本申请实施例涉及微波遥感领域，特别涉及一种旋转雷达微变监测数据处理方法和雷达系统。
背景技术：
针对边坡形变的安全监测是指对一定范围内岩体及土体的位移、沉降、滑坡、倾斜或建筑物、构筑物及其地基等形变所进行的测量工作，其监测的主要目的是应用各种测量手段，测定形变体的形状、位置在时域、空域中的变化特征，并解释其发生的原因，了解和掌握灾害的演变过程；目前，采用微波雷达的监测技术是目前主流的监测手段。
目前，国内外现有的微变监测雷达系统的实现方式分为两大类：一是通过轨道运动来合成长孔径天线，二是通过实孔径扫描的方式；通过轨道运动来合成长孔径天线的微变监测雷达系统主要有欧盟综合研究中心(jrc)研制lisa系统、意大利ids公司的ibis—l系统、荷兰fastgbsar系统，雷达主机在线性轨道做线性运动来合成长孔径天线，从而实现方位向的高分辨率，利用雷达主机发射信号实现距离向的分辨率，至此获得了被监测范围的二维图像，根据生成的图像来提取形变的信息对观测区域进行形变监测；通过实孔径扫描来实现微变监测雷达有南非的msr系统、瑞士gamma便携式雷达干涉仪，系统先对边坡面进行分区域的扫描成像，然后将每个区域的扫描监测结果与之前获得的扫描监测数据进行比较，最终提取出形变信息。依靠线性轨道运动来实现微变检测的雷达系统其缺陷主要有两个，一是监测范围只能为线性轨道的正前方区域，对线性轨道斜前方区域监测不到，导致监测范围存在局限性，若想要扩大监测范围，需要多套监测雷达配合监测，这不仅增加应用成本而且由于实际监测范围不规则，多套设备同时监测，导致监测范围可能会重叠，降低设备利用率；二是为监测范围固定不变，导致监测区域的选择不灵活。
申请内容
本申请提供了一种旋转雷达微变监测数据处理方法和雷达系统，能够以简单的配置扩大监测范围。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种数据处理方法，应用于雷达系统，所述雷达系统包括旋转机构，所述旋转机构安装有单天线，所述方法包括：
采集步骤：通过控制所述旋转机构进行旋转，采集所述单天线在接收模式下接收的散射回波，所述散射回波为通过所述单天线在发射模式下发射的发射波经由检测区域散射而形成，所述检测区域与所述旋转机构的轴线的距离大于所述旋转机构的旋转半径；
成像步骤：根据所述散射回波进行成像。
作为优选，所述控制所述旋转机构进行旋转，包括：
根据设定的第一旋转角度来控制所述旋转机构的每次旋转，其中，所述单天线在所述第所述发射模式，并且在所述第一旋转角度的结束时刻处于所一旋转角度的起始位置处于述接收模式。
作为优选，还包括：
设定步骤：接收用户在操作界面上输入的所述第一旋转角度和第二旋转角度，所述第二旋转角度指示在所述采集步骤的每个采集周期中所述旋转机构所旋转的总角度；
在所述操作界面上向用户呈现所述第二旋转角度与所述第一旋转角度的比值n。
作为优选，所述采集步骤还包括：将所述散射回波转换为数字信号；
在每个采集周期的结束时刻，将该采集周期期间所转换的数字信号上传到网络；
所述成像步骤还包括：从所述网络下载所述数字信号并进行本地存储。
作为优选，所述成像步骤包括；根据所述数字信号生成极坐标图像；
通过坐标变换，将所述极坐标图像转化为直角坐标图像，
所述方法还包括：干涉图生成步骤以及形变图生成步骤。
本发明同时提供一种雷达系统，所述雷达系统包括：旋转机构，所述旋转机构安装有单天线，数据处理装置，其包括：
采集模块：通过控制所述旋转机构进行旋转，采集所述单天线在接收模式下接收的散射回波，所述散射回波为通过所述单天线在发射模式下发射的发射波经由检测区域散射而形成，所述检测区域与所述旋转机构的轴线的距离大于所述旋转机构的旋转半径；
成像模块：根据所述散射回波进行成像。
作为优选，所述采集模块具体用于：
根据设定的第一旋转角度来控制所述旋转机构的每次旋转，其中，所述单天线在所述第一旋转角度的起始位置处于所述发射模式，并且在所述第一旋转角度的结束时刻处于所述接收模式。
作为优选，所述数据处理装置还包括：
设定模块：接收用户在操作界面上输入的所述第一旋转角度和第二旋转角度，所述第二旋转角度指示在所述采集步骤的每个采集周期中所述旋转机构所旋转的总角度；
在所述操作界面上向用户呈现所述第二旋转角度与所述第一旋转角度的比值n。
作为优选，所述采集模块还用于：将所述散射回波转换为数字信号；
在每个采集周期的结束时刻，将该采集周期期间所转换的数字信号上传到网络；
所述成像模块还包括：从所述网络下载所述数字信号并进行本地存储。
作为优选，所述成像模块具体用于；根据所述数字信号生成极坐标图像；
通过坐标变换，将所述极坐标图像转化为直角坐标图像，
所述雷达系统还包括：干涉图生成模块以及形变图生成模块。
基于上述实施例的公开可以获知，本申请实施例的旋转雷达微变监测数据处理方法和雷达系统能够通过具有安装有单天线的旋转机构进行监测，由于单天线的配置简单，而旋转机构的监测范围较大，从而实现了更有效地监测。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的数据处理方法的示意性流程图。
图2为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图。
图3为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图。
图4为根据本发明的另一实施例的数据处理方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面，结合附图对本申请的具体实施例进行详细的描述，但不作为本申请的限定。
应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，下述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。
本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。
下面，结合附图详细的说明本申请实施例。
雷达主机系统
雷达主机系统01是微变监测雷达的核心部件，主要完成大带宽电磁波信号快速收发。它主要包括雷达信号源模块011、发射机模块012、接收机模块013、天线014、数字模块015和无线模块016。
由信号源模块011产生脉冲基带信号，信号通过发射机模块012对频率进行调制并产生大功率发射信号，然后通过天线014发射信号，经过一定的延时后，由天线014接收回波信号并经过接收通道传输到013接收机模块进行处理，(天线014通过配置环行器实现收发共用)将接收信号与本振信号进行混频，产生中频信号，中频信号经过放大、滤波、增益控制、相位调节后作为数字模块015的输入信号，将模拟信号转换成数字信号通过无线传输模块016传输到工控机中。
旋转机构
它主要包含旋转平台021和伺服电机022两部分；伺服电机021带动旋转平台旋转，使旋转平台021上的雷达分系统01固定旋转。
控制系统
控制系统03是全系统控制中心，主要完成通过位移信号触发实现机械系统运动来获取数据以及对获取的数据进行处理这两大功能，它包括远程功能路由器031、工控机032、集成电环033、驱动器及控制模块034。
下面具体介绍数据获取过程：用户通过工控机032的运动控制软件输入旋转角度间隔δα和旋转角度mδα，通过远程功能路由器031将信息发送到驱动器及控制模块033并对信息进行解析，然后控制伺服电机022带动旋转平台上的雷达主机旋转一定的角度δα，再由驱动器及控制模块033通过集成电环034触发信号源011，信号源模块011产生脉冲基带信号，信号经过频率搬移将频率上变频至一定波段，信号经发射机模块012和收发天线014发射出去经过一定的延时后作为反射信号，由天线014和接收模块013接收后进入接收通道，与本振信号进行混频，产生中频信号，中频信号经过放大、滤波、增益控制、相位调节后作为数字模块015输入信号，信号最后经过数字模块015处理后通过无线传输模块016传输到远程功能路由器031中，并由它将数据发送到工控机032中存储；接下来执行步骤s4，完成一次观测周期的数据采集。
其他拓展模块
其他拓展模块主要包括系统兼容全站仪、雨量计、应力沉降仪、水准仪、测斜仪、工业相机等相关扩展件，支持气象卫星数据、光学遥感卫星数据、雷达遥感卫星数据和相关机构的测量数据及数据接入。
所有的分系统都进行封装，可抵抗恶劣环境和机械破坏。分系统的框架清洁、平整、无毛刺、无腐蚀斑点。
下面将结合上述的系统来描述数据处理方法。图1为根据本发明的一个实施例的数据处理方法的示意性流程图。图1的数据处理方法100应用于雷达系统，雷达系统包括旋转机构，旋转机构安装有单天线，数据处理方法100包括：
采集步骤110：通过控制旋转机构进行旋转，采集单天线在接收模式下接收的散射回波，散射回波为通过单天线在发射模式下发射的发射波经由检测区域散射而形成，检测区域与旋转机构的轴线的距离大于旋转机构的旋转半径；
成像步骤120：根据散射回波进行成像。
应理解，天线采用单根天线可以通过环形器实现信号收发同置工作方式进行。
本申请实施例的数据处理方法能够通过具有安装有单天线的旋转机构进行监测，由于单天线的配置简单，而旋转机构的监测范围较大，从而实现了更有效地监测。
本发明基于地基旋转微变监测雷达能够扩大监测视野范围，能够实现360°全方位区域监测而且也可以灵活选择监测区域等优点提出一种适合于旋转地基微变监测雷达的数据处理方法，此方法能够实现大范围成像和形变提取的方法。换句话说，旋转式地基微变雷达相对于线性轨道雷达及固定式雷达，优选地，具有监测角度广达到360°，监测面积大，高效率。利用本发明提出的成像方法和微变提取方法能够实现提取物体高精度的形变监测。
根据图1的数据处理方法100，控制旋转机构进行旋转，包括：根据设定的第一旋转角度来控制旋转机构的每次旋转，其中，单天线在第一旋转角度的起始位置处于发射模式，并且在第一旋转角度的结束时刻处于接收模式。
图1的数据处理方法100还包括：设定步骤：接收用户在操作界面上输入的第一旋转角度和第二旋转角度，第二旋转角度指示在采集步骤的每个采集周期中旋转机构所旋转的总角度；在操作界面上向用户呈现第二旋转角度与第一旋转角度的比值n。
根据图1的数据处理方法100，采集步骤还包括：将散射回波转换为数字信号；在每个采集周期的结束时刻，将该采集周期期间所转换的数字信号上传到网络；成像步骤还包括：从网络下载数字信号并进行本地存储。
根据图1的数据处理方法100，成像步骤包括；根据数字信号生成极坐标图像；通过坐标变换，将极坐标图像转化为直角坐标图像；所述方法还包括：干涉图生成步骤以及形变图生成步骤。
换句话说，针对单天线的收发体制，本发明根据不同角度接收到的回波信号来获取一维距离像，利用坐标变换投影映射技术和图像合成技术来实现对观测场景的二维图像的获取，根据序列干涉图生成、大气扰动矫正、滤波、相位解缠绕技术实现形变信息的获取，此过程无需图像配准。
图2为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图。图2的雷达系统200包括：旋转机构210，旋转机构安装有单天线211，数据处理装置220，其包括：
采集模块221：通过控制旋转机构进行旋转，采集单天线在接收模式下接收的散射回波，散射回波为通过单天线在发射模式下发射的发射波经由检测区域散射而形成，检测区域与旋转机构的轴线的距离大于旋转机构的旋转半径；
成像模块222：根据散射回波进行成像。
本申请实施例的雷达系统能够通过具有安装有单天线的旋转机构进行监测，由于单天线的配置简单，而旋转机构的监测范围较大，从而实现了更有效地监测。
根据图2的雷达系统200，采集模块具体用于：根据设定的第一旋转角度来控制旋转机构的每次旋转，其中，单天线在第一旋转角度的起始位置处于发射模式，并且在第一旋转角度的结束时刻处于接收模式。
根据图2的雷达系统200，数据处理装置还包括：设定模块：接收用户在操作界面上输入的第一旋转角度和第二旋转角度，第二旋转角度指示在采集步骤的每个采集周期中旋转机构所旋转的总角度；在操作界面上向用户呈现第二旋转角度与第一旋转角度的比值n。
根据图2的雷达系统200，采集模块还用于：将散射回波转换为数字信号；在每个采集周期的结束时刻，将该采集周期期间所转换的数字信号上传到网络；成像模块还包括：从网络下载数字信号并进行本地存储。
根据图2的雷达系统200，成像模块具体用于；根据数字信号生成极坐标图像；通过坐标变换，将极坐标图像转化为直角坐标图像；所述雷达系统还包括：干涉图生成模块以及形变图生成模块。
图3为根据本发明的另一实施例的雷达系统的示意性框图，即，雷达系统的组成部分，它主要包括雷达主机系统01、旋转机构02、控制系统03、天线014；该雷达设计为脉冲体制雷达，采用天线014来发射线性调频的脉冲信号，雷达主机系统01放置在旋转机构02上，通过对控制系统03来实现对旋转机构02每次以δα的角度间隔旋转，同时带动天线014也围绕着固定点每次旋转δα，当每次旋转完成时，雷达主机系统01产生脉冲信号通过天线014发射，待发射结束时利用环行器切换通道使天线014处于接收状态(旋转过程中控制天线处于接收状态，旋转完成时控制天线处于发送状态)，接收的回波信号通过接收通道进入雷达主机系统01并传输到控制系统03进行存储，对n次旋转所采集的场景回波信号通过成像处理生成二维高分辨雷达图像(n为采集一次回波数据天线旋转次数)，对生成的图像经过干涉处理、大气相位矫正、滤波、相位解缠处理后提取形变信息，对信息进行分析以实现对灾害提前预警的目的；该雷达系统的工作流程如图4所示。图4为根据本发明的另一实施例的数据处理方法的示意性流程图。
该雷达系统具体工作步骤为：
步骤s1：系统初始化，对控制系统03、伺服电机022、雷达分系统01进行上电初始化并检查各个模块是否异常，若正常，执行步骤s2，若不正常，停止工作；(系统安全检测)
步骤s2：系统初始参数设置
步骤s21：测量被测区域的角度范围，用经纬仪来读取被测区域的水平角度范围β0～β1并记录；
步骤s22：调节系统初始角度，操作控制系统03中的工控机032控制软件界面中的“顺时旋转按钮”和“逆时旋转按钮”来调节系统的初始观测角度，使之与被测对象的水平角度β0相同；
步骤s23：设置旋转角度间隔δα和旋转角度nδα(nδα可略大于β0～β1)，用户在工控机的控制界面中手动输入旋转角度间隔δα和旋转角度nδα值，点击启动按钮，启动控制系统03；
步骤s3：雷达回波数据获取，其数据获取的具体步骤为：
步骤s31：初始值设置，设置一个周期t的系统工作变量syswork＝1，该系统工作变量syswork＝1的最大值为n；
步骤s32：回波数据采集，由控制分系统03中的工控机032通过tcp/ip协议向驱动器及控制模块034发送数据包，驱动器及控制模块034对数据包进行解析以驱动伺服电机旋转一个角度间隔δα，当驱动器及控制模块034检测到伺服电机旋转完成后，向集成电环033发送开关信号，并传输到信号源模块011，信号源模块011产生脉冲基带信号并经发射机模块012通过天线014发射脉冲信号str(t)，其信号表达式为：
其中，fc为系统工作频率，t为距离向时间变量，且t∈[-tr/2,tr/2]，tr为信号持续时间，kr为信号调频率，信号带宽为br＝krtr；
待信号发射完毕，利用环行器切换通道使天线014接收回波信号，则天线在旋转角度αn处的场景回波信号的表达式sr(t)为：
式中：c为电磁波传播速度，δk为目标pk的散射系数，rk为目标pk到天线中心的距离，k为场景中的点目标总数，pk点的极坐标为(ρk,θk)其表达式为：
式中：r为天线旋转半径，αn为第n次旋转天线所处的角度，αn＝αn-1+δα；
经接收机模块013对信号进行正交解调处理，处理后的信号表达式为sre(t,αn)：
经数字模块015将模拟信号转换成数字信号并通过无线传输模块016上传到互联网，工控机032从互联网中下载采集的数据并存储此时完成数据的一次采集；
步骤s33：循环迭代，令syswork加1，若syswork<n，则重复步骤s32；若syswork≥n，则系统完成一次观测周期数据的采集，并执行步骤s4；
步骤s4：成像处理，对接收到的回波信号进行处理，即可生成二维sar图像，其成像处理的具体步骤如下：
步骤s41：距离向压缩，将旋转n次采集的回波信号sre(t,αn)(n＝1,2,......n)直接在频域生成匹配滤波器，对其进行匹配滤波处理来实现距离压缩，则距离压缩后的信号sc(t,αn)为：
步骤s42：极坐标图像合成，将距离压缩后信号sc(t,αn)根据
步骤s43：坐标变换，将组合极坐标雷达图像g(r,α)通过坐标变换成直角坐标，则变换后图像为z(x,y):
式中：x0,x1,......xn均为常数，y0,y1,......,yn均为常数；
步骤s5：序列干涉图生成，第一次观测周期t中生成的图像记为z1(x,y)称为主图像，第j个周期t生成的图像记为zj(x,y)称为副图像，将复图像zj(x,y)取共轭与主图像z1(x,y)相乘得到干涉图ij(x,y)为：
步骤s6：大气扰动矫正
步骤s61：获取大气扰动相位，根据大气延迟模型得到不同时刻大气扰动相位误差为：
式中：r为雷达相位中心到目标的距离；n(t)表示折射指数，t1表示第一个观测周期，n(t1)表示t1时刻的折射系数，tj表示第j个观测周期，n(tj)表示tj时刻的折射系数，n(t)的表达式为：
式中：tem为大气干温度，p为干气压，e为水气压；
式中：h为相对湿度，e为标准水气压饱和度；
步骤s62：扰动相位矫正，对步骤s5生成的相位干涉图进行大气相位矫正，矫正后的干涉图
步骤s7：滤波，步骤6经过大气相位矫正后对干涉图像进行圆周中值滤波，滤波后的干涉图
式中：
式中：
步骤s8：相位解缠，对得到滤波后的干涉图像
式中：arg为取相位运算；
步骤s9：形变信息提取，干涉相位图
步骤s10：监测分析与预警，根据地质构造、地层岩性、地形地貌，设定灾害形变阈值q以及灾害形变面积s，应用空间统计法来确定形变位移量dn(x,y)大于形变阈值q的区域并计算其区域面积sn，若sn<s，则不会发生灾害，继续进行下一个周期的数据采集；若sn>s，则利用公式(17)计算灾害区域的形变平均速度
式中：灾害形变区域的横坐标范围为x0～xn，纵坐标范围为y0～yn，n为灾害形变区域的总点数；
然后分别绘制平均速度
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的数据处理方法所应用于的电子设备，可以参考前述产品实施例中的对应描述，在此不再赘述。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。