个子带信号分别进行傅里叶变换，得到

从上式可以看出，点目标的基带信号被变换为一个信号由幅度和斜距引起的相位延迟组成的信号。其中，表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数。

傅里叶变换后的信号幅度图如图5所示。

步骤 S4、提取点目标多航过信号

在经过傅里叶变换后，可得到各航过的双频图像信号、/>。对于不同航过，其信号表示为

由式，对/>进行泰勒展开，并舍弃二阶以上项，则雷达与目标距离变为

将代入/>，得到

去除斜距相位项和二次相位项，得到

同理，可得。因此

式即为三维成像所需的多航过信号。

继续结合上面的试验例，在得到如图5所示的信号幅度后，取位置为 1m 处的点，作为如式(13)所示的点目标多航过信号，用以在之后的步骤中进行三维成像，并合成最后结果。

步骤 S5、三维成像合成

本步骤对子带信号分别成像，并进行合成。一般来说，因为多航过数据为离散数据，使用这种数据进行成像，所得结果容易产生模糊。子带分割后，两批数据的中心频率不同，因此所得到的成像结果的模糊位置不同，但主像的位置却相同。因此，当子带成像结果叠加时，主像将增强，模糊将相对减弱，从而提高高程向成像的质量。

对式，在s向做傅里叶变换，得到最终的叠加成像结果为

其中为目标的高程向位置，在工程中，一般取/>最大值所对应的/>作为/>，/>表示辛格函数，/>表示基线长度，即雷达在俯仰向上移动的总距离。

结合上面的试验例，对于在步骤S4中取得的点目标多航过信号，使用傅里叶变换进行成像，得到如式(14)所示的成像结果。最终，我们将结果进行归一化展示，得到图6和图7所示的成像结果对比图，图6为全带宽直接成像结果图，图7为本发明方法的成像结果图。在图中可以看出，本发明方法比普通方法可以得到点目标更好的三维成像结果，具体表现为成像结果更加密集，更易识别。

在又一个具体的实施例中，本发明所提供的方案还可以通过一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像系统的方式实现，优选地，该系统包括：

基带信号模块，用于对成像系统接收到的合成孔径雷达回波进行去调频，得到基带信号；

信号采样模块，用于对所述基带信号进行采样，得到基带的离散数字信号；

子带分割模块，用于将所述离散数字信号分割为两个频带不重叠的子带信号；对所述子带信号中心频率进行偏移以使得两个所述子带信号的中心频率不同；

图像信号变换模块，用于基于两个所述子带信号，得到三维成像所需的双频图像信号；

航过信号提取模块，用于基于所述双频图像信号，提取点目标的航过信号；

成像模块，用于分别对不同子带信号得到的航过信号进行成像，并对成像结果进行合成，得到叠加成像结果。

此外，更为优选地，系统还可以包括展示模块，对叠加成像结果进行归一化，并对归一化后的结果进行展示，方便图像的使用。

本方案在又一种实施方式下，可以通过设备的方式来实现，该设备可以包括执行上述各个实施方式中各个或几个步骤的相应模块。因此，可以由相应模块执行上述各个实施方式的每个步骤或几个步骤，并且该电子设备可以包括这些模块中的一个或多个模块。模块可以是专门被配置为执行相应步骤的一个或多个硬件模块、或者由被配置为执行相应步骤的处理器来实现、或者存储在计算机可读介质内用于由处理器来实现、或者通过某种组合来实现。该设备可以利用总线架构来实现。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本方案的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本方案的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。处理器执行上文所描述的各个方法和处理。例如，本方案中的方法实施方式可以被实现为软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储器。在一些实施方式中，软件程序的部分或者全部可以经由存储器和/或通信接口而被载入和/或安装。当软件程序加载到存储器并由处理器执行时，可以执行上文描述的方法中的一个或多个步骤。备选地，在其他实施方式中，处理器可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行上述方法之一。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以具体实现在任何可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像方法，其特征在于，所述方法包括：

S0、成像系统接收合成孔径雷达回波，并进行去调频，得到基带信号；

S1、对所述基带信号进行采样，得到基带的离散数字信号；

S2、将所述离散数字信号分割为两个频带不重叠的子带信号；对所述子带信号中心频率进行偏移以使得两个所述子带信号的中心频率不同；

S3、基于两个所述子带信号，得到三维成像所需的双频图像信号；

S4、基于所述双频图像信号，提取点目标的航过信号；

S5、分别对不同子带信号得到的航过信号进行成像，并对成像结果进行合成，得到叠加成像结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S0中进一步包括：成像系统按照垂直于预设轨道的方向进行移动，使用线性调频连续波作为系统波形。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基带信号为：

其中，为接收信号的幅度，/>为光速，/>表示中心频率波长，/>，/>为发射信号的载波频率，/>为发射信号的时间长度，/>为时间，/>，rect为矩形包络信号，/>为虚数单位，/>表示雷达到目标的距离，/>表示发射信号的调频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中，将所述离散数字信号分割为两个频带不重叠的子带信号进一步包括：

将采样点分割为两个不重叠的部分、/>，/>，N表示采样点数；

基于分割后的采样点得到不重叠的子带信号、/>：

其中，，

，/>为接收信号的幅度，/>为光速，/>为发射信号的载波频率，/>为发射信号的时间长度，/>为时间，，rect为矩形包络信号，/>为线性调频信号的调频率，/>表示雷达到目标的距离，/>表示发射信号的调频率，/>表示虚数单位。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S3进一步包括：

对两个所述子带信号进行傅里叶变换，得到双频图像信号：

其中，表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4中，提取点目标的航过信号的方式为：

确定不同航过的双频图像信号；

对其中的目标点与轨道航过之间距离项进行展开，并舍弃展开后的二阶以上项，再重新代入原双频图像信号中；

去除斜距相位项和二次相位项，得到航过信号；所述航过信号包含不同子带信号得到的多个航过信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述航过信号为：

其中，表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>，/>，/>为光速，/>为发射信号的载波频率，/>为发射信号的时间长度，/>为线性调频信号的调频率，/>为首次航过雷达与目标间的距离，/>为第m次航过与第一次航过的距离，/>为高程向索引，/>表示虚数单位。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5中进一步包括：对S4中得到的航过信号在s向做傅里叶变换，得到叠加成像结果：

其中，为高程向索引，/>为/>取最大值时所对应的/>，/>为首次航过雷达与目标间的距离，/>，/>为光速，/>为发射信号的载波频率，/>为发射信号的时间长度，/>为线性调频信号的调频率，/>表示基线长度，/>表示目标在波长为的频段子带下的散射系数，/>表示目标在波长为/>的频段子带下的散射系数，/>表示辛格函数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

S6、对S5得到的叠加成像结果进行归一化，并对归一化后的结果进行展示。

10.一种基于子带分割合成的多频雷达三维成像系统，其特征在于，所述系统包括：

基带信号模块，用于对成像系统接收到的合成孔径雷达回波进行去调频，得到基带信号；

信号采样模块，用于对所述基带信号进行采样，得到基带的离散数字信号；

子带分割模块，用于将所述离散数字信号分割为两个频带不重叠的子带信号；对所述子带信号中心频率进行偏移以使得两个所述子带信号的中心频率不同；

图像信号变换模块，用于基于两个所述子带信号，得到三维成像所需的双频图像信号；

航过信号提取模块，用于基于所述双频图像信号，提取点目标的航过信号；

成像模块，用于分别对不同子带信号得到的航过信号进行成像，并对成像结果进行合成，得到叠加成像结果。